CN102512759A - 治疗喉部肌肉***起搏器***及其运行方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及治疗喉部肌肉***起搏器***及其运行方法，***包括呼吸传感器、信号调理电路、微处理器、刺激脉冲产生电路、刺激电极和电源管理电路。运行时，采用呼吸传感器进行呼吸信号检测，再由信号调理电路对呼吸信号进行放大、滤波等处理。微处理器对信号调理电路输出信号采样并对采样数据进行处理，通过检测呼吸波形的极值点和变化趋势，控制刺激脉冲产生电路，产生一定波形的刺激脉冲。脉冲由刺激输出电极输出，刺激喉部肌肉从而使***喉部肌肉得以恢复功能。本发明能有效的根据生理特性，进行巧妙的电路设计，实现方法简单新颖，能很好的解决喉部肌肉***问题，同时还具有成本低、实时性好、鲁棒性高、精确度高的特点。

Description

治疗喉部肌肉***起搏器***及其运行方法

技术领域

本发明属于医疗仪器技术领域，涉及一种用于恢复刺激对象喉部肌肉功能的起搏器装置及其起搏方法。

背景技术

双侧喉返神经麻痹会导致患者呼吸、发声、吞咽功能受到损害，严重的情况下会导致呼吸困难而危及生命，一直以来都没有很好的解决方法。手术治疗虽然能在一定程度上改善呼吸，保持发音，但疗效尚难肯定。功能性神经肌肉刺激在动物实验方面发现能阻止肌肉的萎缩和纤维化，恢复患者受到损害的功能，是一种有效的治疗方法。

美国西北大学的Zealear和Dedo最先将功能性电刺激治疗运动肌肉***概念引入耳鼻喉科。后来，Bergmann利用胸壁的压力感受器产生的起搏电流同步触发了功能性电刺激使声门开大。此后，还有人尝试使用呼吸时膈肌变化、气管伸长和气管内温度变化等方法进行触发，但是都有其局限性。如呼吸信号不充分、非呼吸信号干扰等。

本发明由呼吸传感器获取呼吸波形，通过判断呼吸波形的趋势和检测呼吸波形的极点，确定呼吸所处阶段，给出相应的刺激脉冲。因此能准确跟踪呼吸波形，产生脉宽、幅度可调的刺激脉冲，有效的解决了双侧喉返神经麻痹这一问题。

发明内容

本发明的目的是为了解决喉部肌肉麻痹而导致的不能正常发声、吞咽动作和呼吸的问题，提供治疗喉部肌肉***起搏器***及其运行方法，具体技术方案如下。

治疗喉部肌肉***起搏器***，包括顺次连接的呼吸传感器、信号处理电路、微控制器、刺激脉冲产生电路和刺激输出电极，电源管理电路为上述各组成部分供电；所述微控制器通过自带ADC(模数转换)采样信号处理电路输出信号，并通过自带DAC(数模转换)产生控制信号控制刺激脉冲产生电路；所述呼吸传感器用来获取呼吸信号，信号处理电路对呼吸信号进行放大滤波处理，并将信号调整到微控制器的ADC的采样范围之内，由微控制器的ADC采样并进行数据处理后，形成触发信号控制刺激脉冲产生电路产生刺激脉冲，刺激脉冲通过刺激电极输出。

上述的治疗喉部肌肉***起搏器***中，所述刺激产生电路包括加法电路和恒流输出电路；所述加法电路将微控制器的DAC输出与微控制器的一个2.5V引脚(Vref+脚)输出的参考电压相加产生双极性控制信号，控制恒流电路产生双极性恒流刺激脉冲；刺激脉冲的脉宽通过微控制器的定时器设定，脉冲幅度通过可调电阻调节。

上述的治疗喉部肌肉***起搏器***中，加法电路由第一运算放大器A1与第一电阻R1、第二电阻R2构成；恒流电路由第二运算放大器放A2、第三运算放大器A3与第三电阻R3、第四电阻R4、第六电阻R6、第七电阻R7与可调电阻R5构成；所述第一运算放大器A1的同相端连接微控制器的一个引脚(DAC0引脚)，第一电阻R1的一端连接微控制器的2.5V引脚(Vref+脚)，另一端连接第一运算放大器A1的反相端和第二电阻R2的一端，第二电阻R2的另一端连接第一运算放大器A1的输出端和第三电阻R3的一端；第三电阻R3的另一端连接第二运算放大器A2的反相端和第四电阻R4一端，第四电阻R4的另一端连接可变电阻R5的一端和第二运算放大器A2的输出端；第二运算放大器A2的同相端连接第六电阻R6的一端和第七电阻R7的一端；第六电阻R6的另一端接地，第七电阻R7另一端连接第三运算放大器A3的输出端；运算放大器A3的同相端连接可调电阻R5的另一端，反相端连接到输出端。

上述的治疗喉部肌肉***起搏器***的运行方法，包括对采集进行数据处理和产生刺激脉冲，所述对采集进行数据处理包括如下步骤：

(1)数据采样和存储：将微控制器的ADC采样到的数据每四个分为一组求平均后作为一个存储数据，为前后相邻的两个存储数据之间的差值设定上限和下限，差值不在此上限和下限范围内的存储数据被认为无效而丢弃，未被丢弃的数据存入一个长度可变的数据队列中；每次采样过程更新数据队列的最后一个数据；

(2)趋势判断：统计步骤(1)所述数据队列中各数据间的差值经符号函数作用后的结果，方程如下：

$y\left(n\right)=\underset{i=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=i}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{sgn}[x(n-i)-x(n-j)]$ ①

式①中x(n)，(n＝0，1，2...)为经步骤(1)处理后的数据队列中的数据。N为数据队列的长度，是用于观测数据的窗长，可根据需要选择。符号函数sgn(x)定义如下：

②

sgn(x)函数作用两个数据差值的结果为1则表示呼吸波形在这两个数据间上升，为-1则表示呼吸波形在这两个数据间下降。y(n)表示数据队列中数据间的上升和下降趋势总和。

根据趋势总和y(n)和数据队列长度N可计算趋势率。趋势率δ由式③计算：趋势总和与参与趋势计算的总项数相比即可得到趋势率。

$d=\frac{y\left(n\right)}{N(N+1)/2}$ ③

再根据所得趋势率按④式计算呼吸波形的趋势。P(d)＝1表示在数据队列长度N范围内的呼吸波形处于上升阶段，P(d)＝0表示在数据队列长度N范围内的呼吸波形处于波峰或波谷附近，P(d)＝-1表示在数据队列长度N范围内的呼吸波形处于下降阶段。式④中M_δ值是判别门限，可以根据需要设定。

④

(3)极值点检测：由步骤(1)所述数据队列中的数据判断当前采样数据是否处于呼吸波形的极值点处，方程如下：

f＝sgn[x(n)-x(n-1)]sgn[x(n+1)-x(n)]⑤

公式⑤中x(n)(n＝0，1，2...)为经步骤(1)处理后的数据队列中的数据，x(n-1)，x(n)，x(n+1)为数据队列中最近更新的三个数据。sgn(x)由②式定义。相邻数据相减正负经符号函数作用为1表示斜率为正；若为-1，则斜率为负。若为0，则表示呼吸波形在此数据处斜率为0。

根据呼吸波形的特点，极值点处斜率为0或者斜率的符号将发生变化，故有f＝-1或f＝0时，呼吸波形处于极值点附近。再根据步骤(2)中P(d)的值可以判断极值点的类型。若P(d)＝1且f＝-1或f＝0则采样数据位于呼吸波形的极大值处，即此处开始呼吸波形将进入下降阶段；若P(d)＝-1且f＝-1或f＝0则采样数据位于呼吸波形的极小值处，此处开始呼吸波形将进入上升阶段。

上述的运行方法中，所述刺激脉冲产生步骤包括：经所述步骤(1)、(2)、(3)后得到呼吸波形的极值点；若检测到呼吸波形的极小值，呼吸波形将进入上升阶段，微控制器产生高电平通过SHDN(电源管理电路开关引脚)开启刺激脉冲产生模块。同时，微控制器的DAC产生2.5V电压通过5脚输出到刺激脉冲产生模块，使刺激电极输出正刺激脉冲，脉宽由微控制器的定时器设定的定时时间确定。定时时间到后，微控制器关闭电源管理电路，电极输出0V电压，关闭的时间长度由微控制器的定时器设定。关闭定时时间到后，微控制器再开启刺激产生模块，同时，DAC产生0V电压，使刺激电极输出负刺激脉冲，脉宽由定时器设定。只要是呼吸波形处于上升阶段，就依照上述顺序控制电源管理电路的开启与关闭和微控制器的DAC输出电压，三部分的持续时间都由微控制器的定时器设置。这样就可以产生脉宽和占空比可调的双极性刺激脉冲。

若检测到呼吸波形的极大值，呼吸波形将进入下降阶段，此时关闭电源管理电路，关闭微控制器的DAC和定时器模块，使微控制器进入低功耗模式，停止产生刺激脉冲。

与现有技术相比，本发明具有如下优点和技术效果：治疗喉部肌肉***起搏器***的研发将首先解决双侧声带麻痹这一棘手问题，使安装有起搏器的患者能够做体力工作，使他们受到疾病最小的困扰。本发明采用了精密的仪用放大器对采集得到的呼吸信号进行放大，并对信号进行二阶低通和高通滤波，采用双T陷波电路抑制工频干扰，这样处理后的信号排除了其他噪声的干扰，能更准确的反应呼吸变化。信号数据采集进来之后，进行了限幅和平滑滤波，去除偶然性的干扰。采用极值点检测和趋势判断，准确的判断呼吸波形的上升和下降阶段，比以往的各种刺激器更能提供有效的呼吸触发信号。采用了幅度和刺激时间可调的双极性刺激波形，有更广阔的适应范围，能有效避免对生物组织的损害，对生物体的负面影响更小。

附图说明

图1是实施方式中治疗喉部肌肉***起搏器***硬件结构示意图。

图2是微控制器电路图。

图3是刺激脉冲产生电路框图。

图4是刺激脉冲产生电路。

图5是喉起搏器装置的工作流程示意图。

图6是呼吸信号与刺激波形对照图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的具体实施方式作进一步说明，但本发明的实施不限于此。

治疗喉部肌肉***起搏器***硬件结构示意图如图1所示。主要由信号采集与调理模块，微控制器模块，刺激脉冲产生与输出模块与电源管理电路组成。信号采集与调理模块包括呼吸信号传感器和信号调理电路。呼吸传感器与信号处理电路连接；微控制器通过自带ADC采样信号处理电路输出信号，并通过自带DAC产生控制信号控制刺激脉冲产生电路；刺激输出电极连接刺激脉冲产生电路；电源管理电路输出3.3V、±5V、±15V电压，为微控制器、信号处理电路和刺激脉冲产生电路供电。呼吸传感器用于将呼吸引起的胸腹部的起伏变化转换为电压变化；信号调理电路将呼吸传感器获得的电压信号放大，进行一些去干扰处理，并将信号调整到微控制器可以采样的范围。微控制器主要进行采样、计算、产生定时信号、SHDN信号和DAC控制信号，对电源管理电路和刺激脉冲产生模块进行控制。刺激脉冲产生与输出模块负责产生并输出双极性恒流幅度可调的刺激脉冲。

如图2所示，微控制器由3.3V电源供电，通过59脚ADC0采样经调理电路处理后的呼吸信号；微控制器输出的控制信号SHDN控制电源管理电路的开启和关闭；DAC信号通过DAC0引脚输出，配合微控制器Vref+引脚输出的2.5V参考电压控制刺激脉冲产生电路输出刺激脉冲的极性。

如图3和图4所示：刺激产生电路包括由运算放大器A1与电阻R1、R2构成的加法电路和由运算放大器放A2、A3与电阻R3、R4、R6、R7与可调电阻R5构成的恒流电路；所述运算放大器A1反相端连接电阻R1、R2，输出端连接电阻R2、R3和运算放大器A2；运算放大器A2的反相端连接电阻R3、R4，同相端连接电阻R6、R7；输出端连接电阻R4和可调电阻R5的一端；运算放大器A3的同相端连接可调电阻R5的另一端，反相端连接到输出端，输出端连接电阻R7。所述加法电路将微控制器的DAC输出与2.5V参考电压相加产生双极性控制信号，控制恒流电路产生双极性恒流刺激脉冲；刺激脉冲的脉宽通过微控制器的定时器设定，脉冲幅度通过所述可调电阻调节。

采样数据之后进行图5所示的计算，具体实施步骤如下：

(1)数据采样和存储：将微控制器的ADC采样到的数据每四个分为一组求平均后作为一个存储数据，为前后相邻的两个存储数据之间的差值设定上限和下限，差值不在此上限和下限范围内的存储数据被认为无效而丢弃，未被丢弃的数据存入一个长度可变的数据队列中；每次采用过程更新数据队列的最后一个数据；

(2)趋势判断：统计步骤(1)所述数据队列中各数据间的差值经符号函数作用后的结果，方程如下：

①

式①中x(n)，(n＝0，1，2...)为经步骤(1)处理后的数据队列中的数据。N为数据队列的长度，是用于观测数据的窗长，可根据需要选择。符号函数sgn(x)定义如下：

②

sgn(x)函数作用两个数据差值的结果为1则表示呼吸波形在这两个数据间上升，为-1则表示呼吸波形在这两个数据间下降。y(n)表示数据队列中数据间的上升和下降趋势总和。

根据趋势总和y(n)和数据队列长度N可计算趋势率。趋势率δ由式③计算：趋势总和与参与趋势计算的总项数相比即可得到趋势率。

$d=\frac{y\left(n\right)}{N(N+1)/2}$ ③

再根据所得趋势率按④式计算呼吸波形的趋势。P(d)＝1表示在数据队列长度N范围内的呼吸波形处于上升阶段，P(d)＝0表示在数据队列长度N范围内的呼吸波形处于波峰或波谷附近，P(d)＝-1表示在数据队列长度N范围内的呼吸波形处于下降阶段。式④中M_δ值是判别门限，可以根据需要设定。

④

(3)极值点检测：由步骤(1)所述数据队列中的数据判断当前采样数据是否处于呼吸波形的极值点处，方程如下：

f＝sgn[x(n)-x(n-1)]sgn[x(n+1)-x(n)]⑤

公式⑤中x(n)(n＝0，1，2...)为经步骤(1)处理后的数据队列中的数据，x(n-1)，x(n)，x(n+1)为数据队列中最近更新的三个数据。sgn(x)由②式定义。相邻数据相减正负经符号函数作用为1表示斜率为正；若为-1，则斜率为负。若为0，则表示呼吸波形在此数据处斜率为0。

根据呼吸波形的特点，极值点处斜率为0或者斜率的符号将发生变化，故有f＝-1或f＝0时，呼吸波形处于极值点附近。再根据步骤(2)中P(d)的值可以判断极值点的类型。若P(d)＝1且f＝-1或f＝0则采样数据位于呼吸波形的极大值处，即此处开始呼吸波形将进入下降阶段；若P(d)＝-1且f＝-1或f＝0则采样数据位于呼吸波形的极小值处，此处开始呼吸波形将进入上升阶段。

(4)产生刺激脉冲：经步骤(1)(2)(3)后可检测呼吸波形的极值点，当检测到呼吸波形的极小值时，呼吸波形进入上升阶段，微控制器产生高电平通过SHDN(电源管理电路开关引脚)开启刺激脉冲产生模块。同时，微控制器的DAC产生2.5V电压通过5脚输出到刺激脉冲产生模块，使刺激电极输出正刺激脉冲，脉宽由微控制器的定时器设定的定时时间确定。定时时间到后，微控制器关闭电源管理电路，电极输出0V电压，关闭的时间长度由微控制器的定时器设定。关闭定时时间到后，微控制器再开启刺激产生模块，同时，DAC产生0V电压，使刺激电极输出负刺激脉冲，脉宽由定时器设定。只要是呼吸波形处于上升阶段，就依此顺序控制电源管理电路的开启与关闭和微控制器的DAC输出电压，三部分的持续时间都由微控制器的定时器设置。这样就可以产生脉宽和占空比可调的双极性刺激脉冲。

当检测到呼吸波形的极大值时，呼吸波形将开始进入下降阶段，此时关闭电源管理电路，关闭微控制器的DAC和定时器模块，使微控制器进入低功耗模式。

图6为呼吸波形与刺激波形对照图。如图所示，呼吸波形上升阶段产生双极性刺激脉冲，呼吸波形下降阶段不刺激。

Claims (5)

1.治疗喉部肌肉***起搏器***，其特征在于，包括顺次连接的呼吸传感器、信号处理电路、微控制器、刺激脉冲产生电路和刺激输出电极，电源管理电路为上述各组成部分供电；所述微控制器通过自带ADC采样信号处理电路输出信号，并通过自带DAC产生控制信号控制刺激脉冲产生电路；所述呼吸传感器用来获取呼吸信号，信号处理电路对呼吸信号进行放大滤波处理，并将信号调整到微控制器的ADC的采样范围之内，由微控制器的ADC采样并进行数据处理后，形成触发信号控制刺激脉冲产生电路产生刺激脉冲，刺激脉冲通过刺激电极输出。

2.如权利要求1所述的治疗喉部肌肉***起搏器***，其特征在于所述刺激产生电路包括加法电路和恒流输出电路；所述加法电路将微控制器的DAC输出与微控制器的一个2.5V引脚的参考电压相加产生双极性控制信号，控制恒流电路产生双极性恒流刺激脉冲；刺激脉冲的脉宽通过微控制器的定时器设定，脉冲幅度通过可调电阻调节。

3.如权利要求2所述的治疗喉部肌肉***起搏器***，其特征在于加法电路由第一运算放大器与第一电阻、第二电阻构成；恒流电路由第二运算放大器放、第三运算放大器与第三电阻、第四电阻、第六电阻、第七电阻与可调电阻构成；所述第一运算放大器的同相端连接微控制器的一个引脚，第一电阻的一端连接微控制器的另一个脚，另一端连接第一运算放大器的反相端和第二电阻的一端，第二电阻的另一端连接第一运算放大器的输出端和第三电阻的一端；第三电阻的另一端连接第二运算放大器的反相端和第四电阻一端，第四电阻的另一端连接可变电阻的一端和第二运算放大器的输出端；第二运算放大器的同相端连接第六电阻的一端和第七电阻的一端；第六电阻R6的另一端接地，第七电阻另一端连接第三运算放大器的输出端；运算放大器A3的同相端连接可调电阻的另一端，反相端连接到输出端。

4.权利要求1所述治疗喉部肌肉***起搏器***的运行方法，其特征在于包括对采集进行数据处理和产生刺激脉冲，所述对采集进行数据处理包括如下步骤：

(1)数据采样和存储：将微控制器的ADC采样到的数据每四个分为一组求平均后作为一个存储数据，为前后相邻的两个存储数据之间的差值设定上限和下限，差值不在此上限和下限范围内的存储数据被认为无效而丢弃，未被丢弃的数据存入一个长度可变的数据队列中；每次采样过程更新数据队列的最后一个数据；

(2)趋势判断：统计步骤(1)所述数据队列中各数据间的差值经符号函数作用后的结果，方程如下：

$y\left(n\right)=\underset{i=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=i}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{sgn}[x(n-i)-x(n-j)]$ ①

式①中x(n)，n是大于等于0的整数，为经步骤(1)处理后的数据队列中的数据；N为数据队列的长度，是用于观测数据的窗长，符号函数sgn(x)定义如下：

②

sgn(x)函数作用两个数据差值的结果为1则表示呼吸波形在这两个数据间上升，为-1则表示呼吸波形在这两个数据间下降，y(n)表示数据队列中数据间的上升和下降趋势总和；

根据趋势总和y(n)和数据队列长度N可计算趋势率，趋势率δ由式③计算：趋势总和与参与趋势计算的总项数相比即可得到趋势率，

$d=\frac{y\left(n\right)}{N(N+1)/2}$ ③

再根据所得趋势率按④式计算呼吸波形的趋势；P(d)＝1表示在数据队列长度N范围内的呼吸波形处于上升阶段，P(d)＝0表示在数据队列长度N范围内的呼吸波形处于波峰或波谷附近，P(d)＝-1表示在数据队列长度N范围内的呼吸波形处于下降阶段，式④中M_δ值是判别门限，为设定值，

④；

(3)极值点检测：由步骤(1)所述数据队列中的数据判断当前采样数据是否处于呼吸波形的极值点处，判断方程如下：

f＝sgn[x(n)-x(n-1)]sgn[x(n+1)-x(n)]⑤

公式⑤中x(n)(n＝0，1，2...)为经步骤(1)处理后的数据队列中的数据，x(n-1)，x(n)，x(n+1)为数据队列中最近更新的三个数据，sgn(x)由②式定义；相邻数据相减正负经符号函数作用为1表示斜率为正；若为-1，则斜率为负；若为0，则表示呼吸波形在此数据处斜率为0；

根据呼吸波形的特点，极值点处斜率为0或者斜率的符号将发生变化，故有f＝-1或f＝0时，呼吸波形处于极值点附近；再根据步骤(2)中P(d)的值可以判断极值点的类型；若P(d)＝1且f＝-1或f＝0则采样数据位于呼吸波形的极大值处，即此处开始呼吸波形将进入下降阶段；若P(d)＝-1且f＝-1或f＝0则采样数据位于呼吸波形的极小值处，此处开始呼吸波形将进入上升阶段。

5.如权利要求4所述的运行方法，其特征在于所述刺激脉冲产生步骤包括：经所述步骤(1)、(2)、(3)后得到呼吸波形的极值点；若检测到呼吸波形的极小值，呼吸波形将进入上升阶段，微控制器产生高电平通过电源管理电路开关引脚开启刺激脉冲产生模块，同时，微控制器的DAC产生2.5V电压输出到刺激脉冲产生模块，使刺激电极输出正刺激脉冲，脉宽由微控制器的定时器设定的定时时间确定；定时时间到后，微控制器关闭电源管理电路，电极输出0V电压，关闭的时间长度由微控制器的定时器设定；关闭定时时间到后，微控制器再开启刺激产生模块，同时，DAC产生0V电压，使刺激电极输出负刺激脉冲，脉宽由定时器设定；只要是呼吸波形处于上升阶段，就依照上述顺序控制电源管理电路的开启与关闭和微控制器的DAC输出电压，三部分的持续时间都由微控制器的定时器设置；这样就能产生脉宽和占空比可调的双极性刺激脉冲；

若检测到呼吸波形的极大值，呼吸波形将进入下降阶段，此时关闭电源管理电路，关闭微控制器的DAC和定时器模块，使微控制器进入低功耗模式，停止产生刺激脉冲。

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