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：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，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，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，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。本发明专利技术用于使用功能电刺激治疗瘫痪患者肢体运动功能重建相关的科研和临床实验中。
【技术实现步骤摘要】
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
本专利技术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。
技术介绍
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。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。
技术实现思路
本专利技术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。为实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：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：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，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，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，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，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。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。本专利技术与现有技术相比具有以下优点：1、本专利技术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。2、本专利技术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。3、本专利技术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。下面通过附图和实施例，对本专利技术的技术方案做进一步的详细描述。附图说明图1为本专利技术整体软硬件结构框图；图2为本专利技术刺激电路驱动级硬件结构框图图3为本专利技术刺激电路驱动级的实施例电路原理图；图4为本专利技术H型桥与多路复用器的电路连接示意图；图5为本专利技术主控处理器电路运行的队列控制算法示意图；图6为本专利技术时分复用控制通道输出脉冲时序示意图。具体实施方式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：主控处理器电路1、多路复用器32及分别连接于多路复用器32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，所述主控处理器电路1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32的选通，所述主控处理器电路1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，所述四通道功能电刺激装置还包括刺激电路驱动级2和H型桥31，所述刺激电路驱动级2包括压控电流源21和互补型电流源22，所述互补型电流源22包括镜像电流源221和镜像电流漏222，镜像电流源221的参考电流端与压控电流源21的电流输入端连接，镜像电流漏222的参考电流端与压控电流源21的电流输出端连接，主控处理器电路1产生的原始通道刺激小信号作为压控电流源21的电压输入控制信号经过压控电流源21产生用于控制镜像电流源221和镜像电流漏222的参考电流，所述镜像电流源221根据参考电流产生源电流并于源电流端输出，镜像电流漏222根据参考电流产生灌电本文档来自技高网...
【技术保护点】
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，其特征在于，包括：主控处理器电路(1)、多路复用器(32)及分别连接于多路复用器(32)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，所述主控处理器电路(1)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(32)的选通，所述主控处理器电路(1)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，所述四通道功能电刺激装置还包括刺激电路驱动级(2)和H型桥(31)，所述刺激电路驱动级(2)包括压控电流源(21)和互补型电流源(22)，所述互补型电流源(22)包括镜像电流源(221)和镜像电流漏(222)，镜像电流源(221)的参考电流端与压控电流源(21)的电流输入端连接，镜像电流漏(222)的参考电流端与压控电流源(21)的电流输出端连接，主控处理器电路(1)产生的原始通道刺激小信号作为压控电流源(21)的电压输入控制信号经过压控电流源(21)产生用于控制镜像电流源(221)和镜像电流漏(222)的参考电流，所述镜像电流源(221)根据参考电流产生源电流并于源电流端输出，镜像电流漏(222)根据参考电流产生灌电流并于灌电流端输入，所述H型桥(31)的一个桥臂中点与所述的互补型电流源(22)中镜像电流源(221)的源电流端连接，H型桥(31)的另一个桥臂中点与所述的互补型电流源(22)中镜像电流漏(222)的灌电流端连接，H型桥(31)桥臂的一端与所述的多路复用器(32)中各输出通道的一端相连接，H型桥(31)桥臂的另一端与所述的多路复用器(32)中各输出通道的另一端相连接，镜像电流源(221)为H型桥(31)提供互补型电流中的源电流，镜像电流漏(222)为H型桥(31)提供互补型电流中的灌电流，主控处理器电路(1)通过控制H型桥(31)的两个桥臂开关的选通产生双相电流脉冲，H型桥(31)经过主控处理器电路(1)控制多路复用器(32)，在选通相应通道完成功能电刺激脉冲的产生。...
【技术特征摘要】
1.一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，其特征在于，包括：主控处理器电路(1)、多路复用器(32)及分别连接于多路复用器(32)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，所述主控处理器电路(1)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(32)的选通，所述主控处理器电路(1)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，所述四通道功能电刺激装置还包括刺激电路驱动级(2)和H型桥(31)，所述刺激电路驱动级(2)包括压控电流源(21)和互补型电流源(22)，所述互补型电流源(22)包括镜像电流源(221)和镜像电流漏(222)，镜像电流源(221)的参考电流端与压控电流源(21)的电流输入端连接，镜像电流漏(222)的参考电流端与压控电流源(21)的电流输出端连接，主控处理器电路(1)产生的原始通道刺激小信号作为压控电流源(21)的电压输入控制信号经过压控电流源(21)产生用于控制镜像电流源(221)和镜像电流漏(222)的参考电流，所述镜像电流源(221)根据参考电流产生源电流并于源电流端输出，镜像电流漏(222)根据参考电流产生灌电流并于灌电流端输入，所述H型桥(31)的一个桥臂中点与所述的互补型电流源(22)中镜像电流源(221)的源电流端连接，H型桥(31)的另一个桥臂中点与所述的互补型电流源(22)中镜像电流漏(222)的灌电流端连接，H型桥(31)桥臂的一端与所述的多路复用器(32)中各输出通道的一端相连接，H型桥(31)桥臂的另一端与所述的多路复用器(32)中各输出通道的另一端相连接，镜像电流源(221)为H型桥(31)提供互补型电流中的源电流，镜像电流漏(222)为H型桥(31)提供互补型电流中的灌电流，主控处理器电路(1)通过控制H型桥(31)的两个桥臂开关的选通产生双相电流脉冲，H型桥(31)经过主控处理器电路(1)控制多路复用器(32)，再选通相应通道完成功能电刺激脉冲...
【专利技术属性】
技术研发人员：王海鹏，王志功，吕晓迎，黄宗浩，
申请(专利权)人：东南大学，南京神桥医疗器械有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏;32
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