CN114602057A - 多路电极微型电刺激系统及缓解震颤手环 - Google Patents

多路电极微型电刺激系统及缓解震颤手环 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种多路电极微型电刺激系统，包括：BOOST升压电路，倍压电路，BOOST升压电路的核心为开关电源芯片，刺激波形控制电路包括若干路半桥驱动电路，每个半桥驱动电路分别对应地连接一个电极，且任意一路半桥驱动电路可输出双向刺激电流；压控恒流源电路包括:运算放大器、多通道模拟开关，若干扩流功率管，运算放大器工作在负反馈工作状态，MCU_DAC_OUT2与运算放大器的正极输入端连接，运算放大器的输出端连接多通道模拟开关，扩流功率管与半桥驱动电路连接，多通道模拟开关可使任一个扩流功率管连通。此外本发明还提供一种缓解震颤手环，可轻松实现大的升压比并输出稳定的高压。

Description

多路电极微型电刺激系统及缓解震颤手环
技术领域
本发明涉及一种医疗穿戴式神经刺激设备，特别涉及多路电极微型电刺激系统及缓解震颤手环。
背景技术
电能可以用神经刺激系统经由皮肤表面上的电极经皮递送，以刺激外周神经，作为非限制性示例，诸如上肢中的正中神经、桡神经和/或尺神经。这些神经的电刺激已被显示对各种疾病提供治疗益处，这些疾病包括但不限于运动障碍(包括但不限于原发性震颤、帕金森震颤、体位性震颤和多发性硬化症)、泌尿科疾病、胃肠道疾病、心脏疾病和炎症性疾病等。
经皮神经电刺激法属于周围神经电刺激治疗技术，由于经皮神经电刺激法具备非创伤性、非侵入式、易操作、耐受较好、作用短暂、无副作用及价格低廉等优点，使得其成为临床应用研究的热点，并被广泛应用，例如基于经皮神经电刺激法而产生的各种神经电刺激疗仪。
腕戴神经刺激仪是一种小巧的穿戴式电刺激设备，将其佩戴在手腕上，通过手腕周边紧贴的多个电极片，按一定规则刺激手部分布的正中神经、桡神经和/或尺神经。通常电刺激脉冲发生模块包括高压电源、刺激波形控制电路、恒流源等电路单元模块。
现有技术缺点：
传统的，用于穴位刺激的脉冲发生模块通常采用基于变压器脉冲发生电路的设计，其体积大、功耗高、结构繁琐，同时，其输出的脉冲电流不稳定，需要额外配置稳压模块进行稳压处理。因此，目前的电刺激产品通常无法实现微型化，只能在固定场所使用。另外，用于刺激的电极片通常为黏贴电极，体积大，不能针对确定的穴位进行刺激，而且，多次使用后，其粘性降低而影响其刺激效果。
现有的，能实现微型化的电刺激产品一般为单路刺激，其脉冲发生模块通常采用开环的BOOST升压电路，输出电压不稳定；输出脉冲能量靠调节刺激波形脉冲宽度实现，误差较大，刺激效果以及用户体验较差。
发明内容
本发明的目的是提供一种本发明的目的是提供一种多路电极微型电刺激系统及缓解震颤手环，其高压电源采用带反馈的BOOST升压电路，输出稳定的高压，而且实现电压可调。在输出刺激能量较小的情况下，可调低电源电压，降低系统能耗，这在使用电池供电的穿戴式微型电刺激产品上很有意义，可大大延迟产品的使用时间。
为了实现上述目的，本发明提供的技术方案为：提供一种多路电极微型电刺激系统，包括：主控模块和电极，所述主控模块与所述电极连接，所述主控模块包括：
可调高压电路模块，包括BOOST升压电路，倍压电路，所述BOOST升压电路的核心为开关电源芯片，所述倍压电路连接在所述BOOST升压电路之后；
刺激波形控制电路，所述刺激波形控制电路包括若干路半桥驱动电路，每个所述半桥驱动电路分别对应地连接一个电极，且任意一路所述半桥驱动电路可组成一对，输出双向刺激电流；
压控恒流源电路，所述压控恒流源电路包括:运算放大器、多通道模拟开关，若干扩流功率管，运算放大器工作在负反馈工作状态，MCU_DAC_OUT2与所述运算放大器的正极输入端连接，所述运算放大器的输出端连接所述多通道模拟开关，所述扩流功率管与所述半桥驱动电路连接，所述多通道模拟开关可使任一个扩流功率管连通。
所述倍压电路连接在所述开关电源芯片的SW端，所述倍压电路包括三个串联连接的二极管D1、D2、D3，以及电容C1和C2，在二极管D1和D2的外部跨接电容C1,二极管D1和D2之间连接电容C2后接地。
所述可调高压电路模块还包括反馈网络，所述倍压电路的输出端还连接所述反馈网络，所述反馈网络包括串联连接的电阻R1和电阻R6，其中电阻R6的正极连接所述开关电源芯片的FB引脚。
所述主控模块内的MCU输出的DA电压，通过电阻R5连接到反馈网络，通过调整DA输出电压，以调整电压。
所述压控恒流源电路，还包括低温漂取样电路，所述低温漂取样电路串联在其中一路的所述半桥驱动电路和压控恒流源电路上。
还包括储能电路，所述储能电路连接在所述开关电源芯片的VIN引脚及SW 引脚之间。
所述储能电路是电感。
所述开关电源芯片可以采用TPS61390RGT，MCU可采用STM32系列芯片。
为了实现上述目的，本发明还提供一种缓解震颤手环，包括：主控模块及手环本体，所述手环本体呈环形结构，所述主控模块连接在所述手环本体上，且还内置多路电极微型电刺激系统。
与现有技术相比，本发明多路电极微型电刺激系统及缓解震颤手环，的有益效果：
1、提供一种多路微型电刺激脉冲发生模块，其高压电源采用带反馈的BOOST升压电路，输出稳定的高压，而且实现电压可调。在输出刺激能量较小的情况下，可调低电源电压，降低系统能耗，这在使用电池供电的穿戴式微型电刺激产品上很有意义，可大大延迟产品的使用时间。
2、提供一种多路微型电刺激脉冲发生模块，其输出脉冲波形可调，脉冲电流采用恒流源控制，可实现脉冲波形多样化，输出脉冲能量精准可调，可用于对脉冲能量敏感的场合，提高产品的安全性。
3、通过电路高度微型化的设计，为多电极刺激治疗实现可穿戴提供基础，手环方便携带，随时可以治疗。
通过以下的描述并结合附图，本发明将变得更加清晰，这些附图用于解释本发明的实施例。
附图说明
图1为缓解震颤手环的结构示意图。
图2为本发明多路电极微型电刺激系统的电路原理框图。
图3为可调高压电路模块的原理图。
图4为刺激波形控制电路与压控恒流源的原理图。
图5为压控恒流源的原理图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中附图，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。
通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的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。
在下文中，可在本发明的各种实施例中使用的术语“包括”、“具有”及其同源词仅意在表示特定特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合，并且不应被理解为首先排除一个或更多个其它特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合的存在或增加一个或更多个特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合的可能性。
此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
除非另有限定，否则在这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明的各种实施例所属领域普通技术人员通常理解的含义相同的含义。所述术语(诸如在一般使用的词典中限定的术语)将被解释为具有与在相关技术领域中的语境含义相同的含义并且将不被解释为具有理想化的含义或过于正式的含义，除非在本发明的各种实施例中被清楚地限定。
如上所述，参考图1，本发明实施例提供的缓解震颤手环，包括：包括：主控模块10及手环本体20，所述手环本体20呈环形结构，可被佩戴于手腕上，所述主控模块10连接在所述手环本体20上，所述手环本体20的内侧设有4个电极1、2、3、4，所述主控模块内置多路电极微型电刺激系统。
如上所述，参考图2，本发明实施例提供的多路电极微型电刺激系统包括：包括：主控模块10和电极1、2、3、4，所述主控模块10与所述电极1、2、3、 4连接，所述主控模块10包括：可调高压电路模块、多路功率开关、多路压控恒流源电路及多个电极，其中每一路的功率开关可导通/关闭其中一个电极，而电极是通过可调高压电路模块及压控恒流源电路的驱动下进行工作。
以上，本发明所涉及到的可调高压电路模块、多路功率开关、多路压控恒流源电路的具体结构、工作原理及所能产生的技术效果，下文将结合附图3-5 进行详细描述。
参考图3，可调高压电路模块，包括BOOST升压电路，倍压电路，所述 BOOST升压电路的核心为开关电源芯片，所述倍压电路连接在所述BOOST升压电路之后；
具体地，参考图3，L_VCC为低压电源输入，可为锂电池电压(3.6-4.2V)，即本发明所采用到的电源为锂离子电池，C4为输入电容。U1为开关电源集成芯片，L1为升压储能电感,U1、L1组成BOOST升压电路。D1、D2、D3、C1、 C2组成倍压电路。
具体地，所述倍压电路连接在所述开关电源芯片U1的SW端，所述倍压电路包括三个串联连接的二极管D1、D2、D3，以及电容C1和C2，在二极管D1 和D2的外部跨接电容C1，二极管D1和D2之间连接电容C2后接地。
因此，在本发明实施例中，L_VCC为低压电源输入经过BOOST升压电路之后，再进一步地经过所述倍压电路，BOOST升压电路输出电压经过倍压电路再次升压产生高压。
参考图3，一个实施例中，所述可调高压电路模块还包括反馈网络，所述倍压电路的输出端还连接所述反馈网络，所述反馈网络包括串联连接的电阻R1和电阻R6，其中电阻R6的正极连接所述开关电源芯片的FB引脚。
一个实施例中，所述主控模块内的MCU输出的DA电压，通过电阻R5连接到反馈网络，通过调整DA输出电压，以调整电压。因此本发明的H_VCC电压是可以被灵活调整的，以适应更多的应用场景。
具体地，BOOST升压电路输出电压经过倍压电路再次升压产生高压 H_VCC，反馈网络包括电阻R1和电阻R6,R1、R6对H_VCC分压，并输入到 U1的FB引脚，形成电压反馈网络。MCU_DAC_OUT1为单片的DA输出引脚， MCU输出DA电压，通过R5连接到反馈网络，通过调整DA输出电压，可调整H_VCC电压。U1可以采用TPS61390RGT，MCU可采用STM32系列芯片， L1的值可选4.7uH。D1、D2、D3、D4可选BAS521。C4为10uF/10V，C1、 C2为0.1uF/100V,C3为0.68uF/100V。R1为240K,R2、R5为3.6K。H_VCC电压为40V-80V可调。
通过本实施例提供的可调高压电路模块，能够将3.6V的电池电压升压至80V的高压，由于升压比高，常规的BOOST电路难以实现，通常使用体积较大的变压器进行升压，无法在体积、空间受限的场合中使用。
参考图4，刺激波形控制电路，所述刺激波形控制电路包括4路半桥驱动电路，每个所述半桥驱动电路分别对应地连接一个电极，且任意一路所述半桥驱动电路可组成一对，输出双向刺激电流；
具体地，刺激波形控制电路如图4所示：Q2A\Q5，Q2B\Q6，Q1A\Q7，Q1B\Q8 组成4路半桥驱动电路，分别对应电极1，电极2，电极3，电极4。电极1-4 中，可选任意两个电极组成一对，输出双向刺激电流。如电极1-2组成一对电极，当Q2A、Q6两个管子导通时，电流从电极1流向电极2，当Q2B、Q5两个管子导通时，电流从电极2流向电极1，如此可形成双向刺激电流。
具体地，参考图4，U3A、U2、Q5-Q8、R20组成压控恒流源电路， MCU_DAC_OUT2连接至MCU的DA输出引脚，Q5-Q8为压控恒流源的扩流功率管，R20为低温漂取样电阻，U2为4通道模拟开关。MCU_A0、MCU_A1、 MCU_EN连接至MCU IO口，MCU_A0、MCU_A1控制模拟开关的S1-S4的导通，MCU_EN控制模拟开关的使/失能。
参考图4，由Q2A\Q5，Q2B\Q6，Q1A\Q7，Q1B\Q8组成的4路半桥驱动电路，还连接有功率开关，功率开关是用来驱动这4路半桥驱动电路中的上管(三极管)Q2A、Q2B、Q1A、Q1B的导通与截止，下面对功率开关进行说明：
具体地，参考图4，CHA1_H、CHA2_H、CHA2_H、CHA2_H连接MCU IO 口，控制Q2A、Q2B、Q1A、Q2B的导通、截止。
更具体地，参考图4，CHA1_H连接R15、R17、R4、R10、Q4A组成的功率开关，以控制Q2A的导通与截止。
CHA2_H连接R13、R19、R7、R11、Q4B组成的功率开关，以控制Q2B 的导通与截止。
CHA3_H连接R14、R16、R2、R8、Q3A组成的功率开关，以控制Q1A的导通与截止。
CHA4_H连接R12、R18、R3、R9、Q3B组成的功率开关，以控制Q1B的导通与截止。
因此，每个半桥驱动电路均可通过MCU的信号驱动功率开关，以控制Q2A、 Q2B、Q1A、Q1B导通或截止。
参考图4，所述压控恒流源电路包括:运算放大器U3A、多通道模拟开关U2， 4个扩流功率管Q5、Q6、Q7、Q8，运算放大器U3A工作在负反馈工作状态， MCU_DAC_OUT2与所述运算放大器U3A的正极输入端连接，所述运算放大器 U3A的输出端连接所述多通道模拟开关U2，每个所述扩流功率管Q5、Q6、Q7、 Q8与其中一个所述半桥驱动电路Q2A、Q2B、Q1A、Q1B连接，所述多通道模拟开关U2可使任一个扩流功率管Q5、Q6、Q7、Q8连通。
具体地，参考图5，当控制模拟开关S1导通时，恒流源电路可简化如图5 所示，运算放大器U3A工作在负反馈工作状态，取样电阻R20两端的电压等于 MCU_DAC_OUT2输出的电压。取样电阻上的电流I＝VMCU_DAC_OUT2/R20 因此，控制MCU_DAC_OUT2输出电压就可以控制取样电阻电流I。电阻电流I 即为Q5上流过的电流。
当选择电极1-2组成一对电极时，Q2A、Q6、S2导通，电流从电极1流向电极2，电流大小等于压控恒流源输出电流，即取样电阻R20上的电流；当Q2B、Q5、S1导通,电流从电极2流向电极1,电流大小为压控恒流源电流。
当MCU_DAC_OUT2为交流信号或其它任意波形，刺激电流波形可输出同样的波形。
本电路的特点在于：
1、采用多路半桥电路，可任意进行组合，支持多路电极任意组合。
2、半桥电路上管采用三极管，容易控制其通断，并工作在开关状态；下管采用MOS管恒流源，MOS管工作在线性状态，并且MOS管相对于三级管，没有基极电流影响恒流源精度。
3、采用模拟开关，可以与各路MOS组成恒流源，减少器件数量，减少体积，节约成本。
4、H_VCC电源电压可调，当输出刺激电流较低时，可调低H_VCC电源电压，减少发热，节约能量。
5、刺激电流可通过MCU_DAC_OUT的输出精准控制。
6、可通过控制MCU_DAC_OUT2输出任意刺激波形。
以上所揭露的仅为本发明的优选实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明申请专利范围所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。

Claims (10)

1.一种多路电极微型电刺激系统，包括：主控模块和电极，所述主控模块与所述电极连接，其特征在于，所述主控模块包括：
MCU,
可调高压电路模块，包括BOOST升压电路，倍压电路，所述BOOST升压电路的核心为开关电源芯片，所述倍压电路连接在所述BOOST升压电路之后；
刺激波形控制电路，所述刺激波形控制电路包括若干路半桥驱动电路，每个所述半桥驱动电路分别对应地连接一个电极，且任意一路所述半桥驱动电路可组成一对，输出双向刺激电流；
压控恒流源电路，所述压控恒流源电路包括:运算放大器、多通道模拟开关，若干扩流功率管，所述MCU的MCU_DAC_OUT2与所述运算放大器连接，所述运算放大器的输出端连接所述多通道模拟开关，所述扩流功率管与所述半桥驱动电路连接，所述多通道模拟开关可使任一个扩流功率管连通。
2.如权利要求1所述的多路电极微型电刺激系统，其特征在于，运算放大器工作在负反馈工作状态，所述MCU的MCU_DAC_OUT2与所述运算放大器的正极输入端连接。
3.如权利要求1所述的多路电极微型电刺激系统，其特征在于，所述倍压电路连接在所述开关电源芯片的SW端，所述倍压电路包括三个串联连接的二极管D1、D2、D3，以及电容C1和C2，在二极管D1和D2的外部跨接电容C1,二极管D1和D2之间连接电容C2后接地。
4.如权利要求1-3任一项所述的多路电极微型电刺激系统，其特征在于，所述可调高压电路模块还包括反馈网络，所述倍压电路的输出端还连接所述反馈网络，所述反馈网络包括串联连接的电阻R1和电阻R6，其中电阻R6的正极连接所述开关电源芯片的FB引脚。
5.如权利要求4所述的多路电极微型电刺激系统，其特征在于，所述主控模块内的MCU输出的DA电压，通过电阻R5连接到反馈网络，通过调整DA输出电压，以调整电压。
6.如权利要求4所述的多路电极微型电刺激系统，其特征在于，所述压控恒流源电路，还包括低温漂取样电路，所述低温漂取样电路串联在其中一路的所述半桥驱动电路和压控恒流源电路上。
7.如权利要求4所述的多路电极微型电刺激系统，其特征在于，还包括储能电路，所述储能电路连接在所述开关电源芯片的VIN引脚及SW引脚之间。
8.如权利要求7所述的多路电极微型电刺激系统，其特征在于，所述储能电路是电感。
9.如权利要求1所述的多路电极微型电刺激系统，其特征在于，所述开关电源芯片可以采用TPS61390RGT，MCU可采用STM32系列芯片。
10.一种缓解震颤手环，其特征在于，包括如权利要求1所述的多路电极微型电刺激系统。
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