適用于人體皮膚觸覺神經(jīng)刺激的多通道電刺激器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及醫(yī)療器械技術(shù)領(lǐng)域，具體講，涉及一種適用于人體皮膚觸覺神經(jīng)刺激 的多通道電刺激器。
【背景技術(shù)】
[0002] 人體的觸覺神經(jīng)位于皮膚的真皮層。人工電觸覺技術(shù)期望刺激皮膚觸覺神經(jīng)，產(chǎn) 生動作電位傳遞到大腦的感知皮層，使人產(chǎn)生替代的觸覺感知，比如壓力、振動、滑覺、粗糙 度、剛度等。該技術(shù)主要應(yīng)用于遙操作、虛擬現(xiàn)實(shí)、假肢、醫(yī)療機(jī)器人、游戲娛樂等領(lǐng)域。本 專利旨在通過非侵入式的經(jīng)皮電脈沖刺激實(shí)現(xiàn)對真皮層觸覺感知神經(jīng)元的刺激。電脈沖需 要通過表皮傳遞到真皮。表皮是皮膚最外面的一層，一般平均厚度為0. 2mm，由內(nèi)到外主要 包括五層，分別為：基地細(xì)胞層、棘層、顆粒層、透明層以及角質(zhì)層，其中還包含有汗腺孔。真 皮及皮下組織的導(dǎo)電性能非常好，可以認(rèn)為是一個純電阻，皮膚的阻抗主要取決于角質(zhì)層。 角質(zhì)層不容易導(dǎo)電，可以認(rèn)為是一個非常薄的絕緣膜，它就類似于電容的中間介質(zhì)，而電極 和真皮就相當(dāng)于電容的兩個極性板。由于表皮中還含有汗腺孔，人在排出汗液的同時，汗液 里面會帶有Na+和Cl-離子，這就導(dǎo)致表皮是導(dǎo)電的。
[0003] 而現(xiàn)階段的電刺激器從刺激源上來說主要分為兩種：恒壓源刺激和恒流源刺激。 恒壓源的好處是電壓能及時施加到神經(jīng)上，保證刺激的快速性，而恒流源從施加到負(fù)載到 達(dá)恒流效果需要一定的時間來穩(wěn)定電流。而且在皮膚未接觸到電極的時候電路不會導(dǎo)通， 對電路有保護(hù)作用，但是由于人體是阻抗和容抗的結(jié)合體，會使得恒壓刺激不穩(wěn)定。恒流源 刺激好處就是刺激穩(wěn)定，對電極的要求不高，相對于恒壓源來說不會容易造成電荷的局部 積累。
[0004] 經(jīng)檢索發(fā)現(xiàn)，目前有一些電刺激器相關(guān)的專利發(fā)布，例如下面三個：
[0005] 授權(quán)公告號為CN200620002384. 1的實(shí)用新型專利公開了一種低頻電刺激的電 路。其原理是在一振蕩電路中，由一方波產(chǎn)生器構(gòu)成基本振蕩電路，并輔以周邊一些晶振管 和電阻產(chǎn)生第一段連續(xù)性方波，且另包含有第二段控制波形產(chǎn)生電路與第三段控制波產(chǎn)生 電路，以分別產(chǎn)生間歇性方波與復(fù)合式方波。利用第一選擇與調(diào)整電路選擇所需的方波，且 其具有第一可變電阻，已調(diào)整被選擇方波的輸出頻率。并且輸出電路的第二可變電阻能調(diào) 整被選擇方波的輸出強(qiáng)度，藉以達(dá)到多段方波輸出的可調(diào)整性。當(dāng)該低頻電刺激器的傳導(dǎo) 件接觸人體皮膚時，所輸出的脈沖電壓、電流不會令人感到有刺痛感。
[0006] 授權(quán)公告號為CN01109329. 3的發(fā)明專利公開了一種電刺激器的脈沖調(diào)制中頻的 方法及其裝置，其將中頻指數(shù)波分解為多項(xiàng)奇次的正弦諧波，以多波形脈沖對該中頻指數(shù) 波進(jìn)行幅度調(diào)制，由不同波形的脈沖調(diào)制，產(chǎn)生不同的生理動力效果，而產(chǎn)生對人體穴位的 振、抖、扣等電刺激，并以甚低頻的多波形脈沖對已調(diào)至的中頻調(diào)制波進(jìn)行再調(diào)制，以產(chǎn)生 對人體穴位的壓、按、揉等電刺激，使人體能耐受較大的刺激量，且刺激部位較深，改善了現(xiàn) 有電刺激因電解作用而造成皮膚損傷的缺點(diǎn)。
[0007] 授權(quán)公告號為CN102058396的發(fā)明專利公開了一種電刺激器的設(shè)計(jì)方法，主要服 務(wù)于大腦皮層的電刺激，通過雙擊壓控恒流源電路和最高電壓產(chǎn)生電路實(shí)現(xiàn)所需的點(diǎn)刺 激脈沖輸出，其使用兩級光電三極管完成恒流源輸出。
[0008] 由于上述已有的電刺激器專利目的主要是刺激肌肉、穴位或者大腦皮層，大多適 用于對電刺激的敏感性要求比較低的情況，并且以往的電刺激器通道數(shù)較少，難以滿足觸 覺神經(jīng)電刺激準(zhǔn)確性和多樣性的要求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009] 本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的上述不足，提供了一種適用于人體皮膚觸覺神經(jīng)刺 激的多通道電刺激器，是一種具有寬輸出范圍、高精度、多通道的便攜式電刺激設(shè)備，可專 門用于人體皮膚真皮層的觸覺神經(jīng)刺激，產(chǎn)生替代的觸覺感知。能夠刺激真皮的感知神經(jīng) 元，對電刺激的敏感性要求非常高，且能達(dá)到現(xiàn)有技術(shù)中的電刺激器的電脈沖輸出的范圍 和精度都達(dá)不到的要求，從而滿足刺激神經(jīng)觸覺感知的需求。
[0010] 為達(dá)到上述目的，本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：
[0011] 一種適用于人體皮膚觸覺神經(jīng)刺激的多通道電刺激器，包括電源模塊、直流電源 轉(zhuǎn)換模塊、主控芯片模塊、數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊、恒流源轉(zhuǎn)換模塊、全橋模塊比較器模塊以及數(shù)字 電路隔離模塊和模擬電路隔離模塊，電源模塊輸出連接模電隔離模塊，模擬電路隔離模塊 的輸出連接直流電源轉(zhuǎn)換模塊，直流電源轉(zhuǎn)換模塊向其他模塊供電，電刺激器的主控芯片、 數(shù)字電路隔離模塊、數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊、恒流源轉(zhuǎn)換模塊、全橋模塊依次相連，全橋模塊的另一 輸出端連接比較器模塊，比較器的輸出端連接主控芯片模塊，將輸出的電流信號反饋給主 控芯片模塊，使其對輸出電流進(jìn)行閉環(huán)調(diào)控，實(shí)現(xiàn)具有可編程控制輸出電流的脈寬、頻率， 并將此電刺激信號通過電極連接到受試者的皮膚上。
[0012] 所述主控芯片模塊，將上位機(jī)PC發(fā)送的信號通過相應(yīng)的通訊協(xié)議編碼輸出所需 要的方波信號，其信號的高電平電壓取決于主控芯片的供電電壓，此時可編程調(diào)節(jié)電脈沖 的頻率和脈寬；所述數(shù)字電路隔離模塊，將主控芯片輸出的8路共地線的非獨(dú)立通道隔離 開，實(shí)現(xiàn)數(shù)字電路部分的隔離；所述的數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊，將數(shù)字電路隔離模塊轉(zhuǎn)化后的8路數(shù) 電信號轉(zhuǎn)化為模電信號，此時輸出方波的幅值取決于該模塊的調(diào)控；所述的恒流源轉(zhuǎn)換模 塊，將數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換后的模擬恒壓的方波信號轉(zhuǎn)化為模擬恒流的方波信號；所述的全 橋轉(zhuǎn)換模塊，通過改變模塊中電流流向?qū)崿F(xiàn)控制輸出電流極性的目的；所述的比較器模塊， 將全橋模塊輸出的方波信號反饋給主控芯片，形成閉環(huán)的電流輸出控制，保證其輸出精度； 所述的模擬電路隔離模塊實(shí)現(xiàn)8路輸入的模擬電路彼此獨(dú)立；所述的11. IV鋰電池模塊和 直流電源轉(zhuǎn)換模塊為其余的各個模塊提供所需電壓。
[0013] 進(jìn)一步地，主控芯片MSP430f5438屬于低功耗型芯片，在系統(tǒng)空閑時可使其CPU處 于睡眠狀態(tài)，以降低能耗，提高可便攜性。
[0014] 進(jìn)一步地，輸出的通道數(shù)多少，可根據(jù)使用用途決定，刺激器在不擴(kuò)展I/O的情況 下，可獨(dú)立輸出16路方波刺激脈沖。
[0015] 進(jìn)一步地，所述電源模塊為11. IV。
[0016] 進(jìn)一步地，對于電刺激器中的高壓模塊，為了減少其在啟動時所產(chǎn)生不穩(wěn)定的電 流沖擊，該模塊采用兩級DC/DC的升壓模塊，將電壓從11. IV升壓到36V，再從36V升壓到 90V。由于3. 3V、15V、-15V電壓較小，所以僅采用一級升壓和降壓電路。
[0017] 進(jìn)一步地，對于模擬電路隔離模塊，采取的隔離方式為獨(dú)立電源供電。
[0018] 進(jìn)一步地，對于數(shù)字電路隔離模塊，為了保證輸出脈沖脈寬的范圍和精度，電刺激 器采取的是高速光耦隔離模塊，而光耦的供電來源于本通道的獨(dú)立電源。
[0019] 進(jìn)一步地，對于數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊，為了保證輸出脈沖的幅值和降低延時時間，電刺激 器采用的是12位高速數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片。
[0020] 進(jìn)一步地，考慮到人體阻抗在刺激過程中可能發(fā)生變化，為了保證輸出電流和刺 激效果的穩(wěn)定，電刺激器采用雙級運(yùn)算放大器搭建恒流源模塊，不僅實(shí)現(xiàn)恒壓源向恒流源 的轉(zhuǎn)化，并且可以避免沖擊電流對人體皮膚的損害。
[0021] 進(jìn)一步地，考慮到可變的電流極性的需求，在全橋轉(zhuǎn)換模塊中采取了四個大功率 的三級管搭建全橋電路，實(shí)現(xiàn)通過控制兩個管腳電壓來實(shí)現(xiàn)電流極性的切換。
[0022] 進(jìn)一步地，為了保證電脈沖的輸出精度，電刺激器通過比較器將全橋電路輸出的 脈沖信息反饋給主控芯片，形成閉環(huán)反饋，實(shí)時的調(diào)控輸出特性。
[0023] 進(jìn)一步地，電刺激器的最終輸出脈沖的幅值范圍：0 - 10mA，精度為0,1mA ;輸出脈 沖的脈寬范圍AOys- lms