CN209378308U - 刺激强度可实时调整的可穿戴式恒流输出装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种刺激强度可实时调整的可穿戴式恒流输出装置。包括处理器及与该处理器连接的用于实现处理器与上位机通信的通讯模块、用于为整个装置供电的电源模块、升压单元、恒流输出单元；所述升压模块包括分别与处理器连接的N通道升压模块，所述恒流输出单元包括分别与处理器连接的N通道恒流输出模块，其中，N为正整数。本实用新型通过接收串口数据实现对刺激参数的调整，可以实时对输出脉冲的频率、幅度和脉宽进行调整；本实用新型输出波形是双极性脉冲，提供正负电荷相等，不易在身体组织积累电荷，对身体组织造成的伤害较小，不容易造成肌肉疲劳，很好的解决了单极性脉冲刺激肌肉导致电荷在组织中积累而产生肌肉疲劳的问题。

Description

刺激强度可实时调整的可穿戴式恒流输出装置

技术领域

本实用新型涉及一种刺激强度可实时调整的可穿戴式恒流输出装置。

背景技术

功能性电刺激（Functional Electrical Stimulation，FES）疗法是一种在中枢神经系统缺失刺激输出时的替代疗法，是指利用安全电流刺激主要由脊髓损伤、脑创伤和中风等中枢神经病变导致功能性障碍的目标肌肉再次传出神经兴奋，使肌肉收缩从而获得功能恢复的技术手段。目前，该技术已经应用在脊髓损伤患者的心血管锻炼、辅助瘫痪个体移动肢体、修正不完全脊髓损伤患者行走期间的步态和恢复组织器官功能等康复领域。目前，采用FES恢复脊髓损伤、脑创伤和中风患者的运动功能是康复工程研究的热门课题，并且已经显示出在功能上恢复具有运动障碍的个体，例如中风，多发性硬化和创伤性脑损伤等。

目前，大多数临床应用的FES系统属于开环系统，开环的FES系统是在满足特定条件时执行预设刺激序列或需要用户连续输入刺激命令，这意味着控制器不会收到有关实际状态的信息，也就无法根据患者自身情况修改刺激参数。然而，在已发表的论文和临床应用中发现，对于脊髓损伤患者的许多潜在应用需要实时控制FES系统来完成复杂的刺激，例如维持站立期间的平衡、坐下时躯干控制和步行等等。这些应用需要补偿由于模型不准确和干扰引起的误差，需要闭环FES系统根据患者自身情况调节刺激参数，用于补偿模型不准确和干扰引起的误差，而开环的FES系统显然无法做到，因此，闭环控制的FES刺激系统就显得尤其重要。此外，闭环的FES刺激系统比开环系统需要更少的用户交互，以便用户在使用系统时可以专注于其他活动。

虽然市场上已经有一些FES设备用于临床治疗，但是大多数FES设备都存在一些缺陷：一、输出的电刺激强度序列是预先设定，无法在使用过程中根据患者实际情况实时调整刺激参数；二、输出脉冲为单极性，造成电荷累积导致肌肉疲劳；三、多为单通道FES设备，无法满足同时对多块肌肉进行电刺激的应用需求；四、刺激输出为非恒流，造成刺激量不稳定，患者使用舒适度差；五、采用市电供电，体积较大，无法在需要进行穿戴的场合下应用，例如在足下垂患者行走时的应用。

本实用新型克服了现有技术中FES设备的上述缺点，实现了可以实时调整刺激参数和多通道输出双极性脉冲的功能，并且输出恒流脉冲信号，同时本实用新型采用锂电池供电，体积小，重量轻，便于穿戴，这也是本实用新型的优点。本实用新型可以应用于FES闭环系统的研究，能够实现在FES闭环系统中对刺激参数实时控制，解决了现有FES设备不能实时控制刺激参数和单通道输出单极性脉冲的技术难题。

发明内容

本实用新型的目的在于提供一种刺激强度可实时调整的可穿戴式恒流输出装置，可以实时调整刺激参数和多通道输出双极性脉冲的功能，并且输出恒流脉冲信号，同时本实用新型采用锂电池供电，体积小，重量轻，便于穿戴。

为实现上述目的，本实用新型的技术方案是：一种刺激强度可实时调整的可穿戴式恒流输出装置，包括处理器及与该处理器连接的用于实现处理器与上位机通信的通讯模块、用于为整个装置供电的电源模块、升压单元、恒流输出单元；所述升压模块包括分别与处理器连接的N通道升压模块，所述恒流输出单元包括分别与处理器连接的N通道恒流输出模块，其中，N为正整数。

在本实用新型一实施例中，所述电源模块包括锂电池及与其连接的USB充电电路、电压转换电路。

在本实用新型一实施例中，所述N通道升压模块均包括与所述锂电池连接的初级升压电路、与所述初级升压电路连接的次级升压电路、与所述初级升压电路连接的DAC转换器、与所述次级升压电路连接的数字电位器，所述DAC转换器、数字电位器还分别连接至所述处理器。

在本实用新型一实施例中，所述N通道恒流输出模块包括与所述次级升压电路连接的H桥电路、与所述H桥电路连接的恒流输出电路，所述H桥电路、恒流输出电路还分别连接至所述处理器。

相较于现有技术，本实用新型具有以下有益效果：本实用新型可以实时调整刺激参数和多通道输出双极性脉冲的功能，并且输出恒流脉冲信号，同时本实用新型采用锂电池供电，体积小，重量轻，便于穿戴；本实用新型可以应用于FES闭环系统的研究，能够实现在FES闭环系统中对刺激参数实时控制，解决了现有FES设备不能实时控制刺激参数和单通道输出单极性脉冲的技术难题。

附图说明

图1为本实用新型装置原理框图。

图2为STM32工作电路。

图3为USB转串口工作电路。

图4为USB充电工作电路。

图5为锂电池电压检测工作电路。

图6为3.3V电压转换工作电路。

图7为通道一的初级升压工作电路。

图8为DAC转换工作电路。

图9为通道一的次级升压工作电路。

图10为通道一的H桥工作电路。

图11为生成12V电压工作电路。

图12为通道一的恒流输出工作电路。

图13为通道一的采样H桥两个输出端电压工作电路。

图14为通道二、三、四的初级升压工作电路。

图15为通道二、三、四的次级升压工作电路。

图16为通道二、三、四的H桥工作电路。

图17为通道二、三、四的恒流输出工作电路。

图18为通道二、三、四的采样H桥两个输出端电压工作电路。

具体实施方式

下面结合附图，对本实用新型的技术方案进行具体说明。

本实用新型提供了一种刺激强度可实时调整的可穿戴式恒流输出装置，包括处理器及与该处理器连接的用于实现处理器与上位机通信的通讯模块、用于为整个装置供电的电源模块、升压单元、恒流输出单元；所述升压模块包括分别与处理器连接的N通道升压模块，所述恒流输出单元包括分别与处理器连接的N通道恒流输出模块，其中，N为正整数。

在本实用新型一实施例中，所述电源模块包括锂电池及与其连接的USB充电电路、电压转换电路。

在本实用新型一实施例中，所述N通道升压模块均包括与所述锂电池连接的初级升压电路、与所述初级升压电路连接的次级升压电路、与所述初级升压电路连接的DAC转换器、与所述次级升压电路连接的数字电位器，所述DAC转换器、数字电位器还分别连接至所述处理器。

在本实用新型一实施例中，所述N通道恒流输出模块包括与所述次级升压电路连接的H桥电路、与所述H桥电路连接的恒流输出电路，所述H桥电路、恒流输出电路还分别连接至所述处理器。

以下为本实用新型的具体实现实例。

本实例提供一种4通道的刺激强度可实时调整的可穿戴式恒流输出装置，具体的本实例基于STM32处理器（选用STM32F407VET6等具有同功能芯片）设计刺激强度可实时调整的可穿戴式恒流输出装置，采用的技术方案是，通过通讯模块接收上位机发送的通道信号、通道使能信号和刺激参数等数据，刺激参数包括频率、幅度和脉宽，实现实时调整恒流输出强度。具体硬件组成包括：STM32处理器、通讯模块、电源模块、升压模块、恒流输出模块。本装置采用4.2V可充电锂电池作为电源，通过USB线对锂电池充电，锂电池经过电压转换电路作为STM32的驱动电压，同时锂电池作为升压模块的输入电压，升压模块的输出电压作为恒流输出模块的工作电压。恒流输出装置的各模块连接如图1，其中四个通道的升压模块、以及恒流输出模块的电路结构相同。

本实例的硬件功能模块设计如下：

STM32处理器选用STM32F407VET6，是一款32位处理器，CPU工作频率为72MHz，外设丰富，满足恒流输出装置需要的定时器、ADC、I2C、GPIO和USART功能模块。I2C外设模块用于配置DAC转换器和数字电位器的寄存器；8个普通I/O口用于控制4个通道的恒流输出模块；ADC模块用于采集电池电压和各通道恒流输出电路的电压。STM32工作电路如附图2。

通讯模块由STM32自带外设的USART串口功能。STM32与上位机通讯时，串口通讯参数要互相匹配才能互相传输数据，串口通讯参数如下：波特率为115200kb/s、8位数据位、1位停止位和无校验位。上位机选择其他MCU时，MCU的RDX和TDX引脚分别接在STM32的TDX和RDX引脚上，串口通讯协议保持一致就可以实现串口通信；当上位机选用PC的控制程序时，在串口通讯协议保持一致的情况下，STM32与PC控制程序通过CH340C芯片实现串口通讯，CH340C是一款USB总线的转接芯片，实现USB转串口，其工作电路如附图3。采用常用的MODEM联络信号，这里使用CH340C芯片的RTS和DTR引脚，CH340C芯片内置上拉电阻，D+和D-作为USB信号直接接到USB总线的D+和D-数据线上，RDX1和TDX1作为串行数据输入、输出端口，用于STM32接收数据和发送数据。

电源模块由电池、USB充电电路和电压转换电路组成，电池选用一节4.2V的可充电锂电池，通过USB线对电池充电，电池充电电路采用MP2615高效率充电器芯片，电压转换电路将电池电压转换为供STM32工作的电压。USB充电电路如附图4。在本装置中，绿灯D21和红灯D22分别表示有效电源输入指示灯和充电指示灯，当USB线输入5V电压时，红灯和绿灯常亮。充电电路只需对1节4.2V锂电池充电，因此，MP2615第4引脚通过0R电阻和VCC引脚连接，设置为对1节电池充电，第5引脚悬空，设置为对4.2V电池充电。锂电池电压检测电路如附图5，为了防止锂电池电压超过ADC模块的允许电压范围，锂电池需要串联2个100K电阻分压，分压后输入到STM32的ADC模块，用于检测电池电量，当绿灯D16熄灭，表示电池电压过低，STM32无法正常工作，需要对锂电池充电。3.3V电压转换工作电路如附图6，锂电池串联一个开关，再与XC6206芯片连接，当开关闭合，4.2V电压经过XC6206芯片转换为3V3电压作为STM32的驱动电压。

升压模块是包括初级升压电路和次级升压电路的两级升压电路，初级升压电路和次级升压电路采用并联的方式一起将电源电压升高到需要的电压。锂电池作为初级升压电路的输入电压，经初级升压后的电压作为次级升压电路的输入电压。初级升压采用FP6296XR芯片，其工作电路如附图7，下面具体说明通道1的控制方法，其它三个通道（图14）控制方法相同。在本装置中，初级升压电路的输入电压为4.2V，输出电压高达13V，初级升压芯片的第5引脚作为电压反馈引脚，反馈电压VFB为1.2V，外接一个线性加法电路。通过控制加法电路输入端CH1_ADJ2的电压大小，从而控制输出电压。增大CH1_ADJ2的电压，可以减小初级升压电路的输出电压；反之，则增大初级升压电路的输出电压。CH1_ADJ2的电压由STM32的I2C接口控制DAC转换器输出的电压决定，DAC转换工作电路如附图8。将输出电压作为次级升压电路的输入电压，次级升压电路采用Boost升压电路，其工作电路如附图9，下面具体说明通道1的控制方法，其它三个通道（图15）控制方法相同。在本系统中，采用高性能PWM控制器BIT3260控制MOS管的开关，其OCP引脚电压为0.5V，外接一个数字电位器MCP4018-502，数字电位器再串联一个100K的电阻R7，通过分压原理计算输出电压为（假设数字电位器的电阻为）。通过STM32的I2C接口配置数字电位器的寄存器，改变数字电位器的阻值，实现控制次级升压的输出电压。

恒流输出模块由H桥电路和恒流输出电路组成，四个通道（图16、图17、图18）的控制方法相同，下面具体描述通道1的控制方法，通道1的H桥工作电路如附图10。STM32的I/O口控制H桥的交替导通，根据计算出的频率和脉宽控制输出双极性脉冲的频率和脉宽。H桥的下管采用MOS管，它的驱动电压设置为12V，生成12V电压工作电路如附图11，本装置采用FP6291升压集成芯片，5引脚的反馈电压为0.6V，外接分压电阻R149和R150，确定其输出电压为12V，提供MOS管的驱动电压。恒流输出电路如附图12，R50电阻用于小电流输出和负载电阻测量。R50电阻若接入电路，则与负载形成串联电路，通过H桥两个输出端的电压和R50电阻的电压，可以测量负载电阻大小，CH1_SW2开关决定是否接通旁路R50,CH1_SW1决定是否打开该通道。采样H桥两个输出端的电压的工作电路如附图13，为了防止电压超过ADC模块的允许电压范围，采用电阻分压后再输入ADC模块。恒流输出实际上是由电压控制的恒流输出电路，先计算出输出所需电流对应的电压，通过I2C接口配置DAC转换器和数字电位器对应的寄存器，使得次级升压电路的输出电压稳定，检测流过负载的电流，当负载电流小于设定值值，减少数字电位器的阻值，增大升压电路的输出电压，从而增大负载电流；当负载电流大于设定值，增大数字电位器的阻值，减小升压电路的输出电压，从而减小负载电流，最终实现恒流输出。

本实用新型是一种用于FES闭环系统研究的刺激强度可实时调整的恒流输出装置。该装置的使用步骤：

第一步，先将电极片与电刺激输出通道连接好；

第二步，上位机发送满足通讯格式的指令，STM32接收到指令后输出对应幅度、频率和脉宽；

第三步，STM32不断接收上位机发送的数据，实现对刺激参数的实时控制。

以上是本实用新型的较佳实施例，凡依本实用新型技术方案所作的改变，所产生的功能作用未超出本实用新型技术方案的范围时，均属于本实用新型的保护范围。

Claims (4)

1.一种刺激强度可实时调整的可穿戴式恒流输出装置，其特征在于，包括处理器及与该处理器连接的用于实现处理器与上位机通信的通讯模块、用于为整个装置供电的电源模块、升压单元、恒流输出单元；所述升压单元包括分别与处理器连接的N通道升压模块，所述恒流输出单元包括分别与处理器连接的N通道恒流输出模块，其中，N为正整数。

2.根据权利要求1所述的刺激强度可实时调整的可穿戴式恒流输出装置，其特征在于，所述电源模块包括锂电池及与其连接的USB充电电路、电压转换电路。

3.根据权利要求2所述的刺激强度可实时调整的可穿戴式恒流输出装置，其特征在于，所述N通道升压模块均包括与所述锂电池连接的初级升压电路、与所述初级升压电路连接的次级升压电路、与所述初级升压电路连接的DAC转换器、与所述次级升压电路连接的数字电位器，所述DAC转换器、数字电位器还分别连接至所述处理器。

4.根据权利要求3所述的刺激强度可实时调整的可穿戴式恒流输出装置，其特征在于，所述N通道恒流输出模块包括与所述次级升压电路连接的H桥电路、与所述H桥电路连接的恒流输出电路，所述H桥电路、恒流输出电路还分别连接至所述处理器。