程控多通道電生理刺激器的制造方法
【專利摘要】本發明屬于醫療儀器【技術領域】，具體為一種程控多通道電生理刺激器。包括：上位機控制界面、微控制器、脈沖幅度控制電路、橋式放電電路、CPLD、脈沖分發電路。其中，上位機控制界面設置脈沖參數、脈沖發放通道等，把相應的控制指令按照串口通信協議格式發送給微控制器和CPLD；微控制器設置脈沖各項參數，控制相應硬件電路動作，按參數要求產生脈沖；CPLD控制相應通道導通或截止，決定脈沖發放的空間分布區域；脈沖分發電路將橋式放電電路輸出的脈沖波通過通道接入對應電極。本發明的脈沖幅度、寬度、間隔、周期、個數、波形、通道數均可靈活調整，可用于心臟起搏式低能量除顫，或者其他需要采用電生理刺激器研究、診斷或治療的領域。
【專利說明】程控多通道電生理刺激器
【技術領域】
[0001]本發明屬于醫療儀器【技術領域】，具體涉及一種可程控多通道的電生理刺激器，可用于心臟起搏式低能量除顫，或者其他需要采用電生理刺激器研究、診斷或治療的領域。
【背景技術】
[0002]電生理刺激器是指可以向生物體組織施加電刺激的設備。電生理刺激器是研究生物體電生理特征的必備工具，比如在測定骨骼肌細胞神經沖動的傳導速度實驗中，將刺激電極放在外周神經附近，觀察并測量刺激脈沖發出到測量電極處測得肌肉興奮之間的時間間隔，從而計算得到神經沖動傳導的速度，同時也可以知道引起肌肉興奮所需要的電刺激強度；另一方面，電生理刺激器也可以用于生物組織的電生理功能監測，比如在神經外科和脊柱外科手術中，通過采用特定參數的電脈沖刺激神經，觀察神經的各項指標來了解和監控神經的功能狀況，可用于避免術中神經損傷和預防術后神經功能受損。
[0003]在心臟診斷和治療領域，電生理刺激器也大有用處。利用與心臟同步發放的一組或若干組精確定時的早搏電脈沖來刺激心臟，觀察并記錄心臟產生的反應，可以有效地檢查出潛在的心臟傳導系統方面的病變:如利用電生理刺激器測量動作電位時程恢復特性，可以有效評估病人發生心律失常的風險。在治療心臟病變方面，心臟起搏器已經被證明在治療心動過緩方面具有巨大的應用價值。在治療快速性心律失常方面，抗心動過速起搏已經被臨床試驗證實可有效終止部分房性或室性心動過速。而對于最惡性的心律失常一室顫，也可以嘗試利用電生理刺激器來終止，即所謂的起搏式除顫。
[0004]起搏式除顫 是嘗試將一定模式的弱電刺激施加在心肌上，以期達到除顫的目的，是一種低能量除顫的方法，可以顯著減輕高能電擊對人體的傷害。用于起搏式除顫的電生理刺激器必須能夠發放心臟起搏式脈沖，具體說來應具備以下功能:1.具有多路脈沖輸出能力；2.各路輸出脈沖的空間范圍可以任意組合；3.各路脈沖幅度、寬度、間隔、周期、個數可調；4.脈沖波形可為雙相波或單相波。
【發明內容】
[0005]基于上述背景，針對起搏式除顫所需的電生理刺激器的設計需求，本發明的目的在于設計一種脈沖參數可程控，刺激通道及刺激模式可調節的多通道電生理刺激器，脈沖幅度、寬度、間隔、周期、個數、波形、通道數均可靈活調整。
[0006]本發明提出的可程控多通道電生理刺激器，由上位機控制界面、微控制器(MCU)、脈沖幅度控制電路、橋式放電電路、復雜可編程邏輯器件(CPLD)、脈沖分發電路組成。其中:
所述上位機控制界面設置各項脈沖參數，刺激發放通道等，然后把相應的控制指令按照串口通信協議的格式發送給微控制器(MCU)和復雜可編程邏輯器件(CPLD)；
所述微控制器(MCU)接收上位機的控制指令，設置脈沖的波形(雙相/單相)、寬度、幅度、間隔、周期、個數等參數，根據指令控制相應硬件電路動作，按參數要求發放脈沖；所述脈沖幅度控制電路利用外供低壓直流電源對儲能電容充電至設定電壓值，該電壓送入橋式放電電路，決定了脈沖幅度；所述橋式放電電路采用兩對開關管構成H型橋路，形成兩個電流方向相反的放電回路，兩個放電回路交替導通截止，使系統能夠發放雙相脈沖波，通過控制開關管的導通截止時間、次數控制脈沖寬度、間隔、個數等參數；
所述復雜可編程邏輯器件(CPLD)接收上位機的控制指令，控制相應通道導通或截止，從而決定脈沖發放的空間分布區域；
所述脈沖分發電路將橋式放電電路輸出的脈沖波通過導通的通道接入對應電極。
[0007]本發明中，上位機控制界面根據設置上位機與MCU和CPLD串口通信協議的數據格式，設置脈沖的波形(雙相/單相)、寬度、幅度、間隔、周期、個數等參數，設置刺激電極的導通區域，控制刺激脈沖開始/停止發放的整個過程，并可實時顯示刺激器工作狀態。
[0008]本發明中，微控制器接收上位機的控制指令，設置脈沖的波形、幅度、寬度、間隔、個數、周期等參數。微控制器通過信號Ctrll控制脈沖幅度控制電路，調節脈沖幅度；通過信號Ctrl2~Ctrl5控制組成橋式放電電路四個開關管的導通或截止，進而，控制脈沖的寬度、幅度、間隔、個數、周期、波形等。
[0009]本發明中，脈沖幅度控制電路根據設置的脈沖幅度，利用反激式開關電源將儲能電容充電至設置的目標電壓值。所述脈沖幅度控制電路由直流電源DC、開關管Q1、變壓器T1、二極管D1、儲能電容Cl和比較器AI連接組成。其中變壓器TI初級的一端(同名端)接低壓直流電源的正極，另一端接開關管Ql的漏極；開關管Ql的源極接直流電源的負極并接實地GND;開關管Ql柵極的控制信號Ctrll接比較器Al的輸出端，比較器Al的反相輸入端接儲能電容Cl的反饋電壓V_Ref，比較器Al的同相輸入端接微控制器的數-模轉換輸出電壓V_DAC。變壓器Tl次級的同名端接接儲能電容Cl的負極并接虛地FGND，另一端接二極管Dl的正極；二極管Dl的負極接儲能電容Cl的正極。輸出電壓Vl接入橋式放電電路。
[0010]本發明中，橋式放電電路中，由開關管Q2和開關管Q5組成一對放電回路，由開關管Q3和開關管Q4組成另一對放電回路，開關管Q2、開關管Q3、開關管Q4和開關管Q5依次對應的控制信號Ctrl2飛trl5來自微控制器，當控制信號Ctrl2、控制信號Ctrl5為高電平，控制信號Ctrl3、控制信號Ctrl4為低電平時，開關管Q2、開關管Q5導通，開關管Q3、開關管Q4截止，發放正相脈沖；當控制信號Ctrl2、控制信號Ctrl5為低電平，控制信號Ctrl3、控制信號Ctrl4為高電平時，開關管Q2、開關管Q5截止，開關管Q3、開關管Q4導通，發放負相脈沖。兩組放電回路交替導通截止，即可實現發放雙相波。發放的電脈沖V2接入脈沖分發電路。
[0011]本發明中，復雜可編程邏輯器件(CPLD)接收上位機的控制指令，輸出控制信號Ctrie^Ctrl (N+5) (N為電子開關個數)，控制脈沖分發電路中的N個電子開關的通斷，每個電子開關的一端接電脈沖V2,另一端分別接到對應的電極上。控制信號輸出為高電平時，電脈沖V2通過導通的電子開關管接到相應的電極。
[0012]本發明的可程控多通道電生理刺激器的脈沖幅度、寬度、間隔、周期、個數、波形、通道數均可靈活調整，可 用于心臟起搏式低能量除顫，或者其他需要采用電生理刺激器研究、診斷或治療的領域。
【專利附圖】
【附圖說明】[0013]圖1是刺激器系統框架圖。
[0014]圖2是上位機控制界面圖。
[0015]圖3是脈沖幅度控制電路圖。
[0016]圖4是橋式放電電路圖。
[0017]圖5是脈沖分發電路圖。
【具體實施方式】
[0018]本發明提供的程控多通道電生理刺激器，可用于心臟起搏式低能量除顫研究。在本具體實施例中，共有64路電極；脈沖波形可設置為單相波或雙相波；脈沖幅度為
0.1-100ν ;脈沖寬度為1~1Oms ;脈沖間隔1~1Oms ;脈沖周期100~1000ms ;脈沖個數1~10。
[0019]【具體實施方式】如下:
圖1所示為本發明刺激器系統框架圖，由上位機控制界面Ml、微控制器(MCU) M2、脈沖幅度控制電路M3、橋式放電電路M4、復雜可編程邏輯器件(CPLD )M5、脈沖分發電路M6組成。上位機控制界面Ml設置各項脈沖參數，脈沖發放通道等，然后把相應的控制指令按照設定的串口通信協議的數據格式發送給MCU M2和CPLD M3 ；MCU M2接收上位機控制界面Ml的控制指令，設置脈沖幅度、寬度、間隔、個數等參數，通過信號Ctrll控制脈沖幅度控制電路M3充電至設定電壓值VI ，通過信號Ctrl2~Ctrl5控制橋式放電電路M4的4個開關管導通截止；脈沖幅度控制電路M3的核心是反激式開關電源，利用外供低壓直流電源對儲能電容Cl充電至設定電壓值VI，Vl的取值范圍為0.f 100V，該電壓送入橋式放電電路M4，決定了脈沖幅度；橋式放電電路M4采用兩對開關管構成H橋路，形成兩個電流方向相反的放電回路，兩個放電回路交替導通截止，使系統能夠發放雙相脈沖波，通過控制開關管的導通截止時間、次數控制脈沖寬度、間隔、周期、個數等參數，輸出的電壓脈沖V2接入脈沖分發電路M6 ；CPLD M5接收上位機控制界面Ml的控制指令，在本具體實施中共有64路電極(N=64)，所以CPLD M5輸出Ctrl6~Ctrl69共64個控制信號，控制刺激分發電路M6中相應通道的導通截止，從而決定脈沖發放的空間分布區域；脈沖分發電路M6共64個開關通道，分別接64路電極，電極貼放在心臟的不同部位，每一路上端都接電脈沖V2。
[0020]圖2所示為上位機的控制界面圖。通過該控制界面M1，用戶可以設置脈沖的各項參數和相應的導通通道。該控制界面由3個功能塊組成，分別為MCU設置模塊，CPLD設置模塊，開始/停止刺激模塊。MCU設置模塊中設置上位機與MCU M2串口通信的數據格式，設置脈沖的波形(雙相/單相)、寬度、幅度、間隔、周期、個數等參數，實時顯示數據收發情況，并可控制儲能電容Cl的充放電過程。CPLD設置模塊設置上位機與CLPD M5串口通信的數據格式，設置刺激電極的導通區域，并可實時顯示數據收發情況。前兩個模塊數據設置完成之后，按下開始/停止刺激按鈕即可控制發放脈沖，并顯示一些輔助時間信息。
[0021]圖3所示為脈沖幅度控制電路圖。脈沖幅度控制電路M3由直流電源DC、比較器Al、開關管Q1、變壓器Tl、二極管D1、儲能電容Cl連接組成。其中變壓器Tl初級的一端(同名端)接直流電源的正極，另一端接開關管Ql的漏極；開關管Ql的源極接直流電源的負極并接實地GND ;開關管Ql的柵極接比較器Al的輸出信號Ctrll。變壓器Tl次級的同名端接接儲能電容Cl的負極并接浮地FGND，另一端接二極管Dl的正極；二極管Dl的負極接儲能電容Cl的正極。比較器Al的反相輸入端接儲能電容Cl的反饋電壓V_Ref，比較器的同相輸入端接微控制器M2的數-模轉換輸出電SV_DAC。當開關管Ql導通時，低壓直流電源DC對變壓器Tl充電，變壓器Tl的初級有電流流過，此時次級有感應電動勢，但是由于二極管Dl的反向截止，次級沒有電流，能量存儲在變壓器Tl之中。當開關管Ql關斷時，初級電流驟減為O，但由于變壓器磁通不能突變，次級會感應反相電動勢，瞬時產生高電壓，于是二極管Dl正向導通，實現對儲能電容Cl充電。開關管Ql反復通斷即可實現持續充電，最終能量存儲于儲能電容Cl上。控制信號Ctrll采用高頻的PWM信號。微控制器M2接收上位機控制界面Ml的控制指令，根據脈沖幅度參數設置輸出不同的電壓V_DAC，當V_DAC > V_Ref時，Ctrll輸出PWM信號，開關管Ql正常通斷，充電電路工作，對儲能電容Cl充電，電壓Vl升高，同時反饋電壓V_Ref升高；當V_DAC < V_Ref時，Ctrll變為低電平，開關管Ql始終關斷，停止對儲能電容Cl充電。儲能電容Cl的反饋電壓V_Ref是由電壓Vl分壓后經過采樣電路得到，分壓電路在此不再列出。為保證起搏式除顫有足夠的能量供應，選取電容Cl=4000uF。此處脈沖幅度控制電路M3引用專利ZL 200720074627.7。
[0022]圖4所示為橋式放電電路圖。橋式放電電路M4由兩對場效應管構成一個H橋路，Q2和Q5管、Q3和Q4管分別組成一對放電回路，各場效應管的柵極控制信號Ctrdtr15接自微控制器M2，Q2和Q3的漏極接儲能電容Cl上端，Q4和Q5的源極接虛地FGND，P、N兩端把電脈沖V2接入后級的脈沖分發電路M6中。當Ctrl2和Ctrl5為高電平，Ctrl3和Ctrl4為低電平時，Q2和Q5導通，Q3和Q4截止，電脈沖V2從P端接到N端；當Ctrl2和Ctrl5為低電平，Ctrl3和Ctrl4為高電平時，Q2和Q5截止，Q3和Q4導通，電脈沖V2從N端接到P端。通過控制信號Ctr12飛tr15，可以在P、N兩端實現雙相波脈沖的方法。
[0023]圖5所示為脈沖分發電路圖。CPLD M5輸出64個控制信號Ctrl6~Ctrl69，控制64個光電耦合器的通斷，每個光電耦合器的次級上端接電脈沖V2，下端接對應電極。CPLD接收來自上位機控制界面Ml的指令，設定脈沖發放區域，使對應的控制信號輸出為高電平，電脈沖V2通過導通的光電耦合器接到相應的電極，刺激相應的心臟區域。
[0024]以上僅為本發明的較佳實施例，但本發明的保護范圍并不局限于此，任何熟悉本【技術領域】的技術人員在本發明揭露的技術范圍內，可輕易想到的變化或者替換，都應涵蓋在本發明的保護范圍內。因此，本發明的保護范圍應該以權利要求書要求所界定的保護范圍為準。
【權利要求】
1.一種可程控多通道電生理刺激器，其特征在于，由上位機控制界面、微控制器、脈沖幅度控制電路、橋式放電電路、復雜可編程邏輯器件和脈沖分發電路組成；其中: 所述上位機控制界面根據上位機與微控制器和復雜可編程邏輯器件串口通信協議的數據格式，設置脈沖的參數:波形、寬度、幅度、間隔、周期、個數，設置刺激電極的導通通道，然后把相應的控制指令按照通訊協議格式，通過串口發送給微控制器和復雜可編程邏輯器件，控制刺激脈沖開始/停止發放的整個過程，并實時顯示刺激器的工作狀態； 所述微控制器接收上位機的控制指令，設置脈沖的參數:幅度、寬度、間隔、個數、周期、波形；微控制器通過控制信號Ctrll控制脈沖幅度控制電路，調節脈沖幅度；發放4個控制信號Ctrl2~Ctrl5到橋式放電電路，控制脈沖的寬度、間隔、個數、周期、波形； 所述脈沖幅度控制電路利用外供低壓直流電源將儲能電容充電至設定電壓值； 所述橋式放電電路采用兩對開關管構成H橋路，形成兩個電流方向相反的放電回路，兩個放電回路交替導通截止，使刺激器能夠發放雙相脈沖波，通過控制開關管的導通截止時間、次數控制脈沖參數:寬度、間隔、個數； 所述復雜可編程邏輯器件接收上位機的控制指令，控制相應通道導通或截止，從而決定脈沖發放的空間分布區域； 所述脈沖分發電路將橋式放電電路輸出的脈沖波通過導通的通道接入對應電極。
2.根據權利要求1所述的可程控多通道電生理刺激器，其特征在于，所述脈沖幅度控制電路由直流電源DC、開關管Q1、變壓器Tl、二極管D1、儲能電容Cl和比較器Al連接組成；其中變壓器Tl初級的一端即同名端接直流電源的正極，另一端接開關管Ql的漏極；開關管Ql的源極接直流電源的負極并接實地GND ;開關管Ql柵極的控制信號Ctrll由比較器Al的輸出端進行控制，比較器Al的反相輸入端接儲能電容Cl的反饋電壓V_Ref，比較器Al的同相輸入端接微控制器的數-模轉換輸出電壓V_DAC ;變壓器Tl次級的同名端接儲能電容Cl的負極并接虛地FGND，另一端接二極管Dl的正極；二極管Dl的負極接儲能電容Cl的正極；輸出電壓Vl接入橋式放電電路。
3.根據權利要求1所述的可程控多通道電生理刺激器，其特征在于，所述橋式放電電路中，由開關管Q2和開關管Q5組成一對放電回路，由開關管Q3和開關管Q4組成另一對放電回路；開關管Q2、開關管Q3、開關管Q4和開關管Q5依次對應來自微控制器的控制信號Ctrl2~Ctrl5，當控制信號Ctrl2、控制信號Ctrl5為高電平，控制信號Ctrl3、控制信號Ctrl4為低電平時，開關管Q2、開關管Q5導通，開關管Q3、開關管Q4截止，發放正相脈沖；當控制信號Ctrl2、控制信號Ctrl5為低電平，控制信號Ctrl3、控制信號Ctrl4為高電平時，開關管Q2、開關管Q5截止，開關管Q3、開關管Q4導通，發放負相脈沖；兩組放電回路交替導通截止，即可實現發放雙相波；發放的電脈沖V2接入脈沖分發電路。
4.根據權利要求1所述的可程控多通道電生理刺激器，其特征在于，所述復雜可編程邏輯器件接收上位機的控制指令，輸出控制信號Ctrl6~Ctrl (N+5)，N為電子開關個數，控制脈沖分發電路中的N個電子開關的通斷，每個電子開關的一端接電脈沖V2，另一端分別接到對應的電極上；控制信號輸出為高電平時，電脈沖V2通過導通的電子開關管接到相應的電極。
【文檔編號】A61N1/39GK103893914SQ201410078147
【公開日】2014年7月2日 申請日期:2014年3月5日 優先權日:2014年3月5日
【發明者】鄔小玫, 王建飛, 金練 申請人:復旦大學