CN110174943A - 一种低通道轻量化家用型波形调制经皮电刺激仪器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低通道轻量化家用型波形调制经皮电刺激仪器，包括包裹外壳、限位外壳、电极、上层电路板、下层电路板、电源；其特征在于，所述限位外壳位于本发明的最底端，所述下层电路板位于所述限位外壳上方，所述上层电路板位于所述下层电路板上方，所述上层电路板与所述下层电路板之间通过排针和排母进行电路连接，所述包裹外壳位于所述上层电路板上方，所述包裹外壳与所述限位外壳之间通过尼龙柱支撑与固定；所述电极从所述包裹外壳的侧面伸出。本发明实现了电刺激效果的舒适性，用电刺激功能的独立化，电刺激装置硬件的小型化，输出波形的丰富化，参数调节性能的优化，极大的提高了电刺激仪的实用性，户使用的友好性。

Description

一种低通道轻量化家用型波形调制经皮电刺激仪器

技术领域

本发明涉及人机接口领域，尤其涉及一种低通道轻量化家用型波形调制经皮电刺激仪器。

背景技术

在人机接口领域中，经常需要知觉反馈。对知觉反馈有需求的人群通常为假肢使用者，体感游戏开发者，人机接口爱好者等。现有知觉反馈方式多样，植入式知觉反馈方式并不适合日常使用。考虑到家用设备小型化、轻量化、方便使用的要求，显然表面刺激更为适用。表面刺激可以通过振动刺激，机械刺激，电刺激实现。机械刺激与振动刺激由于其设备体积大，功耗高，并不适合便携使用。使用电刺激可以避免这些缺点，同时电刺激编码方式灵活，针对不同用户、不同时期的不同身体状态，可以方便的调节参数获得最合适的知觉反馈。因此，电刺激有颇多优点：易于实现，成本低廉；易于实现小型化；易于集成，可分辨性好；能量转换效率高，功耗低且发热少；和计算机接口实现方便等，为实现日常家用电刺激知觉反馈的最佳选择。

目前表面电刺激多用于刺激肌肉纤维和运动神经实现运动功能康复，即所知的功能性电刺激；与之相对的是经皮神经电刺激，可以用来提供知觉反馈，不过目前多用在实验室中。经皮电刺激常常会产生针刺、发麻的现象，这是由于刺激参数在使用过程中会产生变化。因此，需要通过对电刺激参数的模式编码来提供不同的知觉反馈，即在使用者感到舒适的条件下，通过采取不同的电刺激模式编码来表达不同的触觉感知信号。相比功能性电刺激而言，经皮神经电刺激的幅值更小，需要调节的参数更精细、分辨率要求高。目前一些商用电刺激仪器已经给出了初步的解决方案，例如Compex 刺激器(瑞士，Compex)等等。

现有电刺激器存在如下问题：体积过大，对日常使用而言不够便携；价格昂贵，限制了大众购置能力；输出方式较为单一，多为各种调制的单/双向方波，往往造成输出不舒适感；参数调节范围过大，限制了输出的精度与编码的灵活性。

造成这些问题的原因主要是这些设备多为实验室使用，且集成了表面肌电(sEMG)采集模块。然而对假肢操控，体感游戏开发等诸多使用条件下，表面肌电信号越来越不是唯一的选择，因此没有必要与电刺激功能集成在同一仪器中。这一模块的减少不仅可以大大提高了设备的便携性，而且将设备的研究重点转移到输出的调制上，可以提供更加丰富舒适的知觉反馈。

因此，本领域的技术人员致力于开发一种低通道轻量化家用型波形调制经皮电刺激仪器，这种经皮电刺激仪器需要有良好的便携性、实用性。能够输出多种波形以改善知觉感受。缩小参数的调节范围，以增加调节精度。将重心放在设备的便携性和输出的舒适性上。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是传统电刺激器缺少便携性，使用不便；输出波形单一，知觉感受不舒适；参数调节范围过大，精度不高；价格昂贵，不适合家用或集成的问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种低通道轻量化家用型波形调制经皮电刺激仪器，包括包裹外壳、限位外壳、电极、上层电路板、下层电路板、电源；所述限位外壳位于本发明的最底端，所述下层电路板位于所述限位外壳上方，所述上层电路板位于所述下层电路板上方，所述上层电路板与所述下层电路板之间通过排针和排母进行电路连接，所述包裹外壳位于所述上层电路板上方，所述包裹外壳与所述限位外壳之间通过尼龙柱支撑与固定；所述电极从所述包裹外壳的侧面伸出。

进一步地，所述数字控制模块中设置有变脉宽方波输出程序和频率幅值可调的正弦波输出程序，所述变脉宽方波输出程序周期性地改变脉宽，以实现经皮电刺激的节奏及规律不同；所述数字控制模块在所述变脉宽方波输出程序和所述正弦波输出程序之间择一输出。

进一步地，所述变脉宽方波输出程序周期性地改变脉宽可调的脉宽变化周期为1-60倍方波周期。

进一步地，所述上层电路板上，设置有通道选择模块、数字控制模块与恒流源输出模块；所述恒流源输出模块与所述电极相连接，将所述数字控制模块输出的数字- 模拟电压转化的恒定电流从所述电极输出；所述通道选择模块与所述数字控制模块相连，并受到所述数字控制模块的控制。

进一步地，所述恒流源输出模块包括同相比例放大电路，所述同相比例放大电路与所述数字控制模块相连，将所述数字控制模块输出的模拟电压放大至可被所述恒流源电路分辨的值。

进一步地，所述恒流源输出模块包括恒流源电路；所述恒流源电路与所述同相比例放大电路相连，根据所述同相比例放大电路提供的电压，提供恒定电流输出。

进一步地，所述恒流源输出模块包括恒流源输出电压选通电路以及上拉电压选通电路；所述恒流源输出电压选通电路以及所述上拉电压选通电路与所述数字控制电路相连，通过两组独立的脉冲宽度调制信号分别控制所述恒流源输出电压选通电路以及所述上拉电压选通电路，实现输出电流安全以及输出脉冲宽度的可调性。

进一步地，所述电极的数量为一至四个，所述通道选择模块可在所述数字控制模块的控制下，切换输出的所述电极。

进一步地，所述下层电路板上设置有电源管理模块，所述电源管理模块与所述电源相连，将所述电源提供的电压，调整至五个不同的电压值。

进一步地，所述包裹外壳与所述限位外壳之间，采用可拆卸尼龙柱的连接方式。

本发明能够解决传统电刺激器缺少便携性，使用不便的问题。且能够输出多种波形以改善知觉感受。缩小参数的调节范围，以增加调节精度。

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

附图说明

图1是本发明的一个较佳实施例的内部上层电路板的示意图；

图2是本发明的一个较佳实施例的内部下层电路板及电源的示意图；

图3是本发明的一个较佳实施例的限位外壳的示意图。

其中，1-电极连接口；2-包裹外壳；3-尼龙柱；4-限位外壳；5-通道选择模块；6- 恒流源电路；7-选通电路；8-同相比例放大电路；9-数字控制模块；10-蓝牙通信模块； 11-上层电路板；12-3.7至5V升压电路；13-下层电路板；14-排母；15-排针；16-5至 3.3V降压电路；17-5至40V升压电路；18-5至12V升压电路；19-12至24V升压电路；20-电源；21-尼龙柱限位底板；22-电池限位卡口。

具体实施方式

以下参考说明书附图介绍本发明的一个优选实施例，使其技术内容更加清楚和便于理解。本发明可以通过许多不同形式的实施例来得以体现，本发明的保护范围并非仅限于文中提到的实施例。

在附图中，结构相同的部件以相同数字标号表示，各处结构或功能相似的组件以相似数字标号表示。附图所示的每一组件的尺寸和厚度是任意示出的，本发明并没有限定每个组件的尺寸和厚度。为了使图示更清晰，附图中有些地方适当夸大了部件的厚度。

如图1与图2所示，为本发明的一个较佳实施例的内部上层电路板11、下层电路板13及电源20的示意图。其中，包裹外壳2位于本实施例的最顶部(图1及图2所示为本装置翻过来看的内部图)。包裹外壳2的侧面有4个电极连接口1，4个电极从这4个电极连接口1伸出。电极的输出通道，通过数字控制模块9及通道选择模块5 独立配置，可以单通道输出电刺激信号，也可以4个电极连接口1同时输出。在本实施例中，电极采用适配于3.5mm电极连接口的湿电极。

限位外壳4内表面固定有一块锂电池作为电源20，锂电池提供3.7V的电压。下层电路板13位于限位外壳4上方。在下层电路版13上还设置有电源管理模块。电源管理模块与锂电池直接相连，以锂电池提供的3.7V为输入，提供各种电压输出，是本实施例实现小型化、可便携的重要组成部分。其中包括：3.7至5V升压电路12、5至 3.3V降压电路16、5至12V升压电路18、5至40V升压电路17和12至24V升压电路19。其中，3.3V用于数字控制模块9的供电电压、40V用于选通电路7、24V用于同相比例放大电路8的运放工作供电电压。

上层电路板11位于下层电路板13之上，两层电路板之间通过排针15以及排母 14进行电路连接。上层电路板11上设置有通道选择模块5、数字控制模块9、蓝牙通信模块10与恒流源输出模块。其中，数字控制模块9为一块单片机及外围电路，完成输出的配置工作。蓝牙通信模块10用于通过手机或者主机其他外部设备与本发明通信。通道选择模块5受数字控制模块9支配，选通电极的输出通道。恒流源输出模块包括同相比例放大电路8、恒流源电路6、选通电路7；选通电路7包括恒流源输出电压选通电路与上拉电压选通电路，选通电路7的工作电压为40V，由5至40V升压电路17提供。同相比例放大电路8的工作电压为24V，由12至24V升压电路19提供。恒流源输出模块与所述电极相连；所述恒流源输出模块受数字控制模块9支配，将数字控制模块9输出的DAC电压转化为恒定电流，通过恒流源输出电压选通电路与上拉电压选通电路控制，经电极连接口1的所述电极输出。

本实施例的电路板采用上下层布局，区分数字地和模拟地，因而电源管理模块布置在下层电路板13上，其他所有电路模块化的布置在上层电路板11上。

数字控制模块9的工作电压为3.3V，由5至3.3V降压电路16提供工作电压。数字控制模块9的片上程序包括主程序、系统配置程序、引脚配置程序、蓝牙模块配置程序、串口配置程序、PWM(脉宽调制)配置程序、可变脉宽方波输出程序、正弦波输出程序。其中，主程序被设置为调用其他程序完成配置。系统配置程序被配置为初始化硬件系统并提供编程的基础；引脚配置程序用于配置所有用到的引脚，并对引脚功能进行定义；蓝牙模块配置程序用于配置蓝牙通信模块10，负责蓝牙通信模块10 与上位机之间的通信；串口配置程序用于配置数字控制模块9的串口，负责蓝牙通信模块10与数字控制模块9之间的通信，同时对蓝牙通信模块10接受的信号进行解码，实现通过上位机配置输出的功能；PWM配置程序用于配置PWM的时序，负责控制输出波形的脉宽与频率；可变脉宽方波输出程序用于设置方波的脉宽、频率、幅值参数，输出对应恒流源信号；正弦波输出程序用于设置频率、幅值参数，输出对应恒流源信号。主程序依次调用这些子程序，最后在变脉宽方波输出程序和正弦波输出程序中选择一个调用，完成电刺激信号输出。本实施例中，在频率、幅值、脉宽可调方波输出的基础上，调制一组PWM，使其占空比按指定数表周期性变化，控制输出脉宽，即可周期性地改变脉宽，可以带来有节奏、有规律的按压感受。可调的脉宽变化周期在 1-60倍方波周期范围。

本实施例的外壳同样做了紧凑型设计，并为给电路板提供安全可靠的支撑与保护，同时提供了电池的固定。外壳包括两部分：包裹外壳2、限位外壳4，通过尼龙柱3 连接固定。

包裹外壳2为塑料材质，对电路板提供了主要的保护，留出电极接口开孔1。

限位外壳4同样为塑料材质，补充了整体外壳，构成盒形保护，同时提供了用于固定及型电源20位置的电池限位卡口22、尼龙柱限位底板21，完成内部部件的限位，如图3所示。

为了便于控制，本实施例还设置了图形化用户界面(GUI)以实现对设备的控制，包括开始、停止、连接、复位、暂停、刷新按钮，波形选择、通道选择单选框，输出参数设置栏。各部分功能如名字所示。

本实施例的具体技术指标如下：

(1)电刺激仪小型化、轻量化；

(2)输出电流频率可调，范围0-120Hz，分辨率1Hz；

(3)输出电流脉宽，即一个周期内电流持续时间，可调，分辨率达到10us；

(4)输出电流幅值可调，范围0-12mA，分辨率达到50uA；

(5)恒流源输出，可选择脉宽可变的方波或正弦波输出；

(6)输出通道数量为4个，可以同时进行不同的输出；

(7)Bluetooth 4.0通信，在线实时调节输出参数；

(8)图形化用户界面，可以通过个人电脑或智能手机控制。

相对于现有的电刺激仪，本发明实现了电刺激效果的舒适性，电刺激功能的独立化，电刺激装置硬件的小型化，输出波形的丰富化，参数调节性能的优化，极大的提高了电刺激仪的实用性，用户使用的友好性。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种低通道轻量化家用型波形调制经皮电刺激仪器，包括包裹外壳、限位外壳、电极、上层电路板、下层电路板、电源；其特征在于，所述限位外壳位于本发明的最底端，所述下层电路板位于所述限位外壳上方，所述上层电路板位于所述下层电路板上方，所述上层电路板与所述下层电路板之间通过排针和排母进行电路连接，所述包裹外壳位于所述上层电路板上方，所述包裹外壳与所述限位外壳之间通过尼龙柱支撑与固定；所述电极从所述包裹外壳的侧面伸出。

2.如权利要求1所述的低通道轻量化家用型波形调制经皮电刺激仪器，其特征在于，所述数字控制模块中设置有变脉宽方波输出程序和频率幅值可调的正弦波输出程序，所述变脉宽方波输出程序周期性地改变脉宽，以实现经皮电刺激的节奏及规律不同；所述数字控制模块在所述变脉宽方波输出程序和所述正弦波输出程序之间择一输出。

3.如权利要求2所述的低通道轻量化家用型波形调制经皮电刺激仪器，其特征在于，所述变脉宽方波输出程序周期性地改变脉宽可调的脉宽变化周期为1-60倍方波周期。

4.如权利要求1所述的低通道轻量化家用型波形调制经皮电刺激仪器，其特征在于，所述上层电路板上，设置有通道选择模块、数字控制模块与恒流源输出模块；所述恒流源输出模块与所述电极相连接，将所述数字控制模块输出的数字-模拟电压转化的恒定电流从所述电极输出；所述通道选择模块与所述数字控制模块相连，并受到所述数字控制模块的控制。

5.如权利要求4所述的低通道轻量化家用型波形调制经皮电刺激仪器，其特征在于，所述恒流源输出模块包括同相比例放大电路，所述同相比例放大电路与所述数字控制模块相连，将所述数字控制模块输出的模拟电压放大至可被所述恒流源电路分辨的值。

6.如权利要求5所述的低通道轻量化家用型波形调制经皮电刺激仪器，其特征在于，所述恒流源输出模块包括恒流源电路；所述恒流源电路与所述同相比例放大电路相连，根据所述同相比例放大电路提供的电压，提供恒定电流输出。

7.如权利要求6所述的低通道轻量化家用型波形调制经皮电刺激仪器，其特征在于，所述恒流源输出模块包括恒流源输出电压选通电路以及上拉电压选通电路；所述恒流源输出电压选通电路以及所述上拉电压选通电路与所述数字控制电路相连，通过两组独立的脉冲宽度调制信号分别控制所述恒流源输出电压选通电路以及所述上拉电压选通电路，实现输出电流安全以及输出脉冲宽度的可调性。

8.如权利要求1所述的低通道轻量化家用型波形调制经皮电刺激仪器，其特征在于，所述电极的数量为一至四个，所述通道选择模块可在所述数字控制模块的控制下，切换输出的所述电极。

9.如权利要求1所述的低通道轻量化家用型波形调制经皮电刺激仪器，其特征在于，所述下层电路板上设置有电源管理模块，所述电源管理模块与所述电源相连，将所述电源提供的电压，调整至五个不同的电压值。

10.如权利要求1所述的低通道轻量化家用型波形调制经皮电刺激仪器，其特征在于，所述包裹外壳与所述限位外壳之间，采用可拆卸尼龙柱的连接方式。