一种隔离式程控电刺激器的制作方法

本发明属于医疗器械技术，具体涉及一种隔离式程控电刺激器。

背景技术：

组成神经肌肉群体的可兴奋组织能对热、光、声、压力、化学等刺激做出反应，也能对电刺激产生反应，在可兴奋组织活动期间，各种离子，主要是钠离子和钾离子，迅速穿越细胞膜，引起细胞膜通透性的瞬时变化，这种离子运动形成电流，该电流在人体表面产生电场，也可以将此过程逆转而施加一个外界电流刺激，使可兴奋组织区域内建立一个离子流。临床上，为了恢复人体功能或者治疗疾病，通过电刺激直接对人体施加电流。电刺激时，流经导线的电子电流转变为组织中流动的离子电流，从而能够引起可兴奋组织细胞膜上的跨膜电荷传输，施加这些电流的目的是使靶神经和肌肉去极化并达到阈值电压。

典型的刺激脉冲信号波形有单相方波、对称双相方波，虽然方波脉冲可以去极化神经膜，但是，由于其对组织刺激和对电极的电解作用，临床实践中一般不用这种脉冲，使用电荷平衡的脉冲波形可明显降低电化学作用。为了让上述化学反应造成的损伤减至最小，可让电极按这些反应机理的反方式工作。因为化学反应过程就是电荷的转移过程，恒流型电刺激发生器较恒压型发生器有更好的控制作用，恒流发生器在电压允许变化范围内，能对变动的负载阻抗提供所需的电流，负载的电流恒定不变。与此相反，恒压型发生器输出电流随生物组织阻抗而变；为了满足神经，特别是心脏的电生理诊断或治疗的需要，刺激脉冲幅度、宽度、间隔、周期、个数均可灵活调。为了满足医用电气设备安全通用的要求，刺激器的输出部分需要采用隔离式输出方式，以减少对组织细胞膜的损伤，对人体更加安全。

技术实现要素：

本发明的目的为解决现有技术的上述问题和不足，本发明提供了一种隔离式程控电刺激器，本发明的隔离式程控电刺激器能获得较高的输出脉冲幅度，通过负反馈控制策略对流经人体靶组织的电流进行调控，从而实现恒流输出，为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种隔离式程控电刺激器，包括隔离式变换单元、电流反馈控制单元、电流设置单元、信号控制器、电极、电源和信号指示电路，所述隔离式变换单元的信号输入端与所述信号控制器的信号启动输出端连接，所述隔离式变换单元的信号输出端分别与所述电流反馈控制单元的反馈输入端、电流设置单元的电压调节端输入端、电极的电压输入端连接，所述信号控制器的信号控制输出端分别与所述信号指示电路的信号输入端、电流设置单元的设置输入端连接，该电流设置单元的电流输出端与电流反馈控制单元控制输入端连接，所述隔离式变换单元的基准输入端与所述电流反馈控制单元的反馈输出端连接，所述电源分别与所述隔离式变换单元的电源输入端、电流反馈控制单元的电源输入端、电流设置单元的电源输入端、信号控制器的电源输入端连接。

优选地，所述隔离式变换单元包括脉宽调制电路、信号调制放大电路、隔离升压变换电路、整流电路和滤波电路，所述脉宽调制电路的信号输出端与信号调制放大电路输入端连接，该信号调制放大电路的放大输出端通过隔离升压变换电路、整流电路与所述滤波电路连接，该滤波电路的输出端分别与所述电极的电压输入端、电流反馈控制单元的反馈输入端、电流设置单元的电压调节端输入端连接；

所述电流反馈控制单元包括隔离式运算放大器和电流补偿电路，所述电流设置单元包括数字电位器和光电耦合器，所述隔离式运算放大器的负极输入端、数字电位器的电压调节端、电流补偿电路的一端都与所述滤波电路的输出端连接，所述隔离式运算放大器的反馈输出端与所述脉宽调制电路的基准输入端连接；

所述电流补偿电路的另一端与所述隔离式运算放大器的公共接地端连接，所述隔离式运算放大器的正极输入端与所述隔离式运算放大器的参考输入端连接，所述数字电位器的设置输入端通过光电耦合器与所述信号控制器的信号控制输出端连接。

优选地，所述脉宽调制电路包括PWM控制器、电阻R0、电阻R1、电阻R2、电容C0、电容C1、电容C2，信号调制放大电路包括第一驱动放大器和第二驱动放大器，所述隔离升压变换电路包括升压变压器T1，所述整流电路包括二极管D1、二极管D2、二极管D3和二极管D4，所述滤波电路包括电感L1和电容C4；

所述PWM控制器的第一互补输出端通过电阻R1与所述第一驱动放大器的信号输入端连接，所述第一驱动放大器的信号输出端与所述升压变压器T1原边抽头的一端连接，所述PWM控制器的第二互补输出端通过电阻R2与所述第一驱动放大器的信号输入端连接，所述第二驱动放大器的信号输出端与所述升压变压器T1原边抽头的另一端连接；所述升压变压器T1副边抽头的一端分别与二极管D1的阳极、二极管D2的阴极连接，所述升压变压器T1副边抽头的另一端分别与二极管D3的阳极、二极管D4的阴极连接，所述电感L1的一端分别与所述二极管D1的阴极、二极管D3的阴极连接，所述电感L1的另一端分别与所述电容C4的一端、电极的正极连接，所述二极管D2的阳极、二极管D4的阳极、电容C4的另一端相互连接后再与所述电极的负极连接，所述二极管D2的阳极、二极管D4的阳极、电容C4的另一端相互连接后还再分别与所述隔离式运算放大器的负极输入端、数字电位器的电压调节端、电流补偿电路的都与所述一端连接；

所述电阻R0的一端与PWM控制器的振荡定时电阻输入端连接，电容C0的一端分别与PWM控制器的振荡定时电容输入端、PWM控制器的斜坡输入端连接，电容C2的一端分别与所述PWM控制器内部误差放大器的同相输入端、PWM控制器的基准输入端连接，所述PWM控制器的电容输入端分别与电容C1的一端、信号控制器的输入/输出控制端连接；所述电阻R0的另一端、电容C0的另一端、电容C1的另一端、电容C2的另一端都与地连接，所述PWM控制器的基准输入端还通过电阻R5与所述隔离式运算放大器的反馈输出端连接，所述PWM控制器的调制输出端还与所述隔离式运算放大器的反馈输出端连接。

优选地，所述二极管D2的阳极、二极管D4的阳极、电容C4的另一端相互连接后还再通过电阻R4分别与所述电极的负极、隔离式运算放大器的负极输入端、数字电位器的电压调节端、电流补偿电路的一端连接。

优选地，所述PWM控制器(IC1)的第一互补输出端(OUTA)和所述PWM控制器(IC1)的第二互补输出端(OUTB)的输出频率为30kHz～1MHz的方波脉冲信号，且方波脉冲信号的相位相差180°。

优选地，电流补偿电路包括电阻R3、电容C5和电容C6，所述电阻R3的一端、电容C6的一端分别与所述隔离式运算放大器的负极输入端连接，所述电阻R3的另一端与所述电容C5的一端连接，所述电容C5的另一端、电容C6的另一端分别与所述隔离式运算放大器的公共接地端连接。

优选地，所述电感L1的取值范围为5μH～30μH，电容C4的取值范围为2.2nF～10nF。

综上所述，本发明由于采用了上述技术方案，本发明具有以下有益效果：

(1)、本发明采用脉宽调制对输出脉冲的幅度进行调制和桥式驱动电路进行隔离放大，稳定了输出电压的幅度，降低了变换器的输出阻抗，简化了电路，提高了可靠性；本发明通过电流设置和电流反馈控制脉冲输出，其响应速度快、功率密度和稳定性方面均有所提高。

(2)、本发明采用恒流型方波脉冲对组织靶进行刺激，输出电流不随着靶组织变化，而且还采用隔离式是输出方式，对人体更加安全，

(3)、本发明的刺激脉冲幅度、宽度、间隔、周期、个数均可灵活调整，脉冲周期率波动小，稳定可靠。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实例或现有技术中的技术方案，下面将对实施实例或现有技术描述中所需要的附图做简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明一种隔离式程控电刺激器的原理框图。

图2是本发明的隔离式变换单元的原理框图。

图3是本发明的电流反馈控制单元的工作原理图。

图4是本发明的电流设置单元的工作原理图。

图5是本发明的隔离式变换单元的电路原理图。

图6是本发明的信号控制器输出的波形。

图7是本发明的升压变压器原边或副边上的波形图。

图8是本发明的滤波电路输出的电流波形图。

具体实施方式

下面将结合本发明实例中的附图，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参见图1，一种隔离式程控电刺激器，包括隔离式变换单元1、电流反馈控制单元2、电流设置单元3、信号控制器4、电极5、电源6和信号指示电路7，所述隔离式变换单元1的信号输入端与所述信号控制器4的信号启动输出端连接，所述隔离式变换单元1的信号输出端分别与所述电流反馈控制单元2的反馈输入端、电流设置单元3的电压调节端输入端、电极5的电压输入端连接，所述信号控制器4的信号控制输出端分别与所述信号指示电路7的信号输入端、电流设置单元3的设置输入端连接，该电流设置单元3的电流输出端与电流反馈控制单元2控制输入端连接，所述隔离式变换单元1的基准输入端与所述电流反馈控制单元2的反馈输出端连接，所述电源6分别与所述隔离式变换单元1的电源输入端、电流反馈控制单元2的电源输入端、电流设置单元3的电源输入端、信号控制器4的电源输入端连接。作为本发明的实施例，结合图1和图2所示，所述隔离式变换单元1包括脉宽调制电路100、信号调制放大电路101、隔离升压变换电路102、整流电路103和滤波电路104，所述脉宽调制电路100的信号输出端与信号调制放大电路101输入端连接，该信号调制放大电路101的放大输出端通过隔离升压变换电路102、整流电路103与所述滤波电路104连接，该滤波电路104的输出端分别与所述电极5的电压输入端、电流反馈控制单元2的反馈输入端、电流设置单元3的电压调节端输入端连接；

作为本发明的实施例，如图3和图4所示，所述电流反馈控制单元2包括隔离式运算放大器IC4和电流补偿电路200，所述电流设置单元3包括数字电位器IC5和光电耦合器IC6，所述隔离式运算放大器IC4的负极输入端、数字电位器IC5的电压调节端VH、电流补偿电路200的一端都与所述滤波电路104的输出端连接，所述隔离式运算放大器IC4的反馈输出端与所述脉宽调制电路100的基准输入端连接；所述电流补偿电路200的另一端与所述隔离式运算放大器IC4的公共接地端COMP连接，所述隔离式运算放大器IC4的正极输入端与所述隔离式运算放大器IC4的参考输入端连接，所述数字电位器IC5的设置输入端通过光电耦合器IC6与所述信号控制器4的信号控制输出端连接；作为本发明的最佳实施例，如图4所示，所述二极管D2的阳极、二极管D4的阳极、电容C4的另一端相互连接后还再通过电阻R4分别与所述电极5的负极、隔离式运算放大器IC4的负极输入端、数字电位器IC5的电压调节端VH、电流补偿电路200的一端连接。

作为本发明的最佳实施例，如图3所示，所述电流补偿电路200包括电阻R3、电容C5和电容C6，所述电阻R3的一端、电容C6的一端分别与所述隔离式运算放大器IC4的负极输入端连接，所述电阻R3的另一端与所述电容C5的一端连接，所述电容C5的另一端、电容C6的另一端分别与所述隔离式运算放大器IC4的公共接地端COMP连接，因此，电阻R4为上拉电阻，电阻R3、电容C5和电容C6构成电流补偿电路可以确保输出电流的稳定性。所述隔离式运算放大器IC4采用ADuM31901芯片，该芯片非常适合用于线性反馈电压或电流控制。

在本发明中，结合图1、图2、图3和图4，信号控制器4根据使用者的设置产生相应的输出相应频率的方波脉冲来控制隔离式变换单元1，从而使PWM控隔离式变换单元1产生恒流输出脉冲，并通过刺激电极5传送送给人体组织。通采用过隔离式变换单元1作为刺激的输出电路，对信号进行了调制和放大，在输出端获得脉冲宽度、脉冲电流与输入信号一致的输出电流，并通过电极5施加给人体靶组织，数字电位器IC5的设置输入端通过光电耦合器IC6与所述信号控制器4的信号控制输出端连接，该光电耦合器IC6对数字电位器IC5输出的信号进行反向隔离，防止设置的电流信号被干扰，与此同时，隔离式变换单元1过负反馈控制策略对流经人体靶组织的电流进行调控，从而实现恒流输出，所述数字电位器IC5采用X9C102数字电位器芯片，光电耦合器IC6采用PC817X4耦合器，所述信号控制器4采用单片机或FPGA控制器。

在本发明实施例中，如图5所示，所述脉宽调制电路30包括PWM控制器IC1、电阻R0、电阻R1、电阻R2、电容C0、电容C1、电容C2，信号调制放大电路101包括第一驱动放大器IC2和第二驱动放大器IC3，所述隔离升压变换电路102包括升压变压器T1，所述整流电路103包括二极管D1、二极管D2、二极管D3和二极管D4，所述滤波电路104包括电感L1和电容C4；所述电阻R0的一端与PWM控制器IC1的振荡定时电阻输入端RT连接，电容C0的一端分别与PWM控制器IC1的振荡定时电容输入端CT、PWM控制器IC1的斜坡输入端RAMP连接，电容C2的一端分别与所述PWM控制器IC1内部误差放大器的同相输入端NV、PWM控制器IC1的基准输入端VREF连接，所述PWM控制器IC1的电容输入端SS分别与电容C1的一端、信号控制器4的输入/输出控制端I/O连接；所述电阻R0的另一端、电容C0的另一端、电容C1的另一端、电容C2的另一端都与地连接，所述PWM控制器IC1的基准输入端VREF还通过电阻R5与所述隔离式运算放大器IC4的反馈输出端连接，所述PWM控制器IC1的调制输出端EAO还与所述隔离式运算放大器IC4的反馈输出端连接，其中，所述PWM控制器IC1的第一互补输出端OUTA通过电阻R1与所述第一驱动放大器IC2的信号输入端连接，所述第一驱动放大器IC2的信号输出端与所述升压变压器T1原边抽头的一端连接，所述第二驱动放大器IC3的信号输出端与所述升压变压器T1原边抽头的另一端连接；所述PWM控制器IC1的第二互补输出端OUTB通过电阻R2与所述第二驱动放大器IC3的信号输入端连接。本发明中，定时电阻R0和定时电容C0构成PWM控制器IC1控制电路频率振荡启动电流，使PWM控制器IC1的第一互补输出端OUTA和所述PWM控制器IC1的第二互补输出端OUTB的输出频率为30kHz～1MHz的方波脉冲信号，且方波脉冲信号的相位相差180°，优选的，输出两路频率为500kHz，电容C1和C2分别是15V电源和基准电源的滤波电容，用于消除电路中的干扰。两个互补输出端输出的脉冲宽度受到所述PWM控制器IC1的调制输出端EAO(第三引脚)输出电压的控制，PWM控制器IC1采用UC3825调制芯片，所述PWM控制器IC1的第一互补输出端OUTA和所述PWM控制器IC1的第二互补输出端OUTB的输出的脉冲分别通过电阻R1、电阻R2输入第一驱动放大器IC2和第二驱动放大器IC3并构成桥式驱动电路进行隔离放大，用于驱动升压变压器T1的原边，所述第一驱动放大器IC2和第二驱动放大器IC3采用的型号为互补型MOSFET驱动器MIC4452芯片，MIC4452驱动器可以代替三个或多个分立元器件，因而降低了线路板的面积要求，简化了产品设计，降低了装配成本。

在本发明中，所述升压变压器T1副边抽头的一端分别与二极管D1的阳极、二极管D2的阴极连接，所述升压变压器T1副边抽头的另一端分别与二极管D3的阳极、二极管D4的阴极连接，所述电感L1的一端分别与所述二极管D1的阴极、二极管D3的阴极连接，所述电感L1的另一端分别与所述电容C4的一端、电极5的正极连接，所述二极管D2的阳极、二极管D4的阳极、电容C4的另一端相互连接后再与所述电极5的负极连接，所述电感L1的取值范围为5μH～30μH，电容C4的取值范围为2.2nF～10nF；所述二极管D2的阳极、二极管D4的阳极、电容C4的另一端相互连接后还再分别与所述隔离式运算放大器IC4的负极输入端、数字电位器IC5的电压调节端VH、电流补偿电路200的都与所述一端连接。

如图3和图4所示，电流设置单元3输出电流设置过程为：由于负反馈的作用，整个电路形成一个闭环负反馈环，因此必须保持隔离式运算放大器IC4的反相端-IN(负极输入端或第十一引脚)的电压与同相端+IN(正极输入端或第十二引脚)的电压相等，隔离式运算放大器IC4的同相端+IN与参考输入端REF_OUT相连，参考输入端REF_OUT的基准电压为1.225V，以保持数字电位器IC5的电压调节端VH(第三引脚)的电压为1.225V，因此通过信号控制器4设置和改变数字电位器IC5的阻值，即可对所述PWM控制器IC1的第一互补输出端OUTA和所述PWM控制器IC1的第二互补输出端OUTB的输出脉冲进行控制，从而达到控制PWM控制器IC1输出脉冲宽度的目的。此外，为了使整个输出端隔离，数字电位数字电位器IC5与信号控制器4之间的数据交换采用光电耦合器IC6进行隔离，

升压变压器T1有两个作用，一个是用于电气隔离，另一个是变压，当在升压变压器T1原边施加方波脉冲时，即可在升压变压器T1的副边产生方波脉冲，其脉冲幅度与升压变压器T1的匝数比成比例，升压变压器T1副边上的方波脉冲经二极管D1、二极管D2、二极管D3和二极管D4构成桥式整流电路，再经过电感L1和电容C4构成LC滤波器后输出直流电流。信号控制器4通过PWM控制器IC1的电容输入端SS(第八引脚)的电位，即可控制PWM控制器IC1的启动。当PWM控制器IC1的电容输入端SS(第八引脚)为高电平时，输出电压为高电平，当PWM控制器IC1的电容输入端SS(第八引脚)为低电平时，其输出电压为低电平，因此，可以控制脉冲的宽度、间隔、周期、个数。信号控制器4输出的控制信号的波形如图6所示，图7为升压变压器T1原边或副边上的波形。图8为滤波电路输出的电流波形，从3个波形图中得出什么结论。由此可见通过，高频调制后，在输出端获得隔离的恒流型方波电流。

ADuM3190隔离式运算放大器与X9C102数字电位器芯片和PC817X4耦合器组成的技术方案在瞬态响应、功率密度和稳定性方面均有所提高，响应速度快，允许反馈环路对快速瞬变条件和过流条件做出反应。ADuM3190隔离式运算放大器件还内置一个高精度1.225V基准电压源，可与电流设置单元3的设定点进行比较，ADuM3190隔离式运算放大器的隔离电压额定值为2.5kV rms，ADuM3190隔离式运算放大器用作输出电压V_OUT的误差放大反馈，并在ADuM3190隔离式运算放大器的-IN引脚上使用一个电阻分压器，与+IN引脚相比，此配置反转公共接地端COMP(第十引脚)的输出信号；该共接地端COMP(第十引脚)的内部连接+1.225V基准电压端(即参考输入端REF_OUT)，而+1.225V基准电压端(即参考输入端REF_OUT)连接同相端+IN引脚，如图3所示，ADuM3190隔离式运算放大器IC4的反馈电压来自I_OUT在数字电位器芯IC5(X9C102芯片)上产生的电压，因此，当输出电流I_OUT由于负载变化而下降时，将在ADuM3190隔离式运算放大器的共接地端COMP(第十引脚)输出产生一个趋低的电流。ADuM3190隔离式运算放大器的调制输出EAO(第六引脚)跟随共接地端COMP引脚变为低电平，ADuM3190隔离式运算放大器的反馈输出端EA_OUT2通过电阻R5连接PWM控制器IC1的基准输入端VREF(第十六引脚)，同时，ADuM3190隔离式运算放大器的反馈输出端EA_OUT2还连接PWM控制器IC1的调制输出端EAO(第三引脚)，当PWM控制器IC1的基准输入端VREF(第十六引脚)为低电平时使ADuM3190隔离式运算放大器的共接地端COMP(第十引脚)输出变为高电平。ADuM3190隔离式运算放大器的共接地端COMP(第十引脚)高电平时锁存PWM控制器IC1产生PWM脉冲占空比输出，此PWM脉冲占空比输出驱动电源级，提升电极5负极电压V_OUT，直到其返回稳压状态。由于PWM控制器IC1的调制输出端EAO(第三引脚)输出的电流很小，用于调制PWM脉冲信号的脉冲宽度，其输出的电压越高，PWM脉冲信号越窄，ADuM3190隔离式运算放大器的反馈输出端EA_OUT2与PWM控制器IC1的调制输出端EAO(第三引脚)连接后，将剥夺了PWM控制器IC1对PWM脉冲信号的调控权，PWM控制器IC1的基准输入端VREF(第十六引脚)输出的电流很强，并通过上拉电阻R5为ADuM3190隔离式运算放大器的反馈输出端EA_OUT2提供电流，反馈输出端EA_OUT2将为漏极开路输出，因此，输出电压将由ADuM3190隔离式运算放大器来决定。本发明中，所述电源6采用一路为5V，供给信号控制器4使用，另一路为15V，供给隔离式变换单元1、电流反馈控制单元2、电流设置单元3和信号指示电路7使用，其中，信号指示电路7为LCD液晶显示器，用于显示刺激脉冲幅度、宽度、间隔、周期等参数。

以上所述仅为发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。