CN110597340A - 一种用于电刺激治疗的双向恒流脉冲驱动系统 - Google Patents

一种用于电刺激治疗的双向恒流脉冲驱动系统 Download PDF

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Abstract

本发明属于医疗系统领域，尤其是一种用于电刺激治疗的双向恒流脉冲驱动系统，针对现有的可支持的人体负载范围较窄，且脉宽频率无法实时精确精细调节的问题，现提出如下解决方案，包括FPGA主体和双向恒流脉冲驱动单元，所述FPGA主体内部分别设有通信接口、用户参数寄存器、控制命令传输模块、脉冲驱动模块、模数转换器和状态监控模块。通过设有FPGA主体和双向恒流脉冲驱动单元，快速的实现脉冲电流的形成和传输，同时增加高压恒流二极管后和高压MOS管的共同作用下，双向脉冲恒流驱动单元可以支持高至80mA乃至上百mA电流，并保证脉冲信号波形的完好，同时可支持人体阻抗范围高达0~2000Ω，并且可实时调节脉冲宽度为纳秒级别，脉宽精确控制、脉宽实时调节。

Description

一种用于电刺激治疗的双向恒流脉冲驱动系统
技术领域
本发明医疗系统领域，尤其涉及一种用于电刺激治疗的双向恒流脉冲驱动系统。
背景技术
电刺激治疗，是一种医疗手段。电刺激治疗适用于癔症性瘫痪，电刺激治疗是利用一定强度的脉冲电流，通过预先设定的程序来刺激一组或多组肌肉，诱发肌肉运动或模拟正常的自主运动，以达到改善或恢复被刺激肌肉或肌群功能的目的。
在应用于人体的电刺激治疗系统中，需要通过电极向人体负载发射电脉冲以进行治疗。电刺激时人体阻抗会发生变化，经过实验证明双向恒流脉冲可以达到较理想效果。而为了达到脉冲对人体刺激的高度可控，需要恒流脉冲宽度可精确调节。当前市面上常见的电刺激系统电流较小，可支持的人体负载范围较窄，且脉宽频率无法实时精确精细调节。
发明内容
本发明提出的一种用于电刺激治疗的双向恒流脉冲驱动系统，解决了市面上常见的电刺激系统电流较小，可支持的人体负载范围较窄，且脉宽频率无法实时精确精细调节的问题。
为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
一种用于电刺激治疗的双向恒流脉冲驱动系统，包括FPGA主体和双向恒流脉冲驱动单元，所述FPGA主体内部分别设有通信接口、用户参数寄存器、控制命令传输模块、脉冲驱动模块、模数转换器和状态监控模块，所述通信接口外侧通过传输电路连接有处理器，所述脉冲驱动模块与双向恒流脉冲驱动单元通过驱动电路连通，所述双向恒流脉冲驱动单元外侧通过传输电路连接有人体治疗终端；
所述通信接口与处理器相互连通，所述通信接口输出端设置为用户参数寄存器，所述用户参数寄存器输出端设置为控制命令传输模块，所述控制命令传输模块输出设置为脉冲驱动模块，所述双向恒流脉冲驱动单元通过转化电路与模数转换器连通，所述模数转换器输出端设置为状态监控模块，所述状态监控模块输出端分别设有通信接口和控制命令传输模块。
优选的，所述FPGA主体内部传输电路设置为时序电路，所述通信接口、用户参数寄存器、控制命令传输模块、脉冲驱动模块、模数转换器和状态监控模块均在时序电路表面运行工作。
优选的，所述通信接口用于与处理器之间的通信协议与通信数据解析，并将解析出来的用户参数传输至用户参数寄存器内进行存储，所述通信接口接收状态监控模块传输的系统状态信息并传输至处理器，所述控制命令传输模块用于接收状态监控模块传输监控信息判断，并将用户参数数据转化为FPGA主体所需的脉冲控制命令并发送至脉冲驱动模块，所述脉冲驱动模块用于根据不同的脉冲命令，转化为各种组合的纳秒级脉冲控制信号并传输至双向恒流脉冲驱动单元。
优选的，所述双向恒流脉冲驱动单元内部设有脉冲驱动电路，所述脉冲驱动电路表面分别设有高压恒流二极管、超快恢复二极管、 PMOS管、NMOS管、高压电容块、电极和采样电阻，所述脉冲驱动电路表面均匀设有接口，所述接口分别包括传输接口、测量接口和连接接口。
优选的，所述高压恒流二极管和 PMOS管数量均设置为两个，所述超快恢复二极管和NMOS管数量均设置为四个，所述 PMOS管和NMOS管分别设置为高压PMOS管和高压NMOS管，所述传输接口数量设置为两组。
优选的，所述脉冲驱动电路内部分别设有多个电阻Ra、电阻Rb和电容Ca。
优选的，所述高压恒流二极管和PMOS管用于组成恒流单元，所述超快恢复二极管用于确保PMOS管和NMOS管开关瞬间不会有反向电流脉冲流经人体，所述高压电容块用于确保PMOS管和NMOS管开关瞬间不会有瞬间脉冲流经人体。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明中，通过设有FPGA主体和双向恒流脉冲驱动单元，能够准确快速的实现脉冲电流的形成和传输，同时增加高压恒流二极管后和高压MOS管共同的作用下，双向脉冲恒流驱动单元可以支持高至80mA乃至上百mA电流，并保证脉冲信号波形的完好，同时可支持人体阻抗范围高达0~2000Ω，并且可实时调节脉冲宽度为纳秒级别，脉宽精确控制、脉宽实时调节、满足人体电刺激治疗系统的各项脉冲需求、完全满足人体负载范围；
2、本发明中，通过设有高压电容块、采样电阻和超快恢复电极管，超快恢复二极管用于确保PMOS管和NMOS管开关瞬间不会有反向电流脉冲流经人体，高压电容块用于确保PMOS管和NMOS管开关瞬间不会有瞬间脉冲流经人体，一旦电极两端人体负载超过设计量程，在发射脉冲期间流经采样电阻的电流会减小，通过测量采样电阻的电压值，就可以判断电极是否贴牢于人体，如果检测到采样电阻的电压不正常，该信息立即反馈给状态监控模块，控制命令传输模块停止脉冲发射，以防损害人体，实现对人体的安全保护。
附图说明
图1为本发明的整体原理图；
图2为本发明的双向恒流脉冲驱动单元原理图；
图3为本发明的双向恒流脉冲驱动单元内部脉冲驱动电路图；
图中：1 FPGA主体、2双向恒流脉冲驱动单元、3通信接口、4用户参数寄存器、5控制命令传输模块、6脉冲驱动模块、7模数转换器、8状态监控模块、9 处理器、10人体治疗终端、21高压恒流二极管、22超快恢复二极管、23 PMOS管、24 NMOS管、25高压电容块、26电极、27采样电阻、28传输接口、29测量接口、20连接接口。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
实施例一：
参照图1-3所示的一种用于电刺激治疗的双向恒流脉冲驱动系统，包括FPGA主体1和双向恒流脉冲驱动单元2，所述FPGA主体1内部分别设有通信接口3、用户参数寄存器4、控制命令传输模块5、脉冲驱动模块6、模数转换器7和状态监控模块8，所述通信接口3外侧通过传输电路连接有处理器9，所述脉冲驱动模块6与双向恒流脉冲驱动单元2通过驱动电路连通，所述双向恒流脉冲驱动单元2外侧通过传输电路连接有人体治疗终端10；
所述通信接口3与处理器9相互连通，所述通信接口3输出端设置为用户参数寄存器4，所述用户参数寄存器4输出端设置为控制命令传输模块5，所述控制命令传输模块5输出设置为脉冲驱动模块6，所述双向恒流脉冲驱动单元2通过转化电路与模数转换器7连通，所述模数转换器7输出端设置为状态监控模块8，所述状态监控模块8输出端分别设有通信接口3和控制命令传输模块5。
所述FPGA主体1内部传输电路设置为时序电路，所述通信接口3、用户参数寄存器4、控制命令传输模块5、脉冲驱动模块6、模数转换器7和状态监控模块8均在时序电路表面运行工作。
所述通信接口3用于与处理器9之间的通信协议与通信数据解析，并将解析出来的用户参数传输至用户参数寄存器4内进行存储，所述通信接口3接收状态监控模块8传输的系统状态信息并传输至处理器9，所述控制命令传输模块5用于接收状态监控模块8传输监控信息判断，并将用户参数数据转化为FPGA主体1所需的脉冲控制命令并发送至脉冲驱动模块6，所述脉冲驱动模块6用于根据不同的脉冲命令，转化为各种组合的纳秒级脉冲控制信号并传输至双向恒流脉冲驱动单元2。
本实施例工作流程为：在FPGA主体1中主要有6个模块，如图1中所示，通信接口3用于完成与处理器9间的通信协议与通信数据解析，并将解析出来的用户参数存储进用户参数寄存器4中，同时通信接口3也会将状态监控模块8中的系统状态信息传输向处理器9，处理器9可以设置为MCU/ARM/X86等通用处理器控制器，控制命令传输模块5会将用户参数转化为FPGA主体1所需要的脉冲控制命令，同时也会根据状态监控模块8传递的电极是否贴牢等信息整合未完整的脉冲控制命令，将脉冲控制命令发送至脉冲驱动模块6，脉冲驱动模块6将根据不同的脉冲控制命令，转化为各种组合的纳秒级脉冲控制信号，通过接口向双向恒流控制单元2发送不同的控制组合实现脉冲的精确控制。
另外，FPGA主体1是在PAL、GAL等可编程器件的基础上进一步发展的产物，它是作为专用集成电路（ASIC）领域中的一种半定制电路而出现的，既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点；用户参数寄存器5是一个用于存储来访用户位置信息的数据库；模数转换器7即ADC（Analog-to-Digital Converter），是指将连续变化的模拟信号转换为离散的数字信号的器件。
实施例二：
所述双向恒流脉冲驱动单元2内部设有脉冲驱动电路，所述脉冲驱动电路表面分别设有高压恒流二极管21、超快恢复二极管22、 PMOS管23、NMOS管24、高压电容块25、电极26和采样电阻27，所述脉冲驱动电路表面均匀设有接口，所述接口分别包括传输接口28、测量接口29和连接接口20。
所述高压恒流二极管21和 PMOS管23数量均设置为两个，所述超快恢复二极管22和NMOS管24数量均设置为四个，所述 PMOS管23和NMOS管24分别设置为高压PMOS管和高压NMOS管，所述传输接口28数量设置为两组，传输接口28的两组分别设置为IN_AH、IN_BL传输接口组合和IN_AL、IN_BH传输接口组。
所述脉冲驱动电路内部分别设有多个电阻Ra、电阻Rb和电容Ca。
所述高压恒流二极管21和PMOS管23用于组成恒流单元，所述超快恢复二极管22用于确保PMOS管23和NMOS管24开关瞬间不会有反向电流脉冲流经人体，所述高压电容块25用于确保PMOS管23和NMOS管24开关瞬间不会有瞬间脉冲流经人体。
本实施例工作流程：
双向脉冲功能由传输接口28控制，当IN_AH和IN_BL为高，IN_AL和IN_BH为低时，通过人体负载的电流按照图2的方向为从左侧电极经过人体负载流向右侧电极，当IN_AH和IN_BL为低，IN_AL和IN_BH为高时，电流从右侧电极经过人体负载流向左侧电极，超快恢复二极管22用于确保PMOS管23和NMOS管24开关瞬间不会有反向电流脉冲流经人体，高压电容块25用于确保PMOS管23和NMOS管24开关瞬间不会有瞬间脉冲流经人体，一旦电极两端人体负载超过设计量程（包括电极开路），在发射脉冲期间流经采样电阻27的电流会减小，通过测量采样电阻27的电压值，就可以判断电极是否贴牢于人体，如果检测到采样电阻27的电压不正常，该信息立即反馈给状态监控模块8，控制命令传输模块5停止脉冲发射，以防损害人体。
另外，恒流功能解释如下：通过多个Ra分别设置 PMOS管23的开启电压，当经过电极的人体负载阻抗小于一定数值使两个PMOS管23中的一个的源极电压小于其开启电压时，由高压恒流二极管 21和PMOS管23组成恒流单元；当经过电极的人体负载阻抗大于一定数值使两个PMOS管23中的一个的源极电压大于其开启电压时，由高压恒流二极管单独组成恒流单元。
工作原理：
参照说明书附图1和图2：通信接口3用于完成与处理器9间的通信协议与通信数据解析，并将解析出来的用户参数存储进用户参数寄存器4中，根据不同的用户需求调整脉冲电流并由控制命令传输模块5将脉冲控制命令发送至脉冲驱动模块6，脉冲驱动模块6将根据不同的脉冲控制命令，转化为各种组合的纳秒级脉冲控制信号，通过接口向双向恒流控制单元2发送不同的控制组合实现脉冲的精确控制，通过恒流控制单元2向人体治疗终端10传输脉冲刺激电流，人体治疗终端10与人体所需治疗部位接触后进行治疗；
参照说明书附图2和图3：增加高压恒流二极管21后双向脉冲恒流驱动单元2可以支持高至80mA乃至上百mA电流，并保证脉冲信号波形的完好，同时可支持人体阻抗范围高达0~2000Ω，并且可实时调节脉冲宽度为纳秒级别，脉宽精确控制、脉宽实时调节、满足人体电刺激治疗系统的各项脉冲需求、完全满足人体负载范围、支持0负载（电极间短路）仍旧恒流而不会损坏系统，脉宽频率能够实时精确精细调节。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种用于电刺激治疗的双向恒流脉冲驱动系统，包括FPGA主体（1）和双向恒流脉冲驱动单元（2），其特征在于，所述FPGA主体（1）内部分别设有通信接口（3）、用户参数寄存器（4）、控制命令传输模块（5）、脉冲驱动模块（6）、模数转换器（7）和状态监控模块（8），所述通信接口（3）外侧通过传输电路连接有处理器（9），所述脉冲驱动模块（6）与双向恒流脉冲驱动单元（2）通过驱动电路连通，所述双向恒流脉冲驱动单元（2）外侧通过传输电路连接有人体治疗终端（10）；
所述通信接口（3）与处理器（9）相互连通，所述通信接口（3）输出端设置为用户参数寄存器（4），所述用户参数寄存器（4）输出端设置为控制命令传输模块（5），所述控制命令传输模块（5）输出设置为脉冲驱动模块（6），所述双向恒流脉冲驱动单元（2）通过转化电路与模数转换器（7）连通，所述模数转换器（7）输出端设置为状态监控模块（8），所述状态监控模块（8）输出端分别设有通信接口（3）和控制命令传输模块（5）。
2.根据权利要求1所述的一种用于电刺激治疗的双向恒流脉冲驱动系统，其特征在于，所述FPGA主体（1）内部传输电路设置为时序电路，所述通信接口（3）、用户参数寄存器（4）、控制命令传输模块（5）、脉冲驱动模块（6）、模数转换器（7）和状态监控模块（8）均按照时序电路方式进行工作。
3.根据权利要求1所述的一种用于电刺激治疗的双向恒流脉冲驱动系统，其特征在于，所述通信接口（3）用于与处理器（9）之间的通信协议与通信数据解析，并将解析出来的用户参数传输至用户参数寄存器（4）内进行存储，所述通信接口（3）接收状态监控模块（8）传输的系统状态信息并传输至处理器（9），所述控制命令传输模块（5）用于接收状态监控模块（8）传输监控信息判断，并将用户参数数据转化为FPGA主体（1）所需的脉冲控制命令并发送至脉冲驱动模块（6），所述脉冲驱动模块（6）用于根据不同的脉冲命令，转化为各种组合的纳秒级脉冲控制信号并传输至双向恒流脉冲驱动单元（2）。
4.根据权利要求1所述的一种用于电刺激治疗的双向恒流脉冲驱动系统，其特征在于，所述双向恒流脉冲驱动单元（2）内部设有脉冲驱动电路，所述脉冲驱动电路表面分别设有高压恒流二极管（21）、超快恢复二极管（22）、 PMOS管（23）、NMOS管（24）、高压电容块（25）、电极（26）和采样电阻（27），所述脉冲驱动电路表面均匀设有接口，所述接口分别包括传输接口（28）、测量接口（29）和连接接口（20）。
5.根据权利要求4所述的一种用于电刺激治疗的双向恒流脉冲驱动系统，其特征在于，所述高压恒流二极管（21）和 PMOS管（23）数量均设置为两个，所述超快恢复二极管（22）和NMOS管（24）数量均设置为四个，所述 PMOS管（23）和NMOS管（24）分别设置为高压PMOS管和高压NMOS管。
6.根据权利要求4所述的一种用于电刺激治疗的双向恒流脉冲驱动系统，其特征在于，所述脉冲驱动电路内部分别设有多个电阻Ra、电阻Rb和电容Ca。
7.根据权利要求4所述的一种用于电刺激治疗的双向恒流脉冲驱动系统，其特征在于，所述高压恒流二极管（21）和PMOS管（23）用于组成恒流单元，所述超快恢复二极管（22）用于确保PMOS管（23）和NMOS管（24）开关瞬间不会有反向电流脉冲流经人体，所述高压电容块（25）用于确保PMOS管（23）和NMOS管（24）开关瞬间不会有瞬间脉冲流经人体。
8.根据权利要求4所述的一种用于电刺激治疗的双向恒流脉冲驱动系统，其特征在于，所述传输接口（28）数量设置为两组，所述传输接口（28）与脉冲驱动模块（6）连通用于接收纳秒级脉冲控制信号，所述测量接口（29）与采样电阻（27）连接用于检测采样电阻（27）电压值，所述连接接口（20）用于与人体治疗终端（10）连通。
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