CN109976199A - 一种信号发生装置以及具有信号发生装置的设备 - Google Patents
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Abstract
本发明适用于生物医学工程领域，提供了一种信号发生装置以及具有信号发生装置的设备，该信号发生装置包括：脉冲信号参数输入接口，用于接收外部输入的脉冲信号参数；脉冲信号发生单元，根据所述脉冲信号参数生成脉冲信号与恒流控制电压；单双极性信号切换单元，根据所述脉冲信号产生单极性或双极性信号，并输出；以及恒流源，根据所述恒流控制电压控制所述单双极性信号单元输出电流的大小。本信号发生装置可以对外输出极性交替变化的更高频率电刺激信号，实现电荷中和，降低刺激阈值，更深入作用到视觉系统，诱发视皮层响应，并避免长时间使用造成灼伤，使整个装置更加安全，使用户得到更好的使用体验。
Description
技术领域
本发明属于生物医学工程技术领域，尤其涉及一种信号发生装置以及具有信号发生装置的设备。
背景技术
人类对外在世界的认识约90％的信息是通过视觉提供，正常完整的视觉是这样产生的：眼睛的光学系统将外界的物体成像在视网膜上，视网膜上的感光细胞将图像信号转换为生物电信号，然后经细胞神经网络进行初步处理后由视觉神经纤维传导到大脑视皮层，大脑视皮层对获得的生物电信号进行再次处理并感知产生视觉。视觉通路的任何一个环节受到损伤或病变都会导致严重的视觉问题，例如：视网膜色素变性，黄斑病变，低视力，重度弱视等。
研究发现通过对人体的视觉系统进行电刺激，使视皮层产生类似光刺激视网膜引发的兴奋，能诱发有效的光幻视，为治疗上述视觉问题带来了希望。但是，现有植入性方案的电刺激信号发生设备主要输出低频段单一极性的电刺激，受制约因素较多，存在电灼伤等诸多问题，还需相当长的时间，才能进入临床应用。
发明内容
本发明实施例提供一种信号发生装置，旨在产生单/双极性刺激信号。
本发明实施例是这样实现的，一种信号发生装置，其特征在于，所述信号发生装置包括：
脉冲信号输入接口，用于接收外部输入的脉冲信号参数；
脉冲信号发生单元，根据所述脉冲信号参数生成脉冲信号与恒流控制电压；
单双极性信号切换单元，根据所述脉冲信号产生单极性或双极性信号，并输出；
恒流源，根据所述恒流控制电压控制所述单双极性信号单元输出电流的大小。
本发明还提供了一种具有信号发生装置的设备，所述设备包括：
信号发生装置，所述信号发生装置如上所述；
脉冲信号输入装置，用于向所述信号发生装置输入脉冲信号参数；
电极，可与所述信号发生装置相接，输出电刺激。
本发明提供的信号发生装置，脉冲信号发生单元可根据外部输入的脉冲参数形成相应的脉冲信号和恒流控制电压，其中恒流控制电压可控制恒流源形成恒定的电流刺激信号，脉冲信号可控制单双极性切换单元，以生成单/双极性电刺激信号，可以实现电荷中和，降低刺激阈值，避免长时间使用造成灼伤等问题。并能实现电刺激的极性、频率可调，以及输出电流大小恒定，进而取得更好的光幻视效果。
附图说明
图1是本发明实施例提供的信号发生装置的功能模块图；
图2是本发明实施例提供的H桥以及恒流单元的电路图；
图3是本发明实施例提供的一种脉冲信号发生单元的功能模块图；
图4是本发明实施例提供的信号发生装置的设备的功能模块图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明提供的信号发生装置通过脉冲信号发生单元、单双极性切换单元以及恒流源的配合使用，使信号发生装置产生的电刺激可以以不同的极性、频率、恒定电流对外输出。
以下结合具体实施例对本发明的具体实现进行详细描述。
如图1所示，在本发明提供的实施例中，该信号发生装置包括：
脉冲信号参数输入接口，用于接收外部入的脉冲信号参数，如脉冲信号的频率、脉冲信号的幅度、脉冲信号的持续时间、脉冲串的时间间隔、极性控制信号以及信号的占空比等；
脉冲信号发生单元，根据脉冲信号参数生成脉冲信号与恒流控制电压，脉冲信号包括有单频率信号、单极性信号(包括正负两种极性信号)、双极性信号、调制信号以及脉冲串信号等；
单双极性信号切换单元，根据脉冲信号产生单极性或双极性信号，并输出；
恒流源，根据恒流控制电压控制单双极性信号单元输出电流的大小，即恒流控制电压为恒流源的基准电压。
在本实施例中，信号发生装置产生的电刺激信号(即单极性或双极性信号)可用于刺激人的视觉系统，使人产生光幻视，可快速有效检查(EEP)和治疗视觉问题。信号发生装置可根据用户输入的脉冲参数形成相应的脉冲信号(用于控制电刺激信号的单/双极性以及频率等)和恒流控制电压(用于控制点刺激信号的电流大小等)，使信号发生装置产生的电刺激可以以不同的极性、频率对外输出，提高对弱视、低视力等视觉问题的治疗效果。通过单双极性信号切换单元，可以对根据预先设定参数外输出极性交替变化的电刺激信号，可以实现电荷中和，避免长时间使用造成灼伤以及其他可能的伤害，使整个装置更加安全，使用户得到更好的使用体验。此外，由于不同患者(或其它受体，下同)的阻抗大小不同，为了得到更好的效果，在本实施例中，通过恒流源使通过人体的电流恒定，保证电刺激的效果。双极性信号较单极性信号能在较低刺激电流强度下诱发出视觉皮层响应。
在本发明提供的实施例中，脉冲信号发生单元包括：信号处理模块，用于接收脉冲信号参数，并可生成脉冲信号；电路模块，可根据数字信号或脉冲信号形成恒流控制电压，其中，数字信号可由信号处理模块直接生成。
具体的，信号处理模块包括FPGA(Field－Programmable Gate Array，即现场可编程门阵列)、DSP(即DSC芯片，其中DSP：Digital Signal Processing，即数字信号处理)、MCU(Microcontroller Unit，即微控制单元)与PGA(Pmgrammable Gain Amplifier，即可编程增益放大器)的组合或者其他嵌入式处理器(如ARM、专用处理器)等；电路模块包括DAC(Digital to analog converter，即一种将数字信号转换为模拟信号的设备)或者数字电位器。脉冲信号发生单元可以是FPGA和DAC二者的组合，其中FPGA可根据输入的脉冲参数产生输出信号的控制信号(如，单/双极性控制信号、频率控制信号等)、恒流控制电压对应的数字量等，DAC可根据FPGA产生的恒流控制电压对应的数字量生成并输出恒流控制电压。此外脉冲信号发生单元也可以是MCU、FPGA以及DAC三者的组合当然脉冲信号发生单元还可以是DSP与DAC的组合或者嵌入式处理器与DAC的组合，它们的功能作用相似，本发明在此不做过多说明。另外，在本实施例中，脉冲信号发生单元的各不同组合方式均可为一封装于一体的芯片。
在本实施例中，单双极性信号切换单元包括：H桥极性转换模块；H桥极性转换模块的控制端与脉冲信号发生单元相接；H桥极性转换模块的输入端与恒流源相接；H桥极性转换模块的输出端口可与电极相接对外输出。如图2所示，H桥极性转换模块具有一H桥电路，以脉冲信号发生单元是FPGA和DAC的组合为例，FPGA产生的脉冲信号可以控制四个三极管的导通状态，不仅可将电压+VCC加于电刺激输出端口1和电刺激输出端口2，还能使两个输出端的正负极性发生改变，此外，以及脉冲信号还可控制四个三极管的状态变换频率，从而改变电刺激的频率。其中，+VCC可以是由一设置在信号发生装置内的开关电源将市电转换而来。
具体的，通过FPGA产生的脉冲信号控制四个三极管的通/断状态：三极管Q1和三极管Q3导通，三极管Q2和三极管Q3断开，此时输出一种极性状态；三极管Q1和三极管Q3断开，三极管Q2和三极管Q3导通，输出为另一种相反的极性状态，从而使从电刺激输出端1和电刺激输出端2的极性发生改变，另外通过控制三极管的导通频率，便可改变输出刺激信号的频率。当H桥导通后，DAC转换得到的恒流控制电压作为基准电压信号，并利用运算放大器恒流源原理，可使通过三极管Q5的电流处于恒定值，则从电刺激输出端1和电刺激输出端2对人体输出点刺激，并构成回路时，回路中的电流恒定，当然通过调整输入的脉冲参数，改变恒流控制电压的大小可以调节通过人体的电流大小。
医学上把频率1000Hz以下的脉冲电信号称作低频电信号或低频脉冲信号，1000Hz-100kHz为中频电信号，100kHz以上为高频电信号。另外，在医学上，电刺激可分为植入式和非植入式，当采用植入式电极时，低频电信号便能使患者产生光幻视效果，但是当采用非植入式电极时，低频电信号还不能有效满足患者(或医学实验)对光幻视效果的需求。在实际使用过程中，开关频率在设定阈值(如7000HZ)以下H桥可以进行正常通/断工作，当频率超过设定阈值(如7000HZ)时，H桥不能正常完成导通/关闭的工作，无法实现对输出电刺激频率的控制，为了解决这一问题，增强本信号发生装置的适用性，如图2所示，在本发明提供的实施例中，信号发生装置还包括：电子开关S，电子开关S与脉冲信号发生单元和恒流源相接，可在脉冲信号的频率低于设定阈值时，保持导通；并可在脉冲信号的频率高于设定阈值时，由脉冲发生单元控制通断。具体的，电子开关S的控制端与信号处理模块相接，输入端与电路模块相接，输出端与恒流源相接，该设定阈值可以是7000HZ，当频率超过7000HZ时，可以通过控制单元使H桥一直导通，并通过控制电子开关的通/断来实现电刺激信号处于高频变化中，使信号发生装置可以很稳定、很准确的产生各种频率波形，通过电子开关，可以使信号发生装置生成更高频率的双向电刺激信号，利于电刺激信号更深入作用于视觉系统，使采用非植入式电极时也能取得好的光幻视效果。
由上可知DAC主要用于生成基准电压，从而调节恒定电流的大小，所以在本发明提供的另一实施例中，DAC可以采用一数字电位器代替，电压源(也可由上述的开关电源转换而来)可以直接通过数字电位器调节后作为基准电压输出至恒流单元，FPGA产生的恒流控制电压的数字量可以直接被数字电位器识别，并以此对该电压源进行调节，从而对恒流源输出相应的基准电压。
本发明提供的实施例中，信号发生装置还设有反馈单元，信号反馈单元的一端与脉冲信号发生单元的输出端相接，另一端与脉冲信号发生单元的输入端相接。信号反馈单元可以是一反馈信号线，即脉冲信号发生单元的输出端引出一反馈信号线至脉冲信号发生单元的输入端，当实际输出的脉冲信号与脉冲信号发生单元接收到的脉冲参数存在偏差时，可进行自动修正调节，使实际输出值达到输入的脉冲参数值。此外，通过反馈单元还可以使信号发生装置进行自检：当向信号发生装置输入脉冲参数信号后，脉冲信号发生单元的输入端未得到从脉冲信号发生单元输出端反馈的信号，或者得到的反馈信号与脉冲信号发生单元接收到的脉冲参数信号偏差较大(脉冲信号发生单元预存有允许偏差的范围)，则认为信号发生装置出错不能正常使用，进一步的可在信号发生装置上设置显示单元或者语音输出单元等输出装置，以将报错信号输出给用户。
在本发明提供的实施例中，信号发生装置还设有用于测试阻抗的测试单元，便于根据患者的阻抗大小设置相对应的脉冲参数，使患者的使用更加安全，且能获取更好的光幻视效果。脉冲发生单元预存有一人体阻抗的基准值，一般情况下，脉冲发生单元将用户输入的脉冲参信号数转化为脉冲信号与恒流控制电压都是基于该基准值，当设备设有阻抗测试单元后，脉冲发生单元就可接收阻抗检测单元的检测值，并将该检测值与预存值进行对比，然后根据对比的结果(大于预存值、等于预存值或者小于预存值)对接收到的脉冲信号参数进行相应的调整，然后对人体输出合适的电刺激信号。比如，采用非植入电极时，主要是根据患者皮肤的阻抗，来检查是否已充分导电和调整相应输出电流，使用户得到更好的使用体验。
可以理解的，信号发生装置也可以将阻抗单元的检测值通过数字显示、语音输出等方式输出给用户，以便用户自行调整输入的脉冲信号参数。
本发明还提供了一种具有信号发生装置的设备，该设备包括：
信号发生装置中，该信号发生装置如上述实施例所述，本实施例在此不做重复说明；脉冲信号输入装置，用于向信号发生装置输入脉冲信号参数；以及电极，可与信号发生装置相接，输出电刺激。在本实施例中，该设备可以根据用户的设定，向患者输出不同频率、极性以及电流大小的电刺激信号，使患者产生更好的光幻视效果。
在本实施例中，脉冲信号输入装置可为上位机，如电脑等，直接通过通讯线接在信号发生装置的脉冲信号参数输入接口，脉冲信号输入装置也可以直接为一与信号发生装置相接的键盘，脉冲信号输入装置还可以是以无线方式与信号发生装置相接的设备。比如，利用移动终端通过蓝牙、WIFI、ZigBee等方式与脉冲信号发生装置直接通信相接，可以理解的，此时本设备还设有无线通信装置。
在本发明提供的实施例中，脉冲信号输入装置包括有触摸屏，可以根据用户在触摸屏上画出的波形或若干个相位点自动生成脉冲参数，更利于实验探索更化的光幻视生成方案。
在本发明提供的实施例中，脉冲信号输入装置的输入界面包括若干个参数输入框，如脉冲信号的频率、脉冲信号的幅度、脉冲信号的持续时间、脉冲串的时间间隔以及极性控制信号等，用户可在各输入框输入相应的参数，便于实验操作，有利于探索更优的光幻视生成方案。
进一步的，在本发明提供的实施例中，脉冲信号输入装置内预存有若干组脉冲参数，每一组参数都可以对应一种方案，使用时，用户可以根据所需的方案直接选择，无需记忆输入该方案的各项参数，操作简单方便，给用户带来更好的使用体验，具体的本设备上设置有不同的功能按键，每个功能按键可以对应一种方案。
在本发明提供的实施例中，电极包括植入式电极和非植入式电极。非植入式电极可以为常见的贴片式电极、手持式电极也可以是穿戴式电极，比如在类似眼镜框架的结构上设置电极，这样可以满足不同患者的需求。此外，电极可拆卸地安装于信号发生装置的电刺激输出端口1和电刺激输出端口2，更加方便用户的使用。作为优选的，在本发明提供的实施例中，上述的贴片式电极、手持式电极、穿戴式电极为单/多触点电极。单触点电极诱发的视皮层响应空间分布范围随电流增大而增加，具有一致性和稳定性；多触点电极能够诱发出沿刺激位点视野分布的光幻视响应，具有一定的空间对应性；可根据需要组合使用，以增强电刺激效果。进一步的，本设备还设有控制触点电极开闭的控制装置，以便针对不同的患者需求选择不同的电极触点或不同个数的电极触点进行电刺激。
综上所述，本发明提供的信号发生装置通过脉冲信号发生单元、单双极性切换单元以及恒流源的配合使用，使信号发生装置产生的电刺激可以以不同的极性、频率、恒定电流对外输出，提高了效果，同时，本信号发生装置还包含有电子开关，使本信号发生装置可以输出高频的电刺激信号。此外本发明还提供了一种具有信号发生装置的设备，该设备使用了上述的信号发生装置，使得本设备可以输出不同频率、极性以及电流大小的电刺激，提高光幻视效果。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (13)
1.一种信号发生装置，其特征在于，所述信号发生装置包括：
脉冲信号参数输入接口，用于接收外部输入的脉冲信号参数；
脉冲信号发生单元，根据所述脉冲信号参数生成脉冲信号与恒流控制电压；
单双极性信号切换单元，根据所述脉冲信号产生单极性或双极性信号，并输出；以及
恒流源，根据所述恒流控制电压控制所述单双极性信号单元输出电流的大小。
2.如权利要求1所述的信号发生装置，其特征在于，所述脉冲信号发生单元包括：
信号处理模块，可接收所述脉冲信号参数，生成所述脉冲信号，以及所述恒流控制电压对应的数字量；
电路模块，可根据所述数字信号生成并输出所述恒流控制电压。
3.如权利要求2所述的信号发生装置，其特征在于，所述信号处理模块为MCU与PGA的组合、FPGA、DSP或者其他嵌入式处理器中的一者；
所述电路模块为DAC或者数字电位器。
4.如权利要求1所述的信号发生装置，其特征在于，所述单双极性信号切换单元包括：H桥极性转换模块；
所述H桥极性转换模块的控制端与所述脉冲信号发生单元相接；
所述H桥极性转换模块的输入端与所述恒流源相接；
所述H桥极性转换模块的输出端口可与电极相接对外输出。
5.如权利要求1所述的信号发生装置，其特征在于，所述信号发生装置还包括：电子开关，与所述脉冲信号发生单元和所述恒流源相接，可在所述脉冲信号的频率低于设定阈值时，保持导通；并可在所述脉冲信号的频率高于所述设定阈值时，由所述脉冲信号发生单元控制通断。
6.如权利要求1所述的信号发生装置，其特征在于，所述信号发生装置还包括一信号反馈单元，所述信号反馈单元的一端与所述脉冲信号发生单元的输出端相接，另一端与所述脉冲信号发生单元的输入端相接。
7.如权利要求1所述的信号发生装置，其特征在于，所述信号发生装置还包括用于测试阻抗的阻抗测试单元。
8.一种具有信号发生装置的设备，其特征在于，所述设备包括：
信号发生装置，所述信号发生装置如权利要求1～7任意一项所述；
脉冲信号输入装置，用于向所述信号发生装置输入脉冲信号参数；以及
电极，可与所述信号发生装置相接，输出电刺激。
9.如权利要求8所述的具有信号发生装置的设备，其特征在于，所述脉冲信号输入装置包括上位机、键盘或其他以有线/无线方式与所述信号发生装置相接的设备。
10.如权利要求8所述的具有信号发生装置的设备，其特征在于，所述脉冲信号输入装置具有触摸屏，可根据在所述触摸屏上画出的波形或若干个相位点自动生成所述脉冲信号参数。
11.如权利要求8所述的具有信号发生装置的设备，其特征在于，所述电极包括植入式电极与非植入式电极。
12.如权利要求11所述的具有信号发生装置的设备，其特征在于，所述非植入式电极为贴片式电极、手持式电极或穿戴式电极。
13.如权利要求12所述的具有信号发生装置的设备，其特征在于，所述贴片式电极、手持式电极、穿戴式电极为单/多触点电极。
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