一种单相电源阵列式双相电刺激反馈系统技术方案

本发明专利技术公开了一种单相电源阵列式双相电刺激反馈系统。微控制器模块发出控制信号协调控制双相电刺激脉冲发生模块和多通道电刺激电极阵列模块；双相电刺激脉冲发生模块接收微控制器模块的控制信号进而产生可调节双相电刺激脉冲输出到多通道电刺激电极阵列模块；多通道电刺激电极阵列模块接收微控制器模块的控制信号实时将双相电刺激脉冲转为电刺激并调节改变电极和强度大小；单相电源模块供电。本发明专利技术用于肢体感知的智能反馈，解决现有电刺激反馈系统不能让使用者感受到多模式而又无电击感的电刺激反馈的技术问题，切换电流正反向较快，能实现多模式、无电击感的电刺激反馈。

A single phase power supply array biphasic electrical stimulation feedback system

The invention discloses a single-phase power array type biphasic electrical stimulation feedback system. The microcontroller module sends out control signals to coordinate the dual-phase electrical stimulation pulse generator module and the multi-channel electrical stimulation electrode array module; the dual-phase electrical stimulation pulse generator module receives the control signals of the microcontroller module and generates the adjustable dual-phase electrical stimulation pulse output to the multi-channel electrical stimulation electrode array module; and the multi-channel electrical stimulation pulse generator module receives the control signals of the microcontroller module. The stimulus electrode array module receives the control signal of the microcontroller module to convert the dual-phase electrical stimulation pulse into electrical stimulation in real time and adjusts the size of the electrode and the intensity; the single-phase power supply module supplies power. The invention is used for intelligent feedback of limb perception, and solves the technical problem that the existing electric stimulation feedback system can not let the user feel multi-mode and no electric shock feedback. The switching current is fast in both forward and reverse directions, and can realize multi-mode and no electric shock feedback.

【技术实现步骤摘要】
一种单相电源阵列式双相电刺激反馈系统
本专利技术属于医疗康复器械领域的一种电刺激反馈系统，涉及了应用于肢体感知反馈的一种单相电源阵列式双相电刺激反馈系统。
技术介绍
肢体性残疾和神经系统疾病(尤其针对肢体的感觉障碍)成为我国的重大疾病之一。肢体在日常生活中的地位极其重要，失去对肢体控制和感知的人在日常生活上将面临极大的不便。失去肢体感知可以使用辅助感知设备。目前商业化假肢的交互系统都缺乏合适的感觉反馈，这影响了使用假肢的便捷性和功能性，具备感觉反馈系统的假肢和辅助设备在进行操作时可以提升动作的准确性，一定程度上减少对其余感觉器官的依赖。因此，开发具有适合的信息反馈的假肢和辅助设备更具有实用性。由于电刺激能使神经元膜电位变化形成动作电位从而传递到中枢神经系统使人产生感觉，所以常用在感觉反馈中。然而，由于电刺激反馈的位置和模式单一，长时间特定位置和特定模式的电刺激作用于神经，会使神经纤维产生适应性而减弱感知能力；在皮肤表面施加单相刺激脉冲电流，由于脉冲频率较高(500Hz以上)，脉冲通过两电极作用于人体时，人体会将电刺激脉冲滤波，从而原本的电刺激脉冲变为单相偏置的锯齿波，因此使用者会在电极下方的皮肤表面因电荷积聚而感受到被电击的不适感；正负双电源的双相电刺激脉冲电路对模拟开关芯片的要求高(要求模拟开关芯片能承受较大的正电压和负电压)，不便于高速多通道模拟开关的选型和应用，难以实现阵列式的多模式双相电刺激反馈。
技术实现思路
鉴于现有技术的上述缺陷，本专利技术目的在于提出了一种单相电源阵列式双相电刺激反馈系统，应用于肢体感知反馈，解决了目前电刺激反馈系统不能使患者感受到无电击感而又稳定的、多模式的电刺激反馈的问题。本专利技术其技术方案具体如下：本专利技术包括微控制器模块、双相电刺激脉冲发生模块、多通道电刺激电极阵列模块和仅一个单相电源模块；所述微控制器模块用于接收和处理反馈信息，分别连接双相电刺激脉冲发生模块和多通道电刺激电极阵列模块，发出控制信号协调控制双相电刺激脉冲发生模块和多通道电刺激电极阵列模块；所述双相电刺激脉冲发生模块用于生成和调节双相电刺激脉冲，分别连接微控制器模块和多通道电刺激电极阵列模块，接收微控制器模块的控制信号进而产生幅值、脉宽均可调节的双相电刺激脉冲并输出到多通道电刺激电极阵列模块；所述多通道电刺激电极阵列模块用于接收和处理双相电刺激脉冲，分别连接微控制器模块和双相电刺激脉冲发生模块，接收微控制器模块的控制信号实时将双相电刺激脉冲转为电刺激作用于人体并且切换电刺激产生的电极用于实现多通道组合电刺激；所述单相电源模块分别连接微控制器模块、双相电刺激脉冲发生模块和多通道电刺激电极阵列模块进行供电。所述双相电刺激脉冲发生模块包含脉冲幅值控制模块、双向电流逻辑控制模块和电流放大模块；所述脉冲幅值控制模块受控于微控制器模块用于控制双相电刺激脉冲的幅值；所述双向电流逻辑控制模块受控于微控制器模块用于控制施加到多通道电刺激电极阵列模块的电流流向和流通时间，进而产生双相脉冲并且控制双相脉冲的脉宽。所述电流放大模块用于放大施加到多通道电刺激电极阵列模块的电流。所述微控制器模块采用ATmega系列微控制器。所述双相电刺激脉冲发生模块具体包含脉冲幅值控制模块、双向电流逻辑控制模块和电流放大模块；脉冲幅值控制模块包括数模转换模块(DAC)和限流电阻R1、R2，双向电流逻辑控制模块包括四个开关通道S1、S2、S3、S4，电流放大模块包括四个NPN型三极管Q1、Q2、Q3、Q4；所述数模转换模块(DAC)分别与微控制器模块和第三、第四开关通道S3、S4的一端相连；第四开关通道S4的另一端经限流电阻R1连接到三极管Q1的基极，三极管Q1集电极分别连接到第一开关通道S1的一端、多通道电刺激电极阵列模块和三极管Q2集电极，三极管Q1发射极连接三极管Q2基极，三极管Q2发射极接地，第一开关通道S1的另一端与正电源VCC相连；第三开关通道S3的另一端经限流电阻R2连接到三极管Q3的基极，三极管Q3集电极分别连接到第二开关通道S2的一端、多通道电刺激电极阵列模块和三极管Q4集电极，三极管Q3发射极连接三极管Q4基极，三极管Q4发射极接地，第二开关通道S2的另一端与正电源VCC相连；微控制器模块输出端分别连接到四个开关通道S1、S2、S3、S4的控制端。现有常规的电刺激反馈系统一种方案是仅为单相电刺激反馈，这种方案会由于人体对电刺激脉冲进行滤波而使电刺激脉冲变为单相偏置的锯齿波，会因电荷在电极片下的皮肤表面积聚而使人感觉到被电击的不适感，严重情况会引起组织损伤。另一种方案是使用双相电源产生双相电刺激反馈，这种方案会增加电源电路的复杂性并且对多通道电刺激电极阵列模块中模拟开关的耐压要求高，要求模拟开关能承受正、负两相电压，不便于模拟开关选型。本专利技术特殊设计了双相电刺激脉冲发生模块，仅需要一个单相电源模块，通过切换刺激电流的流向便能实现双相电刺激，解决了上述电刺激反馈系统方案的缺陷。所述的单相电源模块通过分压的方式给微控制器模块、幅值控制模块、双向电流逻辑控制模块、多通道电刺激电极阵列模块供电。所述数模转换模块(DAC)为并行控制信号输入型数模转换模块(DAC)，其输出的建立时间小于等于5us，且所述限流电阻R1、R2的阻值大小为10KΩ。所述多通道电刺激电极阵列模块包括多通道模拟开关和多织物电极通道环形带；所述多通道模拟开关的一个开关通道的两端分别连接双相电刺激脉冲发生模块、多织物电极通道环形带，所述多通道模拟开关的控制端连接微控制器模块；所述多织物电极通道环形带在人肢体上穿戴；所述多织物电极通道环形带内嵌有多对织物电极，织物电极在和皮肤接触的内端面涂有导电硅胶，织物电极在不和皮肤接触的外端面紧贴连接纽扣电极，纽扣电极和导联线连接，一对织物电极对应所连接的两根导联线分别连接到多通道模拟开关的一个开关通道和双相电刺激脉冲发生模块。所述多通道模拟开关每个通道双向导通，即允许电流从某通道两端双向流动，每个通道开关状态可单独控制，导通电阻小于100Ω，闭合所需时间Ton和断开所需时间Toff均小于1us，每个通道耐压大于25V。本专利技术的多通道电刺激电极阵列模块受控于微处理器实现多织物电极通道环形带中的不同位置、多种模式的电刺激。本专利技术的有益效果：1.使用环形可穿戴多通道电刺激电极阵列模块，可实现稳定且多模式的电刺激反馈效果，不会因为长时间特定位置和特定模式的电刺激作用于神经而使神经纤维产生适应性而减弱感知能力；2.使用双相电刺激，即在刺激电极间施加双向电流，能更快速地及时转移走积聚电荷，给患者带来几乎无电击感的电刺激反馈，增加了穿戴者使用的舒适性；3.双相电刺激脉冲发生的电路设计巧妙，避免了使用正、负两相电源，降低了对阵列式电刺激模块所使用的模拟开关的耐压要求。4.使用ATmega系列微控制器模块，能方便可靠地控制实现多种反馈信号的提取和多种模式的电刺激反馈；附图说明图1是本专利技术所述单相电源阵列式双相电刺激反馈系统的电气原理框图；图2是本专利技术中双相电刺激脉冲发生模块的电路结构示意图；图3是本专利技术中多通道电刺激电极阵列产生的双相电刺激脉冲的示意图；图4是本专利技术中多通道电刺激电极阵列模块的电路结构示意图；图5是本专利技术中多织物电极通道环形带结构示本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种单相电源阵列式双相电刺激反馈系统，其特征在于：包括微控制器模块(1)、双相电刺激脉冲发生模块(2)、多通道电刺激电极阵列模块(3)和仅一个单相电源模块(4)；所述微控制器模块(1)用于接收和处理反馈信息，分别连接双相电刺激脉冲发生模块(2)和多通道电刺激电极阵列模块(3)，发出控制信号协调控制双相电刺激脉冲发生模块(2)和多通道电刺激电极阵列模块(3)；所述双相电刺激脉冲发生模块(2)用于生成和调节双相电刺激脉冲，分别连接微控制器模块(1)和多通道电刺激电极阵列模块(3)，接收微控制器模块(1)的控制信号进而产生幅值、脉宽均可调节的双相电刺激脉冲并输出到多通道电刺激电极阵列模块(3)；所述多通道电刺激电极阵列模块(3)用于接收和处理双相电刺激脉冲，分别连接微控制器模块(1)和双相电刺激脉冲发生模块(2)，接收微控制器模块(1)的控制信号实时将双相电刺激脉冲转为电刺激作用于人体，切换电刺激产生的电极；所述单相电源模块(4)分别连接微控制器模块(1)、双相电刺激脉冲发生模块(2)和多通道电刺激电极阵列模块(3)进行供电。

【技术特征摘要】
1.一种单相电源阵列式双相电刺激反馈系统，其特征在于：包括微控制器模块(1)、双相电刺激脉冲发生模块(2)、多通道电刺激电极阵列模块(3)和仅一个单相电源模块(4)；所述微控制器模块(1)用于接收和处理反馈信息，分别连接双相电刺激脉冲发生模块(2)和多通道电刺激电极阵列模块(3)，发出控制信号协调控制双相电刺激脉冲发生模块(2)和多通道电刺激电极阵列模块(3)；所述双相电刺激脉冲发生模块(2)用于生成和调节双相电刺激脉冲，分别连接微控制器模块(1)和多通道电刺激电极阵列模块(3)，接收微控制器模块(1)的控制信号进而产生幅值、脉宽均可调节的双相电刺激脉冲并输出到多通道电刺激电极阵列模块(3)；所述多通道电刺激电极阵列模块(3)用于接收和处理双相电刺激脉冲，分别连接微控制器模块(1)和双相电刺激脉冲发生模块(2)，接收微控制器模块(1)的控制信号实时将双相电刺激脉冲转为电刺激作用于人体，切换电刺激产生的电极；所述单相电源模块(4)分别连接微控制器模块(1)、双相电刺激脉冲发生模块(2)和多通道电刺激电极阵列模块(3)进行供电。2.根据权利要求1所述的一种单相电源阵列式双相电刺激反馈系统，其特征在于：所述双相电刺激脉冲发生模块(2)包含脉冲幅值控制模块(2-1)、双向电流逻辑控制模块(2-2)和电流放大模块(2-3)；所述脉冲幅值控制模块(2-1)受控于微控制器模块(1)用于控制双相电刺激脉冲的幅值；所述双向电流逻辑控制模块(2-2)受控于微控制器模块(1)用于控制施加到多通道电刺激电极阵列模块(3)的电流流向和流通时间，进而产生双相脉冲并且控制双相脉冲的脉宽；所述电流放大模块(2-3)用于放大施加到多通道电刺激电极阵列模块(3)的电流。3.根据权利要求2所述的一种单相电源阵列式双相电刺激反馈系统，其特征在于：所述双相电刺激脉冲发生模块(2)具体包含脉冲幅值控制模块(2-1)、双向电流逻辑控制模块(2-2)和电流放大模块(2-3)；脉冲幅值控制模块(2-1)包括数模转换模块(DAC)和限流电阻R1、R2，双向电流逻辑控制模块(2-2)包括四个模拟开关的开关通道S1、S2、S3、S4，电流放大模块(2-3)包括四个NPN型三极管Q1、Q2、Q3、Q4；所述数模转换模块(DAC)分别与微控制器模块(1)和第三、第四开关通道S3、S4的一端相连；第四开关通道S4的另一端经限流电阻R1连接到三极管Q1的基极，三极管Q1集电极分别连接到第一开关通道S1的一端、多通道电刺激电极阵列模块(3)和三极管Q2集电极，三极管Q1发射极连接三极管Q2基极，三极管Q2发射极接地，第一开关通道S1的另一端与正电源VCC相连；第三开关通道S3的另一端经限流电阻R2连接到三极管Q3的基极，三极管Q3集电极分别连接到第二开关通道S2的一端、多通道电刺激电极阵列模块(3)和三极管Q4集电极，三极管Q3发射极连接三极管Q4基极，三极管Q4发射极接地，第二开关通道S2的另一端与正电源VCC相连；微控制器模块(1)输出端分别连接到四个开关通道S1、S2、S3、S4的控制端。4.根据权利要求3所述的一种单相电源阵列式双相电刺激反馈系统，其特...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨赓，杨柳，庞高阳，张浩，杨华勇，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33