CN111097103A - 一种可产生任意波形的电刺激装置及其波形输出方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可产生任意波形的电刺激装置，包括：电源信号接口、电源隔离电路、信号隔离电路、稳压电路、微处理器、升压电路、恒流源电路、极性切换电路和电刺激输出接口，其中所述电源信号接口分别与所述电源隔离电路和所述信号隔离电路连接，所述稳压电路与所述信号隔离电路和所述微处理器连接，所述微处理器分别与所述升压电路、所述恒流源电路和所述极性切换电路连接，所述极性切换电路与所述电刺激输出接口连接。本发明还公开一种基于上述电刺激装置的波形输出方法，其可以产生任意波形，电刺激的输出仅有一个接口，在不同类型的电刺激波形切换过程中，用户无需切换电刺激输出接口，使用起来简单方便。

Description

一种可产生任意波形的电刺激装置及其波形输出方法

技术领域

本发明涉及医疗设备技术领域，具体地是涉及一种可产生任意波形的电刺激装置及其波形输出方法。

背景技术

电疗是利用不同类型电流和电磁场治疗疾病的方法，是物理治疗方法中最常用的方法之一。主要有直流电疗法、直流电药物离子导入疗法、低频脉冲电疗法、中频脉冲电疗法、高频电疗法、静电疗法。不同类型电流对人体主要生理作用不同。直流电是方向恒定的电流，可改变体内离子分布，调整机体功能，常用来作药物离子导入；低、中频电流刺激神经肌肉收缩，降低痛阈，缓解粘连，常用于神经肌肉疾病，如损伤、炎症等；高频电以其对人体的热效应和热外效促进循环，消退炎症和水肿，刺激组织再生，止痛，常用以治疗损伤、炎症疼痛症候群，大功率高频电可用于加温治癌；静电主要作用是调节中枢神经和植物功能，常用于神经官能症、高血压早期、更年期症候群。

直流电疗法：直流电方向恒定，强度不随时间变化。理疗用的直流电电压一般在50～80V，电流强度0.05～0.1mA/cm2。当直流电作用于人体时,体液中电解质发生电解作用，产生正、负离子，正、负离子各向其极性相反的电极移动。直流电正、负极下组织内发生的理化变化，有调整神经的兴奋性，改善局部水肿或脱水现象，促进血液循环和代谢功能的作用。并可通过分节反射，改善内脏的活动功能。临床上常用直流电来镇痛、止痒、软化瘢痕、消肿、促进组织再生，改善中枢和周围神经功能等。

低频脉冲电疗法：采用频率在1kHz以下的低频脉冲电流。这种电流在人体内可引起离子和荷电微粒的迅速移动，因而对感觉神经和运动神经有明显的刺激作用。低频脉冲电流因波形不同，可分为方波、梯形波、指数曲线形波、三角波和正弦波等。根据临床治疗需要，可调整脉冲周期，脉冲宽度和升、降波时间。有时以更低频率的脉冲波去调制上述低频脉冲，这种波称低频调制波。

中频电疗法：采用频率为1～100kHz的中频正弦电流。临床上常用频率为2～5kHz,常用方法有等幅中频正弦电疗法、调幅中频正弦电疗法和干扰电疗法三种。调制波频率为10～200Hz,可采用全波或半波，连续调制或间断调制，还可采用等幅波和调制波交替出现，或频率交变的调制波。调制中频电流兼有低、中频电流的特点，用于止痛或促进血液循环，较低、中频电单独应用作用明显；用于神经肌肉刺激时，由于皮肤刺痛小，病人可耐受较大电量。干扰电是利用两组频率相差0～100Hz的等幅中频正弦电流(临床多用5±0.1kHz),交叉输入人体同一部位。在交叉部形成干扰电场，在体内按正弦电波的差拍原理产生0～100Hz的低频调制中频电流。临床上利用3组等幅中频正弦电流，从三维空间交叉输入人体，形成立体干扰电场，其效果优于一般干扰电场。经改进后，采用3组强度交替改变的正弦电流,使局部的刺激作用更易为病人忍受，进一步提高治疗效果，此方法称为动态立体干扰电疗法。

但是上述传统电刺激方案中特定的电刺激波形需要一种专用电路才能产生，这种专用电路无法高度兼容，使得需要多种电刺激波形的设备不仅需要接入不同电刺激发生模块，而且电刺激输出的应用部分只能相互独立无法共用，故设备体积无法做小，由于包含多个电刺激输出应用部分，每切换一种波形时需要更换应用部分，用户体验大打折扣。

因此，本发明的发明人亟需构思一种新技术以改善其问题。

发明内容

本发明提供了一种可产生任意波形的电刺激装置及其波形输出方法，其可以为解决上述技术问题提供硬件和软件上的支撑。

本发明的技术方案是：

一种可产生任意波形的电刺激装置，包括：电源信号接口、电源隔离电路、信号隔离电路、稳压电路、微处理器、升压电路、恒流源电路、极性切换电路和电刺激输出接口，其中所述电源信号接口分别与所述电源隔离电路和所述信号隔离电路连接，所述稳压电路与所述信号隔离电路和所述微处理器连接，所述微处理器分别与所述升压电路、所述恒流源电路和所述极性切换电路连接，所述极性切换电路与所述电刺激输出接口连接。

优选地，还包括一硬件紧停按钮，其与所述极性切换电路连接。

优选地，所述恒流源电路包括高压运算放大器U1A、NMOS管Q1、电阻R1、电阻R2，其中所述微处理器的DAC输出端通过电阻R1后与所述高压运算放大器U1A的第三脚连接，高压运算放大器U1A的第一脚通过电阻R2后与所述NMOS管Q1的第一脚连接；所述NMOS管Q1的第三脚与所述极性切换电路连接。

优选地，所述恒流源电路还包括高压运算放大器U1B、电阻R4、电阻R5、电容C4，其中所述高压运算放大器U1B的第五脚与高压运算放大器U1A的第三脚连接，所述高压运算放大器U1B的第六脚和第七脚与电阻R4连接，电阻R5一端与电阻R4连接，另一端接地；电容C4并联设置在所述电阻R5两端。

优选地，所述极性切换电路包括模拟开关U3、上拉电阻R7，其中所述模拟开关U3的第十四脚分别与所述硬件紧停按钮、所述微处理器和所述上拉电阻R7连接。

一种基于上述所述的可产生任意波形的电刺激装置的波形输出方法，包括如下步骤：

S1：功能初始化；

S2：接收输出波形的参数信息；

S3：判断否有紧停按钮按下，若有则硬件中止所有输出，软件停止参数输出并上报给上位机，如果没有则进入步骤S4；

S4：根据接收到的波形参数，计算好相关的控制参数；

S5：根据控制参数输出波形。

优选地，还包括：

S6：输出波形到负载上后，通过ADC反馈计算负载阻抗RL，从而得到当前负载的状态；

S7：ADC反馈计算完成后，上报给上位机当前的状态，包括工作有无异常、负载阻抗大小、是否有导联脱落以及是否有导联短接；

S8：完成上报当前状态后，进入步骤S2。

采用上述技术方案，本发明至少包括如下有益效果：

本发明所述的可产生任意波形的电刺激装置及其波形输出方法，可以实时测算出负载阻抗，获得导联脱落或者导联断开状态；电刺激的输出仅有一个接口，在不同类型的电刺激波形切换过程中，用户无需切换电刺激输出接口；该装置增加硬件紧停按钮，中断电刺激的输出无需经过内部MCU的识别，而是硬件直接中断电刺激，用于在紧急情况下，以最快速度中断电刺激输出，提高用户使用过程中的安全。

附图说明

图1为本发明所述的可产生任意波形的电刺激装置的电气原理图；

图2为电源信号接口的电路图；

图3为电源隔离电路的电路图；

图4为信号隔离电路的电路图；

图5为稳压电路的电路图；

图6为微处理器的电路图；

图7为升压电路的电路图；

图8为恒流源电路的电路图；

图9为极性切换电路的电路图；

图10为电刺激输出电路的电路图；

图11为本发明所述的可产生任意波形的电刺激装置的波形输出方法的流程图；

图12为产生一个幅值为1V的直流信号波形图；

图13为产生一个最大幅值1V，频率10Hz的正负双向正弦波形图；

图14为产生一个最大幅值1V，频率10Hz，正占空比为30％的正负双向方波形图；

图15为产生一个最大幅值1V，频率10Hz的正负双向三角波形图；

图16为产生一个最大幅值1V，频率10Hz，顶端宽度50％的正负双向梯形波形图；

图17为最大幅值1V，频率10Hz的正负双向正弦波形图；

图18为最大幅值1V，频率10Hz的正负双向余弦波形图；

图19为最大幅值0.5V，频率20Hz的正负双向正弦波形图；

图20为一个最大幅值1V，频率10Hz的正负双向正弦波，与一个最大幅值1V，频率10Hz的正负双向余弦波的乘积混频波形图。

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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

如图1-10所示，为符合本实施例的一种可产生任意波形的电刺激装置，包括：电源信号接口、电源隔离电路、信号隔离电路、稳压电路、微处理器、升压电路、恒流源电路、极性切换电路和电刺激输出接口，其中所述电源信号接口分别与所述电源隔离电路和所述信号隔离电路连接，所述稳压电路与所述信号隔离电路和所述微处理器连接，所述微处理器分别与所述升压电路、所述恒流源电路和所述极性切换电路连接，所述极性切换电路与所述电刺激输出接口连接。

优选地，还包括一硬件紧停按钮，其与所述极性切换电路连接。我们知道在传统电刺激方案中，中断电刺激的方式是用户通过按键触发，设备内部MCU(微控制器)软件识别到按键触发后，再启动中断电刺激过程，该过程相比较硬件直接中断电刺激输出来说，时间太长，不利于紧急情况下的安全。而本装置增加硬件紧停按钮，中断电刺激的输出无需经过内部MCU的识别，而是硬件直接中断电刺激，用于在紧急情况下，以最快速度中断电刺激输出，提高用户使用过程中的安全。

优选地，所述恒流源电路包括高压运算放大器U1A、NMOS管Q1、电阻R1、电阻R2，其中所述微处理器的DAC输出端通过电阻R1后与所述高压运算放大器U1A的第三脚连接，高压运算放大器U1A的第一脚通过电阻R2后与所述NMOS管Q1的第一脚连接；所述NMOS管Q1的第三脚与所述极性切换电路连接。

优选地，所述恒流源电路还包括高压运算放大器U1B、电阻R4、电阻R5、电容C4，其中所述高压运算放大器U1B的第五脚与高压运算放大器U1A的第三脚连接，所述高压运算放大器U1B的第六脚和第七脚与电阻R4连接，电阻R5一端与电阻R4连接，另一端接地；电容C4并联设置在所述电阻R5两端。

优选地，所述极性切换电路包括模拟开关U3、上拉电阻R7，其中所述模拟开关U3的第十四脚分别与所述硬件紧停按钮、所述微处理器和所述上拉电阻R7连接。

下面结合附图对本实施例进行进一步说明。

1、参见图2为电源信号接口：

该接口包含7个信号：

1.1、J4_1:5V_Vin,5V输入电源；

1.2、J4_2:GND_IN,输入地；

1.3、J4_3:3.3V_Vin,3.3V输入电源；

1.4、J4_4:Module_RX,模块串口接收信号；

1.5、J4_5:IO_IN,模块预留信号接收IO口；

1.6、J4_6:Module_TX,模块串口发送信号；

1.7、J4_7:IO_OUT,模块预留信号发送IO口。

2、参见图3为电源隔离电路。

5V_Vin为模块的5V输入电源，通过H0505S-2WR2这个隔离模块转换为隔离5V电源，H0505S-2WR2隔离电压为4200VAC或6000VDC，符合医疗器械加强绝缘的要求。

3、参见图4为信号隔离电路。

图示左边的信号为模块接口输入信号，右边为通过ADuM2402BRWZ这个数字隔离芯片后与MCU(微控制器)连接的信号，ADuM2402BRWZ隔离电压为5000Vrms，同样符合医疗器械加强绝缘的要求。

通过2.1的5V电源隔离和2.2的信号隔离，可以实现该模块装置与其他系统的完全隔离，使得装置符合医疗器械加强绝缘的要求，使用更加安全。

4、参见图5为稳压电路。

经过2.1电源隔离后的5V电源，通过RT9013-33GB这个片LDO(低压差线性稳压器)转换为低噪声的3.3VD电源，给MCU等电路供电；

5、参见图6为微处理器。

微处理器(MCU)选用ST公司的STM32F103RCT6，该MCU为ARM32-bitCortex-M3CPU，速度是72MHz，程序存储器容量是256KB，程序存储器类型是FLASH，RAM容量是48K。

6、参见图7为升压电路

通过TPS61170DRVR这片升压DCDC芯片，将5V电源升压到30V，给后续的恒流源电路使用。升压DCDC的电源输入通过一个PMOOS管AO3407A来控制，MCU通过控制30V_EN管脚的电平高低，来控制升压芯片的电源，从而达到控制30V电源输出的目的，当模块空闲不工作时，可以关闭30V电源达到低功耗的目的。30V电源的输出与否与30V_EN控制关系如下：

30V_EN电平	30V电源是否输出
		逻辑高	有30V输出
逻辑低	关闭30V输出

此外，TPS61170DRVR可以通过软件配置它的第5脚“CTRL”管脚来软件配置升压的程度，从而控制输出电压的大小，这在某些需要限制输出最大电压幅值的时候很有用。具体控制方式为：MCU控制“30V_CTRL”对应的引脚，输出10KHz的PWM波形，PWM波的正向占空比为Duty，那么输出电压值为：VOUT＝DUTY*30V，例如，需要输出15V电压，那么“30V_CTRL”管脚的PWM为10KHz,50％占空比，如果需要输出30V电压，那么“30V_CTRL”管脚的PWM为10KHz,100％占空比。

7、参见图8为恒流源电路

通过高压运放TP2262-SR和NMOS管NCE0103Y组成了一个恒流源电路，其中：DAC_EA为MCU的DAC输出，通过DAC输出不同的波形，频率，占空比，幅值等，可产生任意波形，该任意波形直接控制了恒流源电路，配合后续电路产生任意波形的输出。EA通过极性切换电路，与负载连接。

恒流源工作原理如下：

设MCU控制DAC_EA处的电压为U_{DAC_EA},根据运放虚短虚断的原则，U1A的3脚和2脚电压相同，也就是R6上的电压U_R6＝U_{DAC_EA},所以流过R6的电流I_R6＝U_R6/R6＝U_{DAC_EA}/R6,由于运放的输入端输入阻抗极大，所以流进U1A的2脚电流可以忽略不计，所以流过Q1的2,3脚的电流I_Q1＝I_R6,EA通过极性切换电路，与负载连接，所以流过负载的电流I_L＝I_Q1＝I_R6＝U_R6/R6＝U_{DAC_EA}/R6，所以流过负载的电流大小只与驱动电压U_{DAC_EA}和控制电阻R6有关，电流不会随负载的变化而变化，从而达到恒流的目的。

图中，U1B为运放组成的电压跟随器，作为EA处的偏置电路，由于运放的输入端输入阻抗极大，所以流进U1B的5脚电流可以忽略不计，所以此处的偏置电路不会对恒流源电路造成影响。该偏置电路的输出电压U_{ADC_EA}＝[R5/(R4+R5)]*U_Q1,U_Q1为Q1的3脚对地电压。U_{ADC_EA}送入MCU的ADC管脚，通过MCU的ADC计算软件上可以得出U_{ADC_EA}具体数值，所以对MCU来说U_{ADC_EA}为已知，所以反过来计算U_Q1＝U_{ADC_EA}*(R4+R5)/R5，通过该数值可以直接计算得出负载阻抗大小，具体计算如下：

R_L＝(U_30V-U_Q1)/I_L＝[U_30V-U_{ADC_EA}*(R4+R5)/R5]/(U_{DAC_EA}/R6)

式中U_30V为2.5中提到的30V升压，是个常数30V，U_{ADC_EA}是通过MCU的ADC计算得出，U_{DAC_EA}为MCU控制输出的DAC电压，所以，负载阻抗R_L可以很轻松的通过计算得出。通过R_L值的大小，也可以得出负载电极处是否导联脱落或者导联短接，从而采取进一步保护措施。

8、参见图9为极性切换电路。

ADG5433BRUZ-REEL7为ADI公司生产的3通道SPDT(单刀双掷)模拟开关，此模块只用到它的第2、第3两个通道。ADG5433BRUZ-REEL7每个开关通道的真值表如下：

原理图中，E+,E-为通过接口外接负载的信号，EA为2.6中恒流源的EA输入脚，SW_E+和SW_E-为MCU控制的开关信号。

为紧停按钮信号，正常工作时，

通过紧停按钮接地，ADG5433BRUZ-REEL7的模拟开关通道正常工作，当用户按下紧停按钮后，

通过上拉电阻R7置位高电平，此时ADG5433BRUZ-REEL7的模拟开关所有通道关闭，所以E+,E-无输出，从而以最快速度中断电刺激输出，提高用户使用过程中的安全，达到硬件紧停按钮的目的；此外，MCU也对

的电平进行识别，正常工作时，

电平为低，当用户按下紧停按钮后，

电平变为高，从而识别到了用户按下了紧停按钮，从而软件上可以关闭30V电源，通过通信协议上报到主机采取措施。

极性切换电路的极性控制逻辑如下：

其中，当

为高时，表示紧停按钮被按下，无论SW_E+,SW_E-接何种电平，也不不管E+,E-接EA或者30V，负载都会与控制电路断开。

9、参见图10为电刺激输出电路。

该接口包含5个信号：

9.1、J3_1：电刺激E-输出端口，端口处对地并接ESD管，防止端口处热插拔ESD干扰；串接磁珠滤除高频信号干扰；

9.2、J3_2：电刺激E-输出端口，端口处对地并接ESD管，防止端口处热插拔ESD干扰；串接磁珠滤除高频信号干扰；

9.3、J3_3：

紧停按钮信号，正常工作时，

通过紧停按钮与J3_4接地，端口处对地并接ESD管，防止端口处热插拔ESD干扰；串接磁珠滤除高频信号干扰；

9.4、J3_4：信号地，串接磁珠滤除高频信号干扰；

9.5、J3_5：信号地，接线缆的屏蔽线。

10、参数范围

10.1、最大输出频率

由于MCU的DAC最大输出频率为250KHz，运放以及MOS管的频率远远大于250KHz，所以：如果输出单向波形，最大输出频率为250KHz；如果输出正负双向波形，，最大输出频率为125KHz。

10.2、最大输出电压

升压电路最大输出电压为30V，所以负载两端接入最大电压为30V；由于负载电流I_L＝U_{DAC_EA}/R6，所以负载电压U_L＝I_L*R_L＝(U_{DAC_EA}/R6)*R_L。

10.3、最大电流下的带负载能力

负载电流I_L＝U_{DAC_EA}/R6，由于MCU的DAC最大输出U_{DAC_EAMAX}＝3.3V，R6＝1K，所以负载最大电流I_{L MAX}＝3.3V/1K＝3.3mA，由于MOS管的内阻是毫欧级别，并且最大电流只有3.3mA,所以MOS管Q1在完全导通的情况下压降极小可以忽略，最大电流下的带最大负载时，MOS管是完全导通的，所以U_Q1＝U_R6＝U_{DAC_EAMax}＝3.3V，因此最大电流下的最大带负载能力R_LMax＝(30V-U_Q1)/I_{L MAX}＝(30V-3.3V)/3.3mA＝8.09K。

根据以上分析，负载能力会根据不同输出电流情况下改变，确定公式为：

R_LMax＝(30V-U_Q1)/I_{L MAX}＝(30V-U_{DAC_EA})/(U_{DAC_EA}/1K)。

11、软件混频的方法

如果需要混频输出，那么只需要在模块内部的软件中计算出混频最后的函数，亦即：z(x)＝f(x)*g(x),其中f(x)和g(x)为需要混频的函数，z(x)为混频后的函数，模块根据混频计算后的z(x)函数得出需要输出的波形特征参数，从而控制电路产生对应的输出波形，达到输出混频波形的目的。

本装置可以实时测算出负载阻抗，获得导联脱落或者导联断开状态；电刺激的输出仅有一个接口，在不同类型的电刺激波形切换过程中，用户无需切换电刺激输出接口；该装置增加硬件紧停按钮，中断电刺激的输出无需经过内部MCU的识别，而是硬件直接中断电刺激，用于在紧急情况下，以最快速度中断电刺激输出，提高用户使用过程中的安全。

实施例2

参见图11，为一种基于实施例1所述的可产生任意波形的电刺激装置的波形输出方法，包括如下步骤：

S1：功能初始化；

S2：接收输出波形的参数信息；

S3：判断否有紧停按钮按下，若有则硬件中止所有输出，软件停止参数输出并上报给上位机，如果没有则进入步骤S4；

S4：根据接收到的波形参数，计算好相关的控制参数；

S5：根据控制参数输出波形。

优选地，还包括：

S6：输出波形到负载上后，通过ADC反馈计算负载阻抗RL，从而得到当前负载的状态；

S7：ADC反馈计算完成后，上报给上位机当前的状态，包括工作有无异常、负载阻抗大小、是否有导联脱落以及是否有导联短接；

S8：完成上报当前状态后，进入步骤S2。

下面对本实施例进行具体说明：

12.1、模块上电后开始后，首先进行功能初始化，包括MCU的GPIO初始化ADC初始化、DAC初始化和串口初始化等，各电源部分进入稳定状态；

12.2、模块初始化完成后，串口开始接收主机发送过来的命令，主要包含输出波形的参数信息；

12.3、模块接收到波形参数后，先判断是否有紧停按钮按下，如果有按下，那么模块硬件中止所有输出，软件停止参数输出，并上报给上位机，然后继续进入软件接收输出波形参数的程序；如果紧停按钮按下没有按下，说明可以继续后续的程序；

12.4、当紧停按钮按下没有按下，那么软件需要根据接收到的波形参数，计算DAC输出值U_{ADC_EA}，以及极性切换SW_E+，SW_E-等参数；

12.5、计算好相关输出参数后，模块开始输出控制，相关输出波形参数指标输出到外接负载上；

12.6、输出到负载上后，模块通过ADC反馈计算负载阻抗R_L，从而得到当前负载的状态；

12.7、反馈完成后，模块软件上报给上位机当前的状态，包括工作有无异常、负载阻抗大小、是否有导联脱落以及是否有导联短接；

12.8、完成软件上报当前状态后，程序继续回到软件接收输出波形参数，循环以上过程。

13、各种波形产生举例说明

以下的波形发生举例都是E+,E-外接2K负载，

正常通过紧停按钮接地使得模块正常工作。

13.1、产生一个幅值为1V的直流信号波形：

由于负载是2K，幅值是1V，所以模块内部产生的恒流源为0.5mA,由于I_L＝U_{DAC_EA}/R6，R6＝1K，所以U_{DAC_EA}＝0.5V，由于只需要直流信号波形，所以只需要将控制SW_E+为“0”，SW_E-为“1”产生正向波即可，如图12所示：

13.2、产生一个最大幅值1V，频率10Hz的正负双向正弦波：

由于负载是2K，最大幅值是1V，所以模块内部产生的恒流源最大为0.5mA,由于I_L＝U_{DAC_EA}/R6，R6＝1K，所以U_{DAC_EA MAX}＝0.5V，由于需要产生频率10Hz的正负双向正弦波，模块内部的极性是通过极性切换电路完成的，所以DAC_EA应该生产20HZ的正弦波正半波，如图13所示：

图示U_{DAC_EA}为模块内部DAC_EA产生的波形，U_L为负载2K两端产生的波形，并且SW_E+为“0”，SW_E-为“1”时U_L为正极性波形，SW_E+为“1”，SW_E-为“0”时U_L为负极性波形。

13.3、产生一个最大幅值1V，频率10Hz，正占空比为30％的正负双向方波：

由于负载是2K，最大幅值是1V，所以模块内部产生的恒流源最大为0.5mA,由于I_L＝U_{DAC_EA}/R6，R6＝1K，所以U_{DAC_EA MAX}＝0.5V，由于需要产生频率10Hz，正占空比为30％的正负双向方波，模块内部的极性是通过极性切换电路完成的，所以DAC_EA只需产生幅度为0.5V的直流信号即可，在30％的正占空比下，控制SW_E+为“0”，SW_E-为“1”产生正向波；在余下70％的负占空比下，控制SW_E+为“1”，SW_E-为“0”产生负向波，如图14所示：

图示U_{DAC_EA}为模块内部DAC_EA产生的波形，U_L为负载2K两端产生的波形，并且SW_E+为“0”，SW_E-为“1”时U_L为正极性波形，SW_E+为“1”，SW_E-为“0”时U_L为负极性波形。

13.4、产生一个最大幅值1V，频率10Hz的正负双向三角波：

由于负载是2K，最大幅值是1V，所以模块内部产生的恒流源最大为0.5mA,由于I_L＝U_{DAC_EA}/R6，R6＝1K，所以U_{DAC_EA MAX}＝0.5V，由于需要产生频率10Hz的正负双向三角波，模块内部的极性是通过极性切换电路完成的，所以DAC_EA应该生产20HZ的正向三角波，如图15所示：

图示U_{DAC_EA}为模块内部DAC_EA产生的波形，U_L为负载2K两端产生的波形，并且SW_E+为“0”，SW_E-为“1”时U_L为正极性波形，SW_E+为“1”，SW_E-为“0”时U_L为负极性波形。

13.5、产生一个最大幅值1V，频率10Hz，顶端宽度50％的正负双向梯形波：

由于负载是2K，最大幅值是1V，所以模块内部产生的恒流源最大为0.5mA,由于I_L＝U_{DAC_EA}/R6，R6＝1K，所以U_{DAC_EA MAX}＝0.5V，由于需要产生频率10Hz，顶端宽度50％的正负双向梯形波，模块内部的极性是通过极性切换电路完成的，所以DAC_EA应该生产20HZ，顶端宽度50％的正向梯形波，如图16所示：

图示U_{DAC_EA}为模块内部DAC_EA产生的波形，U_L为负载2K两端产生的波形，并且SW_E+为“0”，SW_E-为“1”时U_L为正极性波形，SW_E+为“1”，SW_E-为“0”时U_L为负极性波形。

13.6、混频：

输出：一个最大幅值1V，频率10Hz的正负双向正弦波，与一个最大幅值1V，频率10Hz的正负双向余弦波的乘积。

最大幅值1V，频率10Hz的正负双向正弦波，用数学公式表达为f(x)＝sin 20πx,其中x为时间，波形如图17所示：

最大幅值1V，频率10Hz的正负双向余弦波，用数学公式表达为g(x)＝cos 20πx，其中x为时间，波形如图18所示：

由数学公式

可知，混频后的数学函数为

所以，需要输出的波形为最大幅值0.5V，频率20Hz的正负双向正弦波，波形如图19所示：

由于负载是2K，最大幅值是0.5V，所以模块内部产生的恒流源最大为0.25mA,由于I_L＝U_{DAC_EA}/R6，R6＝1K，所以U_{DAC_EA MAX}＝0.25V，由于需要产生频率20Hz的正负双向正弦波，模块内部的极性是通过极性切换电路完成的，所以DAC_EA应该生产40HZ的正弦波正半波，如图20所示：

图示U_{DAC_EA}为模块内部DAC_EA产生的波形，U_L为负载2K两端产生的波形，并且SW_E+为“0”，SW_E-为“1”时U_L为正极性波形，SW_E+为“1”，SW_E-为“0”时U_L为负极性波形。

本发明可以通过通信协议设置装置产生任意波形，包括设置波形的形态，频率，占空比，幅值等，波形可以是单极性的，也可以是双极性的，并且可以实时测算出负载阻抗，获得导联脱落或者导联断开状态，此外，电刺激的输出仅有一个接口，在不同类型的电刺激波形切换过程中，用户无需切换电刺激输出接口，使得该装置使用起来简单方便，用户体验极好。同时，该装置增加硬件紧停按钮，中断电刺激的输出无需经过内部MCU的识别，而是硬件直接中断电刺激，用于在紧急情况下，以最快速度中断电刺激输出，提高用户使用过程中的安全。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (7)

1.一种可产生任意波形的电刺激装置，其特征在于，包括：电源信号接口、电源隔离电路、信号隔离电路、稳压电路、微处理器、升压电路、恒流源电路、极性切换电路和电刺激输出接口，其中所述电源信号接口分别与所述电源隔离电路和所述信号隔离电路连接，所述稳压电路与所述信号隔离电路和所述微处理器连接，所述微处理器分别与所述升压电路、所述恒流源电路和所述极性切换电路连接，所述极性切换电路与所述电刺激输出接口连接。

2.如权利要求1所述的可产生任意波形的电刺激装置，其特征在于：还包括一硬件紧停按钮，其与所述极性切换电路连接。

3.如权利要求1或2所述的可产生任意波形的电刺激装置，其特征在于：所述恒流源电路包括高压运算放大器U1A、NMOS管Q1、电阻R1、电阻R2，其中所述微处理器的DAC输出端通过电阻R1后与所述高压运算放大器U1A的第三脚连接，高压运算放大器U1A的第一脚通过电阻R2后与所述NMOS管Q1的第一脚连接；所述NMOS管Q1的第三脚与所述极性切换电路连接。

4.如权利要求1-3任一所述的可产生任意波形的电刺激装置，其特征在于：所述恒流源电路还包括高压运算放大器U1B、电阻R4、电阻R5、电容C4，其中所述高压运算放大器U1B的第五脚与高压运算放大器U1A的第三脚连接，所述高压运算放大器U1B的第六脚和第七脚与电阻R4连接，电阻R5一端与电阻R4连接，另一端接地；电容C4并联设置在所述电阻R5两端。

5.如权利要求1-4任一所述的可产生任意波形的电刺激装置，其特征在于：所述极性切换电路包括模拟开关U3、上拉电阻R7，其中所述模拟开关U3的第十四脚分别与所述硬件紧停按钮、所述微处理器和所述上拉电阻R7连接。

6.一种基于权利要求1-5任一所述的可产生任意波形的电刺激装置的波形输出方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1：功能初始化；

S2：接收输出波形的参数信息；

S3：判断否有紧停按钮按下，若有则硬件中止所有输出，软件停止参数输出并上报给上位机，如果没有则进入步骤S4；

S4：根据接收到的波形参数，计算好相关的控制参数；

S5：根据控制参数输出波形。

7.如权利要求6所述的可产生任意波形的电刺激装置的波形输出方法，其特征在于，还包括：

S6：输出波形到负载上后，通过ADC反馈计算负载阻抗RL，从而得到当前负载的状态；

S7：ADC反馈计算完成后，上报给上位机当前的状态，包括工作有无异常、负载阻抗大小、是否有导联脱落以及是否有导联短接；

S8：完成上报当前状态后，进入步骤S2。

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