CN202724462U - 基于无线通信的植入式电刺激器 - Google Patents

Abstract

一种电疗法技术领域的基于无线通信的植入式电刺激器，包括：设置于生物体内的电源模块、肌电刺激模块、肌电采集模块和微处理器以及设置于体外的控制处理器，其中：微处理器与控制处理器之间采用蓝牙无线连接，电源模块分别与肌电刺激模块、肌电采集模块和微处理器相连，微处理器的输出端与肌电刺激模块相连，肌电采集模块的输出端与微处理器相连。本实用新型体积小，电流刺激模块和肌电采集模块，在微处理器控制下，这两个模块各司其职、独立工作；同时，系统又通过反馈采集的肌电波形信息来实时调节可编程的刺激参数值，从而改变刺激脉冲的输出，以更好地符合刺激要求。

Description

基于无线通信的植入式电刺激器

技术领域

本实用新型涉及的是一种电疗法技术领域的装置，具体是一种基于无线通信的植入式电刺激器。 

背景技术

在生理实验中，为了研究机体器官、组织的生理机能及它们之间的相互联系，需要给实验动物一个适宜的刺激，引起机体产生相应的变化。能够引起机体发生反应的周围环境条件因素，生理学上均称为刺激。刺激可分为物理性刺激、化学性刺激及生物性刺激三种。然而，不管何种刺激，要引起机体反应，都必须满足强度和作用时间等参数的一定值。严格来说，电刺激并不是生理性刺激，但因其强度和作用时间等参数易于精确控制，在一定的参数范围内，可以多次重复使用而不会损伤机体组织，故在生理实验研究中被广泛应用。 

一个好的电子刺激器应该有明确的刺激波形，而且波形与其他刺激参数无关。生理实验使用电子刺激器时，其主要刺激参数一般包括强度、波宽、频率以及波形等。 

经过对现有技术的检索发现，中国专利文献号：CN1466475，公开日：2004-1-7，记载了一种“用于刺激有机体器官和组织的植入式和可编程电刺激器”，该技术具有被安排于主体内的自备供电单元、由生物传感器所发射信号的A/D转换器、用于形成输出脉冲的可编程单元、以及被置于主体外并用于对器官和组织进行脉冲的线电极和生物传感器。 

该已知装置的缺点是：①大量生物传感器遍布在电刺激器整个外表面上，增加了系统的复杂性，同时也提高了经济成本；②这些生物传感器均是单一的碳传感器，只用于控制呼吸输出和心血管输出，应用较狭窄；③A/D转换器与可编程模块是独立、分开的两个模块，且传感器数量的众多，使得刺激器面积较大，不利于植入体内、或植入体内会给受体带来较大的不适感。 

实用新型内容

本实用新型针对现有技术存在的上述不足，提出一种基于无线通信的植入式电刺激器，能够通过反馈采集的肌电波形信息来实时调节可编程的刺激参数值。 

本实用新型是通过以下技术方案实现的，本实用新型包括：设置于生物体内的电源模块、肌电刺激模块、肌电采集模块和微处理器以及设置于体外的控制处理器，其中：微处理器与控制处理器之间采用蓝牙无线连接，电源模块分别与肌电刺激模块、肌电采集模块和微处理器相连，微处理器的输出端与肌电刺激模块相连，肌电采集模块的输出端与微处理器相连。 

所述的肌电刺激模块的刺激脉冲为双向刺激，且第一个刺激脉冲为负方向；刺激电流强度为0～5mA，步长0.5mA；刺激频率为10Hz～200Hz，步长1Hz；刺激脉冲宽度：2000μS～500μS，步长50μS。 

所述的肌电刺激模块包括：数字模拟转换单元、差分低通滤波单元和四路单刀单掷模拟开关，其中：数字模拟转换单元的输出端与差分低通滤波单元相连，差分低通滤波单元的输出端与四路单刀单掷模拟开关相连。 

所述的数字模拟转换单元为串行数字模拟转换器，该串行数字模拟转换器与微处理器的P1输出端相连；所述的差分低通滤波单元包括两个并联的运算放大器，串行数字模拟转换器的输出端分别与两个运算放大器的输入端相连；运算放大器的输入端与输出端之间设有放大器电容，放大器电容的一端与运算放大器的输出端之间设有第一放大器电阻，第一放大器电阻与地线之间连接有第二放大器电阻；所述的四路单刀单掷模拟开关中的四路数字逻辑控制信号端口IN1-IN4分别与微处理器的P2输出端相连，两个输出信号端口分别通过四路单刀单掷模拟开关的S1端、S2端、S3端和S4端输出。 

所述的肌电采集模块包括：肌电传感单元和与之相连的肌电信号滤波与放大单元，其中：肌电信号滤波与放大单元包括：依次串联的高通滤波单元、增益放大单元和二阶低通滤波单元。 

所述的高通滤波单元包括：两个等值电阻和两个等值电容，其中：两个等值电容并联且一端与高通滤波单元的输入端相连，另一端与高通滤波单元的输出端相连，两个等值电阻串联并设置于高通滤波单元的输出端。 

所述的高通滤波单元的截止频率为0.08Hz。 

所述的增益放大单元采用差分放大器芯片，该芯片的第一引脚和第二引脚之间设有放大增益调节电阻，正极和负极分别与高通滤波单元的输出端相连。 

所述的二阶低通滤波单元为两级萨伦·基低通滤波器，包括两个串联的CMOS双运算放大器，每个CMOS双运算放大器的正极输入端和输出端之间设有第三电容，正极输入端和负极输入端之间设有第四电容，第三电容的电容值为第四电容的两倍，低通滤波截止频率为500Hz，总放大增益为2000。 

所述的电源模块包括：扣式锂电池、直流升压转换器、直流逆变器和带关断的可调输出稳压器，其中：扣式锂电池的输出端与直流升压转换器相连，直流升压转换器的输出端与直流逆变器相连，扣式锂电池与带关断的可调输出稳压器相连。 

本实用新型所涉及的基于无线通信的植入式电刺激器集成设置于一块面积小于等于90mm*55mm、高度小于等于10mm的电路板上，该电路板四周设有圆形倒角。 

与现有技术相比，本实用新型的技术效果包括：体积小，组合了电流刺激模块和肌电采集模块，在微处理器控制下，这两个模块各司其职、独立工作；同时，植入式电刺激器又通过反馈采集的肌电波形信息来实时调节可编程的刺激参数值，从而改变刺激脉冲的输出，以更好地符合刺激要求。 

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图。 

图2为肌电采集模块中的肌电信号滤波与放大单元示意图。 

图3为肌电刺激模块示意图。 

图4为电源模块的示意图。 

具体实施方式

下面对本实用新型的实施例作详细说明，本实施例在以本实用新型技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本实用新型的保护范围不限于下述的实施例。 

实施例 

如图1所示，本实施例包括：设置于生物体内的电源模块、肌电刺激模块、肌电采集模块和微处理器以及设置于体外的控制处理器，其中：微处理器与控制处理器之间采用蓝牙无线连接，电源模块分别与肌电刺激模块、肌电采集模块和微处理器相连，微处理器的输出端与肌电刺激模块相连，肌电采集模块的输出端与微处理器相连。 

所述的肌电刺激模块的刺激脉冲为双向刺激，且第一个刺激脉冲为负方向；刺激电流强度为0～5mA，步长0.5mA；刺激频率为10Hz～200Hz，步长1Hz；刺激脉冲宽度：2000μS～500μS，步长50μS。 

所述的肌电刺激模块包括：数字模拟转换单元、差分低通滤波单元和四路单刀单掷模拟开关，其中：数字模拟转换单元的输出端与差分低通滤波单元相连，差分低通滤波单元的输出端与四路单刀单掷模拟开关相连。 

如图3所示，所述的数字模拟转换单元为串行数字模拟转换器，型号为DAC8512，其片选引脚CS接地，CLK、SD1、LD和CLR与微处理器的P1输出端相连，VOUT输出转换后的电压信号；所述的差分低通滤波单元包括两个并联的型号为的运算放大器，VOUT输出端分别与两个运算放大器的输入端相连；运算放大器的输入端与输出端之间设有放大器电容C203、C204，放大器电容C203、C204的一端与运算放大器的输出端之间设有第一放大器电阻R202、R203，第一放大器电阻R202、R203与地线之间连接有第二放大器电阻R204、R205；所述的四路单刀单掷模拟开关型号为ADG413，其中的四路数字逻辑控制信号端口IN1-IN4分别与 微处理器的P2输出端相连，两个输出信号端口分别通过四路单刀单掷模拟开关的S1端、S2端、S3端和S4端输出。 

如图1和图2所示，所述的肌电采集模块包括：肌电传感单元和与之相连的肌电信号滤波与放大单元，其中：肌电信号滤波与放大单元包括：依次串联的高通滤波单元、增益放大单元和二阶低通滤波单元。 

所述的高通滤波单元包括：两个等值电阻C101、C102和两个等值电容R101、R102，其中：两个等值电容并联且一端与高通滤波单元的输入端相连，另一端与高通滤波单元的输出端相连，两个等值电阻串联并设置于高通滤波单元的输出端。 

所述的高通滤波单元的截止频率为0.08Hz。 

所述的增益放大单元采用差分放大器芯片，该芯片的第一引脚和第二引脚之间设有放大增益调节电阻，正极和负极分别与高通滤波单元的输出端相连。前置放大器增益为  $G_1=1+\frac{100\mathrm{k\Ω}}{R_G}.$

所述的差分放大器芯片的第三引脚连接第一电容C113，第四引脚连接第二电容C115。 

所述的二阶低通滤波单元为两级萨伦·基低通滤波器，包括两个串联的CMOS双运算放大器，每个CMOS双运算放大器的正极输入端和输出端之间设有第三电容C118、C124，正极输入端和负极输入端之间设有第四电容C117、C123，第三电容C118、C124的电容值为第四电容C117、C123的两倍，低通滤波截止频率为500Hz，总放大增益为2000。 

第一级萨伦·基低通滤波器的正极输入端与增益放大单元的输出端之间设有第一电阻R115和第二电阻R117，负极输入端与增益放大单元的输出端之间设有第三电阻R119，负极输入端与输出端之间设有第四电阻R121。 

第二级萨伦·基低通滤波器的负极输入端与地线之间设有第五电阻R127，负极输入端与输出端之间设有第六电阻R129。 

第一级滤波器增益为 

低通滤波截止频率为 第二级滤波器增益为 

肌电采集模块中肌电信号总的放大增益为G＝G₁·G₂·G₃。 

如图4所示，所述的电源模块包括：扣式锂电池、直流升压转换器、直流逆变器和带关断的可调输出稳压器，其中：扣式锂电池的输出端与直流升压转换器相连，直流升压转换器的输出端与直流逆变器相连，扣式锂电池与带关断的可调输出稳压器相连。 

选用标称电压为+3.7V的可充电扣式锂电池作为本发明系统总能量输入单元。一方面， 供给直流升压转换器作输入电压，转换输出+12V可调电压、+5V固定电压；接着，+5V稳压又作为直流逆变器的输入电压，逆变输出-5V。另一方面，扣式锂电池为带关断功能的可调输出稳压器供电，使之产生+3.3V稳压。 

上述基于无线通信的植入式电刺激器集成设置于一块面积小于等于90mm*55mm、高度小于等于10mm的圆角电路板上，再放置于动物腹部。体内微处理器通过蓝牙蓝牙无线通讯与体外控制处理器通信，接收体外控制器的命令，产生规定的双向刺激电流去刺激动物的眼肌肉组织；肌电采集模块实时采集由此产生的眼肌电波形，通过模数转换后送入体内微处理器，再经无线通信发送给体外控制器。 

Claims (10)

1.一种基于无线通信的植入式电刺激器，其特征在于，包括：设置于生物体内的电源模块、肌电刺激模块、肌电采集模块和微处理器以及设置于体外的控制处理器，其中：微处理器与控制处理器之间采用蓝牙无线连接，电源模块分别与肌电刺激模块、肌电采集模块和微处理器相连，微处理器的输出端与肌电刺激模块相连，肌电采集模块的输出端与微处理器相连。

2.根据权利要求1所述的基于无线通信的植入式电刺激器，其特征是，所述的肌电刺激模块包括：数字模拟转换单元、差分低通滤波单元和四路单刀单掷模拟开关，其中：数字模拟转换单元的输出端与差分低通滤波单元相连，差分低通滤波单元的输出端与四路单刀单掷模拟开关相连。

3.根据权利要求2所述的基于无线通信的植入式电刺激器，其特征是，所述的数字模拟转换单元为串行数字模拟转换器，该串行数字模拟转换器与微处理器的P1输出端相连；所述的差分低通滤波单元包括两个并联的运算放大器，串行数字模拟转换器的输出端分别与两个运算放大器的输入端相连；所述的四路单刀单掷模拟开关中的四路数字逻辑控制信号端口IN1-IN4分别与微处理器的P2输出端相连，两个输出信号端口分别通过四路单刀单掷模拟开关的S1端、S2端、S3端和S4端输出。

4.根据权利要求3所述的基于无线通信的植入式电刺激器，其特征是，所述的运算放大器的输入端与输出端之间设有放大器电容，放大器电容的一端与运算放大器的输出端之间设有第一放大器电阻，第一放大器电阻与地线之间连接有第二放大器电阻。

5.根据权利要求1所述的基于无线通信的植入式电刺激器，其特征是，所述的肌电采集模块包括：肌电传感单元和与之相连的肌电信号滤波与放大单元，其中：肌电信号滤波与放大单元包括：依次串联的高通滤波单元、增益放大单元和二阶低通滤波单元。

6.根据权利要求5所述的基于无线通信的植入式电刺激器，其特征是，所述的高通滤波单元包括：两个等值电阻和两个等值电容，其中：两个等值电容并联且一端与高通滤波单元的输入端相连，另一端与高通滤波单元的输出端相连，两个等值电阻串联并设置于高通滤波单元的输出端。 

7.根据权利要求5所述的基于无线通信的植入式电刺激器，其特征是，所述的增益放大单元采用差分放大器芯片，该芯片正极和负极分别与高通滤波单元的输出端相连，第一引脚和第二引脚之间设有放大增益调节电阻，第三引脚连接第一电容，第四引脚连接第二电容。

8.根据权利要求5所述的基于无线通信的植入式电刺激器，其特征是，所述的二阶低通滤波单元为两级萨伦·基低通滤波器，包括两个串联的CMOS双运算放大器，第一级萨伦·基低通滤波器的正极输入端与增益放大单元的输出端之间设有第一电阻和第二电阻，负极输入端与增益放大单元的输出端之间设有第三电阻，负极输入端与输出端之间设有第四电阻，第二级萨伦·基低通滤波器的负极输入端与地线之间设有第五电阻，负极输入端与输出端之间设有第六电阻。

9.根据权利要求1所述的基于无线通信的植入式电刺激器，其特征是，所述的电源模块包括：扣式锂电池、直流升压转换器、直流逆变器和带关断的可调输出稳压器，其中：扣式锂电池的输出端与直流升压转换器相连，直流升压转换器的输出端与直流逆变器相连，扣式锂电池与带关断的可调输出稳压器相连。

10.根据权利要求1所述的基于无线通信的植入式电刺激器，其特征是，所述的基于无线通信的植入式电刺激器集成设置于一块面积小于等于90mm*55mm、高度小于等于10mm的电路板上。 

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