專利名稱：一種電弧式脈沖電刺激儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及航天生物醫(yī)學(xué)工程研究領(lǐng)域,更具體地說是涉及一種能夠在模 擬失重條件下使尾吊大鼠進行主動運動訓(xùn)練的電刺激儀。
背景技術(shù)：
大鼠作為人類骨骼模型現(xiàn)已被廣泛用于失重性骨丟失的機理以及對抗措 施的研究。實驗數(shù)據(jù)表明，運動訓(xùn)練是一種安全有效的對抗失重性骨丟失的 措施。而由于空間試驗的有限性，目前這方面的研究數(shù)據(jù)主要是通過地面模
擬失重模型來獲得。美國宇航局(NASA)于上世紀七十年代中期建立并發(fā) 展了能在地面模擬空間生物效應(yīng)的動物模型 一一大鼠尾吊模型，通過尾部懸 吊使大鼠后肢去除負重，而前肢仍保持負重，從而模擬后肢失重性骨丟失效 應(yīng)。但由于大鼠不易受人的意愿支配，所以在一直保持模擬失重條件(即一 直保持尾吊姿勢)并且針對大鼠后肢進行運動訓(xùn)練存在一定難度。應(yīng)用電刺 激使大鼠后肢產(chǎn)生運動是解決這一 問題的方法之一 。目前應(yīng)用較多的是將低 幅高頻的恒定電流通過兩個電極加載于大鼠后肢肌肉上，使其產(chǎn)生強直收 縮，從而使后肢運動。已有實驗研究證實這種方法在骨質(zhì)疏松的防治上有積 才及效果(PENG Liang, SHANG Yu, LIANG Ying， et al. Preliminary research on effects of percutaneous muscular electrical stimulation against bone loss in tail-suspended rats. [J] Space Medicine & Medical Engineering. 2007(20): 7-9. Claire Mercier， Jean Jobin, Claude Le'pine, Clermont Simard, Effects of hindlimb suspension on contractile properties of young and old rat muscles and the impact of electrical stimulation on the recovery process. Mechanisms of Ageing and Development, 1999(106),305-320. Ronald J. Midura , Charles J. Dillman, Mark D. Grabiner,Low amplitude, high frequency strains imposed by electrically stimulated skeletal muscle retards the development of osteopenia in the tibiae of hindlimb suspended rats. Medical Engineering & Physics, 2005(27) 285—293.)。他們的 共同之處在于都是采用雙電極的設(shè)計，將10mA左右的高頻電流直接作用與大 鼠肌肉，使之產(chǎn)生興奮性收縮。但這些設(shè)計存在一系列的問題，首先是無法 避免電流對骨的影響，很難區(qū)分所產(chǎn)生的積極效果是源自于電流還是運動對
并且電流的強丄必;貞大于3mA才會使大鼠的肌肉產(chǎn)生興奮性收縮，口而目前尚
3沒有研究證明此種強度的電流對大鼠的生理系統(tǒng)或骨骼沒有任何負面影響。 再者，大鼠在電流刺激下產(chǎn)生的運動，嚴格意義上應(yīng)劃分為被動運動。

發(fā)明內(nèi)容
針對上述問題，本發(fā)明人設(shè)計了一種高壓低流的脈沖電刺激儀，其產(chǎn)生 的電弧作用在大鼠足底，使大鼠因躲避電擊產(chǎn)生的灼傷感而主動收縮后肢， 以達到令大鼠后肢產(chǎn)生主動運動的目的。
本發(fā)明提供了一種單電極電弧式脈沖電刺激儀，，其能夠?qū)χT如大鼠后 骨的影響的。 、、 —一 、。、u ' ,、、
本發(fā)明的電弧式脈沖電刺激儀，包括電弧發(fā)生電路，用于產(chǎn)生作用于 大鼠足底的電弧；控制組件，用于對所述電弧發(fā)生電路進行程序控制。
根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供了一種能夠產(chǎn)生可以擊穿空氣的電弧發(fā)生 電路，用于產(chǎn)生作用于大鼠足底的電弧，其特征在于包括振蕩組件，用于 將電路中的直流電轉(zhuǎn)換為高頻交流電，并且將電壓值進行初步升高；整流升 壓組件，用于將振蕩組件產(chǎn)生能夠的高頻交流電進一步進行整流升壓，產(chǎn)生 可以擊穿空氣的電弧。
優(yōu)選的，在所述的電弧發(fā)生電路中，所述振蕩組件由三極管Q、線圏T1 以及電阻R共同組成。三極管Q選用鍺三極管，以改善低電壓下的壓降特性； 線圈T1選用E型5 x 7鐵芯，L1和L2分別用^0.17mm的高強度漆包線纏繞60匝 和30匝；電阻阻值范圍在150-200歐。
優(yōu)選的，在所述的電弧發(fā)生電路中，所述整流升壓組件由二極管D、電 容器C，以及升壓器T2組成。二極管D采用高壓硅粒，其反壓要求大于 250V;電容器C的容量在0.47-0.68^F范圍，耐壓大于160V;升壓器T2采用 20mm長度磁棒作為鐵芯，首先用^0.41mm的漆包線在磁棒上繞17匝作L4，然 后將L4套入塑料骨架內(nèi)，再用^0.06mm的高強度漆包線在塑料骨架上的5個線 槽內(nèi)各繞300匝，共1500匝作為L5，這樣不僅能夠達到電極端的電壓要求，又 可以有效防止高壓擊穿L5自身。
根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，提供了一種控制組件，用于對電弧發(fā)生電路 進行程序控制，其特征在于包括單片機，用于對周圍電路及元件進行編程 控制，以實現(xiàn)儀器特定的功能；復(fù)位電路、時鐘電路，用于為單片機提供復(fù) 位及時鐘信號；控制按鍵電路，用于實現(xiàn)儀器的模式選擇、參數(shù)設(shè)置等功 能；顯示液晶接口電路，用于實現(xiàn)儀器運行狀態(tài)顯示；蜂鳴器電路，用于實 現(xiàn)刺激發(fā)生時進行聲音提示；電弧發(fā)生電路控制繼電器電路，用于實現(xiàn)控制 組件對電弧發(fā)生電路開關(guān)的控制。
4優(yōu)選的，所述的單片機選用Atmel公司的AT89C52單片機，該控制器的存 儲器容量、1/0端口、外中斷口數(shù)量、定時器和計數(shù)器數(shù)量等各項指標都滿足 了所設(shè)計刺激器的需要，且價格便宜。所述的液晶顯示器選用深圳市駿顯電 子科技有限公司的JM12864M-2顯示液晶，該液晶性能穩(wěn)定、便于連接、并且 顯示單元數(shù)量能夠滿足所設(shè)計刺激器的需求。所述的電弧發(fā)生電路與控制組 件的連接元件選用繼電器，不僅可以實現(xiàn)控制組件對電弧發(fā)生電路的開關(guān)控 制，并且可以滿足控制組件與電弧發(fā)生電路兩部分電源獨立。
本發(fā)明與現(xiàn)有大鼠電刺激儀相比有如下有益效果
本發(fā)明采用了單極放電，不接觸諸如大鼠的對象，不在對象身體上構(gòu)成 回路。在大鼠作為對象的情況下，電極產(chǎn)生的高壓電弧擊穿空氣作用于大鼠 足底，在大鼠足底局部產(chǎn)生電擊的疼痛感，大鼠會躲避該疼痛感而收縮后 肢，從而能夠?qū)崿F(xiàn)大鼠后肢主動運動。另外，刺激器的輸入功率僅為0.5W, 由于電路元件損耗部分能量，電極端輸出電弧的總功率小于0.5W，加之這些 能量絕大部分都是以熱能的形式施加于大鼠，所以單位時間內(nèi)施加的電能遠 遠小于0.5J。而且電弧能夠擊穿空氣，其電壓應(yīng)在1000V以上，所以電弧在大 鼠足底產(chǎn)生的電流遠遠小于0.5mA，遠沒有達到能夠使大鼠肌肉細胞產(chǎn)生興 奮的閾值，從而避免了大鼠后肢因外加電流而產(chǎn)生被動運動，以及大電流對 大鼠生理系統(tǒng)的干擾。
由此可見，采用這種高壓低流的電弧式電刺激，既能夠避免大電流流過 大鼠軀體而使后肢因外加電流而產(chǎn)生被動運動，又能最大程度地減小電流對 大鼠生理系統(tǒng)及骨骼造成影響，保證實驗的準確性。


圖1A是本發(fā)明的電弧式脈沖電刺激儀的外觀前視構(gòu)造圖。 圖1B是本發(fā)明的電弧式脈沖電刺激儀的外觀后視構(gòu)造圖。 圖2是本發(fā)明的電弧式脈沖電刺激儀的電路硬件結(jié)構(gòu)框圖。 圖3是本發(fā)明的電弧式脈沖電刺激儀的控制組件的電路原理圖。其中，
圖3A是單片機的電路原理圖3B是控制按鍵電路的電路原理圖3C是運動狀態(tài)判定電路的電路原理圖3D是時鐘電路的電路原理圖3E是復(fù)位電路的電路原理圖3F是顯示電路的電路原理圖3G是聲音提示電路的電路原理圖3H是電弧發(fā)生電路的電路原理圖31是繼電器電路的電路原理圖3 J是電源模塊的電路原理圖。圖4是本發(fā)明的電弧式脈沖電刺激儀的操作流程圖。
具體實施例方式
在圖1A中，本發(fā)明的外觀前一見構(gòu)造包括外殼101、顯示液晶102、啟動/暫 停按鍵103、增大參數(shù)按鍵104、減小參數(shù)按鍵105、自動模式選擇按鍵108、 手動模式選擇按鍵107、數(shù)據(jù)清零按鍵106、電極接口109、大鼠后肢姿態(tài)判定 裝置連線IIO、電源開關(guān)lll。在圖1B中，本發(fā)明的外觀后視構(gòu)造包括了電源 接口 112。
其中所述的外殼101采用塑料材質(zhì)，上下分體結(jié)構(gòu)，當安裝完內(nèi)部器件后 上下兩部分用螺絲連接組合為一整體。
其中所述的電源接口 112為直流5V電源接口 。
值得注意的是，電極接口 109應(yīng)該有絕緣材料包裹，以避免電極在此處》文 電。本發(fā)明有兩個相同的單極放電電極，如果需要可以對電極數(shù)進行擴展。
圖2顯示了本發(fā)明的電路硬件結(jié)構(gòu)框圖，主要有四大部分，單片機或其它 控制芯片201及其時鐘電路204和復(fù)位電路205 、控制按鍵電路202以及運動狀 態(tài)判定電路203 —起構(gòu)成了儀器的控制部分，顯示電路206和聲音提示電路207 構(gòu)成了儀器的顯示及聲音提示部分，另外兩部分為電弧發(fā)生電路208和電源模 塊210。
圖3顯示了本發(fā)明控制組件的電路原理圖，其中控制按鍵電路202、運動 狀態(tài)判定電^各203、時鐘電^各204、復(fù)位電if各205、顯示電3各206、聲音4是示電 路207，分別與單片機201連接。電弧發(fā)生電路控制繼電器電路301和電源模塊 電路210,分別與單片機201和電弧發(fā)生電路208連接，用以對電弧發(fā)生電i 各進 行開關(guān)控制和供電。
的晶振頻率為12MHz。顯示電路206為標準12864液晶接口 。運動狀態(tài)判定電 路203將用于判定大鼠后肢姿態(tài)的一裝置與單片機201連接，該判定裝置可以 在大鼠后肢處于抬起或放下時給單片機201發(fā)送不同的電平信號，其具體裝置 結(jié)構(gòu)詳見另一發(fā)明專利"一種模擬失重尾吊大鼠主/被動運動訓(xùn)練裝置"中的 元件404、元件408。通過該裝置，本發(fā)明的電弧式脈沖電刺激儀可以根據(jù)大 鼠的運動狀態(tài)，實時地判定是否應(yīng)施加電刺激。電弧發(fā)生電路控制繼電器電 路301,用于實現(xiàn)控制組件對電弧發(fā)生電路208開關(guān)的控制。
如圖3所示，電弧發(fā)生電路208包括振蕩組件、整流升壓組件、與控制組 件連接的繼電器電路301和電極209。
其中所述的振蕩組件進一步包括三極管Q、線圈T1以及電阻R，用于將電 路中的直流電轉(zhuǎn)換為高頻交流電，并且將電壓值進行初步升高。整流升壓組 件進一步包括二極管D、電容器C，以及升壓器T2，用于將振蕩組件產(chǎn)生能夠 的高頻交流電進一步進行整流升壓，產(chǎn)生可以擊穿空氣的電弧。如前所述，三極管Q選用鍺三極管；線圈T1選用E型5 x 7鐵芯，L1和L2分 別用^0.17mm的高強度漆包線纏繞60匝和30匝，L3則用"0.06mm的高強度漆 包線繞3500匝；電阻阻值范圍在150 200歐。二極管D采用高壓硅粒，其反 壓要求大于250V;電容器C的容量在0.47-0.68,F范圍，耐壓大于160V;升壓 器T2采用20mm長度磁棒作為鐵芯，首先用^0.41mm的漆包線在磁棒上繞17匝 作L4，然后將L4套入塑料骨架內(nèi)，再用^0.06mm的高強度漆包線在塑料骨架 上的5個線槽內(nèi)各繞300匝，共1500匝作為L5。
圖4顯示了本發(fā)明的電弧式脈沖電刺激儀的控制流程圖。 在上述硬件的基礎(chǔ)上，對單片機或其他控制芯片201進行編程，以實現(xiàn)本 發(fā)明的電弧式脈沖電刺激儀的基本功能。全部程序由主程序、初始化子程 序、定時器/計數(shù)器中斷子程序以及外部中斷子程序組成。主程序主要完成以 下內(nèi)容(l)鍵盤掃描程序判斷是否有鍵按下，并識別按鍵，然后執(zhí)行相 應(yīng)命令，實現(xiàn)儀器的暫停及重啟、手動施加刺激、訓(xùn)練時間清零等功能。 (2)顯示程序由單片機的I/0端口輸出顯示命令和顯示內(nèi)容數(shù)據(jù)給液晶顯 示器，將訓(xùn)練持續(xù)時間和刺激次數(shù)顯示在液晶屏上。(3)對蜂鳴器和繼電器
激，同時有聲音提示。初始化子程序負責(zé)對單片機中一些內(nèi)存單元賦初值， 1/0端口聲明，開中斷以及對定時器賦初值。定時器/計數(shù)器中斷子程序中斷申 請由單片機內(nèi)部的定時器/計數(shù)器發(fā)出，定時器根據(jù)程序設(shè)定精確控制刺激發(fā) 生的間隔時間和電弧發(fā)生電路的開啟時間，實現(xiàn)刺激器的自動運行。計數(shù)器 記錄刺激開啟次數(shù)，并在達到設(shè)定的次數(shù)后停止程序運行。儀器的運動狀態(tài)
判定裝置以外部中斷的方式向單片機發(fā)出中斷服務(wù)申請，外部中斷子程序負 責(zé)對單片機的外部中斷端口是否有外部中斷信號輸入進行檢測和判斷，并在
符合條件要求時轉(zhuǎn)向相應(yīng)的程序段運行，從而實現(xiàn)了儀器會根據(jù)大鼠后肢的 實時狀態(tài)判定是否施加電刺激的智能化運行。
其具體流程為開才幾后完成初始化，液晶顯示"Rat's Exercise Stimulator" (401)。判斷按鍵107是否被按下，即判斷是否進入手動刺激模式(402)。手動 刺激模式下按鍵104被按下，則開啟左側(cè)電弧發(fā)生電路的繼電器(403)，按 鍵105被按下，則開啟右側(cè)電弧發(fā)生電路的繼電器(403),按鍵108被按下，則 轉(zhuǎn)入自動刺激模式(405)。步驟401后，同時判斷按鍵108是否被按下，即判斷 是否進入自動刺激模式(406)。自動模式下循環(huán)按下按鍵108則可以循環(huán)選 擇運動參數(shù)ST(電刺激發(fā)生時間)、IT(兩次刺激間隔時間)、BT(左右間 隔時間)、NoS (電刺激次數(shù))，之后通過按鍵104增大參數(shù)設(shè)定值(407),或 通過按鍵105減小參數(shù)設(shè)定值(408);參數(shù)設(shè)定好后按下按鍵103(409)則單片機 201開啟其內(nèi)部定時器和計數(shù)器(410)，之后如果再按下按鍵103，則程序進入 暫停狀態(tài)或繼續(xù)運行(411),如果定時器到時(412)則按照設(shè)定的參數(shù)開 啟(413)和關(guān)閉(414)電弧發(fā)生電路繼電器和蜂鳴器。如果計數(shù)器到達設(shè)定的次數(shù)(415)，則程序返回至初始化(401)狀態(tài)。在自動模式下如果按 下按鍵107，則隨時可以轉(zhuǎn)入手動刺激模式(416)。
實施例1自動控制施加刺激
首先將電極固定在大鼠足底(或身體其他部位)附近，并且保持2mm的 距離，將AC220V-DC5V的變壓器直流5V端接入電源接口 112，另一端接市 電，開啟電源開關(guān)lll,按自動模式選擇按鍵108進入自動模式，利用按鍵 108、 104、 105對不同的刺激參數(shù)進行設(shè)置，參數(shù)包括刺激持續(xù)的時間 (ST)，刺激的間隔時間(IT)，刺激的次數(shù)(NoS)，電極之間的放電間 隔(BT)，按鍵108可在上述參數(shù)之間進行選擇，按鍵104可增大選擇的參 數(shù)，按鍵105可減小選擇的參數(shù)。參數(shù)設(shè)置好后，按啟動/暫停按鍵103開始電 刺激，此狀態(tài)下電刺激儀可根據(jù)設(shè)定的刺激參數(shù)以及大鼠的運動狀態(tài)自動運 行，同時液晶上顯示當前時間，實驗持續(xù)時間，以及各電極發(fā)生刺激的次 數(shù)。在自動模式下可以隨時按啟動/暫停按鍵103暫停刺激儀的運行，暫停后 如果按下數(shù)據(jù)清零按鍵106,則實驗持續(xù)時間和刺激的次數(shù)都會清零并重新記 錄；如果按下手動模式選擇按鍵107,則刺激儀轉(zhuǎn)入手動刺激模式下運行；如 果再次按下103則繼續(xù)運行。當刺激次數(shù)達到設(shè)定值后，發(fā)出聲音提示，并且 自動返回到參數(shù)設(shè)置界面，并且保留上一次的參數(shù)設(shè)定。此時，如不需要更 改參數(shù)，則可直接按啟動/暫停按鍵103進行下一次的自動運行。
實施例2手動控制施加刺激
如實施例l中所述，固定好刺激儀電極，接通電源并打開開關(guān)后，按手動 模式選擇按鍵107進入手動刺激模式，按104或105可以使兩個電極分別施加電 刺激，同時液晶上顯示當前時間，實驗持續(xù)時間以及兩個電極格式的刺激次 數(shù)。若在手動模式下按啟動/暫停按鍵103,則實驗持續(xù)時間停止計時，刺激 的次數(shù)保留，當再次按下103時，繼續(xù)計時、計數(shù)。如按下數(shù)據(jù)清零按鍵 106,則實驗持續(xù)時間和刺激次數(shù)同時清零。在手動模式下可隨時按下自動模 式選擇按鍵108,進入自動模式的參數(shù)設(shè)定界面。
實施例3大鼠跑步運動中施加電刺激
如果將大鼠運動狀態(tài)判定裝置和電極的位置稍加改動，則可讓大鼠進行 跑步運動。將狀態(tài)判定裝置和電極置于大鼠跑臺的末端，開啟電刺激儀，按 手動模式選擇按鍵107進入手動刺激模式，再按啟動/暫停按鍵103，若大鼠在 跑臺上沒有跑動，則會觸及到末端的運動狀態(tài)判定裝置，此時電刺激儀便會 施加電刺激作用在大鼠臀部，刺激其進行跑步運動。
權(quán)利要求
1、一種電弧式脈沖電刺激儀，其特征在于，包括電弧發(fā)生電路(208)，用于產(chǎn)生作用于生物體的電?。豢刂平M件，用于對所述電弧發(fā)生電路(208)進行程序控制。
2、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的電弧式脈沖電刺激儀，其特征在于，所述電弧 發(fā)生電^各(208)包括振蕩組件，用于將電路中的直流電轉(zhuǎn)換為高頻交流電，并且將電壓值進 行初步升高；整流升壓組件，用于將振蕩組件產(chǎn)生的高頻交流電進一步進行整流升 壓，產(chǎn)生可以擊穿空氣的電弧。
3、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的電弧式脈沖電刺激儀，其特征在于，所述振蕩 組件包括三極管(Q)、升壓器(T1)以及電阻(R)。
4、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的電弧式脈沖電刺激儀，其特征在于，所述整流 升壓組件包括二極管(D)、電容器(C),以及升壓器(T2)。
5、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的電弧式脈沖電刺激儀，其特征在于，所述控制 組件包括控制芯片(201 )，用于對周圍電路及元件進行控制； 運動狀態(tài)判定電路(203 ),用于根據(jù)對象的運動狀態(tài)向控制芯片 (201)發(fā)送不同的電平信號。
6、 根據(jù)權(quán)利要求5所述的電弧式脈沖電刺激儀，其特征在于，所述控制 組件還包括復(fù)位電路(205 )、時鐘電路(204),用于為控制芯片提供復(fù)位及時鐘信號；控制按鍵電路(202)，用于實現(xiàn)儀器的模式選擇、參數(shù)設(shè)置等功能； 顯示液晶接口電路(206)，用于實現(xiàn)儀器運行狀態(tài)的顯示； 蜂鳴器電路(207)，用于實現(xiàn)刺激發(fā)生時進行聲音提示。
7、 根據(jù)權(quán)利要求5所述的電弧式脈沖電刺激儀，其特征在于，所述的控 制芯片(201 )選用Atmel公司的AT89C52單片機。
8、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的電弧式脈沖電刺激儀，其特征在于，還包括一 電弧發(fā)生電路控制繼電器電路(301),連接所述電弧發(fā)生電路(208 )與所 述控制組件，用于實現(xiàn)所述控制組件對所述電弧發(fā)生電路(208 )開關(guān)的控 制。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種電弧式脈沖電刺激儀，包括控制部分，其進一步包括單片機(201)及其時鐘(204)、復(fù)位電路(205)、控制按鍵(202)和運動狀態(tài)判定裝置(203)，用于對儀器進行編程控制，對刺激參數(shù)進行設(shè)置以及對大鼠后肢的運動狀態(tài)進行判定；電弧發(fā)生電路部分(208)，其進一步包括振蕩組件和整流升壓組件，用于產(chǎn)生刺激大鼠足底的高壓低流的脈沖電弧。采用本發(fā)明的高壓低流的電弧式電刺激，既能夠避免大電流流過大鼠軀體而使后肢因外加電流而產(chǎn)生被動運動，又能最大程度地減小電流對大鼠生理系統(tǒng)及骨骼造成影響，保證實驗的準確性。
文檔編號A61B19/00GK101502445SQ20081024666
公開日2009年8月12日 申請日期2008年12月30日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月30日
發(fā)明者孫聯(lián)文, 樊瑜波, 添 謝, 貢向輝 申請人:北京航空航天大學(xué)