專利名稱：足下垂自適應(yīng)刺激器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于人體康復(fù)輔助儀器，適用于腦中風(fēng)和其它原因引起的對(duì)腓總神經(jīng)失控而造成的足下垂。涉及對(duì)患者行走時(shí)小腿姿態(tài)的檢測，并在行走需要抬腳時(shí)適時(shí)釋放電刺 激脈沖迫使患者自動(dòng)抬腳完成行走動(dòng)作，并在患者邁出小腿之前根據(jù)運(yùn)動(dòng)速度以一定的周 期自動(dòng)持續(xù)刺激以保持抬腳。
背景技術(shù)：
目前許多患者在輕度腦中風(fēng)后或其它原因會(huì)造成對(duì)腓總神經(jīng)失控，進(jìn)而造成足下 垂。這類患者有一定的生活自理能力，但是由于行走過程中不能自主抬起腳尖，從而產(chǎn)生跌 倒造成不必要的傷害，甚至危機(jī)患者生命。目前我國此類患者數(shù)量以百萬計(jì)，面對(duì)高齡化社 會(huì)的來臨，這類患者數(shù)量保持持續(xù)增長的趨勢。提高這類患者的生活自理能力和生活質(zhì)量 具有極大的社會(huì)意義和經(jīng)濟(jì)效益。目前公開的信息表明，對(duì)于這類患者的輔助設(shè)備都限于采用機(jī)械輔助設(shè)備來幫助 患者，如手扶支架、機(jī)械腳托和拐杖等。這類設(shè)備通常體積較大，不方便攜帶，同時(shí)使用不靈活。本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)狀的不足，采用簡單的安放過程，即固定在膝關(guān)節(jié)下脛骨粗隆處，且 不論左腳還是右腳，通過左右刺激電極選擇開關(guān)即可確定。使用時(shí)僅需要按照個(gè)人特點(diǎn)調(diào) 節(jié)刺激強(qiáng)度后就可以正常使用。本發(fā)明可以根據(jù)患者的行走步幅大小和速度自動(dòng)選擇合適 的時(shí)機(jī)發(fā)出刺激電流，并在患者邁出小腿之前根據(jù)運(yùn)動(dòng)速度以一定的周期自動(dòng)持續(xù)刺激以 保持抬腳，使患者可以恢復(fù)正常行走功能。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)設(shè)備的不足，提供一種安全、方便、使用簡單、成本 低廉、無毒副作用且能夠自動(dòng)適應(yīng)患者行走速度的足下垂自適應(yīng)刺激器。本發(fā)明的技術(shù)解 決方案是這樣實(shí)現(xiàn)的一種足下垂自適應(yīng)刺激器，包括外部電路和內(nèi)部電路；外部電路包括左右刺激電 極選擇開關(guān)、外部按鍵和按鍵控制電路，用于設(shè)置輸出的暫停和恢復(fù)，外部按鍵包括“ + ”按 鍵、“_”按鍵、“ADJ”按鍵、“ENT”按鍵，這些外部按鍵和蜂鳴器均連接到按鍵控制電路；當(dāng)使用外部按鍵進(jìn)行設(shè)置操作時(shí)，每當(dāng)有按鍵按下，蜂鳴器(SPK)就鳴叫一聲；如 果出現(xiàn)異常、發(fā)生故障或使用者發(fā)生跌倒時(shí)，蜂鳴器發(fā)出斷續(xù)的聲響提醒；所述左右刺激電極選擇開關(guān)，用于選擇適用的刺激位置，方便患者使用。如果患者 是左腳足下垂，將左右刺激電極選擇開關(guān)撥在左側(cè)；如果患者是右腳足下垂，將左右刺激電 極選擇開關(guān)撥在右。內(nèi)部電路包括單片機(jī)、可變電壓高壓產(chǎn)生電路、可變恒流控制電路、雙軸角度傳感 器、安全輸出電路；所述雙軸角度傳感器，用于檢測患者小腿的狀態(tài)。由于行走過程中，小腿與冠狀軸平面的角度約為20 160度左右。以選擇士 90 (180)度的雙軸角度傳感器(SENSOR)，采用重力分量檢測技術(shù)來精確檢測與冠狀軸和垂直軸的夾角，具有高達(dá)20000g的抗沖擊能力 和魯棒性，具有士0. 1度的檢測重復(fù)精度、具有SPI和模擬兩種輸出方式和IOHz的響應(yīng)速 度，完全滿足本發(fā)明的設(shè)計(jì)需求。同時(shí)使用雙軸角度傳感器(SENSOR)可以檢測患者小腿和 垂直軸的夾角，根據(jù)雙軸角度傳感器(SENSOR)提供的角度信息和角度變化信息通過單片 機(jī)計(jì)算出患者的姿態(tài)以及是否發(fā)生跌倒。所述的可變電壓高壓產(chǎn)生電路，是能夠產(chǎn)生30 100V高壓直流電、提供40mA以上電流輸出的高壓電源電路，通過單片機(jī)提供不同占空比的20 40Khz的信號(hào)來控制其輸 出電壓；可變電壓高壓產(chǎn)生電路是通過單片機(jī)提供不同占空比的20 40Khz的信號(hào)來控 制晶體管Tl和T2的導(dǎo)通和截止。由Tl和T2的導(dǎo)通和截止使得通過變壓器TR初級(jí)的電流 產(chǎn)生變化，變壓器TR初級(jí)的電流產(chǎn)生變化使得變壓器TR的次級(jí)產(chǎn)生感生電壓。通過二極 管D2檢波，電容E4和C3濾波后形成直流電壓。需要直流電壓的高低通過調(diào)節(jié)20 40Khz 信號(hào)的占空比來實(shí)現(xiàn)，需要高電壓輸出時(shí)將占空比調(diào)節(jié)在90 %左右，需要低電壓輸出時(shí)將 占空比調(diào)節(jié)在30%左右，不需要電壓輸出時(shí)將占空比調(diào)節(jié)在0% (邏輯低電平)即可。所述可變恒流控制電路，根據(jù)使用者設(shè)定，單片機(jī)通過可變恒流控制電路的模數(shù) 轉(zhuǎn)換器將所設(shè)定的的電流數(shù)值轉(zhuǎn)換成O 40mA電流；可變恒流控制電路由模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (DAC)、運(yùn)算放大器(U1)、晶體管(T5)和電阻RlO組成。根據(jù)需要的的電流數(shù)值，單片機(jī)通 過接口控制模數(shù)轉(zhuǎn)換器(DAC)提供基準(zhǔn)電壓，此電壓通過運(yùn)算放大器(Ul)、晶體管(T5)和 電阻RlO形成穩(wěn)定的電流。通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器(DAC)可以產(chǎn)生精確穩(wěn)定的刺激電流。當(dāng)不需 要產(chǎn)生刺激電流時(shí)，通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器(DAC)輸出0即可。晶體管(T5)也是安全輸出控制電 路的組成部件。通過所述可變電壓高壓產(chǎn)生電路和可變恒流控制電路的雙調(diào)節(jié)作用，可以根據(jù)使 用者的耐受情況精確調(diào)節(jié)刺激的強(qiáng)弱，以滿足不同使用者的需求。所述的安全輸出電路由單片機(jī)控制的雙晶體管保護(hù)電路，分別由NPN和PNP兩種 晶體管與其獨(dú)立的控制部分組成；需要輸出時(shí)，雙晶體管保護(hù)電路的兩個(gè)晶體管同時(shí)導(dǎo)通； 使刺激需要30 100V高壓和0 40mA電流安全輸出；如果異常、失控或器件失效時(shí)，單片 機(jī)控制的兩個(gè)晶體管不能同時(shí)導(dǎo)通；在NPN和PNP兩種晶體管的輸出端串聯(lián)接入測壓電阻， 該電阻對(duì)的高電壓進(jìn)行分壓并將電壓信號(hào)及時(shí)輸送給單片機(jī)，通過單片機(jī)對(duì)分壓進(jìn)行模數(shù) 轉(zhuǎn)換，當(dāng)單片機(jī)發(fā)現(xiàn)未進(jìn)行刺激時(shí)出現(xiàn)高壓或電壓數(shù)值不正確時(shí)，則停止輸出信號(hào)，徹底停 止高壓的產(chǎn)生。本足下垂自適應(yīng)刺激器具有安裝簡單、操作方便，刺激強(qiáng)度可以調(diào)節(jié)，可以適應(yīng)各 種正常及腿腳畸形患者使用，可以自動(dòng)適應(yīng)患者步行節(jié)奏，可以選擇左右腳和具有跌倒報(bào) 警功能等特點(diǎn)，適合廣大足下垂患者使用。


圖1為本發(fā)明的主視圖和俯視圖；圖2為本發(fā)明的電氣連接圖；圖1的主視圖為本發(fā)明的說明書摘要附圖。
圖中1、電池盒蓋，2、“ + ”按鍵，3、“ADJ”按鍵，4、“_”按鍵，5、“ENT”按鍵，6、左刺 激電極接口，7、右刺激電極接口，8、左右刺激電極選擇開關(guān)，9、工作指示燈，10、電源開關(guān)。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明所述可變電壓高壓產(chǎn)生電路是由單片機(jī)(MCU)根據(jù)設(shè)置的刺激強(qiáng)度通過PBO腳輸出一定頻率的脈沖信號(hào)控制Tl和T2組成的復(fù)合管電路產(chǎn)生不同的脈沖電流。通 過變壓器TR在次級(jí)產(chǎn)生30 100V左右的高壓。高壓電壓通過電阻R7和R8的分壓，將分 壓輸入單片機(jī)(MCU)的PA2腳，單片機(jī)(MCU)對(duì)此電壓進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，并判斷是否是合適的 電壓數(shù)值。如果不符合，則調(diào)整PBO腳的輸出信號(hào)的占空比，以使其達(dá)到理想的設(shè)置數(shù)值。本發(fā)明為精確控制施加在患者身上的刺激電流強(qiáng)度，儀器通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器(DAC)、 U1、T5和RlO組成可調(diào)整電流源電路來精確控制輸出電流的強(qiáng)度以適應(yīng)各種患者的使用。為保證患者的使用安全，本發(fā)明特設(shè)計(jì)了軟硬雙重安全措施來保護(hù)使用人員的安 全。安全輸出電路由晶體管T4和T5組成。由于刺激需要30 100V高壓和0 40mA電 流，如果異常、失控或器件失效會(huì)給使用者造成嚴(yán)重影響。為防止異常的出現(xiàn)，設(shè)計(jì)由晶體 管T4和T5組成安全輸出電路，只有當(dāng)需要輸出時(shí)，單片機(jī)控制晶體管T4和T5同時(shí)導(dǎo)通。 如果異常、失控或器件失效時(shí)，晶體管T4和T5不能同時(shí)導(dǎo)通，因而保護(hù)使用者的安全。首先，在硬件設(shè)計(jì)上設(shè)計(jì)安全輸出電路，由恒流源調(diào)整晶體管T5和輸出控制晶體 管T3、T4來保證輸出的可靠和安全。只有晶體管T5導(dǎo)通，并且同時(shí)輸出控制晶體管T4也 導(dǎo)通時(shí)，刺激電流才能施加到患者身上。如果T5或T4晶體管出現(xiàn)擊穿故障，刺激電流是無 法施加至患者身體上。其次，如果T5或T4晶體管均出現(xiàn)擊穿故障，R7和R8組成的分壓電 路將實(shí)際的電壓數(shù)值傳遞給單片機(jī)(MCU)的PA2腳，經(jīng)過單片機(jī)(MCU)中的軟件算法判定 有故障出現(xiàn)時(shí)，終止PBO腳的信號(hào)輸出使得可變電壓高壓產(chǎn)生電路停止工作，從而保護(hù)患 者的安全。本發(fā)明為提高儀器的抗干擾能力及整體的電磁兼容性能，設(shè)計(jì)有L1、C1、C2、E2和 E3組成的濾波電路。通過L1、C2和E3阻斷可變電壓高壓產(chǎn)生電路的高頻信號(hào)對(duì)單片機(jī)等 電路的干擾，同時(shí)通過L1、C1和E2阻斷單片機(jī)等電路對(duì)可變電壓高壓產(chǎn)生電路的高頻信號(hào) 的干擾。由于采用了高效的濾波電路，似的整體的抗干擾能力得到了較大程度的提高。本發(fā)明采用了較為簡單但非常有效的鍵盤電路，通過電阻Rl R4和分別與之相 連接的按鍵構(gòu)成。當(dāng)有按鍵被按下時(shí)，單片機(jī)相應(yīng)的PB2 PB5腳被強(qiáng)制拉成低電平，經(jīng)過 相應(yīng)的處理軟件就可以區(qū)分出哪個(gè)按鍵被按下。本發(fā)明為方便使用，采用蜂鳴器(SPK)作為提示使用人員。當(dāng)使用按鍵進(jìn)行設(shè)置 操作時(shí)，每當(dāng)有按鍵按下，蜂鳴器(SPK)就鳴叫一聲。如果出現(xiàn)異?；虺霈F(xiàn)故障時(shí)，蜂鳴器 (SPK)就發(fā)出斷續(xù)的鳴叫，提醒使用人員注意。本發(fā)明設(shè)計(jì)使用雙軸角度傳感器(SENSOR)作為檢測患者小腿狀態(tài)的核心器件。 雙軸角度傳感器(SENSOR)采用重力分量檢測技術(shù)來精確檢測與冠狀軸和垂直軸的夾角， 具有高達(dá)20000g的抗沖擊能力和魯棒性，具有士0. 1的檢測重復(fù)精度、具有SPI和模擬兩 種輸出方式和IOHz的響應(yīng)速度。完全滿足本發(fā)明的設(shè)計(jì)需求。雙軸角度傳感器的檢測數(shù) 據(jù)，根據(jù)患者的行走步幅大小和速度自動(dòng)通過軟件算法選擇合適的時(shí)機(jī)發(fā)出刺激電流，在 患者邁出小腿之前根據(jù)運(yùn)動(dòng)速度以一定的周期自動(dòng)持續(xù)刺激以保持抬腳。同時(shí)根據(jù)雙軸角度傳感器產(chǎn)生精確的與垂直軸夾角的變化率通過軟件算法判斷是否發(fā)生跌倒。具體使用時(shí)，由于患者對(duì)刺激電流的反映程度存在個(gè)體差異，在首次使用時(shí)必須進(jìn)行調(diào)整。此時(shí)需要將儀器安放在膝關(guān)節(jié)下脛骨粗隆處，并確保與小腿沒有相對(duì)運(yùn)動(dòng)。調(diào)整 過程為，首先，確定需要刺激的是哪只腳，通過撥動(dòng)左右刺激電極選擇開關(guān)(8)來確定。之 后按住“ENT”鍵(5)，然后打開電源開關(guān)，聽到蜂鳴器兩聲鳴叫后說明儀器進(jìn)入調(diào)整狀態(tài)。 進(jìn)入調(diào)整狀態(tài)后工作指示燈(9)以每秒2次的頻率閃爍。在調(diào)整狀態(tài)下，按“ + ”鍵(2)，蜂鳴器鳴叫一聲，刺激電壓和電流上升一個(gè)數(shù)量，同 時(shí)看足部是否能抬起。如果不能抬起，再按“ + ”鍵(2)，直到足部能隨刺激抬起足夠的高度 為止。如果感覺刺激電流強(qiáng)度較大感覺不適，按“_”鍵(4)，刺激電流減小一個(gè)數(shù)量。當(dāng)感 覺比較適合時(shí)，按“ADJ”鍵(3)，儀器自動(dòng)記錄所設(shè)置的刺激強(qiáng)度數(shù)值，聽到蜂鳴器鳴叫一 聲后表示強(qiáng)度設(shè)定工作完成。如果不重新設(shè)置刺激強(qiáng)度，則每次開機(jī)時(shí)儀器默認(rèn)原先的設(shè) 置數(shù)值。之后使用者保持穩(wěn)定站立姿勢5秒鐘以上，此時(shí)本發(fā)明自動(dòng)根據(jù)站立姿勢確定正 常姿態(tài)參數(shù)，如果患者腿腳有畸形，此時(shí)內(nèi)部軟件自動(dòng)獲取并調(diào)整參數(shù)，聽到蜂鳴器長鳴一 聲后，工作指示燈(9)由每秒2次的閃爍轉(zhuǎn)變?yōu)殚L亮，開始正常工作。平時(shí)使用時(shí)，打開電源開關(guān)(10)聽到蜂鳴器鳴叫一聲后儀器開始正常工作。如果 突然感覺不適，按任意鍵儀器就停止輸出刺激電流。此時(shí)工作指示燈(9)由常亮變成每秒 鐘1次閃爍。需要恢復(fù)工作時(shí)，按“ENT”鍵(5)，聽到蜂鳴器鳴叫一聲，同時(shí)工作指示燈(9) 由每秒鐘1次閃爍變成常亮說明儀器進(jìn)入正常工作狀態(tài)。以上所述，僅為本發(fā)明的具體實(shí)施方式
，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，任何 熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，根據(jù)本發(fā)明的技術(shù)方案及其發(fā)明 構(gòu)思加以等同替換或改變，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
一種足下垂自適應(yīng)刺激器，包括外部電路和內(nèi)部電路；其特征在于，外部電路包括外部按鍵和按鍵控制電路，外部按鍵包括“+”按鍵、“-”按鍵、“ADJ”按鍵、“ENT”按鍵，這些外部按鍵和蜂鳴器均連接到按鍵控制電路；內(nèi)部電路包括單片機(jī)、可變電壓高壓產(chǎn)生電路、可變恒流控制電路、雙軸角度傳感器、安全輸出電路；所述的可變電壓高壓產(chǎn)生電路，是能夠產(chǎn)生30～100V高壓直流電、提供40mA以上電流輸出的高壓電源電路，通過單片機(jī)提供不同占空比的20～40Khz的信號(hào)來控制其輸出電壓；可變電壓高壓產(chǎn)生電路是通過單片機(jī)提供不同占空比的20～40Khz的信號(hào)來控制晶體管T1和T2的導(dǎo)通和截止；由T1和T2的導(dǎo)通和截止使得通過變壓器TR初級(jí)的電流產(chǎn)生變化，變壓器TR初級(jí)的電流產(chǎn)生變化使得變壓器TR的次級(jí)產(chǎn)生電壓；通過二極管D2檢波，電容E4和C3濾波后形成直流電壓；需要直流電壓的高低通過調(diào)節(jié)20～40Khz信號(hào)的占空比來實(shí)現(xiàn)，需要高電壓輸出時(shí)將占空比調(diào)節(jié)在90％左右；需要低電壓輸出時(shí)將占空比調(diào)節(jié)在30％左右，不需要電壓輸出時(shí)將占空比調(diào)節(jié)在0％；所述可變恒流控制電路，根據(jù)使用者設(shè)定，單片機(jī)通過可變恒流控制電路的模數(shù)轉(zhuǎn)換器將所設(shè)定的的電流數(shù)值轉(zhuǎn)換成0～40mA電流；可變恒流控制電路由模數(shù)轉(zhuǎn)換器、運(yùn)算放大器、晶體管和電阻R10組成；根據(jù)需要的的電流數(shù)值，單片機(jī)通過接口控制模數(shù)轉(zhuǎn)換器提供基準(zhǔn)電壓，此電壓通過運(yùn)算放大器、晶體管和電阻R10形成穩(wěn)定的電流；通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生精確穩(wěn)定的刺激電流；當(dāng)不需要產(chǎn)生刺激電流時(shí)，通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器輸出0；晶體管也是安全輸出控制電路的組成部件；所述的雙軸角度傳感器是±90度的雙軸角度傳感器，采用重力分量檢測技術(shù)能夠精確檢測與冠狀軸和矢狀軸的夾角，具有高達(dá)20000g的抗沖擊能力和魯棒性，具有±0.1度的檢測重復(fù)精度、具有SPI和模擬兩種輸出方式和10Hz的響應(yīng)速度；所述的安全輸出電路由單片機(jī)控制的雙晶體管保護(hù)電路，分別由NPN和PNP兩種晶體管與其獨(dú)立的控制部分組成；需要輸出時(shí)，雙晶體管保護(hù)電路的兩個(gè)晶體管同時(shí)導(dǎo)通；使刺激需要30～100V高壓和0～40mA電流安全輸出；如果異常、失控或器件失效時(shí)，單片機(jī)控制的兩個(gè)晶體管不能同時(shí)導(dǎo)通；在NPN和PNP兩種晶體管的輸入端串聯(lián)接入測壓電阻，該電阻對(duì)的高電壓進(jìn)行分壓并將電壓信號(hào)及時(shí)輸送給單片機(jī)，通過單片機(jī)對(duì)分壓進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，當(dāng)單片機(jī)發(fā)現(xiàn)未進(jìn)行刺激時(shí)出現(xiàn)高壓或電壓數(shù)值不正確時(shí)，則停止輸出信號(hào)，徹底停止高壓的產(chǎn)生。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種足下垂自適應(yīng)刺激器，其特征在于，設(shè)置左右刺激電極 選擇開關(guān)(8)，具有選擇適用的刺激位置，確定需要刺激的是左還是右腳。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種足下垂自適應(yīng)刺激器，包括左右刺激電極選擇開關(guān)、蜂鳴器、按鍵、內(nèi)部電路等；內(nèi)部電路包括單片機(jī)、可變電壓高壓產(chǎn)生電路、可變恒流控制電路、雙軸角度傳感器；按鍵電路可以人工調(diào)節(jié)刺激電流的強(qiáng)弱，也可以暫停或重新啟動(dòng)輸出；可變電壓高壓產(chǎn)生電路根據(jù)患者的具體需求給定輸出刺激的電壓高低；恒流控制電路可以精確產(chǎn)生刺激電流，雙軸角度傳感器能夠精確測量患者小腿與矢狀軸的夾角，并將夾角數(shù)值傳遞給單片機(jī)進(jìn)行處理、判斷以獲取精確的位置和時(shí)機(jī)來啟動(dòng)對(duì)患者的刺激。本發(fā)明安裝簡單、操作方便，刺激強(qiáng)度可以調(diào)節(jié)，適應(yīng)各種正常及腿腳畸形患者使用，自動(dòng)適應(yīng)患者步行節(jié)奏、選擇左右腳，具有跌倒報(bào)警功能等，適合廣大足下垂患者使用。
文檔編號(hào)A61N1/36GK101822870SQ20101017210
公開日2010年9月8日 申請(qǐng)日期2010年5月14日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月14日
發(fā)明者朱勇, 邱天爽 申請(qǐng)人:大連理工大學(xué)