CN110882486A - 一种恒流型经皮神经电刺激电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种恒流型经皮神经电刺激电路，包括微控制器、电源电路、指示电路、输出电路和运动检测电路，所述微控制器与电源电路、指示电路、输出电路和运动检测电路电连接，所述输出电路连接刺激电极，所述刺激电极上安装运动检测电路，所述运动检测电路输出端连接微控制器。本发明采用经皮定位方法，属于无创定位技术，定位到神经后可以声光指示，避免对人体组织造成不必要的创伤，实现对神经定位的客观评定。采用运动检测技术，并根据相应肌群的活动状况，可以灵活调整输出刺激电流，实现对组织进行精准可控的恒流刺激。

Description

一种恒流型经皮神经电刺激电路

技术领域

本发明涉及医疗器械技术领域，尤其涉及一种恒流型经皮神经电刺激电路。

背景技术

组成神经肌肉群体的可兴奋组织能对热、光、声、压力、化学等刺激做出反应，也能对电刺激产生反应。在可兴奋组织活动期间，各种离子，主要是钠离子和钾离子，迅速穿越细胞膜，引起细胞膜通透性的瞬时变化。这种离子运动形成电流，该电流在人体表面产生电场。也可以将此过程逆转而施加一个外界电流刺激，使可兴奋组织区域内建立一个离子流。

临床上，为了恢复人体功能或者治疗疾病，通过电刺激直接对人体施加电流。电刺激时，流经导线的电子电流转变为组织中流动的离子电流，从而能够引起可兴奋组织细胞膜上的跨膜电荷传输。施加这些电流的目的是使靶神经和肌肉去极化并达到阈值电压。

典型的刺激脉冲信号波形有单相方波、对称双相方波。虽然方波脉冲可以去极化神经膜，但是，由于其对组织刺激和对电极的电解作用，临床实践中一般不用这种脉冲，使用电荷平衡的脉冲波形可明显降低电化学作用。

为了让上述化学反应造成的损伤减至最小，可让电极按这些反应机理的反方式工作。因为化学反应过程就是电荷的转移过程，恒流型电刺激发生器较恒压型发生器有更好的控制作用。恒流发生器在电压允许变化范围内，能对变动的负载阻抗提供所需的电流，负载的电流恒定不变。与此相反，恒压型发生器输出电流随生物组织阻抗而变。

为了满足神经，特别是心脏的电生理诊断或治疗的需要，刺激脉冲幅度、宽度、间隔、周期、个数、波形、通道数均需要灵活调整。因此，亟待设计一种恒流型经皮神经电刺激电路，以实现对组织进行精准可控的恒流刺激。

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提供一种恒流型经皮神经电刺激电路，以解决现有技术的不足。

为实现上述目的，本发明提供了一种恒流型经皮神经电刺激电路，包括微控制器、电源电路、指示电路、输出电路和运动检测电路，所述微控制器与电源电路、指示电路、输出电路和运动检测电路电连接，所述输出电路连接刺激电极，所述刺激电极上安装运动检测电路，所述运动检测电路输出端连接微控制器，其中：

微控制器，用于控制输出电路输出恒流刺激脉冲信号；

电源电路，用于为微控制器和输出电路提供电源；

指示电路，以声音和光的形式给出刺激脉冲刺激部位为神经的定位信息；

输出电路，在微控制器的控制产生恒流输出脉冲，脉冲通过刺激电极送给人体组织；

运动检测电路，用于检测被刺激部位的运动，并将运动引起的电信号送给微控制器。

进一步的，所述微控制器为单片机或ARM处理器。

进一步的，所述电源电路为锂离子电池。

进一步的，所述指示电路为声光报警器。

进一步的，所述输出电路为基于升压转换器TPS61161的恒流输出电路，所述TPS61161的VIN引脚连接电池B1输出端，所述电池B1与电容C1并联，所述TPS61161的VIN引脚与SW引脚之间连接电感L1，所述TPS61161的SW引脚连接稳压二极管D1的负极，所述稳压二极管D1的正极连接电容C2一端和负载电阻RL一端，所述电容C2另一端接地，所述负载电阻RL另一端连接二极管D2负极和电阻R1、R2、R3、R4一端以及TPS61161的FB引脚，所述二极管D2正极接地，所述电阻R1、R2、R3、R4另一端分别连接开关管Q1、Q2、Q3、Q4漏极，所述开关管Q1、Q2、Q3、Q4栅极分别连接微控制器，所述开关管Q1、Q2、Q3、Q4源极接地，所述TPS61161的COMP引脚通过电容C3接地，所述TPS61161的GND引脚接地，所述所述TPS61161的CTRL引脚连接微控制器PWM输出端。

进一步的，所述运动检测电路采用集成数字加速度传感器AIS328DQ。

本发明的有益效果是：

(1)本发明采用经皮定位方法，属于无创定位技术，定位到神经后可以声光指示，避免对人体组织造成不必要的创伤，实现对神经定位的客观评定。

(2)本发明采用运动检测技术，并根据相应肌群的活动状况，可以灵活调整输出刺激电流，实现对组织进行精准可控的恒流刺激。

(3)本发明采用微功耗器件，利用脉宽调制(PWM)技术稳定输出电流，实现恒电流型方波脉冲输出，消除皮肤阻抗变化的影响。

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是本发明的原理框图。

图2是本发明的输出电路电路原理图。

图3是本发明的运动检测电路电路原理图。

具体实施方式

如图1所示，一种恒流型经皮神经电刺激电路，包括微控制器1、电源电路2、指示电路3、输出电路4和运动检测电路5，微控制器1与电源电路2、指示电路3、输出电路4和运动检测电路5电连接，输出电路4连接刺激电极，刺激电极上安装运动检测电路5，运动检测电路5输出端连接微控制器1，其中：

微控制器1，用于控制输出电路4输出恒流刺激脉冲信号；

电源电路2，用于为微控制器1和输出电路4提供电源；

指示电路3，以声音和光的形式给出刺激脉冲刺激部位为神经的定位信息；

输出电路4，在微控制器1的控制产生恒流输出脉冲，脉冲通过刺激电极送给人体组织；

运动检测电路5，用于检测被刺激部位的运动，并将运动引起的电信号送给微控制器1。

本实施例中，微控制器1为单片机或ARM处理器。电源电路2为锂离子电池。指示电路3为声光报警器。

如图2所示，输出电路4为基于升压转换器TPS61161的恒流输出电路，TPS61161的VIN引脚连接电池B1输出端，电池B1与电容C1并联，TPS61161的VIN引脚与SW引脚之间连接电感L1，TPS61161的SW引脚连接稳压二极管D1的负极，稳压二极管D1的正极连接电容C2一端和负载电阻RL一端，电容C2另一端接地，负载电阻RL另一端连接二极管D2负极和电阻R1、R2、R3、R4一端以及TPS61161的FB引脚，二极管D2正极接地，电阻R1、R2、R3、R4另一端分别连接开关管Q1、Q2、Q3、Q4漏极，开关管Q1、Q2、Q3、Q4栅极分别连接微控制器1，开关管Q1、Q2、Q3、Q4源极接地，TPS61161的COMP引脚通过电容C3接地，TPS61161的GND引脚接地，TPS61161的CTRL引脚连接微控制器1PWM输出端。

输出电路4核心部件采用高度集成的升压转换器TPS61161，集成有40V电源开关，内部带有200mV±2％的基准电压。整个电路构成了boost脉冲转换电路，将来自一节锂离子电池B1的输入电压转换成高达38V的输出电压。并根据输出电流，通过脉宽调制(PWM)技术将输出电流稳定在设置值。IC1(TPS61161)内部振荡器工作在600kHz。其工作过程是：电池B1经电容C1滤波后送给IC1和电感L1。IC1上电后处于待机状态，但其控制端(CTRL)接受到控制发出的脉冲时，在脉冲处于高电平期间，IC开始工作，其内部振荡器使内部功率开关(SW)以600kHz的频率进行切换。当开关(SW)处于接通时，电感L1的一端与电源相连，另一端通过开关接地。L1中的电流随着时间线性上升。当开关(SW)关断时，由于电感中的电流不能突变，所以在其两端产生反相电压，使二极管D1导通，电感中的已储存的能量向负载中释放，使负载中形成电流。滤波电容器C2的作用是消除输出电流中的毛刺。恒流原理控制过程是：输出电流经过电流检测电阻R1、R2、R3或R4取样后送个U1的反馈控制端，并将取样电压与U1内部的基准电压进行比较，当取样电压大于基准电压时，说明输出电流过大，这时U1内部的控制电路使开关SW的接通时间变短，因而使电感了中每次储存的能量减少，使输出电流下降。反正，当输出较小时，U1使开关的每次导通时间增加，使电感L1中储存的能量增大，使输出电流上升。这种负反馈过程使输出电流稳定在设置值。电流检测电阻R1、R2、R3、R4和开关管Q1、Q2、Q3、Q4用于选择输出电流量程，当图2中A、B、C、D四个控制端的某个端子或者某几个端子输入高电平，对应的开关管导通，导通的开关管串联的电阻上有电流流过，有电流流过的电阻(为电阻R1、R2、R3、R4中导通电阻的单个阻值或者并联阻值)与负载电阻RL串联形成总的负载电阻，因此实现了选择输出不同的电流量程。稳压二极管D2用于保护U1，以免在输出短路时被烧毁。电容C3起补偿作用，使输出电流更稳定。

如图3所示，运动检测电路5采用集成数字加速度传感器AIS328DQ。该电路采用集成数字加速度传感器AIS328DQ。这是一款超低功耗、高性能三轴线性加速度传感器，具有数字串行接口SPI标准输出。可选的±2g、±4g、±8g满量程，测量频率范围为0.5Hz～1kHz。该传感器安装在刺激电极上，当支配肌肉群的神经受到刺激时，即可感知肌肉群的运动，并将运动加速度的大小转换成数字信号，传送给微控制器。

本发明的工作原理是：

如图1所示。微控制器产生频率为5Hz，脉冲宽度为500μs的方波脉冲，用来控制输出电路。输出电路在为控制器的控制产生恒流输出脉冲，并通过刺激电极送给人体组织。微控制器检测输出电流，并根据远动检测电路测得的数据对输出电流进行调节。当输出电流下降到阈值以下，如相应肌群仍有较强的活动时，说明该刺激点位的下方为神经，此时指示电路给出声光提示。输出电路在微控制器脉冲信号的触发下，向刺激电极发送恒流脉冲。刺激电极向人体组织施加刺激电流，从而引起神经支配相应肌群出现运动。运动检测电路的运动传感器安装在刺激电极上，因此肌群出现运动后导致刺激电极运动，进而使得运动传感器运动，实现运动检测电路检测肌群运动程度，并将运动引起的电信号送给微控制器。此外，微控制器确定运动检测电路产生的信号是否由于刺激电流引起的肌肉运动(根据预置的刺激电流刺激肌肉运动的运动信号阈值得出)，指示电路以声音和光的形式给出定位的状况。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思做出诸多修改和变化。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 (6)

1.一种恒流型经皮神经电刺激电路，其特征在于：包括微控制器(1)、电源电路(2)、指示电路(3)、输出电路(4)和运动检测电路(5)，所述微控制器(1)与电源电路(2)、指示电路(3)、输出电路(4)和运动检测电路(5)电连接，所述输出电路(4)连接刺激电极，所述刺激电极上安装运动检测电路(5)，所述运动检测电路(5)输出端连接微控制器(1)，其中：

微控制器(1)，用于控制输出电路(4)输出恒流刺激脉冲信号；

电源电路(2)，用于为微控制器(1)和输出电路(4)提供电源；

指示电路(3)，以声音和光的形式给出刺激脉冲刺激部位为神经的定位信息；

输出电路(4)，在微控制器(1)的控制产生恒流输出脉冲，脉冲通过刺激电极送给人体组织；

运动检测电路(5)，用于检测被刺激部位的运动，并将运动引起的电信号送给微控制器(1)。

2.如权利要求1所述的一种恒流型经皮神经电刺激电路，其特征在于：所述微控制器(1)为单片机或ARM处理器。

3.如权利要求1所述的一种恒流型经皮神经电刺激电路，其特征在于：所述电源电路(2)为锂离子电池。

4.如权利要求1所述的一种恒流型经皮神经电刺激电路，其特征在于：所述指示电路(3)为声光报警器。

5.如权利要求1所述的一种恒流型经皮神经电刺激电路，其特征在于：所述输出电路(4)为基于升压转换器TPS61161的恒流输出电路，所述TPS61161的VIN引脚连接电池B1输出端，所述电池B1与电容C1并联，所述TPS61161的VIN引脚与SW引脚之间连接电感L1，所述TPS61161的SW引脚连接稳压二极管D1的负极，所述稳压二极管D1的正极连接电容C2一端和负载电阻RL一端，所述电容C2另一端接地，所述负载电阻RL另一端连接二极管D2负极和电阻R1、R2、R3、R4一端以及TPS61161的FB引脚，所述二极管D2正极接地，所述电阻R1、R2、R3、R4另一端分别连接开关管Q1、Q2、Q3、Q4漏极，所述开关管Q1、Q2、Q3、Q4栅极分别连接微控制器(1)，所述开关管Q1、Q2、Q3、Q4源极接地，所述TPS61161的COMP引脚通过电容C3接地，所述TPS61161的GND引脚接地，所述所述TPS61161的CTRL引脚连接微控制器(1)PWM输出端。

6.如权利要求1所述的一种恒流型经皮神经电刺激电路，其特征在于：所述运动检测电路(5)采用集成数字加速度传感器AIS328DQ。

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