专利名称：一种电弧式脉冲电刺激仪的制作方法
技术领域：
本发明涉及航天生物医学工程研究领域,更具体地说是涉及一种能够在模 拟失重条件下使尾吊大鼠进行主动运动训练的电刺激仪。
背景技术：
大鼠作为人类骨骼模型现已被广泛用于失重性骨丢失的机理以及对抗措 施的研究。实验数据表明，运动训练是一种安全有效的对抗失重性骨丟失的 措施。而由于空间试验的有限性，目前这方面的研究数据主要是通过地面模
拟失重模型来获得。美国宇航局(NASA)于上世纪七十年代中期建立并发 展了能在地面模拟空间生物效应的动物模型 一一大鼠尾吊模型，通过尾部悬 吊使大鼠后肢去除负重，而前肢仍保持负重，从而模拟后肢失重性骨丟失效 应。但由于大鼠不易受人的意愿支配，所以在一直保持模拟失重条件(即一 直保持尾吊姿势)并且针对大鼠后肢进行运动训练存在一定难度。应用电刺 激使大鼠后肢产生运动是解决这一 问题的方法之一 。目前应用较多的是将低 幅高频的恒定电流通过两个电极加载于大鼠后肢肌肉上，使其产生强直收 缩，从而使后肢运动。已有实验研究证实这种方法在骨质疏松的防治上有积 才及效果(PENG Liang, SHANG Yu, LIANG Ying， et al. Preliminary research on effects of percutaneous muscular electrical stimulation against bone loss in tail-suspended rats. [J] Space Medicine & Medical Engineering. 2007(20): 7-9. Claire Mercier， Jean Jobin, Claude Le'pine, Clermont Simard, Effects of hindlimb suspension on contractile properties of young and old rat muscles and the impact of electrical stimulation on the recovery process. Mechanisms of Ageing and Development, 1999(106),305-320. Ronald J. Midura , Charles J. Dillman, Mark D. Grabiner,Low amplitude, high frequency strains imposed by electrically stimulated skeletal muscle retards the development of osteopenia in the tibiae of hindlimb suspended rats. Medical Engineering & Physics, 2005(27) 285—293.)。他们的 共同之处在于都是采用双电极的设计，将10mA左右的高频电流直接作用与大 鼠肌肉，使之产生兴奋性收缩。但这些设计存在一系列的问题，首先是无法 避免电流对骨的影响，很难区分所产生的积极效果是源自于电流还是运动对
并且电流的强丄必;贞大于3mA才会使大鼠的肌肉产生兴奋性收缩，口而目前尚
3没有研究证明此种强度的电流对大鼠的生理系统或骨骼没有任何负面影响。 再者，大鼠在电流刺激下产生的运动，严格意义上应划分为被动运动。
发明内容
针对上述问题，本发明人设计了一种高压低流的脉冲电刺激仪，其产生 的电弧作用在大鼠足底，使大鼠因躲避电击产生的灼伤感而主动收缩后肢， 以达到令大鼠后肢产生主动运动的目的。
本发明提供了一种单电极电弧式脉沖电刺激仪，，其能够对诸如大鼠后 骨的影响的。 、、 —一 、。、u ' ,、、
本发明的电弧式脉冲电刺激仪，包括电弧发生电路，用于产生作用于 大鼠足底的电弧；控制组件，用于对所述电弧发生电路进行程序控制。
根据本发明的一个方面，提供了一种能够产生可以击穿空气的电弧发生 电路，用于产生作用于大鼠足底的电弧，其特征在于包括振荡组件，用于 将电路中的直流电转换为高频交流电，并且将电压值进行初步升高；整流升 压组件，用于将振荡组件产生能够的高频交流电进一步进行整流升压，产生 可以击穿空气的电弧。
优选的，在所述的电弧发生电路中，所述振荡组件由三极管Q、线圏T1 以及电阻R共同组成。三极管Q选用锗三极管，以改善低电压下的压降特性； 线圈T1选用E型5 x 7铁芯，L1和L2分别用^0.17mm的高强度漆包线缠绕60匝 和30匝；电阻阻值范围在150-200欧。
优选的，在所述的电弧发生电路中，所述整流升压组件由二极管D、电 容器C，以及升压器T2组成。二极管D采用高压硅粒，其反压要求大于 250V;电容器C的容量在0.47-0.68^F范围，耐压大于160V;升压器T2采用 20mm长度磁棒作为铁芯，首先用^0.41mm的漆包线在磁棒上绕17匝作L4，然 后将L4套入塑料骨架内，再用^0.06mm的高强度漆包线在塑料骨架上的5个线 槽内各绕300匝，共1500匝作为L5，这样不仅能够达到电极端的电压要求，又 可以有效防止高压击穿L5自身。
根据本发明的另一个方面，提供了一种控制组件，用于对电弧发生电路 进行程序控制，其特征在于包括单片机，用于对周围电路及元件进行编程 控制，以实现仪器特定的功能；复位电路、时钟电路，用于为单片机提供复 位及时钟信号；控制按键电路，用于实现仪器的模式选择、参数设置等功 能；显示液晶接口电路，用于实现仪器运行状态显示；蜂鸣器电路，用于实 现刺激发生时进行声音提示；电弧发生电路控制继电器电路，用于实现控制 組件对电弧发生电路开关的控制。
4优选的，所述的单片机选用Atmel公司的AT89C52单片机，该控制器的存 储器容量、1/0端口、外中断口数量、定时器和计数器数量等各项指标都满足 了所设计刺激器的需要，且价格便宜。所述的液晶显示器选用深圳市骏显电 子科技有限公司的JM12864M-2显示液晶，该液晶性能稳定、便于连接、并且 显示单元数量能够满足所设计刺激器的需求。所述的电弧发生电路与控制组 件的连接元件选用继电器，不仅可以实现控制组件对电弧发生电路的开关控 制，并且可以满足控制组件与电弧发生电路两部分电源独立。
本发明与现有大鼠电刺激仪相比有如下有益效果
本发明采用了单极放电，不接触诸如大鼠的对象，不在对象身体上构成 回路。在大鼠作为对象的情况下，电极产生的高压电弧击穿空气作用于大鼠 足底，在大鼠足底局部产生电击的疼痛感，大鼠会躲避该疼痛感而收缩后 肢，从而能够实现大鼠后肢主动运动。另外，刺激器的输入功率仅为0.5W, 由于电路元件损耗部分能量，电极端输出电弧的总功率小于0.5W，加之这些 能量绝大部分都是以热能的形式施加于大鼠，所以单位时间内施加的电能远 远小于0.5J。而且电弧能够击穿空气，其电压应在1000V以上，所以电弧在大 鼠足底产生的电流远远小于0.5mA，远没有达到能够使大鼠肌肉细胞产生兴 奋的阈值，从而避免了大鼠后肢因外加电流而产生被动运动，以及大电流对 大鼠生理系统的干扰。
由此可见，采用这种高压低流的电弧式电刺激，既能够避免大电流流过 大鼠躯体而使后肢因外加电流而产生被动运动，又能最大程度地减小电流对 大鼠生理系统及骨骼造成影响，保证实验的准确性。
图1A是本发明的电弧式脉沖电刺激仪的外观前视构造图。 图1B是本发明的电弧式脉沖电刺激仪的外观后视构造图。 图2是本发明的电弧式脉冲电刺激仪的电路硬件结构框图。 图3是本发明的电弧式脉冲电刺激仪的控制组件的电路原理图。其中，
图3A是单片机的电路原理图3B是控制按键电路的电路原理图3C是运动状态判定电路的电路原理图3D是时钟电路的电路原理图3E是复位电路的电路原理图3F是显示电路的电路原理图3G是声音提示电路的电路原理图3H是电弧发生电路的电路原理图31是继电器电路的电路原理图3 J是电源模块的电路原理图。图4是本发明的电弧式脉沖电刺激仪的操作流程图。
具体实施例方式
在图1A中，本发明的外观前一见构造包括外壳101、显示液晶102、启动/暂 停按键103、增大参数按键104、减小参数按键105、自动模式选择按键108、 手动模式选择按键107、数据清零按键106、电极接口109、大鼠后肢姿态判定 装置连线IIO、电源开关lll。在图1B中，本发明的外观后视构造包括了电源 接口 112。
其中所述的外壳101采用塑料材质，上下分体结构，当安装完内部器件后 上下两部分用螺丝连接组合为一整体。
其中所述的电源接口 112为直流5V电源接口 。
值得注意的是，电极接口 109应该有绝缘材料包裹，以避免电极在此处》文 电。本发明有两个相同的单极放电电极，如果需要可以对电极数进行扩展。
图2显示了本发明的电路硬件结构框图，主要有四大部分，单片机或其它 控制芯片201及其时钟电路204和复位电路205 、控制按键电路202以及运动状 态判定电路203 —起构成了仪器的控制部分，显示电路206和声音提示电路207 构成了仪器的显示及声音提示部分，另外两部分为电弧发生电路208和电源模 块210。
图3显示了本发明控制组件的电路原理图，其中控制按键电路202、运动 状态判定电^各203、时钟电^各204、复位电if各205、显示电3各206、声音4是示电 路207，分别与单片机201连接。电弧发生电路控制继电器电路301和电源模块 电路210,分别与单片机201和电弧发生电路208连接，用以对电弧发生电i 各进 行开关控制和供电。
的晶振频率为12MHz。显示电路206为标准12864液晶接口 。运动状态判定电 路203将用于判定大鼠后肢姿态的一装置与单片机201连接，该判定装置可以 在大鼠后肢处于抬起或放下时给单片机201发送不同的电平信号，其具体装置 结构详见另一发明专利"一种模拟失重尾吊大鼠主/被动运动训练装置"中的 元件404、元件408。通过该装置，本发明的电弧式脉冲电刺激仪可以根据大 鼠的运动状态，实时地判定是否应施加电刺激。电弧发生电路控制继电器电 路301,用于实现控制组件对电弧发生电路208开关的控制。
如图3所示，电弧发生电路208包括振荡组件、整流升压组件、与控制组 件连接的继电器电路301和电极209。
其中所述的振荡组件进一步包括三极管Q、线圈T1以及电阻R，用于将电 路中的直流电转换为高频交流电，并且将电压值进行初步升高。整流升压组 件进一步包括二极管D、电容器C，以及升压器T2，用于将振荡组件产生能够 的高频交流电进一步进行整流升压，产生可以击穿空气的电弧。如前所述，三极管Q选用锗三极管；线圈T1选用E型5 x 7铁芯，L1和L2分 别用^0.17mm的高强度漆包线缠绕60匝和30匝，L3则用"0.06mm的高强度漆 包线绕3500匝；电阻阻值范围在150 200欧。二极管D采用高压硅粒，其反 压要求大于250V;电容器C的容量在0.47-0.68,F范围，耐压大于160V;升压 器T2采用20mm长度磁棒作为铁芯，首先用^0.41mm的漆包线在磁棒上绕17匝 作L4，然后将L4套入塑料骨架内，再用^0.06mm的高强度漆包线在塑料骨架 上的5个线槽内各绕300匝，共1500匝作为L5。
图4显示了本发明的电弧式脉冲电刺激仪的控制流程图。 在上述硬件的基础上，对单片机或其他控制芯片201进行编程，以实现本 发明的电弧式脉冲电刺激仪的基本功能。全部程序由主程序、初始化子程 序、定时器/计数器中断子程序以及外部中断子程序组成。主程序主要完成以 下内容(l)键盘扫描程序判断是否有键按下，并识别按键，然后执行相 应命令，实现仪器的暂停及重启、手动施加刺激、训练时间清零等功能。 (2)显示程序由单片机的I/0端口输出显示命令和显示内容数据给液晶显 示器，将训练持续时间和刺激次数显示在液晶屏上。(3)对蜂鸣器和继电器
激，同时有声音提示。初始化子程序负责对单片机中一些内存单元赋初值， 1/0端口声明，开中断以及对定时器赋初值。定时器/计数器中断子程序中断申 请由单片机内部的定时器/计数器发出，定时器根据程序设定精确控制刺激发 生的间隔时间和电弧发生电路的开启时间，实现刺激器的自动运行。计数器 记录刺激开启次数，并在达到设定的次数后停止程序运行。仪器的运动状态
判定装置以外部中断的方式向单片机发出中断服务申请，外部中断子程序负 责对单片机的外部中断端口是否有外部中断信号输入进行检测和判断，并在
符合条件要求时转向相应的程序段运行，从而实现了仪器会根据大鼠后肢的 实时状态判定是否施加电刺激的智能化运行。
其具体流程为开才几后完成初始化，液晶显示"Rat's Exercise Stimulator" (401)。判断按键107是否被按下，即判断是否进入手动刺激模式(402)。手动 刺激模式下按键104被按下，则开启左侧电弧发生电路的继电器(403)，按 键105被按下，则开启右侧电弧发生电路的继电器(403),按键108被按下，则 转入自动刺激模式(405)。步骤401后，同时判断按键108是否被按下，即判断 是否进入自动刺激模式(406)。自动模式下循环按下按键108则可以循环选 择运动参数ST(电刺激发生时间)、IT(两次刺激间隔时间)、BT(左右间 隔时间)、NoS (电刺激次数)，之后通过按键104增大参数设定值(407),或 通过按键105减小参数设定值(408);参数设定好后按下按键103(409)则单片机 201开启其内部定时器和计数器(410)，之后如果再按下按键103，则程序进入 暂停状态或继续运行(411),如果定时器到时(412)则按照设定的参数开 启(413)和关闭(414)电弧发生电路继电器和蜂鸣器。如果计数器到达设定的次数(415)，则程序返回至初始化(401)状态。在自动模式下如果按 下按键107，则随时可以转入手动刺激模式(416)。
实施例1自动控制施加刺激
首先将电极固定在大鼠足底(或身体其他部位)附近，并且保持2mm的 距离，将AC220V-DC5V的变压器直流5V端接入电源接口 112，另一端接市 电，开启电源开关lll,按自动模式选择按键108进入自动模式，利用按键 108、 104、 105对不同的刺激参数进行设置，参数包括刺激持续的时间 (ST)，刺激的间隔时间(IT)，刺激的次数(NoS)，电极之间的放电间 隔(BT)，按键108可在上述参数之间进行选择，按键104可增大选择的参 数，按键105可减小选择的参数。参数设置好后，按启动/暂停按键103开始电 刺激，此状态下电刺激仪可根据设定的刺激参数以及大鼠的运动状态自动运 行，同时液晶上显示当前时间，实验持续时间，以及各电极发生刺激的次 数。在自动模式下可以随时按启动/暂停按键103暂停刺激仪的运行，暂停后 如果按下数据清零按键106,则实验持续时间和刺激的次数都会清零并重新记 录；如果按下手动模式选择按键107,则刺激仪转入手动刺激模式下运行；如 果再次按下103则继续运行。当刺激次数达到设定值后，发出声音提示，并且 自动返回到参数设置界面，并且保留上一次的参数设定。此时，如不需要更 改参数，则可直接按启动/暂停按键103进行下一次的自动运行。
实施例2手动控制施加刺激
如实施例l中所述，固定好刺激仪电极，接通电源并打开开关后，按手动 模式选择按键107进入手动刺激模式，按104或105可以使两个电极分别施加电 刺激，同时液晶上显示当前时间，实验持续时间以及两个电极格式的刺激次 数。若在手动模式下按启动/暂停按键103,则实验持续时间停止计时，刺激 的次数保留，当再次按下103时，继续计时、计数。如按下数据清零按键 106,则实验持续时间和刺激次数同时清零。在手动模式下可随时按下自动模 式选择按键108,进入自动模式的参数设定界面。
实施例3大鼠跑步运动中施加电刺激
如果将大鼠运动状态判定装置和电极的位置稍加改动，则可让大鼠进行 跑步运动。将状态判定装置和电极置于大鼠跑台的末端，开启电刺激仪，按 手动模式选择按键107进入手动刺激模式，再按启动/暂停按键103，若大鼠在 跑台上没有跑动，则会触及到末端的运动状态判定装置，此时电刺激仪便会 施加电刺激作用在大鼠臀部，刺激其进行跑步运动。
权利要求
1、一种电弧式脉冲电刺激仪，其特征在于，包括电弧发生电路(208)，用于产生作用于生物体的电弧；控制组件，用于对所述电弧发生电路(208)进行程序控制。
2、 根据权利要求l所述的电弧式脉冲电刺激仪，其特征在于，所述电弧 发生电^各(208)包括振荡组件，用于将电路中的直流电转换为高频交流电，并且将电压值进 行初步升高；整流升压组件，用于将振荡组件产生的高频交流电进一步进行整流升 压，产生可以击穿空气的电弧。
3、 根据权利要求2所述的电弧式脉沖电刺激仪，其特征在于，所述振荡 组件包括三极管(Q)、升压器(T1)以及电阻(R)。
4、 根据权利要求2所述的电弧式脉冲电刺激仪，其特征在于，所述整流 升压组件包括二极管(D)、电容器(C),以及升压器(T2)。
5、 根据权利要求l所述的电弧式脉沖电刺激仪，其特征在于，所述控制 组件包括控制芯片(201 )，用于对周围电路及元件进行控制； 运动状态判定电路(203 ),用于根据对象的运动状态向控制芯片 (201)发送不同的电平信号。
6、 根据权利要求5所述的电弧式脉冲电刺激仪，其特征在于，所述控制 组件还包括复位电路(205 )、时钟电路(204),用于为控制芯片提供复位及时钟信号；控制按键电路(202)，用于实现仪器的模式选择、参数设置等功能； 显示液晶接口电路(206)，用于实现仪器运行状态的显示； 蜂鸣器电路(207)，用于实现刺激发生时进行声音提示。
7、 根据权利要求5所述的电弧式脉沖电刺激仪，其特征在于，所述的控 制芯片(201 )选用Atmel公司的AT89C52单片机。
8、 根据权利要求l所述的电弧式脉冲电刺激仪，其特征在于，还包括一 电弧发生电路控制继电器电路(301),连接所述电弧发生电路(208 )与所 述控制组件，用于实现所述控制组件对所述电弧发生电路(208 )开关的控 制。
全文摘要
本发明提供了一种电弧式脉冲电刺激仪，包括控制部分，其进一步包括单片机(201)及其时钟(204)、复位电路(205)、控制按键(202)和运动状态判定装置(203)，用于对仪器进行编程控制，对刺激参数进行设置以及对大鼠后肢的运动状态进行判定；电弧发生电路部分(208)，其进一步包括振荡组件和整流升压组件，用于产生刺激大鼠足底的高压低流的脉冲电弧。采用本发明的高压低流的电弧式电刺激，既能够避免大电流流过大鼠躯体而使后肢因外加电流而产生被动运动，又能最大程度地减小电流对大鼠生理系统及骨骼造成影响，保证实验的准确性。
文档编号A61B19/00GK101502445SQ20081024666
公开日2009年8月12日 申请日期2008年12月30日 优先权日2008年12月30日
发明者孙联文, 樊瑜波, 添 谢, 贡向辉 申请人:北京航空航天大学