專利名稱：癱瘓患者功能康復儀的制作方法
技術(shù)領域：
本實用新型涉及康復醫(yī)學工程領域用的一種康復儀器。
癱瘓患者功能康復儀是為癱瘓病人和高位截癱病人的康復治療和輔助控制站立用的新型儀器，其基本原理是采用特殊形狀的電脈沖(


圖1)，通過皮表電極作用于患者需要治療的靶肌上，使之產(chǎn)生類似于受神經(jīng)脈沖刺激所引起的肌肉運動，以鍛煉和增強肌力，改善肌體循環(huán)。儀器一般由脈沖發(fā)生器、脈沖放大器，電源以及貼附皮膚的金屬電極板組成。
目前臨床應用的儀器(專利號821109GB 031899和國內(nèi)生產(chǎn)的CFES－1型截癱治療儀)采用的是共地系統(tǒng)，各輸出通道有一公共端與患者皮膚相連，由于人體電阻小，所以它們都存在各電極相互串擾，不能很好地對準靶肌，不便應用于多通道輸出的缺點，并且現(xiàn)有儀器均采用單向的正向矩形脈沖或負向的矩形脈沖，在治療時患者有不舒適的疼痛感。另外，現(xiàn)有儀器均缺少自動變換脈沖頻率、定時控制刺激時間和選擇交替或循環(huán)刺激節(jié)律等臨床需要的功能，輸出方式也只有連續(xù)和斷續(xù)兩種，儀器存在功能少、功率消耗大的弱點。
本實用新型根據(jù)臨床需要，提出一種新的設計，采用一種幅度可連續(xù)調(diào)節(jié)的主波為負向的雙向脈沖，并讓正向回波的幅度是負向主波幅度的10％～20％，這樣更符合人的生理要求和有效地消除患者治療時的疼痛感。
儀器的電路部分是由信號產(chǎn)生、功能控制、直流變換、光電隔離和脈沖功率輸出等五個主要部分組成，電路的原理框圖如圖2所示，其特點是采用一只四運算放大器集成組件構(gòu)成主脈沖信號發(fā)生器、時鐘脈沖發(fā)生器、報警訊號發(fā)生器和電池電壓監(jiān)測器并可同時實現(xiàn)各自的功能(圖3)；利用一只四雙向模擬開關(guān)集成組件實現(xiàn)由同一信號源產(chǎn)生四個通道的信號輸出；采用由一只十進制計數(shù)器／驅(qū)動器集成組件、一只四雙輸入或門集成組件和一只四刀十一擲開關(guān)組成的電路來實現(xiàn)十一種循環(huán)或連續(xù)輸出模式選擇，各輸出通道之間經(jīng)光電耦合器組件隔離而相互獨立；還采用一只12位二進制串行計數(shù)器／分頻器集成組件及一只單刀十擲開關(guān)實現(xiàn)10種不同的節(jié)律控制選擇，節(jié)律控制的范圍為1秒～512秒，該組件再與一只雙D型觸發(fā)器集成組件及一只雙刀三擲開關(guān)實現(xiàn)三種不同的定時控制，定時控制時間分別為0.25小時、0.5小時和1小時，定時時間到，儀器將蜂鳴報警并自動停止各通道的刺激脈沖信號的輸出。此外，系統(tǒng)還采用主要由一只十進計數(shù)器／驅(qū)動器集成組件(與輸出模式選擇的共用)及一只四雙向模擬開關(guān)集成組件組成的電路實現(xiàn)自動變換輸出脈沖信號的頻率，自動變頻的范圍是1Hz～30Hz。
本實用新型還設計有新的直流變換器和脈沖功率輸出器，直流變換器(DC－DC，Ni－Cd電池9伏變成直流高電壓200伏)的轉(zhuǎn)換效率在工作范圍內(nèi)達75％～81.5％，脈沖功率輸出級設計成工作在完全開關(guān)狀態(tài)，使儀器的功率消耗小于1W，電池壽命較之前述的CFES－1型儀器可延長6～10倍。
附
圖1是脈沖波形圖。圖中刺激脈沖的主導脈沖是負向脈沖，脈沖的幅度在0～200伏連續(xù)調(diào)節(jié)，脈寬可在0.2毫秒～1毫秒變化，每一刺激脈沖的回程產(chǎn)生一正向的反脈沖，其幅度約為主脈沖幅度的10％～20％，它能消除對患者治療部位的灼痛感。圖中的(1)處是系統(tǒng)的地電位。
附圖2是電路的原理框圖。
附圖3是主脈沖發(fā)生器(IC1－3為核心部分)，時鐘脈沖發(fā)生器(IC1－2為核心部分)，報警訊號發(fā)生器(IC1－1為核心部分)和電池電壓監(jiān)測器(IC1－4為核心部分)。
主脈沖發(fā)生器是輸出刺激脈沖的信號源，產(chǎn)生出頻率可調(diào)、脈寬可調(diào)的連續(xù)矩形方波，改變其RC／充放電回路中電阻的參數(shù)，可產(chǎn)生輸出頻率為1Hz，3Hz，5Hz，10Hz，20Hz，30Hz，40Hz，100Hz，脈寬為0.2ms～1ms的矩形方波。頻率變換可由一只八聯(lián)琴鍵開關(guān)手動選擇，也可由電路中自動變換。圖中電阻R1是脈寬調(diào)節(jié)電位器，圖中④端是主脈沖信號輸出端。
時鐘脈沖發(fā)生器產(chǎn)生出1Hz頻率的時鐘信號，作為定時控制電路、節(jié)律控制電路、模式控制電路和主脈沖發(fā)生器自動變頻電路部分的工作時鐘信號源。圖中②端是時鐘脈沖輸出端。
報警訊號發(fā)生器產(chǎn)生出頻率為3KHz～5KHz的方波信號，作為定時時間到以后停止治療的蜂鳴器訊響信號的激勵源。圖中FM是壓電晶體蜂鳴器。圖中③端是蜂鳴器FM的控制端。
電池電壓監(jiān)測器是在使用9VNi－cd電池工作時，當電池電壓小于7.5V時，控制發(fā)光二極管LED1亮，指示電池欠壓。
IC1是一只高輸入阻抗四運算放大器LF347集成組件，這就實現(xiàn)了用一只集成組件同時實現(xiàn)上述四種功能。
附圖4是主脈沖發(fā)生器的輸出信號頻率自動變換電路。圖中⑤端接主脈沖發(fā)生器的控制端。圖中⑥端接系統(tǒng)的同步控制脈沖。圖中⑦端接節(jié)拍脈沖，節(jié)拍脈沖由節(jié)律信號發(fā)生器產(chǎn)生。IC2是一只十進制計數(shù)器／脈沖分配器集成組件，采用CD4017。IC3是四雙向模擬開關(guān)集成組件，采用CD4066。在節(jié)拍脈沖作用下，IC2分別輸出二個節(jié)拍、一個節(jié)拍、一個節(jié)拍、三個節(jié)拍的控制信號，作為IC3四路模擬開關(guān)的控制端輸入信號，以選擇主脈沖發(fā)生器變頻RC回路中變阻器的對應電阻參數(shù)，由⑤端得到1Hz，5Hz，10Hz，30Hz的持續(xù)時間分別為二個節(jié)拍、一個節(jié)拍、一個節(jié)拍、三個節(jié)拍的控制輸出。圖中⑧是主脈沖發(fā)生器變頻RC回路中的變阻器。
附圖5是輸出模式選擇／控制電路和輸出信號節(jié)律選擇／控制電路。圖中⑨端和⑩端分別接同步控制脈沖和時鐘脈沖。圖中(11)是四刀十一擲模式選擇開關(guān)。圖中K1和K2分別是節(jié)律選擇開關(guān)和間歇／斷續(xù)輸出方式選擇開關(guān)。IC4是四雙向模擬開關(guān)集成組件，采用CD4066。IC5是12位二進制串行計數(shù)器／分頻器集成組件，采用CD4040。IC6是十進制計數(shù)器／脈沖分配器集成組件，采用CD4071。IC8是三3輸入端與門集成組件，采用CD4073。在時鐘脈沖控制下，IC5產(chǎn)生1秒～512秒的節(jié)律控制信號，由開關(guān)K2選擇，控制主脈沖信號的輸出節(jié)律。IC6，IC7和模式選擇／控制開關(guān)組成十一種不同形式的輸出模式控制信號，經(jīng)過IC7定時輸出控制門作為IC4四路模擬開關(guān)的控制端輸入信號，使得由圖中(12)端輸入的主脈沖信號產(chǎn)生十一不同的輸出形式。圖中(13)端輸出節(jié)拍脈沖。圖中(14)端接定時控制信號。
附圖6是系統(tǒng)啟動／復位和定時控制電路。IC9是雙D型觸發(fā)器集成組件，采用CD4013。組成工作狀態(tài)寄存器和定時狀態(tài)寄存器。圖中(15)端輸入啟動／復位脈沖，使這個狀態(tài)寄存器分別處于工作等待狀態(tài)和定時狀態(tài)。K3為啟動開關(guān)。K4為三種定時時間選擇開關(guān)。當K3啟動后，使兩個狀態(tài)寄存器分別置為工作狀態(tài)和定時清除狀態(tài)。圖中(17)端輸出的工作控制信號將允許工作模式控制信號的輸出，從而使得主脈沖信號輸出到功率輸出電路部分。當定時時間到，兩個狀態(tài)寄存器分別轉(zhuǎn)為工作等待狀態(tài)和定時狀態(tài)，使圖中(17)端的輸出控制主脈沖信號的輸出停止。圖中(16)端輸出定時到報警控制信號，控制蜂鳴器發(fā)出訊響。圖中的發(fā)光二極管LED2是二分之一定時過指示信號燈。
附圖7是主脈沖信號輸出電路與脈沖功率輸出電路之間的光電隔離耦合電路。圖中(18)是主脈沖信號的輸入端。IC10是光電隔離耦合器件，采用4N25。信號級的輸出控制信號由(18)端經(jīng)過光電耦合器件和射極跟隨器Q2，從脈沖幅度調(diào)節(jié)電位器R2的輸出端，即圖中(19)端輸出脈沖幅度控制信號給脈沖功率放大級。由于各通道均與信號的控制級之間實行了光電隔離，并且各路的脈沖功率放大級均由直流變換變壓器的一個獨立繞組來供電，因而各通道的脈沖輸出回路相互獨立，避免了相互間的串攏，便于儀器臨床時對準靶肌。
在圖8中，從(20)端輸入來自圖7所示的脈沖幅度控制信號，(21)和(22)表示某通道輸出的皮表電極，從這兩端可獲得如
圖1所示的刺激脈沖波形，圖中D1是為晶體管Q3和Q4可靠地工作在開關(guān)狀態(tài)而設置的，改變R3和C1的數(shù)值可以調(diào)節(jié)正向回波的幅度。
圖9中直流變換級的電路原理圖，它的作用是把9伏的鎳鎘電池電壓變換成200伏的高電壓，圖中的非門1、2和3組成一占空比為50％的矩形脈沖振蕩器，由于晶體管由濃度飽和狀態(tài)過渡到截止狀態(tài)所需要的時間比由截止狀態(tài)進入深度飽和狀態(tài)的時間長，為了防止產(chǎn)生交疊損失，圖中的S1點和S2點的兩路波形有2μs～3μs的錯開時間(
圖10)，如果兩路波形完全對稱反相，則在變壓器T的初級中心點(23)處將出現(xiàn)瞬間同時導通，從而影響直流變換的效率，按照本設計，轉(zhuǎn)換效率可從原來的40％～49％提高至75％～81.5％，該錯開時間的大小是由R4，C2，D2和R5，C3，D3分別組成的兩個網(wǎng)絡來決定，其中R4＝R5＝10KΩ～20KΩ，C2＝C3＝180PF～300PF(微微法拉)，振蕩器的頻率主要取決于R6和C4的數(shù)值，R6＝43KΩ～51KΩ，C4＝1000PF～2200PF，振蕩頻率約為10KHz～15KHz，直流變換后的高電壓從圖9中的(24)端和(25)端輸出。
儀器組裝在一個體積為200毫米(長)×110毫米(高)×240毫米(寬)的機匣內(nèi)。
現(xiàn)已有兩名癱瘓患者，一名是在胸10部位截癱，另一名是在胸11處外傷造成的橫貫型損傷致癱，在本儀器的治療和控制下，借助于手扶平行雙杠在室內(nèi)能初步站立起來和作原始性行走。
權(quán)利要求1.一種癱瘓患者功能康復儀，其電路部分是由信號產(chǎn)生、功能控制、直流變換、光電隔離和脈沖功率輸出等主要部分組成，其主要特征是a.采用一只四運算放大器集成組件同時實現(xiàn)主脈沖發(fā)生器、時鐘脈沖發(fā)生器、報警訊號發(fā)生器和電池電壓監(jiān)測器；b.采用一只四雙向模擬開關(guān)集成組件實現(xiàn)由同一信號源產(chǎn)生四個通道的輸出；c.采用一只十進制計數(shù)器/驅(qū)動器集成組件，一只四雙輸入或門集成組件和一只四刀十一擲開關(guān)組成的電路來實現(xiàn)11種循環(huán)或連續(xù)輸出模式選擇，各輸出通道之間通過光電隔離器組件進行隔離而相互獨立；d.采用一只12位二進制串行計數(shù)器/分頻器集成組件及一只單刀十擲開關(guān)實現(xiàn)10種不同的節(jié)律控制選擇，節(jié)律控制的范圍為1秒～512秒；e.采用一只雙D型觸發(fā)器集成組件及一只雙刀三擲開關(guān)來實現(xiàn)3種不同的定時控制，定時控制時間分別為1小時，0.5小時和0.25小時，定時時間到，儀器會蜂鳴報警并自停止輸出刺激脈沖；f.采用主要由一只十進制計數(shù)器/驅(qū)動器集成組件(與輸出模式選擇的共用)及一只四雙向模擬開關(guān)集成組件所組成的電路來實現(xiàn)自動變換脈沖頻率，自動變頻的范圍是1Hz～30Hz。
2.按權(quán)利要求1所述的癱瘓患者功能康復儀，其特征在于直流變換級中引入分別由R4、C2、D2和R5，C3，D3所組成的兩個網(wǎng)絡，保證圖中的S1點和S2點兩路波形有2μs～3μs(微秒)的錯開時間。
3.按權(quán)利要求1所述的癱瘓患者功能康復儀，其特征在于采用光電耦合實現(xiàn)各輸出通道相互獨立，便于臨床時對準靶肌。
專利摘要癱瘓患者功能康復儀的基本原理是采用特殊形狀的電脈沖，通過皮膚表面電極作用于患者的靶肌上，使之產(chǎn)生類似于受神經(jīng)脈沖刺激所引起的肌肉運動。儀器的電路部分由信號產(chǎn)生、功能控制、直流變換、光電隔離和脈沖功率輸出等組成，其特點是四個輸出通道，設有11種循環(huán)或連續(xù)輸出選擇，各通道之間通過光電隔離而相互獨立，并設有10種節(jié)律，3種定時及具備自動變頻控制，還采用新的直流變換和脈沖功率輸出設計。
文檔編號A61N1/20GK2041574SQ87214928
公開日1989年7月26日 申請日期1987年11月5日 優(yōu)先權(quán)日1987年11月5日
發(fā)明者林喜榮, 陳墾, 康吉生 申請人:清華大學