一种电刺激脉冲控制方法及控制系统与流程

1.本发明具体涉及一种电刺激脉冲控制方法及控制系统。


背景技术：

2.医学上将频率在1000hz以下的脉冲电流称作低频电流或低频脉冲电流。应用低频脉冲电流作用于人体来治疗疾病的方法称为低频电疗法。目前，在物理治疗行业中，主要将低频电疗法划分为神经肌肉电刺激疗法(nmes)、经皮神经电刺激疗法(tens)、功能性电刺激疗法(fes)、中医电针疗法(ea)和中医导平疗法。无论是哪一种疗法，其本质都是使用不同低频脉冲电流在人体内产生的生理效应治疗相应疾病。不同的电流在人体内产生的生理作用不同，相应的，不同的低频电刺激设备产生的脉冲也各不相同。
3.描述电刺激波形的参数通常包括波形、频率、脉宽、幅度、波升时间和波降时间。波形按照脉冲的极性和电流方向，可以分为单向波和双向波，其中，双向波按照对称性又可以分为平衡波和非平衡波，按照脉冲波的形状还可以分为正弦波、矩形波、三角波、锯齿波和梯形波。频率是指脉冲重复出现的快慢，通常用每秒钟出现脉冲的次数来表示，单位为赫兹(hz)，低频电刺激脉冲的频率通常不大于1000hz。脉宽是指一个脉冲持续的时间，单位为微秒(us)、毫秒(ms)或秒(s)，低频电刺激脉冲的脉宽通常不大于1ms。幅度是指脉冲能量的大小，可以用电流和电压表示，用电流表示时单位通常为毫安(ma)、安(a)，用电压表示时单位通常为毫伏(mv)或伏(v)，电压和电流之间具有一定的等效性，其等量换算关系为欧姆定律v＝i*r，其中，v表示电压，i表示电流，r表示负载电阻，低频电刺激脉冲幅度以电流表示时最大不超过100ma，以电压表示时最大不超过100v(典型负载为1千欧姆)。波升时间是指一次治疗开始的时候，脉冲幅度从最小值增大到设定值所用的时间，单位通常为秒(s)，在低频电刺激治疗中，电流越大，对人体的作用就会越明显，如果在治疗一开始就直接给患者施加较大电流，可能会超过患者的耐受，从而让患者产生不适感或者受伤，因此，治疗开始的时候脉冲幅度需要从最小逐步上升到最大，低频电刺激的波升时间通常为0-10s。波降时间与波升时间对应，是指在一次治疗结束的时候脉冲幅度从最大逐步降低到最小的时间，单位为秒(s)，低频电刺激的波降时间通常为0-10s。
4.在目前的技术条件下，电刺激脉冲的产生大多通过数字或模拟的方法，产生固定幅度的脉冲，然后，通过可调电源或可变放大倍数的放大电路对脉冲进行幅度放大并输出。当电刺激脉冲输出到人体之后，由于人体的个体阻抗不同以及使用方式的差异，会导致同一台设备在不同场景下输出脉冲的参数存在较大的差异，这极大影响了电刺激设备产品的治疗效果。


技术实现要素：

5.本发明为解决现有的电刺激设备在将电刺激脉冲输出到人体后，人体的个体阻抗不同以及使用方式的差异，会导致同一台设备在不同场景下输出脉冲的参数存在较大的差异，极大影响了电刺激设备产品治疗效果的技术问题，提供一种电刺激脉冲控制方法及控
制系统。
6.为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
7.一种电刺激脉冲控制方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：
8.s1，将根据用户需求产生的电刺激脉冲数据转换成脉冲参数相对应的脉冲模拟信号；
9.s2，根据用户需求，控制所述脉冲模拟信号中脉冲的持续输出时间和暂停输出时间；
10.s3，对所述脉冲模拟信号的幅度进行放大后，将脉冲模拟信号输出；同时，采集输出的脉冲模拟信号，并根据输出的脉冲模拟信号幅度信息调整步骤s1中根据用户需求产生的电刺激脉冲数据；
11.s4，重复执行步骤s1至步骤s3，对电刺激脉冲持续控制，使得电刺激脉冲满足用户需求。
12.进一步地，步骤s1中，所述脉冲参数包括脉冲波形、频率、占空比和脉冲幅度；且所述脉冲模拟信号的脉冲幅度与根据用户需求产生的电刺激脉冲数据幅度呈比例关系。
13.进一步地，步骤s3中，对所述脉冲模拟信号的幅度进行放大具体为，依次通过电压放大、电流放大、功率放大中的一种或其任意组合的方式对所述脉冲模拟信号的幅度进行放大。
14.本发明还提供了一种电刺激脉冲控制系统，其特殊之处在于，包括反馈电路，以及依次连接的控制器、数字模拟转换模块、时序控制模块、放大电路、隔离电路和输出模块；
15.所述数字模拟转换模块，用于将根据用户需求产生的电刺激脉冲数据转换为脉冲模拟信号；
16.所述时序控制模块，用于控制所述脉冲模拟信号中脉冲的持续输出时间和持续暂停时间；
17.所述放大电路，用于对所述脉冲模拟信号的幅度进行放大；
18.所述隔离电路，用于对所述脉冲模拟信号进行电学隔离；
19.所述输出模块，用于输出放大后的脉冲模拟信号；
20.所述反馈电路连接于隔离电路和控制器之间。
21.进一步地，还包括连接于隔离电路和输出模块之间的保护电路，用于防止用户身上的静电损坏控制系统。
22.进一步地，所述时序控制模块包括mos管q5、电阻r60、电阻r62和电阻r113；
23.所述电阻r62一端连接外部的控制信号，另一端与mos管q5的栅极相连；
24.所述电阻r113一端连接第一恒定电压，另一端连接电阻r62和外部的控制信号；
25.所述电阻r60一端与mos管q5的漏极相连，另一端连接于数字模拟转换模块输出端；
26.所述mos管q5的源极接地。
27.进一步地，所述放大电路包括电阻r11、运放u9和运放u7；
28.所述运放u9的同相输入端连接可调电阻r13的调节端，可调电阻r13连接于电阻r60的另一端与地之间；运放u9的反相输入端与地之间设有电阻r18，电阻r18与运放u9反相输入端相连的一端同时连接运放u9的输出端；
29.所述运放u7的同相输入端与运放u9的输出端之间通过电容c41和极性电容e3相连，极性电容e3的正极与运放u7的同相输入端相连；运放u7的反相输入端与极性电容e1的正极相连，极性电容e1的的负极通过电阻r16接地；所述电阻r11一端连接于极性电容e1的负极，另一端与运放u7连接隔离电路。
30.进一步地，所述隔离电路包括隔离变压器t1；
31.所述隔离变压器t1的一次侧并联电容c30和极性电容e5，极性电容e5的负极通过电阻r20接地，极性电容e5正极与极性电容e2的负极相连，极性电容e2的正极与运放u7的输出端相连；
32.所述隔离变压器t1的二次侧与保护电路相连；
33.所述电阻r11另一端连接极性电容e5负极。
34.进一步地，所述反馈电路包括运放u5和光耦u8；
35.所述光耦u8的输入端正极通过电阻r15与隔离变压器t1的二次侧相连，输入端负极通过二极管d6与隔离变压器t1的二次侧相连，二极管d6的正极与光耦u8输入端负极相连；
36.所述光耦u8的集电极通过电阻r17连接供电电压vcc，发射极通过电感l7与运放u5的同相输入端相连，运放u5的同相输入端与地之间并联电容c32、电容c1和电阻r21；
37.所述运放u5的反相输入端通过电阻r10接地，运放u5的反相输入端通过电阻r8与运放u5的输出端相连；运放u5的输出端通过电阻r12与控制器相连，电阻r12与控制器相连的一端与地之间并联电容c2和电容c4。
38.进一步地，所述保护电路包括静电吸收器件d1；
39.所述静电吸收器件d1并联于隔离变压器t1的二次侧。
40.与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
41.1.本发明电刺激脉冲控制方法，将根据用户需求产生的电刺激脉冲数据转换成模拟信号，再依次经过时序控制和放大后输出，输出的同时采集输出的脉冲模拟信号，并根据输出的脉冲模拟信号调整根据用户需求产生的电刺激脉冲数据，形成闭环控制模式，可根据脉冲模拟信号的实时输出情况对产生的电刺激脉冲数据进行实时调整，保证了输出的脉冲模拟信号的精确度，使得同一台电刺激设备，无论在任何场景下使用时，均能够输出满足需求且精确度高的脉冲模拟信号。相比于常规技术中通过调节电压或放大倍数调节波形幅度，无可靠的反馈控制，本发明采用隔离的反馈信号，组成了一个完整的反馈控制方法，能够使输出脉冲更稳定可控。
42.2.本发明中对脉冲模拟信号的幅度进行放大时，有多种放大方式，可根据实际需要进行选择，提高了本发明控制方法的实用性。
43.3.本发明电刺激脉冲控制系统，能够实现上述控制方法，具备上述控制方法的所有优点，通过脉冲发生、时序控制、幅度放大、隔离输出、反馈控制等步骤对应的硬件，可以精确的控制脉冲参数。
44.4.本发明采用数字模拟转换模块生成电刺激脉冲波形，相比于常规技术只能产生集中特定的波形，可以根据用户输入的数字信息生成任意波形。通过调节电压或放大倍数调节波形幅度，能够在数字模拟转换模块中直接输出幅度可调的波形，其幅度控制精度更高。
附图说明
45.图1为本发明电刺激脉冲控制系统实施例的连接示意图；
46.图2为本发明电刺激脉冲控制系统实施例中控制器和数字模拟转换模块的连接示意图；
47.图3为本发明电刺激脉冲控制系统实施例中时序控制模块和放大电路的电路示意图；
48.图4为本发明电刺激脉冲控制系统实施例中隔离电路、保护电路和输出模块的电路示意图；
49.图5为本发明电刺激脉冲控制系统实施例中反馈电路的电路示意图。
50.其中：1-控制器、2-数字模拟转换模块、3-时序控制模块、4-放大电路、5-隔离电路、6-保护电路、7-输出模块、8-反馈电路。
具体实施方式
51.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
52.低频电疗是一种常用的物理治疗方法，其运用特定的脉冲电流在流经人体时产生的生理效应，达到治疗疾病的目的。精确控制脉冲的相关参数对其治疗效果的好坏有着非常重要的影响。
53.本发明提出了一种电刺激脉冲控制方法，将根据用户需求产生的电刺激脉冲数据转换成脉冲参数相对应的脉冲模拟信号，根据用户需求，控制所述脉冲模拟信号中脉冲的持续输出时间和暂停输出时间，对所述脉冲模拟信号的幅度进行放大后，将脉冲模拟信号输出，同时，采集输出的脉冲模拟信号，并根据输出的脉冲模拟信号幅度信息调整前面根据用户需求产生的电刺激脉冲数据，进行反馈，使产生的电刺激脉冲数据根据反馈实时调整，对电刺激脉冲持续控制，能够持续输出需要的电刺激脉冲。
54.为实现上述电刺激脉冲控制方法，本发明提供了一种电刺激脉冲控制系统，如图1所示，为本发明电刺激脉冲控制系统的一个具体实施例，包括反馈电路8，以及依次连接的控制器1、数字模拟转换模块2、时序控制模块3、放大电路4、隔离电路5、防护电路6和输出模块7。
55.其中，控制器1，是根据用户的需求产生电刺激脉冲数据的功能单元，其基本功能包括，通过设置与数字模拟转换模块2通信的数据接口，实现与数字模拟转换模块2通信，通过设置与反馈电路8通信的数据接口，实现与反馈电路8通信，在实际的电路应用中，还可以设置用户操作接口、逻辑控制功能、数据存储功能等附加功能。其具体实现形式，可以是具有逻辑与计算功能的片上系统soc或专用计算芯片，也可以是通用计算机系统等。
56.数字模拟转换模块2，是将控制器1根据用户需求输出的电刺激脉冲数据转换成模拟信号的功能单元，数字模拟转换模块2输出的脉冲参数与用户的需求一致，其中，数字模拟转换模块2输出的脉冲参数中，脉冲波形、频率和占空比等参数应等于控制器1接收的用户设定值，脉冲幅度与用户的需求成比例关系。
57.时序控制模块3，是根据用户的需求对电刺激脉冲输出的时序进行控制的电路。在电刺激脉冲治疗设备的实际应用中，脉冲通常采用断续的方式输出，即持续输出一段时间(持续时间)，然后暂停输出一段时间(休息时间)。时序控制模块3就是实现该持续时间与休息时间控制的电路单元。
58.放大电路4，是对前面所产生的电刺激脉冲进行幅度放大的电路单元，其具体实现方式包括电压放大、电流放大、功率放大或其任意组合。
59.隔离电路5，是为了使电路与设备电气系统隔离而增加的一个电路单元。具体实现时，其可以采用变压器、光电耦合器或其他形式的能量隔离电路。
60.保护电路6，是为了提高设备的可靠性而设计的，其主要用做静电防护，防止用户身上的静电损坏设备。
61.输出模块7，是用于将电刺激脉冲输出到用户身体的部分，其典型的实现方式是直接采用电极片或通过转接电路连接电极片。
62.反馈电路8，是从脉冲输出端采样，并将与输出脉冲相关的信号反馈到控制器1，完成闭环控制，以便使控制器1产生更好波形的功能单元。
63.如下是本发明电刺激脉冲控制系统的一种具体实现方式：
64.如图2所示，控制器1采用一个单片集成式片上系统soc芯片u1，其内部集成有cpu、存储单元、数字输入输出接口、模拟输入输出接口及多种外设模块。u1能够实现控制器1的所有功能，包括用户操作输入、反馈信号采集和脉冲数据输出。数字模拟转换模块2可采用现有的数模转换器u2，其最大输出电压为3v，最小输出电压为0v，分辨率为12位，输出信号分辨率约为0.7324mv。数字模拟转换模块2将来自于控制器1输入的数字信号转换成对应的脉冲信号pulse_gen，pulse_fb为反馈电路8发送给控制器1的反馈信号。在本发明的其他实施例中，数字模拟转换模块2还可以改用pwm、pfm、数字频率合成器，或其他任何可以实现数字信号转模拟信号的电路方式。
65.如图3，时序控制模块3由mos管q5，电阻r60、电阻r62和电阻r113组成，电阻r62一端连接外部的控制信号，另一端与mos管q5的栅极(1端口)相连，电阻r113一端连接第一恒定电压，第一恒定电压设置为3.3v，另一端连接于电阻r62和外部的控制信号之间，电阻r60一端与mos管q5的漏极(3端口)相连，另一端连接数字模拟转换模块2输出端，mos管q5的源极(2端口)接地，其中，mos管q5采用型号为2n7002的小信号mosfet，r60采用100r电阻。当ctrl信号为高电平时，q5导通，数字模拟转换模块2输出的脉冲信号pulse_gen通过电阻r60和q5接入参考地，调整r60的参数，可使pulse_gen输入放大电路4的幅度为0；当ctrl信号为低电平时，q5截止，pulse_gen直接输入放大电路4而无任何幅度损失。在本发明的其他实施例中，时序控制模块3还可以采用其他方式实现时序控制，比如通过软件逻辑控制数字模拟转换模块2的工作状态，以达到控制输出信号的目的，或者其他的时序控制模块形式。
66.放大电路4包括电阻r11、运放u9和运放u7。运放u9的同相输入端连接可调电阻r13的调节端，可调电阻r13连接于电阻r60的另一端与地之间；运放u9的反相输入端与地之间设有电阻r18，电阻r18与运放u9反相输入端相连的一端同时连接运放u9的输出端，运放u7的同相输入端与运放u9的输出端之间通过电容c41和极性电容e3相连，极性电容e3的正极与运放u7的同相输入端相连；运放u7的反相输入端与极性电容e1的正极相连，极性电容e1的的负极通过电阻r16接地运放；运放运放，电阻r11一端连接于极性电容e1的负极，另一端
与运放连接隔离电路5。放大电路4由以运放u9和运放u7为核心构成的两级放大单元组成，运放u9能够增强pulse_gen信号的驱动能力，无任何幅度的放大，电容c41用以隔离运放u9输出信号中的直流分量，运放u7用于完成信号幅度的放大，通过调节电阻r11和r16的阻值，可以改变放大电路4的放大倍数。脉冲信号pulse_gen通过可调电阻r13输入至放大电路4，通过调节可调电阻r13的电阻值，可以改变放大电路4的输入和输出幅度范围，提高放大电路4的灵活性。作为第一级放大电路核心部件的运放u9，其电压放大倍数为1，在第二级放大电路中，电阻r11和电阻r16分别为330r和65r，电压放大倍数设定为5倍。在本发明的其他实施例中，放大电路4还可采用放大倍数可调的其他电路，另外，放大倍数的调节也可通过反馈信号及控制器件来实现。
67.如图4所示，隔离电路5主要包括隔离变压器t1。隔离变压器t1的一次侧并联电容c30和极性电容e5，极性电容e5的负极通过电阻r20接地，极性电容e5正极与极性电容e2的负极相连，极性电容e2的正极与运放u7的输出端相连，隔离变压器t1的二次侧与保护电路6相连，电阻r11另一端连接极性电容e5负极。在具体实现时，调整隔离变压器t1原边和副边绕组的匝数比，可以调节输出电压和输出电流的大小，在本实施例中，隔离变压器t1原边和副边匝数比为1:6，进行电气隔离的同时，还可以进行输出脉冲电压的变换，其输出电压是输入电压的6倍，输出电流为输入电流的1/6。保护电路6主要由静电吸收器件d1组成，是为了保护系统不被使用者身体所带静电损坏的电路，静电吸收器件d1并联于隔离变压器t1的二次侧。静电吸收器件d1采用一个双向tvs管，当人体的静电通过电极片传入系统时，可以通过该tvs管快速泄放掉。输出电路7是电刺激脉冲的输出端，其包括p端和n端，p端和n端可直接连接两个电极片，根据用户的需要贴在相应位置即可。
68.如图5，反馈电路8包括运放u5和光耦u8，光耦u8的输入端正极通过电阻r15与隔离变压器t1的二次侧相连，输入端负极通过二极管d6与隔离变压器t1的二次侧相连，二极管d6的正极与光耦u8输入端负极相连，光耦u8的集电极通过电阻r17连接供电电压vcc，发射极通过电感l7与运放u5的同相输入端相连，运放u5的同相输入端与地之间并联电容c32、电容c1和电阻r21，运放u5的反相输入端通过电阻r10接地，同时运放u5的反相输入端通过电阻r8与运放u5的输出端相连；运放u5的输出端通过电阻r12与控制器1相连，电阻r12与控制器1相连的一端与地之间并联电容c2和电容c4。反馈电路8通过光耦u8的电流变比，以及以运放u5为核心部件的放大电路的放大，最终输出反馈信号pulse_fb为0-3v。光耦u8也可以是其他具有隔离功能的采样器件，调节电阻r8和r10的阻值，可以调整反馈电路8输出信号与整个系统输出信号的比例。控制器1通过采集并测量反馈信号pulse_fb的幅度，即可计算出当前输出信号的幅度，然后，可根据当前的目标幅度值进行调整，完成闭环控制。负极。在具体实现时，调整隔离变压器t1原边和副边绕组的匝数比，可以调节输出电压和输出电流的大小，在本实施例中，隔离变压器t1原边和副边匝数比为1:6，进行电气隔离的同时，还可以进行输出脉冲电压的变换，其输出电压是输入电压的6倍，输出电流为输入电流的1/6。保护电路6主要由静电吸收器件d1组成，是为了保护系统不被使用者身体所带静电损坏的电路，静电吸收器件d1并联于隔离变压器t1的二次侧。静电吸收器件d1采用一个双向tvs管，当人体的静电通过电极片传入系统时，可以通过该tvs管快速泄放掉。输出电路7是电刺激脉冲的输出端，其包括p端和n端，p端和n端可直接连接两个电极片，根据用户的需要贴在相应位置即可。
69.如图5，反馈电路8包括运放u5和光耦u8，光耦u8的输入端正极通过电阻r15与隔离变压器t1的二次侧相连，输入端负极通过二极管d6与隔离变压器t1的二次侧相连，二极管d6的正极与光耦u8输入端负极相连，光耦u8的集电极通过电阻r17连接供电电压vcc，发射极通过电感l7与运放u5的同相输入端相连，运放u5的同相输入端与地之间并联电容c32、电容c1和电阻r21，运放u5的反相输入端通过电阻r10接地，同时运放u5的反相输入端通过电阻r8与运放u5的输出端相连；运放u5的输出端通过电阻r12与控制器1相连，电阻r12与控制器1相连的一端与地之间并联电容c2和电容c4。反馈电路8通过光耦u8的电流变比，以及以运放u5为核心部件的放大电路的放大，最终输出反馈信号pulse_fb为0-3v。光耦u8也可以是其他具有隔离功能的采样器件，调节电阻r8和r10的阻值，可以调整反馈电路8输出信号与整个系统输出信号的比例。控制器1通过采集并测量反馈信号pulse_fb的幅度，即可计算出当前输出信号的幅度，然后，可根据当前的目标幅度值进行调整，完成闭环控制。在本发明的其他实施例中，反馈电路8还可采用其他形式，包括隔离和非隔离的方式，隔离方式如变压器辅助绕组采样、电流互感器采样、磁耦合器采样等，非隔离方式如采样电阻直接采样等。
70.以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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。