适用于人体皮肤触觉神经刺激的多通道电刺激器的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及医疗器械技术领域，具体讲，涉及一种适用于人体皮肤触觉神经刺激 的多通道电刺激器。
【背景技术】
[0002] 人体的触觉神经位于皮肤的真皮层。人工电触觉技术期望刺激皮肤触觉神经，产 生动作电位传递到大脑的感知皮层，使人产生替代的触觉感知，比如压力、振动、滑觉、粗糙 度、刚度等。该技术主要应用于遥操作、虚拟现实、假肢、医疗机器人、游戏娱乐等领域。本 专利旨在通过非侵入式的经皮电脉冲刺激实现对真皮层触觉感知神经元的刺激。电脉冲需 要通过表皮传递到真皮。表皮是皮肤最外面的一层，一般平均厚度为0. 2mm，由内到外主要 包括五层，分别为：基地细胞层、棘层、颗粒层、透明层以及角质层，其中还包含有汗腺孔。真 皮及皮下组织的导电性能非常好，可以认为是一个纯电阻，皮肤的阻抗主要取决于角质层。 角质层不容易导电，可以认为是一个非常薄的绝缘膜，它就类似于电容的中间介质，而电极 和真皮就相当于电容的两个极性板。由于表皮中还含有汗腺孔，人在排出汗液的同时，汗液 里面会带有Na+和Cl-离子，这就导致表皮是导电的。
[0003] 而现阶段的电刺激器从刺激源上来说主要分为两种：恒压源刺激和恒流源刺激。 恒压源的好处是电压能及时施加到神经上，保证刺激的快速性，而恒流源从施加到负载到 达恒流效果需要一定的时间来稳定电流。而且在皮肤未接触到电极的时候电路不会导通， 对电路有保护作用，但是由于人体是阻抗和容抗的结合体，会使得恒压刺激不稳定。恒流源 刺激好处就是刺激稳定，对电极的要求不高，相对于恒压源来说不会容易造成电荷的局部 积累。
[0004] 经检索发现，目前有一些电刺激器相关的专利发布，例如下面三个：
[0005] 授权公告号为CN200620002384. 1的实用新型专利公开了一种低频电刺激的电 路。其原理是在一振荡电路中，由一方波产生器构成基本振荡电路，并辅以周边一些晶振管 和电阻产生第一段连续性方波，且另包含有第二段控制波形产生电路与第三段控制波产生 电路，以分别产生间歇性方波与复合式方波。利用第一选择与调整电路选择所需的方波，且 其具有第一可变电阻，已调整被选择方波的输出频率。并且输出电路的第二可变电阻能调 整被选择方波的输出强度，藉以达到多段方波输出的可调整性。当该低频电刺激器的传导 件接触人体皮肤时，所输出的脉冲电压、电流不会令人感到有刺痛感。
[0006] 授权公告号为CN01109329. 3的发明专利公开了一种电刺激器的脉冲调制中频的 方法及其装置，其将中频指数波分解为多项奇次的正弦谐波，以多波形脉冲对该中频指数 波进行幅度调制，由不同波形的脉冲调制，产生不同的生理动力效果，而产生对人体穴位的 振、抖、扣等电刺激，并以甚低频的多波形脉冲对已调至的中频调制波进行再调制，以产生 对人体穴位的压、按、揉等电刺激，使人体能耐受较大的刺激量，且刺激部位较深，改善了现 有电刺激因电解作用而造成皮肤损伤的缺点。
[0007] 授权公告号为CN102058396的发明专利公开了一种电刺激器的设计方法，主要服 务于大脑皮层的电刺激，通过双击压控恒流源电路和最高电压产生电路实现所需的点刺 激脉冲输出，其使用两级光电三极管完成恒流源输出。
[0008] 由于上述已有的电刺激器专利目的主要是刺激肌肉、穴位或者大脑皮层，大多适 用于对电刺激的敏感性要求比较低的情况，并且以往的电刺激器通道数较少，难以满足触 觉神经电刺激准确性和多样性的要求。
【发明内容】
[0009] 本发明针对现有技术中存在的上述不足，提供了一种适用于人体皮肤触觉神经刺 激的多通道电刺激器，是一种具有宽输出范围、高精度、多通道的便携式电刺激设备，可专 门用于人体皮肤真皮层的触觉神经刺激，产生替代的触觉感知。能够刺激真皮的感知神经 元，对电刺激的敏感性要求非常高，且能达到现有技术中的电刺激器的电脉冲输出的范围 和精度都达不到的要求，从而满足刺激神经触觉感知的需求。
[0010] 为达到上述目的，本发明是通过以下技术方案实现的：
[0011] 一种适用于人体皮肤触觉神经刺激的多通道电刺激器，包括电源模块、直流电源 转换模块、主控芯片模块、数模转换模块、恒流源转换模块、全桥模块比较器模块以及数字 电路隔离模块和模拟电路隔离模块，电源模块输出连接模电隔离模块，模拟电路隔离模块 的输出连接直流电源转换模块，直流电源转换模块向其他模块供电，电刺激器的主控芯片、 数字电路隔离模块、数模转换模块、恒流源转换模块、全桥模块依次相连，全桥模块的另一 输出端连接比较器模块，比较器的输出端连接主控芯片模块，将输出的电流信号反馈给主 控芯片模块，使其对输出电流进行闭环调控，实现具有可编程控制输出电流的脉宽、频率， 并将此电刺激信号通过电极连接到受试者的皮肤上。
[0012] 所述主控芯片模块，将上位机PC发送的信号通过相应的通讯协议编码输出所需 要的方波信号，其信号的高电平电压取决于主控芯片的供电电压，此时可编程调节电脉冲 的频率和脉宽；所述数字电路隔离模块，将主控芯片输出的8路共地线的非独立通道隔离 开，实现数字电路部分的隔离；所述的数模转换模块，将数字电路隔离模块转化后的8路数 电信号转化为模电信号，此时输出方波的幅值取决于该模块的调控；所述的恒流源转换模 块，将数模转换模块转换后的模拟恒压的方波信号转化为模拟恒流的方波信号；所述的全 桥转换模块，通过改变模块中电流流向实现控制输出电流极性的目的；所述的比较器模块， 将全桥模块输出的方波信号反馈给主控芯片，形成闭环的电流输出控制，保证其输出精度； 所述的模拟电路隔离模块实现8路输入的模拟电路彼此独立；所述的11. IV锂电池模块和 直流电源转换模块为其余的各个模块提供所需电压。
[0013] 进一步地，主控芯片MSP430f5438属于低功耗型芯片，在系统空闲时可使其CPU处 于睡眠状态，以降低能耗，提高可便携性。
[0014] 进一步地，输出的通道数多少，可根据使用用途决定，刺激器在不扩展I/O的情况 下，可独立输出16路方波刺激脉冲。
[0015] 进一步地，所述电源模块为11. IV。
[0016] 进一步地，对于电刺激器中的高压模块，为了减少其在启动时所产生不稳定的电 流冲击，该模块采用两级DC/DC的升压模块，将电压从11. IV升压到36V，再从36V升压到 90V。由于3. 3V、15V、-15V电压较小，所以仅采用一级升压和降压电路。
[0017] 进一步地，对于模拟电路隔离模块，采取的隔离方式为独立电源供电。
[0018] 进一步地，对于数字电路隔离模块，为了保证输出脉冲脉宽的范围和精度，电刺激 器采取的是高速光耦隔离模块，而光耦的供电来源于本通道的独立电源。
[0019] 进一步地，对于数模转换模块，为了保证输出脉冲的幅值和降低延时时间，电刺激 器采用的是12位高速数模转换芯片。
[0020] 进一步地，考虑到人体阻抗在刺激过程中可能发生变化，为了保证输出电流和刺 激效果的稳定，电刺激器采用双级运算放大器搭建恒流源模块，不仅实现恒压源向恒流源 的转化，并且可以避免冲击电流对人体皮肤的损害。
[0021] 进一步地，考虑到可变的电流极性的需求，在全桥转换模块中采取了四个大功率 的三级管搭建全桥电路，实现通过控制两个管脚电压来实现电流极性的切换。
[0022] 进一步地，为了保证电脉冲的输出精度，电刺激器通过比较器将全桥电路输出的 脉冲信息反馈给主控芯片，形成闭环反馈，实时的调控输出特性。
[0023] 进一步地，电刺激器的最终输出脉冲的幅值范围：0 - 10mA，精度为0,1mA ;输出脉 冲的脉宽范围AOys- lms