CN212522715U - 一种经颅电刺激装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种经颅电刺激装置，属于医疗器械领域，包括电流调节器、电压‑电流转换器、极性开关、电极、补偿单元和信号发生器；电流调节器产生脉冲电压，并将产生脉冲电压传送给电压‑电流转换器，将脉冲电压信号转换为电流信号传送给极性开关；信号发生器的第二输出端将产生的直流电压信号传送给补偿单元，控制电压‑电流转换器的转换系数将直流电压信号转换成特定频率和幅值的交流电流；信号发生器的第一输出端将正脉冲期间和脉冲停止期间产生的不同方向的电流一起通过极性开关进行正反极性控制后的传送给电极；电极输出单极电流信号或双极电流信号或单极和双极混合的电流信号，该设备可以刺激大脑的内啡肽机制，在提高应用效率的同时，还增加了使用的安全性。

Description

一种经颅电刺激装置

技术领域

本发明涉及医疗器械领域，尤其涉及一种经颅电刺激装置。

背景技术

一种用于电子镇静的设备“Micro-LENAR”(SU，版权证书编号1711914 A61N 1/34，1992)，其中包括有节奏的作用单元、开关、放大器、放大器限制器、幅度调节器、初级放大器、功率放大器、保护单元、电极、电流表、按键、电阻器、电源和计时器。

在设备中，通过将开关切换到节奏动作单元的正向或反向输出，电刺激的持续时间会逐步增加。

该设备的缺点如下，在治疗过程中使用开关切换脉冲持续时间而没有遵守正负脉冲能量平衡的情况，将导致刺激电流幅度的跳跃并给患者带来疼痛感觉。继而，这可以导致患者的压力限制系统的激活，特别是导致糖皮质激素和皮质醇的释放，从而引起血压的跳跃，这将使该过程的效果较差甚至造成伤害。

另一种，经颅电刺激装置(实用新型RU 16826 U1，А61N1/34，2000)，它包括电源、电流调节器、有节奏的作用单元、放大器、电流计和电极。此外，它还包括电流稳定器、开关和等效负载、电源包括电池、电压转换器、比较器、电池电压指示器和电压稳定器。此外，将电压转换器、稳压器和比较器的第一输入连接到电池，使用发生器作为有节奏作用单元，发生器的输出通过放大器、电流表、和连接电极的第一个输出端接通，此时比较器的第二输入端连接到稳压器的输出，等效负载连接到开关的第二输出端。

在该设备中，发生器产生单极性矩形脉冲，其重复周期为T＝12.9±0.4ms，占空比为K＝3.2、3.3…、3.7，且前沿和切割持续时间超过20μs，电压转换器将电池电压升高到更高的电压，该电压作为电源提供给放大器，使用带有电流传感器反馈的放大器可以减少患者电路中电流强度对变化的负载电阻(头部的皮肤和内部组织)的依赖性。在这种情况下，一个电极的额头中，另一个位于耳朵的后面无毛的皮肤上，比较器监视电池的电压并发出有关其放电的信号。

该设备具有以下缺点，尽管设备的参数通常可以激活大脑的内啡肽机制，但单极性矩形脉冲的使用仍然存在一定的危险，因为已知这样的脉冲在周期内(恒定分量)具有平均值，等于电流幅度A和脉冲序列K的占空比的商,直流电对皮肤和脑组织的影响会导致皮肤上的电化学灼伤，并导致脑神经元暂时失活,另外，使用单极性脉冲不允许建立必要的电流强度，因为为了实现该强度需要要将脉冲的幅度设置为K倍，这可能会超出患者的痛苦阈值。

发明内容

根据现有技术存在的问题，本发明公开了一种经颅电刺激装置，包括电流调节器、电压-电流转换器、极性开关、电极、补偿单元和信号发生器；

所述电流调节器产生脉冲电压，并将产生脉冲电压传送给所述电压-电流转换器；

所述电压-电流转换器将脉冲电压信号转换为电流信号传送给所述极性开关；

所述信号发生器包括第一输出端和第二输出端；

所述信号发生器的第二输出端将产生的直流电压信号传送给所述补偿单元的输入端；

所述补偿单元控制所述电压-电流转换器的转换系数将直流电压信号转换成特定频率和幅值的交流电流；

同时所述信号发生器的第一输出端将正脉冲期间和脉冲停止期间产生的不同方向的电流一起通过极性开关进行正反极性控制后的传送给所述电极；

所述电极输出单极电流信号或双极电流信号或单极和双极混合的电流信号。

进一步地，所述电极包括电极Ⅰ和电极Ⅱ，所述电极Ⅰ安装在人体的额头枕骨方向上，所述电极Ⅱ安装在人体耳朵后面的位置。

进一步地，所述电极输出双极信号的正脉冲幅度比单极信号的幅值小40％。

进一步地，所示电流调节器输出的电流值的范围电流值的范围0～5mA、频率60～80Hz。

进一步地，还包括对所述电流调节器输出的电流进行检测的电流检测模块，所述电流检测模块采用的电流检测芯片位INA286双向分流检测器。

进一步地，所述信号发生器包括集成运放U1、集成运放U2、模拟电子开关U3、集成运放U4、数模转换器A1、场效应管Q1、场效应管Q2、场效应管Q3和场效应管Q4；

所述数模转换器A1的VOUTA引脚与所述集成运放U1的正输入端相连接，所述集成运放U1的负输入端通过串联电阻R1、电容C2与地相连接，所述集成运放U1的输出端通过并联的电容C1和电阻R3与集成运放Q2一端相连接，所述集成运放Q2与集成运放Q1相连接，集成运放Q1与模拟电子开关U3的S1A 的引脚相连接，模拟电子开关U3的R引脚与所述集成运放U4的正输入端相连接，所述集成运放U4的输出端还与集成运放Q3、Q4相连接。

进一步地，所述电流调节器主控芯片采用的型号是STM32F103c8t6。

由于采用了上述技术方案，本发明提供的一种经颅电刺激装置，该装置可以刺激大脑的内啡肽机制，其中必须用相等能量的负脉冲来补偿正脉冲的能量，同时该装置输出双极性脉冲电流信号，可产生频率60～80Hz可调，电流幅值 0～5mA可调的双极性人体安全作用电流信号，并确保设备的安全使用，在提高应用效率的同时，还增加了使用的安全性。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的模块组成图；

图2为本发明的信号发生器电路图；

图3为电流调节器的电路图；

图4为矩形脉冲电源图；

图5为电流调节器软件设计总体结构框图；

图6为信号发生模块程序流程图；

图7为定时器模块程序流程图；

图8(a)为电流检测模块的电流检测芯片电路示意图；

图8(b)为电流检测模块的数模器电路转换示意图；

图9为本发明工作的时间图。

图中：1、电流调节器，2、电压-电流转换器，3、极性开关，4、电极，5、补偿单元，6、信号发生器，41、电极Ⅰ，42、电极Ⅱ，61、第一输出端，62、第二输出端。

具体实施方式

为使本发明的技术方案和优点更加清楚，下面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的描述：

图1为本发明的模块组成图；本发明的一种经颅电刺激装置包括电流调节器1、电压-电流转换器2、极性开关3、电极4、补偿单元5和信号发生器6；

所述电流调节器1产生脉冲电压，并将产生脉冲电压传送给所述电压-电流转换器2；

所述电压-电流转换器2将脉冲电压信号转换为电流信号传送给所述极性开关3；

所述信号发生器6包括第一输出端61和第二输出端62；

所述信号发生器6的第二输出端62将产生的直流电压信号传送给所述补偿单元5的输入端；

所述补偿单元5控制所述电压-电流转换器2的转换系数将直流电压信号转换成特定频率和幅值的交流电流；

同时所述信号发生器6的第一输出端61将正脉冲期间和脉冲停止期间产生的不同方向的电流一起通过极性开关3进行正反极性控制后的传送给所述电极 4；

所述电极4输出单极电流信号或双极电流信号或单极和双极混合的电流信号。所述电极4包括电极Ⅰ41和电极Ⅱ42，电极Ⅰ41布置在额头枕骨方向，电极Ⅱ42布置在耳朵后面无毛的皮肤上；

所述电极4在额头枕骨方向上施加设备的输出电流时，信号发生器6产生矩形脉冲，该矩形脉冲与电极4的额头枕骨相结合，可以激活患者大脑的内啡肽机制，极性开关3用以下方式改变电极4中电流的方向：在来自发生器6的第一输出端61正脉冲作用期间，电流的方向从枕骨到额头，而在脉冲停顿期间从额头到枕骨，在这种情况下，来自信号发生器6的第二输出的信号被同步地馈送到补偿单元5的输入端，从补偿单元5输出的信号连接至电压-电流转换器 2的第二输入端。补偿单元5的功能是控制电压-电流转换器2的转换系数，以使得正负脉冲能量相等，避免对皮肤的损伤，脉冲能量＝*；结果，在电压-电流转换器2的输出处形成了具有不同幅度的电流脉冲序列。

图2为本发明的信号发生器电路图，所述信号发生器6的电路包括集成运放U1、集成运放U2、模拟电子开关U3、集成运放U4、数模转换器A1、场效应管Q1、场效应管Q2、场效应管Q3和场效应管Q4；

所述数模转换器A1的VOUTA引脚与所述集成运放U1的正输入端相连接，所述集成运放U1的负输入端通过串联电阻R1、电容C2与地相连接，所述集成运放U1的输出端通过并联的电容C1和电阻R3与集成运放Q2一端相连接，所述集成运放Q2与集成运放Q1相连接，集成运放Q1与模拟电子开关U3的S1A 的引脚相连接，模拟电子开关U3的R引脚与所述集成运放U4的正输入端相连接，所述集成运放U4的输出端还与集成运放Q3、Q4相连接；

所述电流调节器1的主控芯片选择的型号是STM32F103c8t6，图3为电流调节器的电路图；其带有3个16位定时器，每个定时器有多达4个用于输入捕获 /输出比较/PWM或脉冲计数的通道和增量编码器输入，Flash程序存储器512K 字节等，通过软件程序设置主控芯片的特殊功能寄存器，来改变脉冲信号的频率和占空比；PWM输出接OP07放大器构成的电压跟随器，用作隔离电路，保护主控芯片；

由主控芯片设置数字幅值通过DA转换器A1形成模拟幅值设置，通过集成运放U1控制场效应管Q1和场效应管Q2的沟道宽度，实现控制电流幅值，电流通过主控芯片以可调频率输出的PWM控制模拟电子开关A1，实现了恒流源变成了脉冲源，脉冲源经过控制场效应管Q3、场效应管Q4的导通获得可调幅值可控频率的脉冲电流源，矩形脉冲电源图形如图4所示；

图5为电流调节器软件设计总体结构框图，所述电流调节器1的软件部分包括5大部分：还包括进行参数设定和按键扫描的触摸控制模块、产生电流信号的信号发生模块、进行时间设置的定时模块、对心电监测进行显示及脉搏监测进行显示和脉冲参数实时显示的显示模块以及对电流阈值进行检测的阈值检测保护模块；

所述信号发生模块包括低频模块和信号调制模块；

所述定时模块包括时间模块、刺激作用时间计时模块和脉搏新点监测模块；

所述阈值检测保护模块包括频率监测反馈模块和电流幅值反馈模块。

所述电流调节器软件部分采用KeilμVision5集成开发环境，使用C语言进行编译，采用ST-LINK进行程序的下载与调试；上述模块的初始化程序主要包括：触摸屏初始化、LCD显示屏初始化、脉搏检测初始化、定时器初始化、串口初始化、波形发生初始化等。主循环主要运行对系统重要的功能子函数，具体包括：触摸扫描子程序、液晶显示子程序、DAC相关配置子程序等。

(1)信号发生模块程序设计

图6为信号发生模块程序流程图，本装置设计使用DAC的两个通道进行不同频率不同波形的输出，因此，需要对主控芯片中内置的DAC数模转换器进行配置，首先对本设计两个输出引脚PA4、PA5的PORTA时钟进行使能和引脚初始化设置；再对DAC模块时钟进行使能，进行详细配置，主要的配置有使用TIM 触发DAC转换的功能、使能DAC的DMA功能，以及使能DAC输出，即可完成DAC的配置工作。

首先对DMA、DAC、TIM进行初始化，开始传输后，定时器开始工作，ARR计数器开始从0开始计数，当计数的值达到设定的arr值后，产生一个触发信号，DMA开始工作，将SineWave_Value地址的数据传输到DAC的输出寄存器 DHR12R1中，输出对应的电压，即完成一个点的DAC输出。循环进行下一个点的输出，当完成128个点的输出后，即完成了一个周期的波形输出，再从 SineWave_Value的首地址开始输出，准备第二个周期信号输出。通过改变定时器ARR计数器的计数速度，可以完成对输出波形频率的控制，进行多种理疗模式所需要的频率设定和信号的发生。

图7为定时器模块程序流程图，定时器模块程序设计选择TIM7作为系统的定时器时钟，定时器时钟为整个系统运行的倒计时提供支持，首先使能TIM7 的时钟，设置允许自动更新中断，并设置分频系数为72000，自动重装载值为 100，其计数频率为1000Hz，记满100个点，进入一次中断，当中断次数满十次为1s用于运行模式的倒计时。

图8(a)为电流检测模块的电流检测芯片电路示意图，图8(b)为电流检测模块的数模器电路转换示意图；该装置必须保证使用者的安全，该装置还包括电流检测模块，电流检测模块采用的芯片是INA286AID，电流检测模块采用的数模器的型号是ADS7841P，电流调节器最终输出电流需要一定的限制，最大的电流值不能超过5mA，需要对电流调节器输出端的电流大小进行检测，电流检测模块内部的电流检测芯片采用了INA286双向分流检测器进行电流采集转化为电压数据，在信号输出端串联一个5欧姆的电阻对电阻两端进行差模采样，电流检测芯片的参考电压为5V，通过数据手册得知，其差分电压放大倍数为100 倍，故其测量电流的范围为-5～5mA，再将电压信号传递给一块12位4通道串行输出采样模数转换器ADS7841转为数字信号，将采集的到电流数据进行判断。

图9为本发明工作的时间图，图9所示信号发生器6的输出处的信号，该信号是脉冲序列，其中脉冲由数字I表示，脉冲之间的停顿由数字II表示，平均图显示了电压-电流转换器2的输出处的信号，其中S1是脉冲I能量，等于* 乘积，S2是脉冲II能量等于*乘积，在这种情况下，脉冲I和II的能量应该相同，底部图显示了极性开关3的输出信号，该信号被提供给电极4，其中S1是正脉冲I的能量，S2是负脉冲II的能量，由于正脉冲和负脉冲的能量相等，因此该周期的平均电流将为零。

此外，应注意的是，对于具有相等的电流强度有效值的单极信号和双极信号，对于这些信号发生器参数，双极信号的正脉冲幅度比单极信号的幅度小 40％，由于使用者头部的皮肤感受器可以精确地响应脉冲的幅度，因此使用双极性信号可以在相同的感觉下使用40％的更大电流强度，从而提高了设备的效率。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种经颅电刺激装置，其特征在于：包括电流调节器(1)、电压-电流转换器(2)、极性开关(3)、电极(4)、补偿单元(5)和信号发生器(6)；

所述电流调节器(1)产生脉冲电压，并将产生脉冲电压传送给所述电压-电流转换器(2)；

所述电压-电流转换器(2)将脉冲电压信号转换为电流信号传送给所述极性开关(3)；

所述信号发生器(6)包括第一输出端(61)和第二输出端(62)；

所述信号发生器(6)的第二输出端(62)将产生的直流电压信号传送给所述补偿单元(5)的输入端；

所述补偿单元(5)控制所述电压-电流转换器(2)的转换系数将直流电压信号转换成特定频率和幅值的交流电流；

同时所述信号发生器(6)的第一输出端(61)将正脉冲期间和脉冲停止期间产生的不同方向的电流一起通过极性开关(3)进行正反极性控制后的传送给所述电极(4)；

所述电极(4)输出单极电流信号或双极电流信号或单极和双极混合的电流信号。

2.根据权利要求1所述的一种经颅电刺激装置，其特征在于：所述电极(4)包括电极Ⅰ(41)和电极Ⅱ(42)，所述电极Ⅰ(41)安装在人体的额头枕骨方向上，所述电极Ⅱ(42)安装在人体耳朵后面的位置。

3.根据权利要求1所述的一种经颅电刺激装置，其特征在于：所述电极(4)输出双极信号的正脉冲幅度比单极信号的幅值小40％。

4.根据权利要求1所述的一种经颅电刺激装置，其特征在于：所示电流调节器(1)输出的电流值的范围0～5mA、频率60～80Hz。

5.根据权利要求1所述的一种经颅电刺激装置，其特征在于：还包括对所述电流调节器(1)输出的电流进行检测的电流检测模块，所述电流检测模块采用的电流检测芯片位INA286双向分流检测器。

6.根据权利要求1所述的一种经颅电刺激装置，其特征在于：所述信号发生器(6)包括集成运放U1、集成运放U2、模拟电子开关U3、集成运放U4、数模转换器A1、场效应管Q1、场效应管Q2、场效应管Q3和场效应管Q4；

所述数模转换器A1的VOUTA引脚与所述集成运放U1的正输入端相连接，所述集成运放U1的负输入端通过串联电阻R1、电容C2与地相连接，所述集成运放U1的输出端通过并联的电容C1和电阻R3与集成运放Q2一端相连接，所述集成运放Q2与集成运放Q1相连接，集成运放Q1与模拟电子开关U3的S1A的引脚相连接，模拟电子开关U3的R引脚与所述集成运放U4的正输入端相连接，所述集成运放U4的输出端还与集成运放Q3、Q4相连接。

7.根据权利要求1所述的一种经颅电刺激装置，其特征在于：所述电流调节器(1)主控芯片采用的型号是STM32F103c8t6。

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