具有实时反馈功能的可编程功能性电刺激器的制作方法

本发明涉及一种功能性电刺激器，特别涉及一种具有实时反馈功能的可编程功能性电刺激器。

背景技术：

功能性电刺激器是一种作用在人体上的设备，能够向人体输送电荷，以达到刺激人体神经或肌肉的目的，进而达到所需的如治疗、矫正、抑制病理性震颤等效果。同时它也能够在科学研究与实验中起到很大的作用，它应用的范围比较广，具有多种形式。

现有的功能性电刺激器，多采用开环的形式，刺激波形固定，不能够进行实时的闭环控制，不适用于如抑制病理性震颤等需要实时反馈的用途，个别具有反馈功能的功能性电刺激器的反馈模式和反馈信号比较单一，无法满足科学实验中多样性的要求；且现有的功能性电刺激器的刺激波形基本恒定，不能通过程序进行修改，无法满足多样性的要求。

技术实现要素：

本发明的目的是为了解决现有功能性电刺激器无法满足多样性的问题，本发明提供一种具有实时反馈功能的可编程功能性电刺激器。

本发明的具有实时反馈功能的可编程功能性电刺激器，所述功能性电刺激器包括主控制器、电源模块和模拟恒流输出模块；

主控制器，根据上位机的指令，向模拟恒流输出模块输出控制信号，还用于根据模拟恒流输出模块输出的电流，修正向模拟恒流输出模块输出控制信号；

模拟恒流输出模块，根据控制信号，输出相应波形的电流；

电源模块，为主控制器和模拟恒流输出模块提供工作电压。

优选的是，所述主控制器，根据上位机的指令，向模拟恒流输出模块输出控制信号包括：

根据上位机的指令，进行幅值调制，输出幅值调制正弦波的控制信号；

根据上位机的指令，进行脉宽调制，输出脉宽调制正弦波的控制信号；

根据上位机的指令，输出相应自由波形的控制信号。

优选的是，所述主控制器，根据上位机的指令，进行幅值调制，输出幅值调制正弦波的控制信号：

接收上位机发送的基础波形指令和幅值调制指令；

根据基础波形指令中基础波形的脉宽、频率和幅值，设置定时器和DAC转换器；根据当前的幅值调制指令，进行调制，获得调制幅值，根据获得的幅值，更改DAC转换器，根据定时器和DAC转换器，输出幅值调制正弦波的控制信号。

优选的是，所述主控制器，根据上位机的指令，进行脉宽调制，输出脉宽调制正弦波的控制信号：

根据基础波形指令中基础波形的脉宽、频率和幅值，设置定时器和DAC转换器；根据当前的脉宽调制指令，进行调制，获得调制脉宽，根据获得的调制脉宽，更改定时器，根据定时器和DAC转换器，输出脉宽调制正弦波的控制信号。

优选的是，所述主控制器，根据上位机的指令，输出相应自由波形的控制信号：

接收上位机的自由波形指令；

根据自由波形指令，确定控制信号的波形，根据上位发送自由波形指令的频率确定控制信号的频率，根据确定的波形和频率输出自由波形的控制信号。

优选的是，所述主控制器，还用于根据模拟恒流输出模块输出的电流，向模拟恒流输出模块输出控制信号为：

根据模拟恒流输出模块输出的电流，与预设的理论电流相比，更改控制信号。

优选的是，所述控制器，还用于根据模拟恒流输出模块输出的电流确定是否过流，当出现过流，向上位机发送报警信号，控制电源模块进行断电。

优选的是，所述模拟恒流输出模块包括运算放大器U1A、N沟道MOSFET管Q1、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R7、电阻R8、电容C2、自恢复保险F1和可控换向电路；

电阻R3的一端用于输入主控制器的控制信号，电阻R3的另一端与运算放大器U1A的同向信号输入端连接，电阻R5的一端与运算放大器U1A的反向信号输入端连接，电阻R5的另一端同时与电阻R7的一端、电容C2的一端、电阻R8的一端和N沟道MOSFET管Q1的源极连接，电容C2的另一端和电阻R8的另一端同时接模拟地；

主控制器根据电阻R7的另一端获得模拟恒流输出模块输出的电流；

运算放大器U1A的信号输出端与电阻R4的一端连接，电阻R4的另一端与N沟道MOSFET管Q1的栅极连接，N沟道MOSFET管Q1的漏极与自恢复保险F1的一端连接，自恢复保险F1的另一端与可控换向电路的输出端连接；

主控制器输出的电流方向控制信号经电阻R1或经电阻R2输入至可控换向电路，可控换向电路输出的电流经低通滤波器滤波后输出至人体。

优选的是，所述可控换向电路为采用高压光耦实现的H桥电路。

本发明的有益效果在于，本发明的功能性电刺激器能够实时地接收上位机发出的控制指令来改变电刺激波形，并且能够接收反馈信号；并提供多种刺激模式和刺激脉冲的选择，能够满足多样性的要求。

附图说明

图1为本发明所述的具有实时反馈功能的可编程功能性电刺激器的原理示意图。

图2为具体实施方式中主控制器的工作过程示意图。

图3为模拟恒流输出模块的原理示意图。

具体实施方式

如图1所示，本实施方式的具有实时反馈功能的可编程功能性电刺激器，包括蓝牙通讯模块、主控制器、电源模块和模拟恒流输出模块；

蓝牙通讯模块，用于负责上位机与主控制器的通信；

主控制器，根据上位机的指令，向模拟恒流输出模块输出控制信号，还用于根据模拟恒流输出模块输出的电流，修正向模拟恒流输出模块输出的控制信号；

模拟恒流输出模块，根据控制信号，输出相应波形的电流；

电源模块，为主控制器和模拟恒流输出模块提供工作电压。

电刺激器从刺激模式上来说主要分为两种：恒压源刺激和恒流源刺激。恒压源刺激的好处是响应速度快，可看做无调节时间，刺激信号能够及时加载到人体上，而且在电路未接通时电压稳定，能够起到对电路的保护作用；但是由于人体阻抗的复杂性，恒压源刺激的输出不能够保证电流在人体内部的稳定。恒流源达到稳定电流需要一定调节时间，但是恒流源刺激效果稳定，可以减少对电极片的要求，并且不易在人体上造成对人体有损伤的电荷积累。本实施方式选择恒流源刺激作为功能性电刺激器的刺激模式。

本实施方式中，模拟恒流输出模块为功能性电刺激器功能的具体实现部分，可以将控制电压信号转化成恒电流刺激输出给人体组织；主控制器能够实时地接收上位机发出的控制指令来改变电刺激波形，并且能够接收反馈信号；并提供多种刺激模式和刺激脉冲的选择，能够满足多样性的要求。电源模块可以将输入的总直流电源升压与降压，分出多路不同的稳压直流源，为各部分供电。

优选实施例中，主控制器根据上位机的指令，向模拟恒流输出模块输出控制信号包括三种模式：幅值调制模式、脉宽调制模式和自由波形模式；

幅值调制模式：根据上位机的指令，进行幅值调制，输出幅值调制正弦波的控制信号；

脉宽调制模式：根据上位机的指令，进行脉宽调制，输出脉宽调制正弦波的控制信号；

自由波形模式：根据上位机的指令，输出相应控制信号。

功能性电刺激器的输出是通过对脉冲波形的调制，得到相应的刺激波形，作用在人体上，本实施方式提供三种工作模式，满足各种调制需求。

如图2所示，优选实施例中，幅值调制模式的工作过程：

功能性电刺激器上电之后进入待命状态，由上位机发送初始化指令使刺激器进入相应的工作模式，同时功能性电刺激器对上位机的指令做出应答，模式初始化；

进入幅值调制模式下，此时处于二级待命状态，接收上位机发送的基础波形指令和幅值调制指令；

根据基础波形指令中基础波形的脉宽、频率和幅值，设置定时器和DAC转换器；根据当前的幅值调制指令，进行调制，获得调制幅值，根据获得的幅值，更改DAC转换器，根据定时器和DAC转换器，输出幅值调制正弦波的控制信号；

同时，模拟恒流输出模块输出电流能够通过采样电阻转化为采样电压，并由主控制器的ADC采样，ADC的采样率由程序固定，得到的输出电流数据具有两个方面的作用：首先能够监测电刺激电路输出状态，通过对实际电流值与理论输出值的对比，形成二级闭环系统，更改幅值调制正弦波的控制信号，对恒流电流的硬件闭环系统进行补偿，从而实现更精确的电刺激波形；除此之外，电流监测还能够实现安全保护，电路一旦发生过流，直接禁止电源模块的使能端，并对上位机进行报警，实现了过流保护。

如图2所示，优选的实施例中，脉宽调制模式的工作过程：

功能性电刺激器上电之后进入待命状态，由上位机发送初始化指令使刺激器进入相应的工作模式，同时功能性电刺激器对上位机的指令做出应答，模式初始化；

进入脉宽调制模式下，此时处于二级待命状态，接收上位机发送的基础波形指令和脉宽调制指令；

根据基础波形指令中基础波形的脉宽、频率和幅值，设置定时器和DAC转换器；根据当前的脉宽调制指令，进行调制，获得调制脉宽，根据获得的调制脉宽，更改定时器，根据定时器和DAC转换器，输出脉宽调制正弦波的控制信号。

同时，模拟恒流输出模块输出电流能够通过采样电阻转化为采样电压，并由主控制器的ADC采样，ADC的采样率由程序固定，得到的输出电流数据具有两个方面的作用：首先能够监测电刺激电路输出状态，通过对实际电流值与理论输出值的对比，形成二级闭环系统，更改脉宽调制正弦波的控制信号，对恒流电流的硬件闭环系统进行补偿，从而实现更精确的电刺激波形；除此之外，电流监测还能够实现安全保护，电路一旦发生过流，直接禁止电源模块的使能端，并对上位机进行报警，实现了过流保护。

如图2所示，优选实施例中，自由波形模式的工作过程：

功能性电刺激器上电之后进入待命状态，由上位机发送初始化指令使刺激器进入相应的工作模式，同时功能性电刺激器对上位机的指令做出应答，模式初始化；

进入自由波形模式下，此时处于二级待命状态，接收上位机发送的自由指令；

根据自由指令，确定控制信号的波形，根据上位发送自由指令的频率确定控制信号的频率，根据确定的波形和频率输出控制信号。

同时，模拟恒流输出模块输出电流能够通过采样电阻转化为采样电压，并由主控制器的ADC采样，ADC的采样率由程序固定，得到的输出电流数据具有两个方面的作用：首先能够监测电刺激电路输出状态，通过对实际电流值与理论输出值的对比，形成二级闭环系统，更改自由波形的控制信号，对恒流电流的硬件闭环系统进行补偿，从而实现更精确的电刺激波形；除此之外，电流监测还能够实现安全保护，电路一旦发生过流，直接电源模块的使能端，并对上位机进行报警，实现了过流保护。

当进入自由波形状态时，无固定输出模式，输出电流值大小是由上位机发送的自由指令的值所决定，频率是由上位机发送自由指令的频率决定，即功能性电刺激器可以通过“台阶式”的输出模拟任何波形，精度由上位机发送指令的数值和频率决定。这种模式是为了满足特殊实验要求设定的，使功能性电刺激器的应用具有广泛性和灵活性。

本实施方式选择双向对称矩形波作为功能性电刺激器的刺激波形。双向矩形波为两个刺激方向采用幅值相同、时间相同的刺激脉冲，电荷释放快，双向波形结构相同，易于控制，不易造成电荷积累，并且电荷残留时间短，对肌肉损伤小。刺激波形即功能性电刺激器的基波，功能性电刺激器的原理是通过对基波的调制，来达到相应的刺激效果。

人体肌肉的收缩需要提供恒定的收缩力，这一收缩力的保持，是通过相邻运动单元之间的信息传递完成的。当受到刺激保持收缩的时候，运动单元会向相邻的运动单元传递刺激，频率为6-8Hz，使得周围的运动单元在释放前一个脉冲之前接收到新的收缩脉冲，从而宏观上保持肌肉的收缩状态，这一方式称为异步招募法。而功能性电刺激器电刺激无法达到异步地向每个运动单元传递刺激，故其原理是同时激活所有的运动单元，使得其保持收缩，称之为同步招募法。在同步招募法中，所有运动单元保持一致动作，故需要更高的刺激频率来维持其收缩状态，一般采用20-40Hz作为刺激频率，本实施方式选择24Hz作为刺激脉冲的频率。但是高刺激频率带来的是肌肉的疲劳，故需要降低刺激脉宽，一般脉宽在200-500us，本实施方式选择400us作为功能性电刺激器的刺激脉宽。功能性电刺激器的刺激电流极值最高不得超过100mA，正常的极值范围选择在30-50mA。通常刺激电流在5mA正常人即产生感觉，10mA-15mA即产生明显反应，电刺激最开始是轻微刺痛感，随着电流的增大肌肉会出现抖动，震颤等现象，且震颤幅度与电流大小成正相关。本实施方式选择功能性电刺激器的极限电流为40mA，并选择功能性电刺激器的极限电压为65V。

优选的实施例中，如图3所示，模拟恒流输出模块包括运算放大器U1A、N沟道MOSFET管Q1、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R7、电阻R8、电容C2、自恢复保险F1和可控换向电路；

电阻R3的一端用于输入主控制器的控制信号，电阻R3的另一端与运算放大器U1A的同向信号输入端连接，电阻R5的一端与运算放大器U1A的反向信号输入端连接，电阻R5的另一端同时与电阻R7的一端、电容C2的一端、电阻R8的一端和N沟道MOSFET管Q1的源极连接，电容C2的另一端和电阻R8的另一端同时接模拟地；

主控制器根据电阻R7的另一端获得模拟恒流输出模块输出的电流；

主控制器利用ADC采集电阻R7的另一端的电压，再将采集的电压进行模数转化，转换为模拟恒流输出模块的输出电流；

运算放大器U1A的信号输出端与电阻R4的一端连接，电阻R4的另一端与N沟道MOSFET管Q1的栅极连接，N沟道MOSFET管Q1的漏极与自恢复保险F1的一端连接，自恢复保险F1的另一端与可控换向电路的输出端连接；

主控制器输出的电流方向控制信号经电阻R1或经电阻R2输入至可控换向电路，可控换向电路输出的电流经低通滤波器滤波后输出至人体。

本实施方式选择NXP公司的PSMN012-100YL作为N沟道MOSFET管Q1，具有高耐压性，源极和漏极最大电压为100V，并且有良好的散热性，最大功率达到238W，线性度良好并且具有高速响应，其上升时间与关断时间为ns级，能够充分满足功能性电刺激器的速度要求。

本实施方式的运算放大器选择ADI公司的ADA4084-2。ADA4084-2内涵两个运算放大器单元，能够满足功能性电刺激器两路输出的要求；同时它是高压供电，最高供电电压达到30V，可覆盖整个MOSFET栅极的电压区间；ADA4084-2是轨对轨输入/输出，电压输出范围无死区，能够精确到地和供电电压，满足对MOSFET的精确控制；它具有高共模抑制比，能够有效的抵抗共模输入噪声；同时它又具有高的压摆率，调节之间短，能够极大的满足功能性电刺激器电路对于速率的要求。

因为刺激波形为双向对称矩形波，故需要在主回路中引入可控换向电路，对输出到人体肌肉上的刺激电流进行换向。本实施方式采用H桥式换向电路，通过四个控制端口控制不同桥臂的导通与关断，从而实现电流流向的切换。

除此之外，主回路中串联50mA自恢复保险，起到硬件上的过流防护作用；电流输出端采用一阶RC低通滤波器，过滤掉高频杂波，确保输入到人体肌肉上波形的纯净。选择电阻,电容，可得滤波器截止频率约为1447Hz。

优选实施例中，可控换向电路为采用高压光耦实现的H桥电路。

为了实现控制电路和模拟电路的电气隔离，本实施方式将H桥电路中常用的MOSFET替换成4个高压光耦，实现了光电隔离，保证了电路的可靠性与稳定性。选择Fairchild半导体公司的H11D1光耦，其耐受电压高达300V，最大通过电流为100mA，能够满足功能性电刺激器对于电压和电流的要求；其开启与关断时间均为5us，满足了功能性电刺激器的速度要求。

优选实施例中，主控制器采用STM32F100C8T6芯片实现。

功能性电刺激器的主控制器主要通讯、控制、日常管理与监测等工作。可以接收来自上位机的指令，解析指令并输出控制电压；能够实现电流检测，通过软件层面对刺激波形进行反馈调节与修正；能够实现软件过流保护、报警等日常管理的全部工作。

为了满足上述要求，本实施方式选择了ST公司的STM32F100C8T6系列微控制器，此款微控制器是基于ARM Cortex-M3内核，具有强大的功能集成性和管控能力。STM32F100C8T6拥有48个引脚，包含了37个GPIO端口，能够实现H桥换向电路的控制，以及指示灯报警灯辅助设备的控制；其主频时钟最高能达到48MHz，处理能力可以达到1.25DMIPS/MHz，并且内嵌了128KB的Flash存储器以及8K的SRAM内存；它集成了强大的外设资源，通讯接口方面，内嵌了2个SPI接口，2个I2C接口，3个USART接口，另外，它包含了2个12-bit的DAC，最高响应速率为1us，能够将功能性电刺激器的数字控制量转换为两路模拟控制电压输出，并且输出精度和响应速率也均满足要求，它还包含了1个10-bit的10通道ADC，能够对主回路电流进行有效的监控，除此之外，它还包含了7个定时器以及强大的中断管理器NVIC，能够满足功能性电刺激器主控制器的日常管理等需要。此外，它具有9×9mm的小尺寸，有利于实现功能性电刺激器设备的小型化与便携化。

本实施方式的电源模块的总供电电源为24V直流稳压源，经过电源模块，被分为3.3V、12V、65V三路直流稳压电源，分别给功能性电刺激器系统的不同部分供电。

直流稳压3.3V电源供给主控制器的数字电路使用，同时也是内嵌的DAC与ADC的参考电压，故需要满足良好的精度。选择了TI公司的TPS62177线型稳压电源芯片，其原理为LDO线型稳压电路，输入电压范围在4.75V-28V，输出稳压为3.3V，精度高，误差在2％以内，输出最大电流为1200mA，能够满足功能性电刺激器系统要求。

直流稳压12V电源是运算放大器的供电电源。选择TI公司的LMR16006电源芯片，其工作原理为Buck降压电路，通过外接参考电阻来进行输出电压值的设定，输入电压范围在4V-60V，最大输出电流为1200mA。

直流稳压65V电源是主控制器的供电电源，作为电刺激器的主要功率电源，由24V总输入电源升压得到。选择TI公司的TPS40210升压电源芯片，其工作原理为Boost升压电路，输入电压范围4.5V-52V，芯片自带PowerPAD，具有良好的散热特性，能够满足功能性电刺激器系统要求。