专利名称：多级高压恒压脉冲发生电路的制作方法
技术领域：
本发明属于医疗仪器技术领域，具体涉及一种脉宽、幅度可调的多级高压恒压脉冲发生电路，用于术前神经定位和术中神经监测。
背景技术：
术前神经刺激可用于定位神经位置，术中神经刺激可用于监测神经状况。外周神经阻滞是很多外科手术的必须步骤，而准确定位神经丛的位置是阻滞手术成功的关键。传统的外周神经阻滞手术结合解剖图采用盲探法，即依赖医生的经验和患者对异感的反馈来判断注药针尖是否到达合适的位置。若医生的经验不足，这种盲目试探的方法可能会对患者神经造成机械性损伤并带来疼痛；又或者患者处于昏迷状态或不配合时，该方法即无法实施，特别对于肥胖患者，其体表由于堆积大量脂肪导致体表解剖标志不明显，该方法效果即变得非常有限。神经生理监测技术是目前神经外科和脊柱外科领域受到广泛关注的一项新技术， 其主要是通过采用特定参数的电脉冲刺激神经，观察神经的各项指标来了解和监控神经的功能状况，临床上用于术中避免神经损伤和预防术后神经功能受损。其中运动诱发电位 (MEP)监测是术中神经监护(Intraoperative Neuromonitoring, 10ΝΜ)系统的重要组成部分，可在不开颅的条件下对皮层运动区施加刺激，实时评估术中处于危险状态的神经系统功能的完整性，并提示术者采取干预措施使神经损伤消除或减至最小。MEP的实施需要特殊的高电压、大电流、短脉冲电刺激器，且输出刺激脉冲的电压、电流、宽度的变化范围大，刺激模式多。。参考专利《神经丛刺激系统及神经丛刺激器》，申请号201120096646. 6。
发明内容
基于上述两个背景，即术前神经刺激可用于定位神经位置和术中神经刺激可用于监测神经状况，本发明的目的在于提出一种脉宽、幅度可调的多级高压恒压脉冲发生电路。 根据临床需求，可选择采用参数不同的刺激模式，主要体现在刺激强度，即脉冲幅度，以及脉冲宽度、脉冲间隔和脉冲个数。特别适合于运动诱发电位监测。神经刺激器的关键技术之一是多级高压恒压脉冲发生电路的设计，也是本发明的主要内容，主要体现在高压、输出脉冲幅度多级可调以及恒压。高压在于本发明的最高输出脉冲幅度将达上千伏；输出脉冲幅度多级可调在于本发明可根据预设的档级调节输出脉冲幅度；恒压在于输出脉冲幅度不受负载阻抗变化的影响。本发明提出的脉宽、幅度可调的多级高压恒压脉冲发生电路，由反激式高压充电电路、电阻网络分压电路、三极管恒压输出控制电路和微控制器组成。其中，所述反激式高压充电电路将外供低压直流电源升压至所需高压并对储能电容充电；电阻网络分压电路通过电阻网络对储能电容上的高压进行分压，得到所需各级电压；所述三极管恒压输出控制电路的基极从电阻网络取出所需目标电压，并根据三极管发射极与基极的压差恒定原理，将目标电压加载到接在发射极的负载上，最终实现幅度可调的恒压输出脉冲；所述微控制器负责反激式高压充电电路的充电控制和反馈控制、电阻网络分压电路中各模拟开关的控制和三极管恒压输出控制电路的输出控制；而脉冲宽度、脉冲间隔和脉冲个数的控制则分别通过控制总开关的导通时间、关断时间和导通次数实现。本发明可实现O至千伏高压范围内脉冲幅度的固定档级调节。所述反激式高压充电电路通过反激式开关电源将外供低压直流电源升压至所需高压。此处反激式高压充电电路可采用专利ZL 200720074627. 7所述的电路。所述电阻网络分压电路可将储能电容电压分为所需目标档级。本发明采用了反激式开关电源以获得所需高压。反激式开关电源具有结构简单、 成本低、体积小、效率高的优点。本脉冲发生电路的主要功能之一是输出脉冲幅度分级可调。实现脉冲幅度可调的方法众多，结合高压和输出脉冲幅度多级可调对电路的要求，本发明采用电阻网络对储能电容电压进行分压，获得所需各档级电压。由电容放电公式Ut=U0e_t/RC (其中Ut为电容当前电压，Utl为电容初始电压)可知，当前电压Ut相对于初始电压U0的衰减由放电时间t、放电阻抗R和储能电容容值C决定。当放电时间t的最大值、放电阻抗R的最小值一定时，可根据所要求的恒压误差(Ut相对于U0的衰减)选择合适的储能电容容值。储能电容容值越大， 在t和R —定的情况下，Ut相对于U0的衰减越小，即输出脉冲幅度的误差越小；但应该指出的是，储能电容的容值越大，将其充电到一定电压的时间就越长，电容的体积也越大。故应该根据所设定的误差范围和充电时间要求选择合适的储能电容容值。对于电阻网络分压电路，本发明设计了两种方案
第一种方案是设计两级电阻网络分压的方法。设电压被分成X档级，第一级电阻网络设置P档级，第二级电阻网络设置Q档级，X=PQ(P、Q均为正整数)，第二级电阻网络并联于第一级电阻网络的某个电阻上，即可在第二级电阻网络的某个电阻与地之间获得所需档级电压。为增强第二级电阻网络的驱动能力，在第一级电阻网络与第二级电阻网络之间施加了跟随器。第二种方案是设计一种二进制指数编码的单级电阻网络。该方案可减少电阻数目，以及改善第二级电阻驱动能力不足的问题。设电压被分成X档级，电阻数N满足 2N_i彡X彡2N，根据电阻所处位置设置相应的权值2n (n=l, 2，…)。不同权值的电阻两端有相应权值的电压，通过模拟开关组合目标权值电阻两端的电压即实现了电压的分级控制。两种电阻网络各有优缺点，各自适合不同的应用场合。两级电阻网络的优点在于所需模拟开关数目小，控制简单；而二进制指数编码的电阻网络的优点在于所需电阻数目小，驱动能力强。为了实现恒压控制，即负载电压不受负载电阻变化的影响，该发明采用双极型三极管作为跟随器，利用其发射极与基极的压差恒定原理，由基极取出各级电压，发射极施加于负载上，集电极接于电源，实现恒压输出控制。在本发明中，负载电流可达安培数量级。在耐高压三极管领域，三极管的电流放大倍数β大多为10左右，此时，由电阻网络提供的旁路电流将不足以驱动该三极管正常工作。故所述三极管恒压输出控制电路采用多级三极管复合成达林顿管的形式。每增加一级三极管，基极电流的驱动能力将增加一个数量级。同时，单级三极管发射极与基极的压差在硅管一般为0. 7V，多级三极管的压差随复合三极管数目的增加成正比例增长。相应地，通过 在主电阻网络接地端串联对应数量的二极管即可补偿该线性误差。电阻网络阻值和复合三 极管的级数将依据分压电阻的最大功率和三极管的电流放大倍数í3共同权衡决定。
图1是电路总框图。图2是反激式高压充电电路图。图3是电阻网络分压电路图A。图4是电阻网络分压电路图B。图5是三极管恒压输出控制电路图。
具体实施例方式本具体实施例是提供一种可用于术前神经定位和术中神经监测的多级高压恒压 脉冲发生电路的实现方案。设计指标为脉冲幅度0-1200V、步长20V、脉冲幅度误差士 10%、 脉冲宽度50ii S — 150us，每个脉冲串的脉冲个数1 一 10个。图1所示为本发明的电路总框图。反激式高压充电电路Sl将12V直流电源升压 至1250V，并对储能电容Cl充电；电阻网络分压电路S2对储能电容Cl上的1250V电压中 的1200V按每20V —档分成60档级；三极管恒压输出控制电路S3利用三极管发射极与基 极的恒定压差实现对负载的恒压控制；微控制器负责反激式高压充电电路Sl的充电控制 和反馈控制、电阻网络分压电路S2各模拟开关的控制和三极管恒压输出控制电路S3的输 出控制。图2所示为本发明的反激式高压充电电路图。所述反激式高压充电电路由直流 电源DC、开关管Q1、变压器T1、储能电容C1、二极管D1、电阻Rl连接组成。其中变压器Tl 初级的一端(同名端)接直流电源的正极，另一端接开关管Ql的漏极；开关管Ql的源极接 直流电源的负极并接实地；开关管Ql的栅极接来自控制器的控制信号。变压器Tl次级的 同名端接接储能电容Cl的负极并接浮地，另一端接二极管Dl的正极；二极管Dl的负极接 储能电容Cl的正极。电阻Rl与储能电容Cl并联。控制信号Ctrll控制开关管Ql的导 通和关断。当开关管Ql导通时，低压直流电源DC对变压器Tl充电，变压器Tl初级有电 流流过，此时次级有感应电势，但是由于二极管Dl反向截止，次级没有电流，能量存储在变 压器Tl之中。当开关管Ql关断时，初级电流骤减为0，但由于变压器磁通不能突变，次级 会感应反相电势，于是二极管Dl正向导通，实现对储能电容Cl充电。开关管Ql反复开关 即可实现持续充电，最终，能量存储于储能电容上。此处反激式高压充电电路引用专利ZL 200720074627. 7。在本发明中，储能电容的最小负载阻抗Rl ^ IKQ, 一组输出脉冲序列的总宽度 t彡1. 5ms，储能电容容值Cl=120uF，则储能电容输出的脉冲幅度误差小于等于1. 3%。图3所示为本发明的电阻网络分压电路图A。第一级以串联方式连接的电阻串(本 例中电阻R2、多个R3)中R2端接开关管Q2的发射极，另一端接浮地；开关管Q2的集电极接 储能电容Cl的正极，基极接来自控制器的控制信号ctrl2。第二级以串联方式连接的电阻 串(本例中为多个电阻R4)通过开关可选择地并联接在第一级电阻串中的任何一个电阻R3上。本电路中输出脉冲电压为0-1200V，步进20V可调，设电压被分成X=60档级，该电阻网络分别采用第一级P=6档级，第二级Q=IO档级。控制信号Ctrl2控制开关管Q2的导通与截止。当开关管Q2导通时，储能电容Cl上的1250V电压施加于6个串联联结的等值电阻 R3和一个小电阻R2上，电阻R2两端电压50V用于产生图3和图5中跟随器正常工作时集电结正向偏置所需电源VCC与基极电势的压差，每个电阻R3两端电压为200V。微控制器控制第二级电阻网络两端的模拟开关，共同作用选通第一级的分压电阻，将第二级10个串联联结的等值电阻并联在第一级的某个电阻两端。这样，第二级每个电阻两端电压为20V，即实现了步进20V调节。图4所示为本发明的电阻网络分压电路图B。由电阻R5和一串阻值相关的电阻 1*R6、2*R6、……、32*R6 (其中2*R6表示阻值为R6的2倍，余同)串联后，R3所在端接开关管Q3的发射极，另一端接浮地；开关管Q4的集电极接储能电容Cl的正极，基极接控制器的控制信号ctrl3。电压被分成X=60档级，于是电阻数N=6。控制信号Ctrl3控制开关管 Q4的导通与截止。当开关管Q4导通时，储能电容Cl上的1250V电压施加于6个串联联结的电阻R6和一个远小于该串联电阻的电阻R5上，电阻R5两端电压50V用于产生图5中跟随器正常工作时集电结正向偏置所需电源VCC与基极电势的压差。每个电阻两端的电压值正比于其权值，不同权值的电压相组合，即得到了不同档级的目标电压。对于电阻数N=6的情况，每个电阻两端均需6个模拟开关，模拟开关不同的组合方式实现6个电阻不同的串联顺序，然后取出某个节点的电压，其相对地的电势就是所需目标电压。图5所示为本发明的三极管恒压输出控制电路图。三个三极管Q5、Q6、Q7复合成达林顿管，前一级三极管的发射极接后一级三极管的基极，集电极接图3或图4得到的电源VCC，基极从电阻网络分压电路S2取得目标电压Vin，并通过发射极将跟随器的输出电压 Vo施加于负载电阻RL上，Vo与Vin之间为固定压差O. 7V*3=2. IV。同时，为补偿三级跟随器导致的2. IV压差，在主电阻网络接地端串联三个导通电压均为O. 7V的二极管即可实现。脉冲宽度、脉冲间隔和脉冲个数的控制分别通过控制图3中的总开关Q2或图4中的总开关Q4的导通时间、关断时间和导通次数实现。以上，仅为本发明的较佳实施例，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或者替换，都应涵盖在发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书要求所界定的保护范围为准。
权利要求
1.一种多级高压恒压脉冲发生电路，其特征在于包括反激式高压充电电路、电阻网络分压电路、三极管恒压输出控制电路和微控制器，其中所述反激式高压充电电路将外供低压直流电源升压至所需高压并对储能电容充电；所述电阻网络分压电路通过电阻网络对储能电容上的高压进行分压，得到所需各级电压；所述三极管恒压输出控制电路的基极从电阻网络取出所需目标电压，并根据三极管发射极与基极的压差恒定，将目标电压加载到接在发射极的负载上，最终实现幅度可调的恒压输出脉冲；所述微控制器负责反激式高压充电电路的充电控制和反馈控制、电阻网络分压电路中各模拟开关的控制和三极管恒压输出控制电路的输出控制；脉冲宽度、脉冲间隔和脉冲个数的控制由微控制器分别通过控制总开关的导通时间、 关断时间和导通次数实现。
2.根据权利要求I所述的多级高压恒压脉冲发生电路，其特征在于，实现O至千伏高压范围内脉冲幅度的固定档级调节。
3.根据权利要求I所述的多级高压恒压脉冲发生电路，其特征在于，所述反激式高压充电电路由直流电源DC、开关管Q1、变压器Tl、储能电容Cl、二极管D1、电阻Rl连接组成； 其中变压器Tl初级的一端接直流电源的正极，另一端接开关管Ql的漏极；开关管Ql的源极接直流电源的负极并接实地；开关管Ql的栅极接来自控制器的控制信号；变压器Tl次级的同名端接接储能电容Cl的负极并接浮地，另一端接二极管Dl的正极；二极管Dl的负极接储能电容Cl的正极；电阻Rl与储能电容Cl并联。
4.根据权利要求I所述的多级高压恒压脉冲发生电路，其特征在于，所述电阻网络分压电路实现将电容电压分为X档级。
5.根据权利要求I所述的多级高压恒压脉冲发生电路，其特征在于，所述电阻网络分压电路采用两级电阻网络，设电压被分成X档级，则第一级电阻网络设置P档级，第二级电阻网络设置Q档级，X=PQ, P、Q均为整数，第二级电阻网络并联于第一级电阻网络的某个电阻上，即可在第二级电阻网络的某个电阻与地之间获得所需档级电压。
6.根据权利要求I所述的多级高压恒压脉冲发生电路，其特征在于，所述电阻网络分压电路采用二进制指数编码的单级电阻实现，设电压被分成X档级，电阻数N满足 2N_i彡X彡2N，根据电阻所处位置设置相应的权值2n，n=l, 2，…，不同权值的电阻两端有相应权值的电压，通过模拟开关组合目标权值电阻两端的电压即实现电压的分级控制。
7.根据权利要求I所述的多级高压恒压脉冲发生电路，其特征在于，所述三极管恒压输出控制电路为由多级三极管复合成达林顿管形式，且工作于跟随器模式。
全文摘要
本发明属于医疗仪器技术领域，具体为一种多级高压恒压脉冲发生电路。所述多级高压恒压脉冲发生电路包括反激式高压充电电路、电阻网络分压电路、三极管恒压输出控制电路和微控制器。其中，反激式高压充电电路由反激式开关电源产生高压并对储能电容充电；电阻网络分压电路由电阻网络对储能电容上的高压进行分压，得到所需各级电压；三极管恒压输出控制电路将双极型三极管作为跟随器，利用其发射极与基极的压差恒定原理，实现恒压输出控制；微控制器负责反激式高压充电电路的充电控制和反馈控制、电阻网络分压电路各模拟开关的控制和三极管恒压输出控制电路的输出控制等。本发明脉冲发生电路的脉宽、幅度可调，可用于术前神经定位和术中神经监测。
文档编号A61N1/36GK102580238SQ20121005625
公开日2012年7月18日 申请日期2012年3月6日 优先权日2012年3月6日
发明者方祖祥, 杨圣均, 王建飞, 邬小玫 申请人:复旦大学