CN220443041U - 一种利用恒流源与双安全系统实现经颅电刺激的设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种利用恒流源与双安全系统实现经颅电刺激的设备，包括隔离电源、主控板模块、从机电刺激模块与刺激电极，所述主控板模块包括主控芯片、显示屏与按键；所述从机电刺激模块包括微控制器、ADC、DAC、硬件关断电路与通道输出检测模块，所述通道输出检测模块包括电流检测电路、电压检测电路和双运放恒流源，且所述从机电刺激模块是经颅电刺激的输出级。本实用新型可以同时实现单通道或多通道刺激，支持tDCS(经颅直流电刺激)和tACS(经颅交流电刺激)等多种刺激模式以及不同档位的刺激强度，且具有双安全系统，可以应用于各类医疗和科研的使用场景。

Description

一种利用恒流源与双安全系统实现经颅电刺激的设备

技术领域

本实用新型涉及医疗器械技术领域，尤其涉及一种利用恒流源与双安全系统实现经颅电刺激的设备。

背景技术

经颅电刺激是一种非侵入式的神经调理技术，对治疗抑郁，癫痫，疼痛以及中风后康复有一定的效果，经颅电刺激通过对人脑施加微弱的恒流来改变人脑神经的兴奋程度。

经实验和数据拟合可知，人体的阻抗与刺激电流的大小和持续时间有关。以tDCS(经颅直流电刺激)为例，在预刺激阶段，人体的阻抗随着电流的增加由10～20kΩ缓慢下降到5kΩ左右，在释放阶段，人体的阻抗随着电流的减小缓慢上升至10～20kΩ。在确保治疗安全的情况下，刺激阶段的输出电流和输出电压应控制在±3mA和±20V范围内。因此，单一的电压控制和电流控制无法适应人体阻抗变化，在实际使用中治疗效果不佳。需要在刺激的全过程实时检测刺激电极的输出电流，输出电压和负载阻抗，并随人体阻抗变化实时调整，以实现最佳刺激效果。

现有的经颅电刺激设备大部分使用单系统控制，即使用一层检测电路，当刺激电极的输出电流或电压超出安全范围的时候，控制设备实行硬件关断，这种控制模式依赖于单一系统的可靠性，如果系统自身出现故障，可能构成安全风险。为了解决这个问题，有必要设计一款设备，采用双安全系统，当主控系统出现故障的时候，另一层安全系统仍然能对硬件进行有效的安全检测和安全控制，因而，我们提出一种利用恒流源与双安全系统实现经颅电刺激的设备。

实用新型内容

本实用新型的目的是为了解决现有技术中存在的缺点，而提出的一种利用恒流源与双安全系统实现经颅电刺激的设备。

为了实现上述目的，本实用新型采用了如下技术方案：

一种利用恒流源与双安全系统实现经颅电刺激的设备，包括隔离电源、主控板模块、从机电刺激模块、刺激电极，其中从机电刺激模块上具有双安全系统，所述主控板模块包括主控芯片、显示屏与按键，具体的是主控板模块以主控芯片为核心，通过显示屏和按键，可以提供良好的人机交互界面，方便用户修改刺激模式和刺激强度；

所述从机电刺激模块包括微控制器、ADC、DAC、硬件关断电路与通道输出检测模块，所述通道输出检测模块包括电流检测电路、电压检测电路和双运放恒流源，其中从机电刺激模块是经颅电刺激的输出级；

所述刺激电极为Au/AgCl电极，可承载1.37μA/m2的电流密度，可以电刺激提供良好的电流通路；

所述双安全系统包括模块安全系统与主机安全系统，其中所述模块安全系统由电流检测电路、电压检测电路和微控制器组成，当某个通道或多个通道发生故障，微控制器检测到输出电流或输出电压异常，控制相应通道的输出继电器动作，切断刺激输出，实施保护；

所述主机安全系统位于主控板模块，受主控芯片控制。在从机电刺激模块的某个通道或多个通道发生故障而从机电刺激模块未能接入的情况下，主控板模块可以直接介入实现硬件关断；

所述双安全系统为互补作用，模块安全系统和主机安全系统通过交替传续心跳信号，实现双系统间的状态监测，在模块安全系统发生故障时，可通过主机安全系统实施保护操作，反之，当主机安全系统发生故障时，从机电刺激模块安全系统可实施保护措施。

优选的，所述从机电刺激模块由四个通道组成，每个通道都可由软件控制选择为恒流源或公共端，每个通道可以单独工作进行经颅电刺激，也可以协同实现更复杂的多通道刺激模式，所述从机电刺激模块上每个通道都有独立的电流，电压和负载检测电路。

优选的，所述主控板模块可以和每个从机电刺激模块上集成的微控制器通信，也可以绕过从机电刺激模块板载的微控制器，直接读取每个通道上的状态量，通过主控板模块挂载多个从机电刺激模块的方式可以实现更多的通道数，并对各个通道施加到人体的总电流进行求和与限流限压控制。

优选的，所述主控板模块直接通过AD去采集电压电流，不通过单片机，保证独立性，主控板模块可检测的AD量包括在线通道数，各通道的刺激电压，刺激电流以及实时人体阻抗。

优选的，从机电刺激模块可以通过并联的方式支持8路、16路、32路、48路等更多模式，主控板模块可以和每个从机电刺激模块上的微控制器单独通信，获得每个从机电刺激模块的设备状态，并读取精细到每个通道的状态，并进行精准控制。

优选的，主控板模块可以设置任意已挂载的从机电刺激模块上的任意通道，设置其为刺激电极或者共地电极，在设置某个通道为刺激电极的前提下，可以设置该通道的刺激波形和刺激强度。

优选的，所述主控板模块支持软件设定包括但不限于tDCS,tACS等不同的刺激模式，输出正弦波，方波等各种波形，可以灵活设置各种模式各种波形的刺激强度。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果为：

1、本实用新型能够实现对缓变负载的自适应刺激，实现更加柔和安全的刺激波形。

2、本实用新型能够实现单通道或多通道刺激，每个通道的刺激模式和刺激强度可控，可以通过在主控板模块挂载不同数目的从机电刺激模块实现不同数目的刺激通道数；

具体的该设备以一个主控板模块为核心，主控板模块可设置每个通道的刺激模式，刺激波形和刺激强度，利用高压集成运放实现对人体负载的刺激，从机电刺激模块最小单元集成4个完全相同的可变通道，每个通道可以自由切换为刺激电极或共地电极，每个通道可适应人体负载不同阶段的变化单独进行安全限压限流，实现tDCS，tACS等多种刺激模式，单通道刺激电压范围为-20V至20V，在刺激阶段，单通道可以输出的电流范围为-3mA至+3mA。

3、本实用新型使用双安全系统，经颅电刺激设备不仅具备稳定可控，负载自适应的电刺激能力，也具有很好的安全性和可靠性，为可能出现的故障状态提供了双保险解决方法，极大增强的系统的稳定性和安全性。

4、该设备的安全限压限流分为两部分，第一个部分为每个通道上集成的电流电压检测电路，经最小单元上集成的单片机实时检测，第二个部分为主控板模块上接收电流电压值，由主控板模块实现施加到人体的总电流进行求和与限流限压控制，最大限度保证设备在各个刺激模式和各个刺激强度下的安全性。设备可以实现对负载的实时检测，对负载的变化实时响应，在硬件上实现自适应恒流刺激，简化了软件实现，增加设备整体可靠性和安全性。

附图说明

图1为本实用新型中主控板模块挂载多个从机电刺激模块示意图；

图2为本实用新型中主控板模块和单个从机电刺激模块通信示意图；

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。

参照图1-2，一种利用恒流源与双安全系统实现经颅电刺激的设备，包括隔离电源、主控板模块、从机电刺激模块、刺激电极。其中主控板模块的安全系统和从机电刺激模块的安全系统构成了双安全系统，主控板模块包括主控芯片、显示屏与按键，具体的是主控板模块以主控芯片为核心，通过显示屏和按键，可以提供良好的人机交互界面，方便用户修改刺激模式和刺激强度，其中主控板模块是一块通用的控制板，适配有显示屏，提供良好的人机交互界面，方便用户快速安全地调整设备的工作模式，实时读取设备的状态，获得精确到每个模块每个刺激通道的设备状态量，主控板模块支持挂载不同数目的从机电刺激模块，可以根据用户需求定制合适的刺激通道数目，因此设备具有相当的通用性和模块化特性；

从机电刺激模块包括微控制器与恒流源，其中从机电刺激模块是经颅电刺激的输出级，刺激电极为Au/AgCl电极，可承载1.37μA/m2的电流密度，可以电刺激提供良好的电流通路；

双安全系统包括模块安全系统与主机安全系统，其中模块安全系统由电流检测电路、电压检测电路和微控制器组成，当某个通道或多个通道发生故障，微控制器检测到输出电流或输出电压异常，控制相应通道的输出继电器动作，切断刺激输出，实施保护。

参照图1-2，一种利用恒流源与双安全系统实现经颅电刺激的设备，主机安全系统位于主控板模块，在从机电刺激模块的某个通道或多个通道发生故障而从机电刺激模块未能接入的情况下，主控板模块可以直接介入实现硬件关断；

双安全系统为互补作用，模块安全系统和主机安全系统通过交替传续心跳信号，实现双系统间的状态监测，在模块安全系统发生故障时，可通过主机安全系统实施保护操作，反之，当主机安全系统发生故障时，从机电刺激模块安全系统可实施保护措施。

参照图1-2，一种利用恒流源与双安全系统实现经颅电刺激的设备，从机电刺激模块由四个通道组成，每个通道都可由软件控制选择为恒流源或公共端，每个通道可以单独工作进行经颅电刺激，也可以协同实现更复杂的多通道刺激模式，从机电刺激模块上每个通道都有独立的电流，电压和负载检测电路，主控板模块直接通过AD去采集电压电流，不通过从机电刺激模块的微控制器，保证独立性，主控板模块可检测的AD量包括在线通道数，各通道的刺激电压，刺激电流以及实时人体阻抗，具体的，每个通道选用的高压集成运放具有电压高，压摆率高，频率特性好的特点，即使在刺激电压较高的时候，也可以实现各种既定的刺激波形，高压集成运放同时用于构成每个从机电刺激模块上每个刺激通道的电流，电压和负载检测电路。这样的电路具有相应速度快，检测电压范围大，频谱特性好的特点，可以很好地满足经颅电刺激设备对于稳定性和安全性的需求。

参照图1-2，一种利用恒流源与双安全系统实现经颅电刺激的设备，从机电刺激模块可以通过并联的方式支持8路、16路、32路、48路等更多模式，主控可以和每个从机电刺激模块上的微控制器单独通信，获得每个从机电刺激模块的设备状态，并读取精细到每个通道的状态，并进行精准控制，主控板模块可以设置任意已挂载的从机电刺激模块上的任意通道，设置其为刺激电极或者共地电极，在设置某个通道为刺激电极的前提下，可以设置该通道的刺激波形和刺激强度，主控板模块可以和每个从机电刺激模块上集成的微控制器通信，也可以绕过从机电刺激模块板载的微控制器，直接读取每个通道上的状态量，主控板模块支持软件设定包括但不限于tDCS,tACS等不同的刺激模式，输出正弦波，方波等各种波形，可以灵活设置各种模式各种波形的刺激强度，另外由主控板模块实现施加到人体的总电流进行求和与限流限压控制，最大限度保证设备在各个刺激模式和各个刺激强度下的安全性。

参照图1-2，一种利用恒流源与双安全系统实现经颅电刺激的设备，主控板模块和挂载的从机电刺激模块之间传递心跳信号进行通信，当主控板模块检测到微控制器端通信中断的时候，直接介入关闭相应从机电刺激模块，反之，当从机电刺激模块的微控制器检测到主控板模块通信中断的时候，可以直接介入关闭所在的从机电刺激模块。当某个电刺激模块的某个通道或多个通道发生故障，而该从机电刺激模块的板载微控制器未能介入实施保护措施的时候，主控板模块通过读取该从机电刺激模块的通道状态量可以介入实施保护措施，反之，当某个从机电刺激模块的某个通道或多个通道发生故障，而主控板模块未能介入实施保护措施的时候，从机电刺激模块通过读取相应通道的状态量，可以介入实施保护措施。

上述实施例为本实用新型较佳的实施方式，但本实用新型的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本实用新型的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本实用新型的保护范围之内。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，指示方位或位置关系的术语为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

Claims (7)

1.一种利用恒流源与双安全系统实现经颅电刺激的设备，其特征是，包括隔离电源、主控板模块、从机电刺激模块、刺激电极，双安全系统，所述主控板模块包括主控芯片、显示屏与按键；

所述从机电刺激模块包括微控制器、ADC、DAC、硬件关断电路与通道输出检测模块，所述通道输出检测模块包括电流检测电路、电压检测电路和双运放恒流源，且所述从机电刺激模块是经颅电刺激的输出级；

所述刺激电极为Au/AgCl电极，可承载1.37μA/m2的电流密度；

所述双安全系统包括模块安全系统与主机安全系统，所述模块安全系统由电流检测电路、电压检测电路和微控制器组成；

所述主机安全系统由主控板模块组成；

模块安全系统和主机安全系统通过交替传续心跳信号，实现双系统间的状态监测。

2.根据权利要求1所述的一种利用恒流源与双安全系统实现经颅电刺激的设备，其特征在于，所述从机电刺激模块由四个通道组成，且通过主机并联多个从机电刺激模块的方式可以实现更多的通道数，每个通道都可由软件控制选择为恒流源或公共端；

所述从机电刺激模块上每个通道都有独立的电流，电压和负载检测电路。

3.根据权利要求1所述的一种利用恒流源与双安全系统实现经颅电刺激的设备，其特征在于，所述主控板模块可以和每个从机电刺激模块上集成的微控制器通信，可以绕过从机电刺激模块板载的微控制器，直接读取每个通道上的状态量。

4.根据权利要求1所述的一种利用恒流源与双安全系统实现经颅电刺激的设备，其特征在于，所述主控板模块直接通过AD去采集电压电流，且所述主控板模块可检测的AD量包括在线通道数。

5.根据权利要求1所述的一种利用恒流源与双安全系统实现经颅电刺激的设备，其特征在于，所述从机电刺激模块可以通过并联的方式支持8路、16路、32路、48路；

所述主控板模块可以和每个从机电刺激模块上的微控制器单独通信，获得每个从机电刺激模块的设备状态，并读取精细到每个通道的状态，并进行精准控制。

6.根据权利要求1所述的一种利用恒流源与双安全系统实现经颅电刺激的设备，其特征在于，所述微控制器可以设置任意已挂载的从机电刺激模块上的任意通道，设置其为刺激电极或者共地电极，在设置某个通道为刺激电极的前提下，可以设置该通道的刺激波形和刺激强度。

7.根据权利要求1所述的一种利用恒流源与双安全系统实现经颅电刺激的设备，其特征在于，所述主控板模块支持软件设定包括但不限于tDCS,tACS刺激模式，输出正弦波波形，方波波形。