CN101491715B - 一种超低频磁刺激装置及其工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种超低频磁刺激装置及其工作方法。该装置包括控制模块、电平平移与变换电路和输出模块，其中，控制模块，用于生成频率为20Hz以下的直流刺激信号；电平平移与变换电路，用于对刺激信号进行电位平移，使之成为交流刺激信号；输出模块，用于对交流刺激信号进行功率放大，并产生电流、电场或磁场。本发明超低频磁刺激装置的输出电流为非脉冲超低频的电流(20Hz以下)、电场或磁场；输出的电流可与电极连接用于电治疗，可与线圈连接用于磁治疗，从而达到治疗和缓解大脑相关疾病的目的。

Description

一种超低频磁刺激装置及其工作方法

技术领域

本发明属于医疗器械，特别涉及一种超低频磁刺激装置及其工作方法。 

背景技术

当代医学研究表明，包括大脑和小脑在内的人脑组织对磁信号非常敏感。磁刺激能改善大脑局部血液循环，促进脑细胞修复，激发脑组织活力。利用大脑对磁场的敏感性，对大脑进行磁诱导，可以治疗和预防精神疾病。而且磁刺激具有无创性和安全性高的特点。当前应用的磁刺激技术所用的磁场主要是脉冲磁场，使用频率较高，主要用于神经科疾病的诊断，对疾病的治疗效果难以让人满意。同时，科学研究还发现，不同频段的磁场刺激对大脑所产生的生物学效应是有所不同的。 

现有技术中还没有下述的医疗器械：通过产生超低频的电流，通过电极或线圈作用于大脑，调节脑内的神经递质的功能，进而调节大脑的功能；而随着社会竞争压力逐渐增大，精神和心理疾病已成为人类面临的一项挑战，因此对大脑的功能进行调解是现代人非常需要的。 

发明内容

为了解决上述的技术问题，本发明提供了一种超低频磁刺激装置及其工作方法，用于治疗和缓解大脑相关疾病。 

本发明提供了一种超低频磁刺激装置，该装置包括控制模块、电平平移与变换电路、输出模块，其中， 

控制模块，用于生成频率为20Hz以下的直流刺激信号； 

电平平移与变换电路，用于对刺激信号进行电位平移，使之成为交流刺激信号； 

输出模块，用于对交流刺激信号进行功率放大，并产生电流、电场或磁场。 

控制模块包括ARM处理器以及音频芯片，音频芯片在ARM处理器的控 制下产生所述直流刺激信号。 

还包括人机界面，与ARM通信以实现人机界面控制。 

控制模块采用型号为QQ2440V3的开发板，所述音频芯片为UDA1341TS；UDA1341TS通过输出口的电容(C45)和电容(C46)短接，通过输出口的电阻(R4)和电阻(R9)R9接地。 

输出模块包括至少一个功率放大电路，功率放大电路的输出端和一个线圈连接。 

输出模块包括至少一个功率放大电路，功率放大电路的输出端和一个电极连接。 

所述交流刺激信号是以0V为基准的交流刺激信号。 

所述功率放大电路为芯片TDA7294；控制模块还用于输出芯片TDA7294所需的静音控制信号。 

控制模块为ARM处理器；电平平移与变换电路还用于将静音控制信号的电压变换，将高电平为3.3V的静音控制信号变换为5V的静音控制信号输出至芯片TDA7294。 

输出电流为单一频率的非脉冲超低频的电流和/或多种频率的非脉冲超低频电流的组合输出；单一频率电流和/或多种频率组合电流同时输出或分时输出。 

多种频率的组合输出时采用调制输出或叠加输出。 

本发明提供了一种超低频磁刺激装置的工作方法，包括： 

步骤1，生成频率为20Hz以下的直流刺激信号； 

步骤2，对刺激信号进行电位平移，使之成为交流刺激信号； 

步骤3，对交流刺激信号进行功率放大，并产生电流、电场或磁场。 

本发明超低频磁刺激装置的输出电流为非脉冲超低频的电流(20Hz以下)、电场或磁场；输出的电流可与电极连接用于电治疗，可与线圈连接用于磁治疗；输出电流为单一频率的连续非脉冲超低频的电流，和多种频率的非脉冲连续超低频电流的组合输出，可同时输出或分时输出；可多种频率的组合输出治疗，可采用调制输出或叠加输出；其采用交变的超低频非脉冲磁场，对人的大脑进行磁诱导，从而达到治疗和缓解大脑精神相关疾病的目的。 

附图说明

图1为本发明超低频磁刺激装置的电路原理图； 

图2为本发明超低频磁刺激装置中音频输出电路的原理图； 

图3为本发明超低频磁刺激装置中电平平移与变换电路原理图； 

图4为本发明超低频磁刺激装置中电平平移与变换电路的加法器的电路原理图； 

图5为本发明超低频磁刺激装置中功率放大电路的原理图； 

图6为本发明超低频磁刺激装置中功率放大电路的静音控制电路原理图。 

具体实施方式

本发明公开的超低频磁刺激装置如图1所示。包括控制模块10，电平平移与变换电路20和输出模块30。控制模块10包括ARM处理器103、触摸式彩色液晶显示屏101和音频芯片102；输出模块30包括四个功率放大电路301(该产品的生产者可以设置功率放大器的个数)以及相应的四个线圈303，每个功率放大电路301具有一个通道302。ARM处理器103连接触摸式彩色液晶显示屏101，ARM处理器103的输出端子直接连接电平平移与变换电路20的同时，还通过音频芯片连接电平平移与变换电路20，电平平移与变换电路20再通过并列的超低频信号输出线和静音控制线连接功率放大电路301，四个功率放大电路301的输出端各连接一个线圈303，刺激频率为0.001Hz～20Hz；功率放大电路输出端还可以连接有电疗电极(图中未示出)，电疗频率为0.001Hz～20Hz。 

输出电流为非脉冲超低频的20Hz(优选0.2Hz)以下电流、电场或磁场；输出的电流与电极连接用于电治疗，与线圈303连接用于磁治疗；输出端只能连接电极或线圈之一；输出电流为单一频率的非脉冲超低频的电流，和多种频率的非脉冲超低频电流的组合输出，单一频率电流和多种频率组合同时输出或分时输出；或输出电流为多种频率的组合输出，组合输出时采用调制输出或叠加输出。刺激频率0.001Hz～20Hz按1毫赫兹连续可调；最大磁场强度为200高斯，连续可调；输出波形为单个正弦波或多个正弦波的叠加。 

如此设计，超低频磁刺激装置的硬件主要由ARM处理器(含有操作***)103、电平平移与变换电路20、和输出模块30三部分组成。其中，ARM处理 器103主要负责人机界面控制，超低频刺激信号的生成，静音控制，治疗方案的设置与存储，以及磁场标定等功能。电平平移与变换电路20负责对ARM的输出信号进行电位平移，使之成为0基准的超低频信号输出给功放电路；同时对ARM输出的静音信号进行电平变换，使之符合后续功放电路的控制要求。输出模块30负责对超低频刺激信号进行功率放大，并通过线圈输出，产生交变的超低频刺激磁场。本仪器采用变压器供电，功率为1500W，初级输入为220VAC，次级为28VAC两路，12VAC两路。其中两路28V输出串联整流后为功放板供电；两路12V输出串联整流后为电平平移与变换电路和ARM控制模块供电。其采用超低频连续磁场，对人的大脑进行磁诱导，从而达到治疗和缓解大脑精神相关疾病的目的。 

作为优化，所述控制模块采用型号为QQ2440V3的开发板，其音频芯片UDA1341TS通过输出口的C45，C46电容短接，同时将R4和R9电阻接地去掉滤波功能。如此设计，控制模块的主控板采用广州友善之臂公司生产的QQ2440V3开发板，液晶显示采用其配套的7寸彩色液晶屏。根据需要，对ARM开发板做了少量改动。即将音频芯片UDA1341TS输出口的C45，C46电容短接，同时将R4和R9电阻去掉。原因在于：本设计采用音频芯片进行超低频刺激信号输出，而原开发板上音频输出10HZ以下被滤波，所以本设计将滤波器件去掉，以产生超低频信号。 

针对本仪器的特殊用途，定制了专用的WinCE5.0内核，该***启动后可自动加载SD卡上的用户程序。 

还设计了专用的超低频磁刺激***应用程序，该程序可以方便的进行对波形参数的设置，磁场定标，8种刺激方案的设定和保存，刺激计时，强度在线调整等实用功能。 

作为优化，如图2所示，所述音频芯片UDA1341TS的1、5、11、27脚直接接地；23、9、21、20脚分别通过10K的R77、R78、R79、R80接地；28脚通过0.1μF电容C44接地；2、4脚串接后通过10μF电容C47并接MICIN和47K的R3、R3再通过100K的R11并接VDD33V和通过10μF电容C48接地；26脚通过10μF电容C45并接LINEOUT L和通过10K的R9接地；24脚通过10μF电容C46并接LINEOUT B和通过10K的R4接地；12、16、17、18、19、13、14、15脚分别接CDCLK、I2SSCLK、I2SLRCK、I2SSDI、I2SSDO、 L3MODE、L3CLOCK、L3DATA；3、7、25脚串接后接AU-AVDD33V，通过10μF电容C71接地，通过电感L4连接VDD33V；10脚连接VDD33V。如此设计，结构简单，性能可靠。 

作为优化，电平平移与变换电路的电平平移是将控制模块10输出的超低频基准为1.75V直流信号变换为0V为基准的交流信号，电平变换是采用集电极开路的反相器芯片实现控制模块输出的静音信号输出高电平3.3V到5V的电平转化。如此设计，电平平移与变换电路20是控制模块10和输出模块30之间的接口电路。其主要作用有二： 

1)电平平移。从控制模块10输出的超低频信号基准为1.75V，是直流信号。电平平移的目的是将此信号变换为以0V为基准的交流信号。这样经过后续功率放大放可产生交变的超低频磁场。 

2)电平变换。控制模块10输出的静音信号输出高电平为3.3V，此电压和驱动能力都不足以完成功放的静音，因此，本设计采用集电极开路的反相器芯片74LS06实现3.3V与5V的电平转化，并增加驱动能力。 

作为优化，如图3所示，电平平移与变换电路20包括整流桥、稳压器、电解电容、电位器、电阻、NE5532放大器、74LS06反向器、以及电源输入、信号输入和输出三个外接端口；电源接头ACINPUT的1、2接口的两路12伏的交流电串接后连接整流桥J0的2、3接口，整流桥J0产生的正负两路电压分别通过其4、1接口连接7805正稳压芯片JI的1接口和7905负稳压芯片J2的2接口；电源接头ACINPUT的负极接口3接地、并连接正稳压芯片JI的2接口和7905负稳压芯片J2的1接口，还分别通过1000μF电容C1、1000μF电容C3、1000μF电容C2、1000μF电容C4分别连接正稳压芯片JI的1、3接口、负稳压芯片J2的2、3接口；正稳压芯片JI的3接口连接NE5532放大器JP1的8接口，放大器JP1的1接口连接INPUT输出入接头J5的1接口，放大器JP1的1接口和2接口通过6K电阻R4串连，负稳压芯片J2的3接口与放大器JP1的4接口串接后通过10K调节电位器R1接地，放大器JP1的2接口通过6K电阻R3连接INPUT输入接头J4的2接口，放大器JP1的2接口还通过15K电阻R2连接调节电位器R1；正稳压芯片JI的3接口、电容C3和放大器JP1的8接口串接后连接74LS06集电极开路的反向器JP2的14接口、还通过33K电阻R5连接反向器JP2的2接口，反向器JP2的14接口通过0.1μF 电容C5接地，电容C5接地前还连接INPUT输入接头J4的3接口、OUTPUT输出入接头J5的3接口和反向器JP2的7接口，反向器JP2的1接口连接INPUT输入接头J4的1接口，反向器JP2的2接口连接OUTPUT输出接头J5的1接口。图2中的输出信号LINEOUT L与INPUT输入接头J4的2接口连接，输出信号LINEOUT B悬空。 

如此设计，该电路主要由整流桥、稳压器、电解电容、电位器、电阻、NE5532放大器、74LS06反向器、以及电源输入、信号输入和输出三个外接端口组成。工作原理为：电源提供的两路12伏的交流电串接后通过整流桥，产生的正负两路电压，通过正稳压芯片7805和负稳压芯片7905，分别输出正负5伏的直流电，为放大器NE5532供电。利用放大器NE5532、电阻和电位器搭建加法器电路，通过调节电位器进行电平平移。 

1)整流桥：采用3A排桥，两路12伏交流电从两个输入端进入，有正负两路整流后的输出。 

2)稳压器：采用7805和7905两稳压块，整流桥的输出电压，正向电压经过7805转化为5伏直流正电压，负向电压经过7905转化为5伏直流负电压。 

3)电解电容：稳压器两端的0.1uF/25伏的电解电容是旁路电容，抑制电路中可能产生的自激振荡，起到抑制干扰的作用。 

4)运算放大器：采用运算放大器NE5532，其为DIP8封装的双运放，内部为JFET(结型场效应管结构)，驱动力强，电压适应范围非常宽，从正负3V至正负20V都能正常工作。 

加法器：原理图4所示，利用计算公式： 

$V_{\mathrm{out}}=-[\frac{R_5}{R_3}{V}_{\mathrm{in}}+\frac{R_5}{R_2}\left(\frac{0~R_1}{R_1}\right)\×(-5)]$

R₁选择10K电位器，R₂选择15K电阻，R₃、R₅选择6K电阻，带入上述公式可得：输出电压在原信号上加入0V～-2V的平移电压。 

作为优化，所述功率放大电路的音频放大芯片为TDA7294型，所述功率放大电路的其额定输出功率达100W、工作电压为±32V。如此设计，输出模块30负责对超低频刺激信号进行功率放大，并通过线圈输出，产生交变的超低频刺激磁场。 

作为优化，如图5所示，所述功率放大电路是音频放大芯片TDA7294的1接口STBY-GND接地，音频放大芯片TDA7294的8和15接口串接后分别通 过100nF的电容C9接地、接输入信号-VS、通过1000nF的电容C8接地；音频放大芯片TDA7294的7和13接口串接后分别通过100nF的电容C7接地、接输入信号+VS、通过1000nF的电容C6接地；音频放大芯片TDA7294的4接口接地，音频放大芯片TDA7294的3接口通过22K电阻R1接地，音频放大芯片TDA7294的2接口通过680Ω的电阻R2接地，还通过22K电阻R3连接音频放大芯片TDA7294的14接口、22μF电容C5和线圈303，电容C5再连接音频放大芯片TDA7294的6接口，线圈303再接地。图3中的输出信号output1与作为输入与音频放大芯片TDA7294的3接口连接(四个音频放大芯片均接收该输出信号output1)，图3中的输出信号output2与音频放大芯片TDA7294的10接口连接(四个音频放大芯片均接收该输出信号output2)。 

如此设计，功率放大电路采用了音频放大芯片TDA7294，其额定输出功率可达到100W(工作电压为±32V时)。各器件的作用如下表所示。 

以上电子部件可以大于或小于推荐值，其中：R1用于输入阻抗、大于推荐值时用于提高输入阻抗、小于推荐值时用于减小输入阻抗；R2用于闭环增益到30DB，大于推荐值时减小增益、小于推荐值时增大增益；R3用于闭环增益到30DB，大于推荐值时增大增益、小于推荐值时减小增益；R4用于STBY时间，大于推荐值时更高待机时间、小于推荐值时更小待机时间；R5用于MUTE时间，大于推荐值时更高静音时间、小于推荐值时更低静音时间；C3用于MUTE时间，大于推荐值时更高静音时间、小于推荐值时更低静音时间；C4用于STBY时间，大于推荐值时更高待机时间、小于推荐值时更小待机时间；C5属于自举电容、小于推荐值时低频信号衰减；C6，C8用于电源过滤。C7，C9用于电源过滤。 

作为优化，所述功率放大电路的音频放大芯片为TDA7294型，所述功率放大电路的其额定输出功率达100W、工作电压为±32V。如此设计，匹配性好。 

作为优化，所述功率放大电路还包括静音控制电路，如图5所示，静音控制电路是音频放大芯片TDA7294的STBY端子通过20K电阻R20连接音频放大芯片TDA7294的4接口，还通过10μF电容C20接地；音频放大芯片TDA7294的MUTE端子通过10μF电容C21接地，还依次通过相互并联的30K电阻R21、IN4148二极管和10K电阻R22串接音频放大芯片TDA7294的4接口与电阻R20之间的连线。如此设计，为了使在不需要磁场输出时，线圈中没有任何干扰电流，其的输出为0，在功放电路中增加了静音控制。其电路图如图5所示，当MUTE端为高电平(+5V)时，TDA7294芯片正常工作，对输入信号进行功率放大。当MUTE端为低电平(＜2.5V)时，TDA7294芯片静音，即无论有无输入信号，输出电流为0。 

作为优化，输出电流为非脉冲超低频的0.2Hz以下电流、电场或磁场；输出的电流与电极连接用于电治疗，与线圈连接用于磁治疗；输出电流为单一频率的非脉冲超低频的电流，和多种频率的的非脉冲超低频电流的组合输出，单一频率电流和多种频率组合电流同时输出或分时输出；或输出电流为多种频率的组合输出，组合输出时采用调制输出或叠加输出。 

作为优化，刺激频率0.001Hz～20Hz按1毫赫兹连续可调，可以通过调节选择相应的频率，例如0.001Hz，0.002Hz，0.003Hz，0.005Hz，0.01Hz，0.1Hz，0.2Hz，0.5Hz，1Hz，2Hz，4Hz，8Hz，10Hz，16Hz，18Hz等不同的频率；最大磁场强度为200高斯，连续可调；输出波形为单个正弦波或多个正弦波的叠加。如此设计，其采用交变的超低频连续磁场，对人的大脑进行磁诱导，从而达到治疗和缓解大脑精神相关疾病的目的。 

需要说明的是：采用变压器供电，功率为1500W，初级输入为220VAC，次级为28VAC两路，12VAC两路。其中两路28V输出串联整流后为功放板供电；两路12V输出串联整流后为电平平移与变换电路和ARM控制模块供电。 

本发明还提供了一种超低频磁刺激装置的工作方法，包括： 

步骤1，生成频率为20Hz以下的直流刺激信号； 

步骤2，对刺激信号进行电位平移，使之交流刺激信号； 

步骤3，对交流刺激信号进行功率放大，并产生电流、电场或磁场。 

Claims (12)

1.一种超低频磁刺激装置，其特征在于，该装置包括控制模块、电平平移与变换电路、输出模块，其中，

该控制模块，用于生成频率为20Hz以下的直流刺激信号；

该电平平移与变换电路，用于对刺激信号进行电位平移，使之成为交流刺激信号；该电平平移与变换电路包括整流桥、稳压器、电解电容、电位器、电阻、放大器NE5532、反相器74LS06以及电源输入、信号输入和输出三个外接端口；该电源提供两路交流电串接后通过该整流桥，产生的正负两路电压，通过该稳压器输出直流电为该放大器NE5532供电；利用该放大器NE5532、该电阻和该电位器搭建加法器电路，通过调节该电位器进行电平平移；输出模块，用于对交流刺激信号进行功率放大，并产生非脉冲超低频的电流、电场或磁场。

2.如权利要求1所述的超低频磁刺激装置，其特征在于，控制模块包括ARM处理器以及音频芯片，音频芯片在ARM处理器的控制下产生所述直流刺激信号。

3.如权利要求1所述的超低频磁刺激装置，其特征在于，还包括人机界面，与ARM通信以实现人机界面控制。

4.如权利要求2所述的超低频磁刺激装置，其特征在于，控制模块采用型号为QQ2440V3的开发板，所述音频芯片为UDA1341TS；UDA1341TS通过输出口的电容C45和电容C46短接，通过输出口的电阻R4和电阻R9接地。

5.如权利要求1所述的超低频磁刺激装置，其特征在于，输出模块包括至少一个功率放大电路，功率放大电路的输出端和一个线圈连接。

6.如权利要求2所述的超低频磁刺激装置，其特征在于，输出模块包括至少一个功率放大电路，功率放大电路的输出端和一个电极连接。

7.如权利要求1所述的超低频磁刺激装置，其特征在于，所述交流刺激信号是以0V为基准的交流刺激信号。

8.如权利要求5所述的超低频磁刺激装置，其特征在于，所述功率放大电路为芯片TDA7294；控制模块还用于输出芯片TDA7294所需的静音控制信号。 

9.如权利要求8所述的超低频磁刺激装置，其特征在于，控制模块为ARM处理器；电平平移与变换电路还用于将静音控制信号的电压变换，将高电平为3.3V的静音控制信号变换为5V的静音控制信号输出至芯片TDA7294。

10.根据权利要求1-9任一项所述超低频磁刺激装置，其特征在于，输出电流为单一频率的非脉冲超低频的电流和/或多种频率的非脉冲超低频电流的组合输出；单一频率电流和/或多种频率组合电流同时输出或分时输出。

11.根据权利要求10所述超低频磁刺激装置，其特征在于，多种频率的组合输出时采用调制输出或叠加输出。

12.一种如权利要求1所述的超低频磁刺激装置的工作方法，其特征在于，包括：

步骤1，生成频率为20Hz以下的直流刺激信号；

步骤2，对刺激信号进行电位平移，使之成为交流刺激信号；

步骤3，对交流刺激信号进行功率放大，并产生电流、电场或磁场。 

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