CN221309318U - 一种用于双向神经接口的功能性电刺激装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种用于双向神经接口的功能性电刺激装置，包括：电源***用于对整个装置进行供电；升压电源电路用于产生100V电压实现高压输出；高压控制电路用于隔离高电压与人体，保证只有在电刺激时高电压才与人体接触；恒流输出电路用于保障刺激电流恒定，使其不随负载阻抗的变化而变化；刺激保护电路用于阻抗匹配，避免控制端悬空情况下刺激接口处出现大电流刺激输出；神经肌肉刺激接口用于导出刺激电流，并通过连接刺激电极作用与人体；控制增强电路用于放大电压强度控制信号，提高***控制精度；集成控制单元用于产生电压强度控制信号以及高压控制信号，实现功能性电刺激装置的总体操控。

Description

一种用于双向神经接口的功能性电刺激装置

技术领域

本实用新型涉及智能康复设备领域，具体地说是一种用于双向神经接口的功能性电刺激装置。

背景技术

随着人口老龄化进程的加剧，以及中风、偏瘫等疾病的影响，肢体损伤的人群逐年增多，重塑受损神经通路、加速肢体运动机能重建，是改善患者生活质量的有效途径。近年来，以下肢助力外骨骼、手功能康复机器人为代表的智能康复设备因其具有效率高、重复性好等特点而被广泛应用。它们多通过采集患者的生理信息，完成对患者运动意图的感知和操控，进而提高智能设备的康复辅助效率。但由于设备与人之间缺少交互通路，在***工作时难以实现将智能设备的工作状态有效实时的反馈给使用者，大大降低了***的训练效果。

生机接口是一种智能人机交互***，能够实现生物体与机电装置之间的信息传递与交互，是赋予康复设备智能化的重要途径。目前应用于生机接口的反馈环节多以电刺激形式实现，然而，目前现有的电刺激***在长时间使用过程中，受皮肤阻抗变化的影响容易产生输出波动，刺激效果较差；同时受电刺激响应灵敏性的限制，难以满足智能***双向感知对复杂精细操控的需求。因此，需要一种刺激精度高、输出安全稳定的电刺激***，来满足双向神经接口的感知操控需求。

实用新型内容

本实用新型目的是提供一种用于双向神经接口的功能性电刺激装置，具有输出稳定、安全可靠等特点，可以用于外骨骼反馈、假肢操控等场景，通过电刺激的方式实时反馈生物力信息进而实现生机交互。

本实用新型为实现上述目的所采用的技术方案是：

一种用于双向神经接口的功能性电刺激装置，包括：升压电源电路、高压控制电路、恒流输出电路、刺激保护电路、神经肌肉刺激接口、控制增强电路、集成控制单元、电源***，其中：

升压电源电路分别与高压控制电路和恒流输出电路相连，集成控制单元依次通过控制增强电路、刺激保护电路、恒流输出电路连接神经肌肉刺激接口，集成控制单元还通过高压控制电路连接神经肌肉刺激接口，电源***分别与升压电源电路、恒流输出电路、控制增强电路、集成控制单元相连。

所述升压电源电路包括直流高压隔离电源模块及其***电路，其中：

所述直流高压隔离电源模块的电压输入引脚作为升压电源电路的输入端连接电源***中的12V锂电池，直流高压隔离电源模块的电压输出端作为升压电源电路的输出端，电压输入端分别通过电容Cs1和Cs2接地，电压输出端通过电容Cs3接地。

所述恒流输出电路包括运算放大器U1A、匹配电阻R1、场效应管M1、采样电阻R2，其中：

运算放大器U1A的同相输入端作为恒流输出电路的输入端与刺激保护电路相连，运算放大器U1A的输出端通过匹配电阻R1连接场效应管M1的栅极，场效应管M1的源极连接运算放大器U1A的反相输入端，场效应管M1的源极还通过采样电阻R2接地，场效应管M1的漏极作为恒流输出电路的输出端与神经肌肉刺激接口相连。

所述刺激保护电路包括串联的电阻R5和R6，电阻R5的一端作为刺激保护电路的输入端与控制增强电路相连，电阻R5的一端作为刺激保护电路的输出端与恒流输出电路相连。

所述控制增强电路包括同相比例放大器U2A、电阻R9、R10，其中：

同相比例放大器U2A的同相输入端作为控制增强电路的输入端与集成控制单元相连，同相比例放大器U2A的输出端作为控制增强电路的输出端与刺激保护电路相连，同相比例放大器U2A的输出端通过电阻R10连接同相比例放大器U2A的反相输入端，同相比例放大器U2A的反相输入端通过电阻R9接地。

所述电源***包括5V降压电路以及分别与其连接的3.3V降压电路和-5V反压电荷泵电路，还包括与5V降压电路相连的12V锂电池。

本实用新型具有以下有益效果及优点：

本实用新型提供了一种用于双向神经接口的功能性电刺激装置，该装置采用恒流源设计，能够极大减少刺激反馈过程中皮肤电阻变化所带来的影响；同时采用刺激保护电路设计，可以有效避免控制端悬空状态下***间的大电流输出，保障***安全性；此外，通过控制增强电路设计，可以极大的提高***的控制精度，增强反馈刺激的灵敏性。

附图说明

图1是本实用新型一种用于双向神经接口的功能性电刺激装置的结构框图；

图2是本实用新型的升压电路及电源模块原理图；

图3是本实用新型的恒流输出电路及刺激保护电路原理图；

图4是本实用新型控制增强电路原理图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本实用新型做进一步的详细说明。

为使本实用新型的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本实用新型的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本实用新型。但本实用新型能够以很多不同于在此描述的其他方式来实施，本领域技术人员可以在不违背实用新型内涵的情况下做类似改进，因此本实用新型不受下面公开的具体实施的限制。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本实用新型的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在实用新型的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本实用新型。

如图1所示为本实用新型一种带肌电反馈功能的神经肌肉刺激***的结构框图。

一种用于双向神经接口的功能性电刺激装置，包括以下部分：

升压电源电路1用于产生100V电压实现电刺激输出；高压控制电路2用于隔离高电压与人体，保证只有在电刺激时高电压才与人体接触；恒流输出电路3用于保障刺激电流恒定，使其不随负载阻抗的变化而变化；刺激保护电路4用于阻抗匹配，避免控制端悬空情况下刺激接口处出现大电流刺激输出；神经肌肉刺激接口5用于导出刺激电流，并通过连接刺激电极作用与人体；控制增强电路6用于放大电压强度控制信号，提高***控制精度；集成控制单元7用于产生电压强度控制信号以及高压控制信号，实现功能性电刺激装置的总体操控；电源***8用于对升压电源电路1、恒流输出电路3、控制增强电路6以及集成控制单元7供电。

如图2所示为本实用新型的升压电路及电源模块原理图。

所述的升压电源电路1，由直流高压隔离电源模块HRB12100D-8W构成，通过脉冲整流将12V直流电压抬升至100V后，传输至高压控制电路2进行高压控制；所述高压控制电路2主要通过光电耦合器实现，通过光信号作为媒介实现电信号的耦合与传递，在输入端通过PWM信号来控制输出端100V高压的通断，进而达到隔离人体与高电压的目的，保障***安全性。

所述电源模块8由12V锂电池组构成，通过降压电路和反向电荷泵电路实现±5V及3.3V直流电压，其中，12V电压作为升压电源电路1的输入；+5V和-5V电压作用于恒流输出电路3以及控制增强电路6，为电路中的运算放大器提供双极性电压；3.3V作用于集成控制单元7为该模块进行供电。

所述5V降压电路包括线性稳压器及其***电路，其中：

线性稳压器的电压输入端作为5V降压电路的输入端，连接12V锂电池，线性稳压器的电压输出端作为5V降压电路的输出端，分别连接3.3V降压电路和-5V反压电荷泵电路，线性稳压器的电压输入端通过电容C1接地，线性稳压器的电压输入端与使能端相连，线性稳压器的反馈端通过电阻R20连接其输出端，线性稳压器的反馈端还通过电阻R21接地，线性稳压器的输出端通过电容C2接地。

所述3.3V降压电路包括低压差稳压器及其***电路，其中：

低压差稳压器的电压输入端作为3.3V降压电路的输入端，连接5V降压电路，并通过电容C3接地，低压差稳压器的电压输出端作为3.3V降压电路的输出端，连接集成控制单元，并通过电容C4接地。

所述-5V反压电荷泵电路包括电压逆变器及其***电路，其中：

电压逆变器的电压输入端作为-5V反压电荷泵电路的输入端，连接5V降压电路，并通过电容C6接地，电压逆变器的电压输出端作为-5V反压电荷泵电路的输出端，分别连接恒流输出电路和控制增强电路，并通过电容C7接地，逆变器芯片引脚3和5间之间接有飞行电容C5。

如图3所示为本实用新型的恒流输出电路及刺激保护电路原理图。

其中，恒流输出电路3包括，运算放大器U1A、匹配电阻R1、场效应管M1、采样电阻R2。U1A的输出端与匹配电阻R1的第1端相连，匹配电阻R1的第2端与场效应管M1的栅极相连，场效应管M1的源极与运算放大器U1A的反相输入端相连，形成电压反馈，同时场效应管M1的源极还与采样电阻R2的第1端相连，采样电阻R2的第2端接地，采样电阻的作用是调节电路中的输出电流大小。场效应管M1的漏极与神经肌肉刺激接口5相接，当神经肌肉刺激接口5处的负载电阻发生变化时，根据运算放大器的虚短和虚断原理，作用于采样电阻R2的电压在数值上等于运算放大器U1A输入端的参考电压Vn，此时流经采样电阻R2的电流I＝Vn/R2，又由于场效应管的源极电流和漏极电流相等，所以流经神经肌肉刺激接口5的刺激电流始终保持恒定，不随神经肌肉刺激接口5处的负载电阻变化而变化。所述的采样电阻R2为可调电阻，通过调整阻值的大小可以对应调节刺激电流的幅度范围；所述场效应管M1为N沟道增强型。

所述刺激保护电路4由R5和R6构成，当D/A转换器输出端处于悬空状态时，电阻R6可以起到分流作用，由于R6的阻值远大于R2的阻值，所以流过采样电阻R2的电流要远小于R6端，进而可以大大减小电路中的刺激电流，保障***安全性。

所述神经肌肉刺激接口5，用于承载***的刺激电流，并直接作用于人体肌肉表面，负责输出电刺激脉冲。所述的控制增强电路6由同相比例放大器构成，放大倍数0-10倍可调，进而达到提高***控制精度的目的；图4为本实用新型的控制增强电路原理图。

所述集成控制单元7，由微控制器最小***构成，搭配D/A转换器输出幅度可控的模拟电压，并通过控制增强电路6将模拟电压放大后传输至恒流输出电路3完成装置的刺激强度控制；同时，集成控制单元7又通过产生PWM信号来控制高压控制电路2的工作状态，进而控制电刺激装置的通断，实现电刺激脉宽和频率的自由调整。

Claims (6)

1.一种用于双向神经接口的功能性电刺激装置，其特征在于，包括：升压电源电路(1)、高压控制电路(2)、恒流输出电路(3)、刺激保护电路(4)、神经肌肉刺激接口(5)、控制增强电路(6)、集成控制单元(7)、电源***(8)，其中：

升压电源电路(1)分别与高压控制电路(2)和恒流输出电路(3)相连，集成控制单元(7)依次通过控制增强电路(6)、刺激保护电路(4)、恒流输出电路(3)连接神经肌肉刺激接口(5)，集成控制单元(7)还通过高压控制电路(2)连接神经肌肉刺激接口(5)，电源***(8)分别与升压电源电路(1)、恒流输出电路(3)、控制增强电路(6)、集成控制单元(7)相连。

2.根据权利要求1所述的一种用于双向神经接口的功能性电刺激装置，其特征在于，所述升压电源电路(1)包括直流高压隔离电源模块及其***电路，其中：

所述直流高压隔离电源模块的电压输入引脚作为升压电源电路(1)的输入端连接电源***(8)中的12V锂电池，直流高压隔离电源模块的电压输出端作为升压电源电路(1)的输出端，电压输入端分别通过电容Cs1和Cs2接地，电压输出端通过电容Cs3接地。

3.根据权利要求1所述的一种用于双向神经接口的功能性电刺激装置，其特征在于，所述恒流输出电路(3)包括运算放大器U1A、匹配电阻R1、场效应管M1、采样电阻R2，其中：

运算放大器U1A的同相输入端作为恒流输出电路(3)的输入端与刺激保护电路(4)相连，运算放大器U1A的输出端通过匹配电阻R1连接场效应管M1的栅极，场效应管M1的源极连接运算放大器U1A的反相输入端，场效应管M1的源极还通过采样电阻R2接地，场效应管M1的漏极作为恒流输出电路(3)的输出端与神经肌肉刺激接口(5)相连。

4.根据权利要求1所述的一种用于双向神经接口的功能性电刺激装置，其特征在于，所述刺激保护电路(4)包括串联的电阻R5和R6，电阻R5的一端作为刺激保护电路(4)的输入端与控制增强电路(6)相连，电阻R5的一端作为刺激保护电路(4)的输出端与恒流输出电路(3)相连。

5.根据权利要求1所述的一种用于双向神经接口的功能性电刺激装置，其特征在于，所述控制增强电路(6)包括同相比例放大器U2A、电阻R9、R10，其中：

同相比例放大器U2A的同相输入端作为控制增强电路(6)的输入端与集成控制单元(7)相连，同相比例放大器U2A的输出端作为控制增强电路(6)的输出端与刺激保护电路(4)相连，同相比例放大器U2A的输出端通过电阻R10连接同相比例放大器U2A的反相输入端，同相比例放大器U2A的反相输入端通过电阻R9接地。

6.根据权利要求1所述的一种用于双向神经接口的功能性电刺激装置，其特征在于，所述电源***(8)包括5V降压电路以及分别与其连接的3.3V降压电路和-5V反压电荷泵电路，还包括与5V降压电路相连的12V锂电池。