基于互補(bǔ)型電流源和時分復(fù)用輸出的四通道功能電刺激裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于功能電刺激裝置，特別是一種采用互補(bǔ)型電流源和時分復(fù)用輸出的脈 沖觸發(fā)式四通道功能電刺激裝置。
【背景技術(shù)】
[0002] 神經(jīng)功能電刺激和神經(jīng)肌肉電刺激都是利用人工預(yù)先設(shè)定格式的編碼序列刺激 支配肌肉的神經(jīng)或神經(jīng)肌肉接頭，從而使肌肉收縮和關(guān)節(jié)運(yùn)動達(dá)到完成肢體運(yùn)動的目的。 因此使用功能電刺激可以對腦卒中患者的偏癱肢體進(jìn)行康復(fù)治療。自1961年設(shè)計出世界 上第一個功能電刺激系統(tǒng)并用于矯正足下垂以來，科研人員陸續(xù)設(shè)計出一系列功能電刺激 系統(tǒng)用于提高患者運(yùn)動功能。
[0003] 功能電刺激按照刺激脈沖施加到皮膚的激勵源方式，可以分為恒壓刺激和恒流刺 激。由于神經(jīng)元膜電位去極化程度與注入電荷直接相關(guān)，電極與皮膚組織間的阻抗是隨時 間變化的一個量，并且皮膚組織具有電容性成分，所以在體表刺激應(yīng)用中，電流刺激比電壓 刺激使用更普遍。在使用恒流電刺激進(jìn)行運(yùn)動功能康復(fù)時需要注意三個問題：一是上下肢 粗大肌肉恢復(fù)需要大電流輸出，要求電路具有高電壓工作范圍；二是長時間使用單極性的 刺激脈沖會使電荷積累，對皮膚組織產(chǎn)生傷害；三是需要產(chǎn)生一個相對舒服和高效的肌肉 收縮動作。目前，國內(nèi)外針對實(shí)現(xiàn)高電壓工作范圍和雙相電荷平衡要求提出有以下幾種恒 流刺激電路結(jié)構(gòu)：第一種是使用基于功率平衡變壓器結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)恒流刺激，但 由于變壓器線圈匝數(shù)比固定，輸出電流幅度的變化范圍小、難以同時獲得大電流和高電壓。 并且變壓器本身體積大，對外有電磁干擾，其電感與寄生電容造成的瞬態(tài)電壓和電流變化 還會影響生物電信號探測和記錄；第二種結(jié)構(gòu)是使用電感與電容無源器件諧振獲取較高能 量脈沖，該電路結(jié)構(gòu)可以替代變壓器減小電路體積，同時可產(chǎn)生雙相電荷平衡脈沖，但受限 于放電回路中的阻容，刺激波形不能任意設(shè)置；第三種是使用豪蘭德（Howland)電壓轉(zhuǎn)電 流電路結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)可以生成任意雙相電荷平衡波形且實(shí)現(xiàn)輸入電壓到輸出電流的線性變 換。但該電路結(jié)構(gòu)需要使用高精度匹配電阻，容易造成自激振蕩，且運(yùn)放啟動電流大、靜態(tài) 功耗高，芯片耐壓范圍低，導(dǎo)致輸出刺激脈沖電壓和電流限幅。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的在于針對上述現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提出一種基于互補(bǔ)型電流源和時 分復(fù)用輸出的四通道功能電刺激裝置，以實(shí)現(xiàn)高電壓輸出工作范圍、雙相電荷平衡和隔離 輸出的四通道脈沖觸發(fā)輸出，有效減小核心刺激電路面積，節(jié)約體積和成本，減小相鄰刺激 通道電極間的漏電流，并能降低對皮膚組織的傷害。
[0005] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：
[0006] -種基于互補(bǔ)型電流源和時分復(fù)用輸出的四通道功能電刺激裝置，包括：
[0007] 主控處理器電路、多路復(fù)用器及分別連接于多路復(fù)用器輸出端的第一輸出通道、 第二輸出通道、第三輸出通道、第四輸出通道，
[0008] 所述主控處理器電路對外部輸入的觸發(fā)通道信號處理并產(chǎn)生通道選擇信號，用于 控制多路復(fù)用器的選通，所述主控處理器電路還根據(jù)外部輸入的觸發(fā)通道信號和外部輸入 的幅度控制信號產(chǎn)生原始通道刺激小信號，
[0009] 所述四通道功能電刺激裝置還包括刺激電路驅(qū)動級和H型橋，
[0010] 所述刺激電路驅(qū)動級包括壓控電流源和互補(bǔ)型電流源，所述互補(bǔ)型電流源包括鏡 像電流源和鏡像電流漏，鏡像電流源的參考電流端與壓控電流源的電流輸入端連接，鏡像 電流漏的參考電流端與壓控電流源的電流輸出端連接，主控處理器電路產(chǎn)生的原始通道刺 激小信號作為壓控電流源的電壓輸入控制信號經(jīng)過壓控電流源產(chǎn)生用于控制鏡像電流源 和鏡像電流漏的參考電流，所述鏡像電流源根據(jù)參考電流產(chǎn)生源電流并于源電流端輸出， 鏡像電流漏根據(jù)參考電流產(chǎn)生灌電流并于灌電流端輸入，
[0011] 所述H型橋的一個橋臂中點(diǎn)與所述的互補(bǔ)型電流源中鏡像電流源的源電流端連 接，H型橋的另一個橋臂中點(diǎn)與所述的互補(bǔ)型電流源中鏡像電流漏的灌電流端連接，H型橋 橋臂的一端與所述的多路復(fù)用器中各輸出通道的一端相連接，H型橋橋臂的另一端與所述 的多路復(fù)用器中各輸出通道的另一端相連接，鏡像電流源為H型橋提供互補(bǔ)型電流中的源 電流，鏡像電流漏為H型橋提供互補(bǔ)型電流中的灌電流，主控處理器電路通過控制H型橋的 兩個橋臂開關(guān)的選通產(chǎn)生雙相電流脈沖，H型橋經(jīng)過主控處理器電路控制多路復(fù)用器，在選 通相應(yīng)通道完成功能電刺激脈沖的產(chǎn)生。
[0012] 所述鏡像電流源和鏡像電流漏的晶體管分別使用集電極_發(fā)射極耐壓范圍為正 負(fù)350V的PNP型三極管2N6520和NPN型2N6517,但不限于此類型號三極管。
[0013] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下優(yōu)點(diǎn)：
[0014] 1、本發(fā)明由于采用鏡像電流源和鏡像電流漏組成的互補(bǔ)型電流源，其輸出電流大 小相等，電流流向相反，鏡像電流源的源電流等于鏡像電流漏的灌電流，當(dāng)刺激電路驅(qū)動級 通過四通道時分復(fù)用雙相脈沖輸出電路連接到刺激通道電極時，可以確保流入該刺激通道 電極電流等于流出該刺激通道電極電流，從而有效減小相鄰刺激通道電極間的漏電流；采 用壓控電流源與H型橋產(chǎn)生雙相平衡刺激脈沖，其中壓控電流源負(fù)責(zé)精確設(shè)定刺激脈沖電 流大小，H型橋產(chǎn)生雙相刺激脈沖，通過產(chǎn)生正負(fù)雙相平衡脈沖，可以使電極與皮膚組織電 荷保持平衡，避免電荷在電極與周圍組織間堆積產(chǎn)生直流電流，對皮膚組織產(chǎn)生傷害，同時 采用耐高壓三極管組成的鏡像電流源和鏡像電流漏，可以保證刺激裝置具有高電壓工作范 圍，從而可以產(chǎn)生一個相對舒服和高效的肌肉收縮動作。
[0015] 2、本發(fā)明中主控處理器電路可以使用隊(duì)列控制算法，使用通道優(yōu)先級的方式解決 多通道同時觸發(fā)時通道輸出選擇沖突問題，并控制高壓模擬開關(guān)組成的四通道時分復(fù)用雙 相脈沖輸出電路，從而使刺激裝置分時復(fù)用輸出四個通道刺激脈沖。
[0016] 3、本發(fā)明實(shí)施例中由于使用一個高壓模擬開關(guān)芯片MAX14803實(shí)現(xiàn)四通道時分復(fù) 用雙相脈沖輸出電路，包括4個高壓模擬開關(guān)組成的H型橋電路和12個高壓模擬開關(guān)組成 的多路復(fù)用器，并利用主控處理器電路進(jìn)行控制，可以有效減小核心刺激電路面積，節(jié)約了 體積和成本。
[0017] 下面通過附圖和實(shí)施例，對本發(fā)明的技術(shù)方案做進(jìn)一步的詳細(xì)描述。
【附圖說明】
[0018] 圖1為本發(fā)明整體軟硬件結(jié)構(gòu)框圖；
[0019] 圖2為本發(fā)明刺激電路驅(qū)動級硬件結(jié)構(gòu)框圖
[0020] 圖3為本發(fā)明刺激電路驅(qū)動級的實(shí)施例電路原理圖；
[0021] 圖4為本發(fā)明H型橋與多路復(fù)用器的電路連接示意圖；
[0022] 圖5為本發(fā)明主控處理器電路運(yùn)行的隊(duì)列控制算法示意圖；
[0023] 圖6為本發(fā)明時分復(fù)用控制通道輸出脈沖時序示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0024] 一種基于互補(bǔ)型電流源和時分復(fù)用輸出的四通道功能電刺激裝置，包括：
[0025] 主控處理器電路1、多路