CN207992737U - 一种信号发生装置以及具有信号发生装置的设备 - Google Patents

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Abstract

本实用新型适用于生物医学工程技术领域，提供了一种信号发生装置以具有信号发生装置的设备，该信号发生装置包括：脉冲信号参数输入接口，用于接收外部输入的脉冲信号参数；脉冲信号发生单元，用以接收所述脉冲信号参数，并可产生具有相应频率值的电压信号；单双极性切换单元，接收所述电压信号，形成单/双极性电压信号；电压功率放大单元，用于将所述单/双极性电压信号放大后输出。通过单双极性信号切换单元，可以对外输出极***替变化的更高频率电刺激信号，实现电荷中和，降低刺激阈值，更深入作用到视觉***，诱发视皮层响应，并避免长时间使用造成灼伤，使整个装置更加安全，使用户得到更好的使用体验。

Description

一种信号发生装置以及具有信号发生装置的设备
技术领域
本实用新型属于生物医学工程技术领域，尤其涉及一种信号发生装置以及具有信号发生装置的设备。
背景技术
人类对外在世界的认识约90％的信息是通过视觉提供，正常完整的视觉是这样产生的：眼睛的光学***将外界的物体成像在视网膜上，视网膜上的感光细胞将图像信号转换为生物电信号，然后经细胞神经网络进行初步处理后由视觉神经纤维传导到大脑视皮层，大脑视皮层对获得的生物电信号进行再次处理并感知产生视觉。视觉通路的任何一个环节受到损伤或病变都会导致严重的视觉问题，例如：视网膜色素变性，黄斑病变，低视力，重度弱视等。
研究发现通过对人体的视觉***进行电刺激，使视皮层产生类似光刺激视网膜引发的兴奋，能诱发有效的光幻视，为治疗上述视觉问题带来了希望。但是，现有植入性方案的电刺激信号发生设备主要输出低频段单一极性的电刺激，受制约因素较多，存在电灼伤等诸多问题，还需相当长的时间，才能进入临床应用。
实用新型内容
本实用新型实施例提供一种信号发生装置，旨在产生单/双极性刺激信号。
本实用新型实施例是这样实现的，一种信号发生装置，其特征在于，包括：
脉冲信号参数输入接口，用于接收外部输入的脉冲信号参数；
脉冲信号发生单元，用以接收所述脉冲信号参数，并可产生具有相应频率值的电压信号；
单双极性切换单元，接收所述电压信号，形成单/双极性电压信号；
电压功率放大单元，用于将所述单/双极性电压信号放大后输出。
进一步的，所述脉冲信号发生单元为MCU与FPGA的组合/FPGA/DSP芯片或者嵌入式处理器中的一者。
进一步的，所述单双极性切换单元为DAC模块与电压极性切换模块的组合或者数字电位器。
进一步的，所述电压极性切换模块包括：
与所述DAC模块的输出端相接的反相比例放大电路；以及
与所述反相比例放大电路的输出端相接的反相比例加法电路。
进一步的，所述电压功率放大单元包括电压功率放大器。
进一步的，所述功率放大单元还包括与所述电压功率放大单元输出端相接的二级放大模块。
进一步的，所述二级放大模块包括变压器。
进一步的，所述信号发生装置还包括：
电子开关，所述电子开关的控制端与所述脉冲信号发生单元相接，输入端与所述单双极性切换单元相接，输出端与所述电压功率放大单元相接；
所述电子开关在频率低于设定阈值时，保持导通，在频率高于所述设定阈值时，由所述脉冲信号发生单元控制所述电子开关的通断。
本实用新型还提供了一种具有信号发生装置的设备，所述设备包括：
信号发生装置，所述信号发生装置如上所述；
脉冲信号输入装置，用于向所述信号发生装置输入脉冲参数；
电极，与所述信号发生装置的单双极性信号切换单元相接，以输出刺激信号。
进一步的，所述脉冲信号输入装置包括上位机、键盘或其他以有线/无线方式与所述信号发生单元相接的设备。
进一步的，所述脉冲信号输入装置具有触摸屏，可根据在所述触摸屏上画出的波形或若干个相位点自动生成所述脉冲信号参数。
进一步的，所述电极包括植入式电极与非植入式电极。
进一步的，所述非植入式电极为贴片式电极、手持式电极或穿戴式电极。
进一步的，所述贴片式电极、手持式电极、穿戴式电极为单/多触点电极。
本实用新型提供的信号发生装置，脉冲发生单元会根据脉冲信号参数生成电压信号，单双极性切换单元可接收该电压信号，并形成单/双极性电压信号，单/双极性电压信号经电压功率放大单元放大后输出。通过单双极性信号切换单元，可以对外输出极***替变化的电刺激信号，可以实现电荷中和，降低刺激阈值，避免长时间使用造成灼伤等问题。并能实现电刺激的极性、频率可调，以及输出电压恒定，进而取得更好的光幻视效果。
附图说明
图1是本实用新型实施例提供的信号发生装置的功能模块图；
图2是本实用新型实施例提供的电压极性切换模块的部分电路图；
图3是本实用新型实施例提供的信号发生装置的设备的功能模块图。
具体实施方式
为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。
本实用新型提供的信号发生装置，通过脉冲信号发生单元、单双极性切换单元，以及电压功率放大单元的配合使用，使信号发生装置可以产生的电刺激信号以不同的极性以及稳定的电压对外输出。
以下结合具体实施例对本实用新型的具体实现进行详细描述。
如图1所示，在本实用新型提供的实施例中，该信号发生装置包括：
脉冲信号参数输入接口，用于接收外部输入的脉冲信号参数，如脉冲信号的频率、脉冲信号的幅度、脉冲信号的持续时间、脉冲串的时间间隔、极性控制信号以及信号的占空比等；脉冲信号发生单元，用以接收上述的脉冲信号参数，并可产生具有相应频率值的电压信号；单双极性切换单元，接收电压信号，形成单/双极性电压信号；电压功率放大单元，用于将单/双极性电压信号放大后输出。在本实施例中，信号发生装置产生的电刺激信号(即经放大后的单/双极性电压信号)可用于刺激人的视觉***，使人产生光幻视，可快速有效检查(EEP)和治疗视觉问题。此外，本实施例中，信号发生装置产生的电刺激信号可以通过体表激发人体视觉***，通过单双极性信号切换单元，可以对外输出极***替变化的电刺激信号，可以实现电荷中和，避免长时间使用造成灼伤等问题，使整个装置更加安全，使用户得到更好的使用体验。双极性信号较单极性信号能在较低刺激电流强度下诱发出视觉皮层响应。
在本实用新型提供的实施例中，脉冲信号发生单元用于将用户输入的脉冲参数转换为相应的数字信号，数字信号的产生具有相应的频率，脉冲信号发生单元可以采用MCU(Microcontroller Unit，即微控制单元)与FPGA(Field－Programmable Gate Array，即现场可编程门阵列)的组合、DSC芯片(Digital Signal Processing，即数字信号处理芯片)、FPGA或者其他嵌入式处理器(如ARM、专用处理器)等其中的一种。以下以脉冲信号发生单元为FPGA为例对本实用新型进行描述。
单双极性切换单元可以采用DAC模块与电压极性切换模块的组合或者数字电位器。当单双极性切换单元采用DAC和电压极性切换模块时，FPGA产生的电压信号(为数字信号)经DAC转换为模拟电压信号，这些模拟电压信号通过电压极性切换模块转换为单/双极性电压信号。
具体的，电压极性切换模块包括：与DAC模块的输出端相接的反相比例放大电路；以及与反相比例放大电路的输出端相接的反相比例加法电路。
如图2所示，反相比例放大电路包括一运算放大器Q1，运算放大器Q1的负向输入端与DAC模块的输出端电性连接，二者之间串联有电阻RA，运算放大器Q1的正向输入端接地，运算放大器Q1的反向输入端与输出端之间并联一电阻RB，假设输入电压为V1，输出电压为V2，则V2＝－(RB/RA)*V1，在本实施例中，设定RA＝RB,则V2＝－V1。反相比例加法电路包括一运算放大器Q2，运算放大器Q2的负向输入端与运算放大器Q1的输出端相接，二者之间串联一电阻RC，运算放大器Q2的正向输入端接地，运算放大器Q2的反向输入端与输出端之间并联一电阻RD，运算放大器Q2的负向输入端还与一电压源VCC电性相接，二者之间串联有电阻RE，假设反向比例加法电路的输出电压为V0，则V0＝－[(RD/RE)*VCC+(RD/RC)*V2]，假设RD＝RE＝2*RC，则，V0＝－(VCC+2*V2)＝－VCC+2*V1，即通过改变V1的大小可以实现输出电压信号V0的单/双极性切换。
可以理解的，在本实用新型提供的其他实施例中，电压极性切换模块也可以采用其他具有极性切换功能的电路，本实用新型在此不做过多说明。
当单双极性切换单元采用数字电位器时，可通过脉冲发生单元直接控制数字电位器产生所需的电压信号。
在本实用新型提供的实施例中，电压功率放大单元包括电压功率放大器，以放大单双极性切换单元输出的单/双极性电压信号。另外电压功率放大器的放大倍数可以直接由FPGA控制，以便于根据输入的脉冲参数来调节信号发生装置输出的电刺激信号电压的大小。由于电压功率放大器放大倍数越高，其制造成本越高，为了降低成本，在本实用新型提供的实施例中功率放大单元还包括有二级放大模块，如变压器等。
医学上把频率1000Hz以下的脉冲电信号称作低频电信号或低频脉冲信号，1000Hz-l00kHz为中频电信号，l00kHz以上为高频电信号。另外，在医学上，电刺激可分为植入式和非植入式，当采用植入式电极时，低频电信号便能使患者(或其他受体，下同)产生高空间分辨率的光幻视效果，但是当采用非植入式电极时，低频电信号还不能有效满足患者(或医学实验)对光幻视效果的需求。所以，为了增强本信号发生装置的适用性，在本实用新型提供的实施例中，信号发生装置还包括：电子开关，电子开关的控制端与脉冲信号发生单元相接，输入端与单双极性切换单元相接，输出端与电压功率放大单元相接；电子开关在频率低于设定阈值时，保持导通，在频率高于所述设定阈值时，由脉冲信号发生单元控制所述电子开关的通断。即，需要输出的电刺激信号的频率在低于设定阈值时(比如7000HZ)，脉冲信号发生单元可以直接产生相应频率的电压信号，当需要输出的电刺激信号的频率大于设定的阈值时，由脉冲信号发生单元产生的频率控制信号控制电子开关的通断，以实现输出电刺激信号的高频率变化。通过电子开关，可以使信号发生装置生成更高频率的双向电刺激信号，利于电刺激信号更深入作用于视觉***，使采用非植入式电极时，也能取得所需的光幻视效果。
本实用新型提供的实施例中，信号发生装置还设有反馈单元，即脉冲信号发生单元的输出端引出一反馈信号线至脉冲信号发生单元的输入端，当实际输出的脉冲信号与脉冲信号发生单元接收到的脉冲参数存在偏差时，可进行自动修正调节，使实际输出值达到输入的脉冲参数值。此外，通过反馈单元还可以使信号发生装置进行自检：当向信号发生装置输入脉冲参数信号后，脉冲信号发生单元的输入端未得到从脉冲信号发生单元输出端反馈的信号，或者得到的反馈信号与脉冲信号发生单元接收到的脉冲参数信号偏差较大(脉冲信号发生单元预存有允许偏差的范围)，则认为信号发生装置出错不能正常使用，进一步的可在信号发生装置上设置显示装置或者语音输出等装置以将报错信号输出给用户。
在实际使用过程中，由于不同患者的阻抗不同，所以在本实用新型提供的实施例中，信号发生装置还设有用于测试阻抗的测试单元，便于根据患者阻抗大小设置相对应的脉冲参数，使患者的使用更加安全，且能获取更好的光幻视效果。比如，采用非植入电极时，主要是根据患者皮肤的阻抗，来检查是否已充分导电和调整相应输出电压，使用户得到更好的使用体验。
可以理解的，信号发生装置也可以将阻抗单元的检测值通过数字显示、语音输出等方式输出给用户，以便用户自行调整输入的脉冲信号参数。
本实用新型还提供了一种具有信号发生装置的设备，如图3所示，该设备包括：如上述实施例所述的信号发生装置；脉冲信号输入装置，用于向信号发生装置输入脉冲参数；电极，与信号发生装置相接，以输出刺激信号。其中脉冲信号输入装置与信号发生装置的脉冲信号参数输入接口相接，电极与信号发生装置的功率放大单元输出端相接。本设备可以根据用户的设定，向患者输出不同频率、极性以及电压大小的电刺激信号，使患者产生更好的光幻视效果。
在本实施例中，脉冲信号输入装置可为上位机，如电脑等，直接通过通讯线接在信号发生装置的脉冲信号参数输入接口，脉冲信号输入装置也可以直接为一与信号发生装置相接的键盘，脉冲信号输入装置还可以是以无线方式与信号发生装置相接的设备。比如，利用移动终端通过蓝牙、WIFI、ZigBee等方式与脉冲信号发生装置直接通信相接，可以理解的，此时本设备还设有无线通信装置。
在本实用新型提供的实施例中，脉冲信号输入装置包括有触摸屏，可以根据用户在触摸屏上画出的波形或若干个相位点自动生成脉冲参数，更利于实验探索更优的光幻视生成方案。
在本实用新型提供的实施例中，脉冲信号输入装置的输入界面包括若干个参数输入框，如脉冲信号的频率、脉冲信号的幅度、脉冲信号的持续时间、脉冲串的时间间隔以及极性控制信号等，用户可在各输入框输入相应的参数，以便于实验操作，有利于探索更优的光幻视生成方案。
进一步的，在本实用新型提供的实施例中，脉冲信号输入装置内预存有若干组脉冲参数，每一组参数都可以对应一种方案，使用时，用户可以根据所需的治疗方案直接选择，无需记忆输入该方案的各项参数，操作简单方便，给用户带来更好的使用体验，具体的本设备上设置有不同的功能按键，每个功能按键可以对应一种方案。
在本实用新型提供的实施例中，电极包括植入式电极和非植入式电极。非植入式电极可以为常见的贴片式电极、手持式电极，也可以是穿戴式电极，比如在类似眼镜框架的结构上设置电极，这样可以满足不同患者的需求。此外，电极可拆卸地安装于信号发生装置的电刺激输出端口，更加方便用户的使用。作为优选的，在本实用新型提供的实施例中，上述的贴片式电极、手持式电极、穿戴式电极为单/多触点电极。单触点电极诱发的视皮层响应空间分布范围随电流增大而增加，具有一致性和稳定性；多触点电极能够诱发出沿刺激位点视野分布的光幻视响应，具有一定的空间对应性；可根据需要组合使用，以增强电刺激效果。进一步的，本设备还设有控制触点电极开闭的控制装置，以便针对不同的患者需求选择不同的电极触点或不同个数的电极触点进行电刺激。
综上所述，本实用新型提供的信号发生装置通过脉冲信号发生单元、单双极性切换单元以及恒流源的配合使用，使信号发生装置产生的电刺激可以以不同的极性对外输出，提高了电刺激效果，同时，本信号发生装置还包含有电子开关，使本信号发生装置可以输出高频的电刺激信号。此外本实用新型还提供了一种具有信号发生装置的设备，该设备使用了上述的信号发生装置，使得本设备可以对患者输出不同频率、极性以及电压大小的电刺激，提高光幻视效果。
以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (14)

1.一种信号发生装置，其特征在于，包括：
脉冲信号参数输入接口，用于接收外部输入的脉冲信号参数；
脉冲信号发生单元，用以接收所述脉冲信号参数，并可产生具有相应频率值的电压信号；
单双极性切换单元，接收所述电压信号，形成单/双极性电压信号；
电压功率放大单元，用于将所述单/双极性电压信号放大后输出。
2.如权利要求1所述的信号发生装置，其特征在于，所述脉冲信号发生单元为MCU与FPGA的组合/FPGA/DSP芯片或者嵌入式处理器中的一者。
3.如权利要求1所述的信号发生装置，其特征在于，所述单双极性切换单元为DAC模块与电压极性切换模块的组合或者数字电位器。
4.如权利要求3所述的信号发生装置，其特征在于，所述电压极性切换模块包括：
与所述DAC模块的输出端相接的反相比例放大电路；以及
与所述反相比例放大电路的输出端相接的反相比例加法电路。
5.如权利要求1所述的信号发生装置，其特征在于，所述电压功率放大单元包括电压功率放大器。
6.如权利要求5所述的信号发生装置，其特征在于，所述功率放大单元还包括与所述电压功率放大单元输出端相接的二级放大模块。
7.如权利要求6所述的信号发生装置，其特征在于，所述二级放大模块包括变压器。
8.如权利要求1所述的信号发生装置，其特征在于，所述信号发生装置还包括：
电子开关，所述电子开关的控制端与所述脉冲信号发生单元相接，输入端与所述单双极性切换单元相接，输出端与所述电压功率放大单元相接；
所述电子开关在频率低于设定阈值时，保持导通，在频率高于所述设定阈值时，由所述脉冲信号发生单元控制所述电子开关的通断。
9.一种具有信号发生装置的设备，其特征在于，所述设备包括：
信号发生装置，所述信号发生装置如权利要求1～8任意一项所述；
脉冲信号输入装置，用于向所述信号发生装置输入脉冲参数；
电极，与所述信号发生装置的双极性信号切换单元相接，以输出刺激信号。
10.如权利要求9所述的具有信号发生装置的设备，其特征在于，所述脉冲信号输入装置包括单不限于上位机或者键盘。
11.如权利要求9所述的具有信号发生装置的设备，其特征在于，所述脉冲信号输入装置具有触摸屏，可根据在所述触摸屏上画出的波形或若干个相位点自动生成所述脉冲信号参数。
12.如权利要求9所述的具有信号发生装置的设备，其特征在于，所述电极包括植入式电极与非植入式电极。
13.如权利要求12所述的具有信号发生装置的设备，其特征在于，所述非植入式电极为贴片式电极、手持式电极或穿戴式电极。
14.如权利要求13所述的具有信号发生装置的设备，其特征在于，所述贴片式电极、手持式电极、穿戴式电极为单/多触点电极。
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