CN215309710U - 可自适应调整输出强度的功能性电刺激仪器 - Google Patents

Abstract

本实用新型提出一种可自适应调整输出强度的功能性电刺激仪器，其特征在于，包括：处理器，分别与处理器连接的：蓝牙通讯模块、角速度采集模块、电源模块、升压模块以及脉冲输出模块；所述电源模块经升压模块连接脉冲输出模块。该装置采用锂电池供电，体积小，重量轻，便于穿戴。同时通过蓝牙实现与智能手机的通讯，以便于利用智能手机作为上位机，可以在智能手机上对装置进行参数的设置以及指令的控制，使用方便。

Description

可自适应调整输出强度的功能性电刺激仪器

技术领域

本实用新型属于医疗仪器技术领域，尤其涉及一种可自适应调整输出强度的功能性电刺激仪器。

背景技术

目前市面上和临床上的可穿戴式FES设备而言，大多数都采用梯形包络线，且部分采用足底压力作为刺激开启和停止信号。梯形包络线是一种预先设定的输出强度序列，无法根据用户行走时的实时步态信息进行自适应调整。足底压力需要由压力传感器（force-sensing resistor, FSR）测量，压力传感器作为外部传感器，集成到控制器具有一定难度。即使是拥有蓝牙传输功能的压力传感器，也会因为与鞋垫集成导致使用场合的限制。

实用新型内容

有鉴于此，为了弥补现有技术的空白和不足，本实用新型的目的在于提供一种可自适应调整输出强度的功能性电刺激仪器，即穿戴式电刺激输出装置，其配套装置为智能手机（所采用的智能手机型号不限，只要能够带有蓝牙或其他等同的无线连接功能作为穿戴式电刺激输出装置的上位机，并执行相应控制指令即可；也可以同等替换为平板电脑等其他等效的装置），二者之间通过蓝牙进行通信，智能手机作为上位机进行指令控制以及数据传输，使用方便。穿戴式电刺激输出装置集成角速度采集模块以实时采集小腿角速度，以小腿角速度作为步态信息的特征量，装置的输出强度可以根据小腿角速度信号实时调整，可避免冗余刺激和刺激盲区，可提供符合自然步态需求的电刺激输出强度。同时本实用新型采用锂电池供电，体积小，重量轻，便于穿戴。

本实用新型具体采用以下技术方案：

一种可自适应调整输出强度的功能性电刺激仪器，其特征在于,包括：处理器，分别与处理器连接的：蓝牙通讯模块、角速度采集模块、电源模块、升压模块以及脉冲输出模块；所述电源模块经升压模块连接脉冲输出模块；所述蓝牙通讯模块连接智能手机，并以智能手机作为上位机。

进一步地，所述处理器为STM32微处理器。

进一步地，电源模块包括锂电池以及与其连接的USB充电电路、电压转换电路。

进一步地，述升压模块包括与锂电池连接的初级升压电路、与初级升压电路连接的次级升压电路、与初级升压电路连接的DAC转换器、与次级升压电路连接的数字电位器，所述DAC转换器和数字电位器还分别连接至处理器。

进一步地，所述脉冲输出模块包括与次级升压电路连接的H桥电路、与H桥电路连接恒流输出电路，所述H桥电路和恒流输出电路还分别连接至处理器。

与现有技术相比，本实用新型及其优选方案采用锂电池供电，体积小，重量轻，便于穿戴。同时通过蓝牙实现与智能手机的通讯，以便于利用智能手机作为上位机，可以在智能手机上对装置进行参数的设置以及指令的控制，使用方便。

该装置的使用方式为：用户将电极片与装置通过专用导线连接，将装置通过绑带固定于膝盖下方，将电极片正负极贴于胫骨前肌上下两端；

打开装置电源，智能手机与装置进行蓝牙配对；用户在智能手机开启输出进行参数的设置；用户参数设置完毕后关闭输出；用户选择模式；用户开启输出使用结束后关闭输出；用户使用数据后台自动保存，退出安卓APP，关闭装置电源，取下绑带和电极片。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型进一步详细的说明：

图1为本实用新型实施例穿戴式电刺激输出装置结构示意图；

图2为本实用新型实施例STM32工作电路原理示意图；

图3为本实用新型实施例HC05工作电路原理示意图；

图4为本实用新型实施例MPU6050工作电路原理示意图；

图5为本实用新型实施例USB充电工作电路原理示意图；

图6为本实用新型实施例锂电池电压检测电路原理示意图；

图7为本实用新型实施例电路转换工作电路示意图；

图8为本实用新型实施例初级升压电路原理示意图；

图9为本实用新型实施例DAC转换电路示意图；

图10为本实用新型实施例次级升压电路原理示意图；

图11为本实用新型实施例H桥工作电路原理示意图；

图12为本实用新型实施例生成12V电压工作电路示意图；

图13为本实用新型实施例恒流输出电路原理示意图；

图14为本实用新型实施例H桥输出电压采样电路原理示意图。

具体实施方式

为让本专利的特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，作详细说明如下：

本实施例的目的在于提供一种可自适应调整刺激强度的功能性电刺激仪器与控制方法，提供的穿戴式电刺激输出装置与智能手机之间通过蓝牙进行通信。智能手机作为上位机进行指令控制以及数据传输。

其中，穿戴式电刺激输出装置包括STM32微处理器、用于实现STM32与智能手机通信的蓝牙通讯模块和用于实现角速度采集的角速度采集模块、用于为整个装置供电的电源模块、升压模块以及脉冲输出模块，装置的各模块连接如图1所示。

其中，电源模块包括锂电池以及与其连接的USB充电电路、电压转换电路。升压模块包括与锂电池连接的初级升压电路、与初级升压电路连接的次级升压电路、与初级升压电路连接的DAC转换器、与次级升压电路连接的数字电位器，DAC转换器和数字电位器还分别连接至处理器。

脉冲输出模块包括与次级升压电路连接的H桥电路、与H桥电路连接恒流输出电路，H桥电路和恒流输出电路还分别连接至处理器。

本实用新型基于STM32处理器(选用STM32F407VET6等具有同功能芯片)设计可自适应调整输出强度的穿戴式电刺激输出装置，通过蓝牙通讯模块接收智能手机发送的幅值大小调节、脉宽大小调节、模式选择（包括参数设置模式、肌点调制模式和步态自适应模式）、开启和停止输出等指令，以实现输出强度根据实时步态信息进行自适应调整。具体硬件组成包括:STM32处理器、蓝牙通讯模块、电源模块、升压模块、脉冲输出模块、角速度采集模块。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。

STM32处理器选用STM32F407VET6，工作电路如图2所示。其为一款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口用于控制脉冲输出模块;ADC模块用于采集电池电压和脉冲输出电路的电压。

蓝牙通讯模块采用的是ATK-HC05型主从一体蓝牙串口模块，其体积小巧，稳定性高，可用于与上位机实现数据的相互透传。本装置采用智能手机APP作为上位机。通过HC05和STM32自带的USART接口实现通讯，通讯波特率为115200kb/s。其工作电路如图3所示，LED表示指示灯，连接IO口。指示灯2s慢闪一次，说明HC05进入AT模式，可对HC05进行参数设置，包括波特率、名称、密码、主从角色等。指示灯快闪，说明HC05初始化完成，进入可配对状态。指示灯1s快闪两次表示已进入配对状态。KEY连接IO口，高电平时HC05进入AT模式。RX和TX分别连接STM32 USART接口的TX和RX实现数据的相互传输。

角速度采集模块选用MPU6050作为采集角速度信号的传感器，其工作电路如图4所示。MPU6050传感器通过IIC接口与STM32进行数据传输，将读取到的角速度数进行DA转换获取真实值。MPU6050传感器内含3个陀螺仪，量程选择由陀螺仪配置寄存器决定，该寄存器地址为0X1B，其中的FS_SEL[1:0]（即bit3和bit4）这两位用于设置陀螺仪的满量程范围。

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充电电路如图5所示。在本装置中,绿灯D5和红灯D6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图6所示，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D6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图7所示，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，其工作电路如图8所示。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12V，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V_O；反之，则增大初级升压电路的输出电压V_O。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转换工作电路如图9所示。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，其工作电路如图10所示。在本装置中，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R22，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。

脉冲输出模块由H桥电路和恒流输出电路组成，H桥工作电路如图11所示。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电压工作电路如图12所示。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R54和R57，保证其输出电压为12V，为MOS管提供驱动电压。恒流输出电路如图13所示，R26电阻用于小电流输出和负载电阻测量。R26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R26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R26，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图14所示，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，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。

基于以上装置设计，本实施例的电刺激输出装置的处理器STM32通过串口中断服务子程序接收来自智能手机发送的数据。STM32接收寄存器接收到一个字符的数据产生一次串口中断，将数据读取到STM32中，其中包括幅值调节（增大、减小幅值）、脉宽调节（增大、减小脉宽）、模式选择（比如参数设置模式、肌电调制模式、自适应模式等，本实施例的重点在于提供装置的具体硬件设计方案，不对具体的软件控制方法进行赘述和限定）、开启和停止输出等指令。再根据串口中断接收的数据计算升压参数或H桥控制参数以及设置对应的定时器中断，其中升压参数包括初级升压参数和次级升压参数，H桥控制参数包括输出高低电平对应的时间。

其具体步骤如下:

第一步，处理器上电初始化后，判断串口通过蓝牙模块接收到开启输出指令后产生的标志Start是否为1，如果Start≠1，则脉冲输出，直到标记Start＝1，才执行后续步骤。

第二步，执行脉冲参数初始化操作，输出初始脉冲。

第三步，判断串口通过蓝牙模块接收到智能手机发送的一组数据（控制指令）后产生的标记Receive是否为1，如果Receive≠1，则继续输出初始脉冲，直到标记Receive=1，才执行后续步骤。

第四步，将串口接收一组控制指令后产生的标记Receive置0，处理器根据指令执行相应步骤。智能手机通过APP发送控制指令，指令包括幅值调节、脉宽调节、模式选择、开启和停止输出。

本专利不局限于最佳实施方式，任何人在本专利的启示下都可以得出其它各种形式的可自适应调整输出强度的功能性电刺激仪器，凡依本实用新型申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本专利的涵盖范围。

Claims (5)

1.一种可自适应调整输出强度的功能性电刺激仪器，其特征在于,包括：处理器，分别与处理器连接的：蓝牙通讯模块、角速度采集模块、电源模块、升压模块以及脉冲输出模块；所述电源模块经升压模块连接脉冲输出模块；所述蓝牙通讯模块连接智能手机，并以智能手机作为上位机。

2.根据权利要求1所述的可自适应调整输出强度的功能性电刺激仪器，其特征在于：所述处理器为STM32微处理器。

3.根据权利要求2所述的可自适应调整输出强度的功能性电刺激仪器，其特征在于：电源模块包括锂电池以及与其连接的USB充电电路、电压转换电路。

4.根据权利要求3所述的可自适应调整输出强度的功能性电刺激仪器，其特征在于：所述升压模块包括与锂电池连接的初级升压电路、与初级升压电路连接的次级升压电路、与初级升压电路连接的DAC转换器、与次级升压电路连接的数字电位器，所述DAC转换器和数字电位器还分别连接至处理器。

5.根据权利要求4所述的可自适应调整输出强度的功能性电刺激仪器，其特征在于：所述脉冲输出模块包括与次级升压电路连接的H桥电路、与H桥电路连接恒流输出电路，所述H桥电路和恒流输出电路还分别连接至处理器。

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