基于互补型电流源和时分复用输出的四通道功能电刺激装置的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于功能电刺激装置，特别是一种采用互补型电流源和时分复用输出的脉 冲触发式四通道功能电刺激装置。
【背景技术】
[0002] 神经功能电刺激和神经肌肉电刺激都是利用人工预先设定格式的编码序列刺激 支配肌肉的神经或神经肌肉接头，从而使肌肉收缩和关节运动达到完成肢体运动的目的。 因此使用功能电刺激可以对脑卒中患者的偏瘫肢体进行康复治疗。自1961年设计出世界 上第一个功能电刺激系统并用于矫正足下垂以来，科研人员陆续设计出一系列功能电刺激 系统用于提高患者运动功能。
[0003] 功能电刺激按照刺激脉冲施加到皮肤的激励源方式，可以分为恒压刺激和恒流刺 激。由于神经元膜电位去极化程度与注入电荷直接相关，电极与皮肤组织间的阻抗是随时 间变化的一个量，并且皮肤组织具有电容性成分，所以在体表刺激应用中，电流刺激比电压 刺激使用更普遍。在使用恒流电刺激进行运动功能康复时需要注意三个问题：一是上下肢 粗大肌肉恢复需要大电流输出，要求电路具有高电压工作范围；二是长时间使用单极性的 刺激脉冲会使电荷积累，对皮肤组织产生伤害；三是需要产生一个相对舒服和高效的肌肉 收缩动作。目前，国内外针对实现高电压工作范围和双相电荷平衡要求提出有以下几种恒 流刺激电路结构：第一种是使用基于功率平衡变压器结构。这种结构可以实现恒流刺激，但 由于变压器线圈匝数比固定，输出电流幅度的变化范围小、难以同时获得大电流和高电压。 并且变压器本身体积大，对外有电磁干扰，其电感与寄生电容造成的瞬态电压和电流变化 还会影响生物电信号探测和记录；第二种结构是使用电感与电容无源器件谐振获取较高能 量脉冲，该电路结构可以替代变压器减小电路体积，同时可产生双相电荷平衡脉冲，但受限 于放电回路中的阻容，刺激波形不能任意设置；第三种是使用豪兰德（Howland)电压转电 流电路结构，该结构可以生成任意双相电荷平衡波形且实现输入电压到输出电流的线性变 换。但该电路结构需要使用高精度匹配电阻，容易造成自激振荡，且运放启动电流大、静态 功耗高，芯片耐压范围低，导致输出刺激脉冲电压和电流限幅。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的在于针对上述现有技术中的不足，提出一种基于互补型电流源和时 分复用输出的四通道功能电刺激装置，以实现高电压输出工作范围、双相电荷平衡和隔离 输出的四通道脉冲触发输出，有效减小核心刺激电路面积，节约体积和成本，减小相邻刺激 通道电极间的漏电流，并能降低对皮肤组织的伤害。
[0005] 为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
[0006] -种基于互补型电流源和时分复用输出的四通道功能电刺激装置，包括：
[0007] 主控处理器电路、多路复用器及分别连接于多路复用器输出端的第一输出通道、 第二输出通道、第三输出通道、第四输出通道，
[0008] 所述主控处理器电路对外部输入的触发通道信号处理并产生通道选择信号，用于 控制多路复用器的选通，所述主控处理器电路还根据外部输入的触发通道信号和外部输入 的幅度控制信号产生原始通道刺激小信号，
[0009] 所述四通道功能电刺激装置还包括刺激电路驱动级和H型桥，
[0010] 所述刺激电路驱动级包括压控电流源和互补型电流源，所述互补型电流源包括镜 像电流源和镜像电流漏，镜像电流源的参考电流端与压控电流源的电流输入端连接，镜像 电流漏的参考电流端与压控电流源的电流输出端连接，主控处理器电路产生的原始通道刺 激小信号作为压控电流源的电压输入控制信号经过压控电流源产生用于控制镜像电流源 和镜像电流漏的参考电流，所述镜像电流源根据参考电流产生源电流并于源电流端输出， 镜像电流漏根据参考电流产生灌电流并于灌电流端输入，
[0011] 所述H型桥的一个桥臂中点与所述的互补型电流源中镜像电流源的源电流端连 接，H型桥的另一个桥臂中点与所述的互补型电流源中镜像电流漏的灌电流端连接，H型桥 桥臂的一端与所述的多路复用器中各输出通道的一端相连接，H型桥桥臂的另一端与所述 的多路复用器中各输出通道的另一端相连接，镜像电流源为H型桥提供互补型电流中的源 电流，镜像电流漏为H型桥提供互补型电流中的灌电流，主控处理器电路通过控制H型桥的 两个桥臂开关的选通产生双相电流脉冲，H型桥经过主控处理器电路控制多路复用器，在选 通相应通道完成功能电刺激脉冲的产生。
[0012] 所述镜像电流源和镜像电流漏的晶体管分别使用集电极_发射极耐压范围为正 负350V的PNP型三极管2N6520和NPN型2N6517,但不限于此类型号三极管。
[0013] 本发明与现有技术相比具有以下优点：
[0014] 1、本发明由于采用镜像电流源和镜像电流漏组成的互补型电流源，其输出电流大 小相等，电流流向相反，镜像电流源的源电流等于镜像电流漏的灌电流，当刺激电路驱动级 通过四通道时分复用双相脉冲输出电路连接到刺激通道电极时，可以确保流入该刺激通道 电极电流等于流出该刺激通道电极电流，从而有效减小相邻刺激通道电极间的漏电流；采 用压控电流源与H型桥产生双相平衡刺激脉冲，其中压控电流源负责精确设定刺激脉冲电 流大小，H型桥产生双相刺激脉冲，通过产生正负双相平衡脉冲，可以使电极与皮肤组织电 荷保持平衡，避免电荷在电极与周围组织间堆积产生直流电流，对皮肤组织产生伤害，同时 采用耐高压三极管组成的镜像电流源和镜像电流漏，可以保证刺激装置具有高电压工作范 围，从而可以产生一个相对舒服和高效的肌肉收缩动作。
[0015] 2、本发明中主控处理器电路可以使用队列控制算法，使用通道优先级的方式解决 多通道同时触发时通道输出选择冲突问题，并控制高压模拟开关组成的四通道时分复用双 相脉冲输出电路，从而使刺激装置分时复用输出四个通道刺激脉冲。
[0016] 3、本发明实施例中由于使用一个高压模拟开关芯片MAX14803实现四通道时分复 用双相脉冲输出电路，包括4个高压模拟开关组成的H型桥电路和12个高压模拟开关组成 的多路复用器，并利用主控处理器电路进行控制，可以有效减小核心刺激电路面积，节约了 体积和成本。
[0017] 下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
【附图说明】
[0018] 图1为本发明整体软硬件结构框图；
[0019] 图2为本发明刺激电路驱动级硬件结构框图
[0020] 图3为本发明刺激电路驱动级的实施例电路原理图；
[0021] 图4为本发明H型桥与多路复用器的电路连接示意图；
[0022] 图5为本发明主控处理器电路运行的队列控制算法示意图；
[0023] 图6为本发明时分复用控制通道输出脉冲时序示意图。
【具体实施方式】
[0024] 一种基于互补型电流源和时分复用输出的四通道功能电刺激装置，包括：
[0025] 主控处理器电路1、多路