专利名称：一种自适应控制的皮肤表面电刺激装置及方法
技术领域：
本发明涉及康复医学工程领域，特别是一种利用电刺激信号进行人体康复治疗的 装置及方法。
背景技术：
通过向人体皮肤表面的目标区域或者深层组织释放不同特性的电脉冲，可以使人 获得不同的刺激感觉，可以减缓人的疼痛，也可以代替传统针灸起到治疗疾病的作用。为了 让使用者感觉到相对恒定的刺激强度，需要开发一种既能够感知皮肤特性，也能够输出适 当刺激信号的装置，以便于体表电刺激方式在日常生活中的使用。目前主要有两种电刺激方式经皮电刺激、体表电刺激。经皮电刺激是指将针状电 极刺过皮肤，直接刺激人的深层肌肉组织、神经以及其他组织。体表电刺激是指为置于皮肤 表面的电极施加电脉冲，直接刺激人体表的皮肤和肌肉群等组织。由于经皮电刺激需要将 针状电极刺过皮肤，使用时会令人感觉不舒服，实际使用不便。而体表电刺激使用时只需将 电刺激电极贴在体表，因此使用方便。由于出汗等原因，人体皮肤阻抗会发生变化，如果刺激电压不能自动变化的话，将 导致流入体内的电能的变化，从而使人感受到的刺激强度发生变化。因此，根据这种刺激强 度变化进行自适应的电刺激强度的调整，是本发明亟待解决的问题。
发明内容
鉴于现有产品中存在的技术问题，本发明提出了一种自适应控制的皮肤表面电刺 激装置及方法，通过感知人体皮肤特性，根据人体肌肉特性实现自动调整皮肤刺激电压，在 人体皮肤阻抗发生变化情况下，仍能自适应地调整皮肤表面的电刺激强度，在康复治疗中 让人感受到的刺激强度保持不变。本发明提出了一种自适应控制的皮肤表面电刺激装置，通过刺激电极作用于体表 皮肤，其特征在于，所述电刺激装置包括电压调整电路、电脉冲生成电路、刺激电极、电流 测量电路、皮肤阻抗计算单元；所述电压调整电路和所述电脉冲生成电路输入端相连；所述电脉冲生成电路输出 端和所述刺激电极输入端相连；所述刺激电极的输出端与所述电流测量电路的输入端相 连，同时该输出端作用于体表皮肤；所述电流测量电路的输出端和所述皮肤阻抗计算单元 的输入端相连，同时其输出端与所述电压调整电路相连。本发明还提出了一种自适应控制的皮肤表面电刺激方法，其特征在于，该方法包 括以下步骤通过手工调整刺激电路的电压初值刺激人体；电流测量电路检测到输入人体的电流；利用此时的电压和电流计算出皮肤的阻抗；根据感觉和刺激强度的关系，自动调整电压，使人的感觉始终保持一致；
所述数字电位器通过数字信号控制，用于改变REG LR12的ADJ端和GND端的电阻 比，来实现只要将ADJ端的电压进行调整，就可以调整输出端的电压，从而实现自动调压。本发明与现有技术相比，该系统采用体表电刺激方式，使用时只需将电刺激电极 贴在体表，不需要将针状电极刺入人体，没有痛苦，因此使用方便；电流测量电路达到降噪 并正确取得有效的电流值，在复杂的实际应用条件下，可以实现电刺激的自适应控制，控制 精度闻。
图1为本发明的自适应控制的皮肤表面电刺激装置的整体结构图；图2为本发明的自适应控制的皮肤表面电刺激装置的电压调整电路图；图3为本发明的自适应控制的皮肤表面电刺激装置的电流测量电路图；图4为本发明的自适应控制的皮肤表面电刺激装置的电脉冲生成电路的H桥电路。
具体实施例方式图1是该电刺激系统的整体结构图，该电刺激电路由电压调整电路、电脉冲生成 电路、刺激电极、电流测量电路、皮肤阻抗计算单元构成。该电刺激系统使用的时候通过手工调整刺激电路的电压初值，之后电刺激系统根 据皮肤阻抗变化，自动调整刺激脉冲的电压幅值；电流反馈功能由电压调整电路，电流测量电路以及皮肤阻抗计算单元实现用设 定的某一个电压初值来刺激人体，此时流入人体的电流会被电流测量电路检测到(电流强 度由电压表示出来)，利用此时的电压和电流就可以算出皮肤的阻抗，根据已知的感觉和刺 激强度的关系，来调整电压，使人的感觉始终保持一致。这里所说的已知的感觉和刺激强度 的关系可以预先设定或者由实验得出。如图2所示，为电压调整电路。电压调整的原理是电压调整通过改变ADJ端和 GND端的电阻比来实现。输出电压由公式(1)决定，其中Rx为图2中所示的ADJ端和GND 之间的电阻值。
Vout=1.20(1+Rx/R4)+IADJRx本发明采用了数字电位器(如图2中的MAX)，与传统的机械式可变阻抗不同，数 字电位器可以通过数字信号控制。在测试中发现数字电位器不能当作单纯的可变阻抗来使 用，而是适合用于分压。因此在该电压调整电路中我们利用电源稳压芯片REG LR12的ADJ 端和输出端之间电压一直保持在1. 2V的这个特性，只要将ADJ端的电压进行调整，就可以 调整输出端的电压，从而实现自动调压。在这里数字电位器发挥着分压器的作用。输出电 压的计算如式(2)。此时的Vdig_p。t即为数字电位器的输出端电压。Vout = Vdig_p。t+1. 2 (2)由于本系统中采用的MAX数字电位器的最高耐压值为30V，因此如图2所示，弓丨 入开关S2，S3和S4，通过适当地切换这三个开关，就可以实现既保证输出电压达到88V，也能保证数字电位器的耐压不超过30V。S4为ON，S2和S3为OFF时，输出电压范围为 1. 2V-28V(以后均为实测值)；S3为ON, S2和S4为OFF时，输出电压范围约为28V-58V ；S2 为0N，S3和S4为OFF时，输出电压范围约为58V-88V。MAX数字电位器具有7位的控制寄 存器，因此可以将电压分为127个阶段来输出，实际用万用表测量的结果显示，电压的控制 精度在0. 2-0. 3V左右。(比如，在1. 2-28v这个输出范围内，输出的电压可以为1. 2v, 1. 4v, 1. 6v, 1. 8v, ".，28v)。 如图3所示-为电流测量电路图和测量的波形，为了测量流入人体的电流，串联测 量电阻Rsense和人体。流入人体的电流发生改变时，根据欧姆法则Rsense两端的电压也 就会发生变化。因此只要测量测量电阻Rsense两端的电压就可以算出电流。由于输出波形可以为高频的矩形波(不仅仅限于矩形波)，因此含有很高的高次 成分，从而使检测出来的电流值具有很大的噪音，为了达到降噪并正确取得电流值，在检测 电流输出端和CPU的AD转换器之间，加入了低通滤波器LPT。这时，测量电阻Rsense的值 越大越有助于提高电流测量的精度，但是太大反而会影响刺激人体的效果(由于减少了流 入人体的电流)，因此我们采用了 1欧姆左右的电阻。如图4所示，为电脉冲生成电路。电脉冲生成电路负责生成刺激电脉冲。电路输 出部分采用H桥电路组成，其具体原理。H桥电路采用SLA电机驱动芯片。如图所示电路 的+，“分别用虚箭头和实箭头来表示，箭头表示电流流动方向。当所有的gate为off时， 无输出。Gatel，4为on，2，3为off时，电流流动方向如下图的虚箭头所示；相反，gatel，4 为off，2，3为on时，电流流动方向如下图的实箭头所示。当四个gate全都为on时，会烧 坏电路，因此在实际编程中只设定了前述三种情况。以上内容仅为本发明的实施例，其目的并非用于对本发明所提出的系统及方法的 限制，本发明的保护范围以权利要求为准。在不脱离本发明的精神和范围的情况下，本领域 技术人员在不偏离本发明的范围和精神的情况下，对其进行的关于形式和细节的种种显而 易见的修改或变化均应落在本发明的保护范围之内。
权利要求
一种自适应控制的皮肤表面电刺激装置，通过刺激电极作用于体表皮肤，其特征在于，所述电刺激装置包括电压调整电路、电脉冲生成电路、刺激电极、电流测量电路、皮肤阻抗计算单元；所述电压调整电路和所述电脉冲生成电路输入端相连；所述电脉冲生成电路输出端和所述刺激电极输入端相连；所述刺激电极的输出端与所述电流测量电路的输入端相连，同时该输出端作用于体表皮肤；所述电流测量电路的输出端和所述皮肤阻抗计算单元的输入端相连，同时其输出端与所述电压调整电路相连。
2.如权利要求1所述的自适应控制的皮肤表面电刺激装置，其特征在于，所述电压调 整电路包括数字电位器和电源稳压芯片，输出电压V。ut计算公式为 其中，Rx为电源稳压芯片ADJ端和GND之间的电阻值，Iadj为电源稳压芯片ADJ端的输 出电流；R4为保护电流过载击毁电路的与数字电位器串联的电阻。
3.如权利要求1所述的自适应控制的皮肤表面电刺激装置，其特征在于，所述电流测 量电路包括测量电阻，所述测量电阻和人体表面皮肤串联。
4.如权利要求3所述的自适应控制的皮肤表面电刺激装置，其特征在于，所述电流测 量电路还包括低通滤波器，设置于检测电流输出端和CPU的AD转换器之间。
5.如权利要求3所述的自适应控制的皮肤表面电刺激装置，其特征在于，所述测量电 阻采用近1欧姆的电阻。
6.如权利要求1所述的自适应控制的皮肤表面电刺激装置，其特征在于，所述电脉冲 生成电路采用H桥电路组成。
7.—种自适应控制的皮肤表面电刺激方法，其特征在于，该方法包括以下步骤通过手工调整刺激电路的电压初值刺激人体；电流测量电路检测到输入人体的电流；利用此时的电压和电流计算出皮肤的阻抗；根据已知的感觉和刺激强度的关系，自动调整电压，使人的感觉始终保持一致；所述数字电位器通过数字信号控制，用于改变REG LR12的ADJ端和GND端的电阻比， 来实现只要将ADJ端的电压进行调整，就可以调整输出端的电压，从而实现自动调压。
8.如权利要求7所述的自适应控制的皮肤表面电刺激方法，其特征在于，所述已知的 感觉和刺激强度的关系通过预先设定或者实验得出。
全文摘要
本发明公开了一种自适应控制的皮肤表面电刺激装置，通过刺激电极作用于体表皮肤，其特征在于，所述电刺激装置包括电压调整电路、电脉冲生成电路、刺激电极、电流测量电路、皮肤阻抗计算单元，通过手工调整刺激电路的电压初值刺激人体；电流测量电路检测到输入人体的电流；利用此时的电压和电流计算出皮肤的阻抗；根据的感觉和刺激强度的关系，自动调整电压，使人的感觉始终保持一致。本发明与现有技术相比，该系统采用体表电刺激方式，使用时只需将电刺激电极贴在体表，不需要将针状电极刺入人体，没有痛苦，因此使用方便；电流测量电路达到降噪并正确取得有效的电流值，在复杂的实际应用条件下，可以实现电刺激的自适应控制，控制精度高。
文档编号A61N1/36GK101869739SQ20101023173
公开日2010年10月27日 申请日期2010年7月20日 优先权日2010年7月20日
发明者李元吉, 段宸, 段峰, 高琪 申请人:段峰