基于矢量阻抗反馈的自适应多通道经皮电刺激器

摘要

基于矢量阻抗反馈的自适应多通道经皮电刺激器，属于生机电一体化技术领域，本发明为解决现有经皮电刺激装置可靠性不足，存在安全隐患的问题。本发明方案：控制器首先发出阻抗测量指令给DDS芯片、信号复用电路和电极复用电路，DDS芯片通过信号复用电路输出阻抗测量信号给矢量阻抗测量激励电路，阻抗测量激励信号给电极；同时矢量阻抗测量反馈电路将电极-皮肤阻抗测量结果反馈给控制器；控制器根据测量结果调节电极与皮肤接触的状态，进而调节电刺激参数来改变电极-皮肤阻抗的大小，当满足安全条件时，转入经皮电刺激状态；控制器再发出经皮电刺激指令，电刺激电路输出电刺激电流通过电极给人体进行经皮电刺激。

说明书

技术领域

本发明涉及一种经皮电刺激系统，属于生机电一体化技术领域。

背景技术

矢量阻抗测量是一种同时测量待测物体电阻、容抗和感抗特性的技术，其将物体的电 气特性转化为一个复数，用该复数的实部表征物体的电阻，虚部表征物体的非阻性电抗。 相对于单纯的电阻测量，其不仅描述了物体的直流伏安特性，还描述了物体的交流频带特 性。

经皮电刺激是一种在人体皮肤表面敷设电极释放电流，刺激皮下目标区域或深层组织 的电刺激手段。由于其不用将电刺激装置植入人体，因此具有创伤小，操作简便的优点， 被广泛用于理疗、镇痛、假肢的感觉替代和功能康复中。

选择恰当的电刺激参数，可以使被刺激者感到震动、触动、麻木和压迫等不同的感觉， 另一方面若电刺激参数选择不当，则会使被刺激者感到疼痛，甚至引起灼伤或其他组织损 伤等不良后果。由于经皮电刺激的刺激电流通过人体皮肤注入皮下组织，电极-皮肤界面 的变化影响着经皮电刺激的效果以及被刺激者的主观感觉，而电极与皮肤的极化效应，会 在电极-皮肤界面形成双电层，导致电极-皮肤界面在具有阻性电抗的同时还具有容性电 抗，单纯的电阻测量不能有效反映真实的人体电生理特性以及电极-皮肤界面状态。

但现有的经皮电刺激装置可靠性差，由于电刺激参数选择的规范性差，无法有效消除 电极-皮肤界面变化引起的不安全隐患，不能准确观测人体的电生理状态和电极-皮肤界面 参数。

发明内容

本发明目的是为了解决现有经皮电刺激装置可靠性不足，存在安全隐患的问题，提供 了一种基于矢量阻抗反馈的自适应多通道经皮电刺激器。

本发明所述基于矢量阻抗反馈的自适应多通道经皮电刺激器包括控制器、DDS芯片、 信号复用电路、电刺激电路、电极复用电路、电极、矢量阻抗测量激励电路和矢量阻抗测 量反馈电路；电极贴在人体的皮肤表面；

控制器首先发出阻抗测量指令给DDS芯片、信号复用电路和电极复用电路，DDS芯 片通过信号复用电路输出阻抗测量信号给矢量阻抗测量激励电路，矢量阻抗测量激励电路 输出阻抗测量激励信号给电极；同时矢量阻抗测量反馈电路将电极-皮肤阻抗测量结果反 馈给控制器；

控制器根据电极-皮肤阻抗测量结果调节电极与皮肤接触的状态，进而调节电刺激参 数来改变电极-皮肤阻抗的大小，当电极-皮肤阻抗测量结果满足安全条件时，转入经皮电 刺激状态；

控制器发出经皮电刺激指令给DDS芯片、信号复用电路和电极复用电路，DDS芯片 通过信号复用电路输出电刺激信号给电刺激电路，电刺激电路输出电刺激电流通过电极给 人体进行经皮电刺激。

本发明的优点：安全性高，能够反馈测量皮肤的矢量阻抗信息，方便经皮电刺激的自 动进行。监测皮肤的矢量阻抗信息后再进行经皮电刺激，安全可靠。

附图说明

图1是本发明所述基于矢量阻抗反馈的自适应多通道经皮电刺激器的原理框图；

图2是信号复用电路与DDS芯片的电气连接具体电路图；

图3是电刺激电路的具体电路图；

图4是矢量阻抗测量激励电路的具体电路图；

图5是电极复用电路的具体电路图；

图6是电极的具体结构及与人体组织的关系图；

图7是复阻抗测量反馈电路的具体电路图。

具体实施方式

具体实施方式一：下面结合图1说明本实施方式，本实施方式所述基于矢量阻抗反馈 的自适应多通道经皮电刺激器，它包括控制器1、DDS芯片2、信号复用电路3、电刺激 电路4、电极复用电路5、电极6、矢量阻抗测量激励电路7和矢量阻抗测量反馈电路8； 电极6贴在人体的皮肤表面；

控制器1首先发出阻抗测量指令给DDS芯片2、信号复用电路3和电极复用电路5， DDS芯片2通过信号复用电路3输出阻抗测量信号给矢量阻抗测量激励电路7，矢量阻抗 测量激励电路7输出阻抗测量激励信号给电极6；同时矢量阻抗测量反馈电路8将电极- 皮肤阻抗测量结果反馈给控制器1；

控制器1根据电极-皮肤阻抗测量结果调节电极6与皮肤接触的状态，进而调节电刺 激参数来改变电极-皮肤阻抗的大小，当电极-皮肤阻抗测量结果满足安全条件时，转入经 皮电刺激状态；

控制器1发出经皮电刺激指令给DDS芯片2、信号复用电路3和电极复用电路5， DDS芯片2通过信号复用电路3输出电刺激信号给电刺激电路4，电刺激电路4输出电刺 激电流通过电极6给人体进行经皮电刺激。

电极6包括正相刺激电极6-1、反相刺激电极6-2和参考地电极6-3，三枚电极构成星 形连接。其贴在人体皮肤表面，由于人体组织是良导体，三枚电极构成了一个星形连接， 为了测量该星形连接网络中各电极-皮肤阻抗，每次选择两枚电极接入网络，并测量二者 的阻抗和。

经皮电刺激器的工作分为两个状态，即阻抗测量状态和经皮电刺激状态。为了保护使 用者的安全，在每次进行经皮电刺激之前要对电极的阻抗进行测量。

控制器1通过串行接口通信协议传递控制指令，设置DDS芯片2的频率设置寄存器、 相位设置寄存器、幅值设置寄存器的数值，以实现对DDS芯片2各通道输出三角函数波 形的频率、相位和幅值。所述的DDS芯片2基于数字频率直接合成技术，在控制器1的 控制下产生参数可调的电刺激信号或矢量阻抗测量激励信号。DDS芯片2应具有偶数个 输出通道，为实现多通道电刺激，DDS芯片的输出通道数不少于2，当需要多通道时，可 采用多枚DDS芯片并联组成多个DDS输出通道，为减少共模输出噪声对电刺激的影响， 每一DDS输出通道具有正反两个输出端口(记为CHX+和CHX-)；

具体实施方式二：下面结合图2说明本实施方式，本实施方式对实施方式一作进一步 说明，DDS芯片2具有至少两个输出通道：通道0和通道1，每个输出通道具有正反两个 输出端口，分别为CH0+、CH0-和CH1+、CH1-；

信号复用电路3由模拟开关S0来实现；

模拟开关S0置1时，DDS芯片2输出电刺激波形，通道0和通道1串联；CH0+与 CH1-相连，并作为电刺激电路4的输入端子IN+；CH0-与CH1+相连，并作为电刺激电 路4的输入端子IN-；输入端子IN+和IN-接收电刺激波形给电刺激电路4，电极地MGND 与实际地GND相连；

模拟开关S0置0时，DDS芯片2输出矢量阻抗测量激励波形，通道0和通道1并联， CH0+、CH0-、CH1+和CH1-分别作为矢量阻抗测量激励电路7的输入端子SIN+、SIN-、 CIN+和CIN-，输入端子SIN+、SIN-、CIN+和CIN-接收矢量阻抗测量激励波形给矢量阻 抗测量激励电路7；电极地MGND与实际地GND之间串联测量电阻RM。

具体实施方式三：下面结合图3说明本实施方式，本实施方式对实施方式一作进一步 说明，电刺激电路4包括差分放大器A、差分放大器B、电阻R1、电阻R2、电阻R3、 电阻R4、电阻R5和电阻R6；差分放大器A的同相输入端通过电阻R1连接输入端子IN+； 差分放大器A的反相输入端通过电阻R2连接输入端子IN-；差分放大器A的反相输入端 和电刺激波形输出端子OUT+之间并联电阻R3；

差分放大器B的同相输入端通过电阻R5连接输入端子IN-；差分放大器B的反相输 入端通过电阻R4连接输入端子IN+；差分放大器B的反相输入端和电刺激波形输出端子 OUT-之间并联电阻R6；

差分放大器A和差分放大器B的正极供电端子连接+20V直流电源；差分放大器A 和差分放大器B的负极供电端子连接-20V直流电源；

输入端子IN+和IN-接收电刺激波形，电刺激波形输出端子OUT+和OUT-输出功率放 大后的正反两相电刺激波形。

所述电刺激电路4用于功率放大DDS芯片2发出的电刺激波形，并为每一通道电刺 激波形输出正反两相刺激。

为了保证正反两相刺激电流相等，以抵消刺激电流对其它测量设备的干扰，要满足条 件：电阻R1和电阻R2的阻值相等，电阻R4和电阻R5的阻值相等，电阻R3与电阻R1 的阻值比值和电阻R6与电阻R4的阻值比值相等。

具体实施方式四：下面结合图4说明本实施方式，本实施方式对实施方式一作进一步 说明，矢量阻抗测量激励电路7包括正弦波形放大电路和余弦波形放大电路；

正弦波形放大电路包括差分放大器A、电阻R1、电阻R2和电阻R3；差分放大器A 的同相输入端通过电阻R1连接输入端子SIN+；差分放大器A的反相输入端通过电阻R2 连接输入端子SIN-；差分放大器A的反相输入端和正弦激励输出端子SOUT之间并联电 阻R3；

余弦波形放大电路包括差分放大器C、电阻R7、电阻R8和电阻R9；差分放大器C 的同相输入端通过电阻R7连接输入端子CIN+；差分放大器C的反相输入端通过电阻R8 连接输入端子CIN-；差分放大器C的反相输入端和余弦激励输出端子COUT之间并联电 阻R9；

正弦激励输出端子SOUT输出的正弦激励波形和余弦激励输出端子COUT输出的余 弦激励波形的幅值相等、频率相等。

所述矢量阻抗测量激励电路7用于功率放大DDS芯片2发出的每一通道矢量阻抗测 量激励波形，输出正弦激励波形(端口为SOUT)和同等幅值同等频率的余弦激励波形。

为了保证正弦激励波形与余弦激励波形电压相等，要满足条件：电阻R1和电阻R2 的阻值相等，电阻R7和电阻R8的阻值相等，电阻R3与电阻R1的阻值比值和电阻R9 与电阻R7的阻值比值相等。

为了节约元件与布线空间，矢量阻抗测量激励电路5的正弦波形放大电路与电刺激电 路4的正相波形放大电路为同一套电路，

具体实施方式五：下面结合图5和图6说明本实施方式，本实施方式对实施方式一作 进一步说明，电极复用电路5包括与门D1、或门D2、或门D3、或门D4、非门D5、非 门D6、模拟开关S1、模拟开关S2、模拟开关S3、模拟开关S4、模拟开关S5和模拟开 关S6；

电极复用电路5的接入端子CTL1和CTL2接收控制器1发出的阻抗测量指令/经皮 电刺激指令；

CTL1置1，CTL2置1，则S1，S2，S3，S4，S5，S6均置1，正相刺激电极6-1与 电刺激波形输出端子OUT+相连，反相刺激电极6-2与电刺激波形输出端子OUT-相连， 参考地电极6-3与电极地MGND相连，此时三枚电极释放正反双相电刺激电流；

CTL1置1，CTL2置0，则S1、S3、S6置0，S2，S4，S5置1，正相刺激电极6-1 与余弦激励输出端子COUT相连，反相刺激电极6-2与电极地MGND相连，参考地电极 6-3不接入电路，此时矢量阻抗测量激励电流通过正相刺激电极6-1与反相刺激电极6-2， 可测量二者的串联阻抗，记为Z1；

CTL1置0，CTL2置1，则S1、S3、S4置0，S2，S5，S5置1，正相刺激电极6-1 与余弦激励输出端子COUT相连，参考地电极6-3与MGND相连，反相刺激电极6-2不 接入电路，此时矢量阻抗测量激励电流通过正相刺激电极6-1与参考地电极6-3，可测量 二者的串联阻抗，记为Z2；

CTL1置0，CTL2置0，则S1、S2、S3、S5置0，S4，S6置1，参考地电极6-3与 余弦激励输出端子COUT相连，反相刺激电极6-2与电极地MGND相连，正相刺激电极 6-1不接入电路，此时矢量阻抗测量激励电流通过参考地电极6-3与反相刺激电极6-2，可 测量二者的串联阻抗，记为Z3；

通过线性变换可得正相刺激电极6-1的电极-皮肤阻抗Z_P＝(Z1+Z2-Z3)/2，反相刺激电 极6-2的电极-皮肤阻抗Z_N＝(Z1+Z3-Z2)/2，参考地电极6-3的电极-皮肤阻抗Z_G＝ (Z2+Z3-Z1)/2。

模拟开关S1，S2，S3，S4，S5，S6，其由两个布尔量CTL1，CTL2通过一系列逻辑 门元件控制。

具体实施方式六：下面结合图7说明本实施方式，本实施方式对实施方式一作进一步 说明，矢量阻抗测量反馈电路8包括模拟乘法器M1、模拟乘法器M2、低通滤波器F1、 低通滤波器F2和ADC芯片；

模拟乘法器M1的一个输入端和模拟乘法器M2的一个输入端同时连接电极6的一个 电极、测量电阻RM的一端和电极地MGND；测量电阻RM的另一端连接实际地GND；

模拟乘法器M1的另一个输入端连接正弦激励输出端子SOUT；

模拟乘法器M2的另一个输入端同时连接余弦激励输出端子COUT和连接电极6的 另一个电极；

模拟乘法器M1的输出端连接低通滤波器F1的输入端，低通滤波器F1的输出端连接 ADC芯片的一个模拟信号输入端；

模拟乘法器M2的输出端连接低通滤波器F2的输入端，低通滤波器F2的输出端连接 ADC芯片的另一个模拟信号输入端；

ADC芯片的输出端连接控制器1的反馈信号输入端；

控制器1得到的COUT与MGND两端口间的电极的矢量阻抗为：

$Z=\frac{R{V}_m^2}{V_r(V_1^2+V_2^2)}(V_2+j{V}_1)$

式中：V_m为正弦激励输出端子SOUT与余弦激励输出端子COUT输出的正弦、余弦 波幅值，R为测量电阻RM的电阻值，V_r为模拟乘法器M1和M2的倍数电压，V₁为ADC 芯片测量得到的低通滤波器F1的平均输出，V₂为低通滤波器F2的平均输出。

所述矢量阻抗测量反馈电路8用于测量接在COUT与MGND两端口间的电极的矢量 阻抗，并将测得矢量阻抗的实部与虚部转化为模拟电压值，通过ADC芯片反馈给控制器 1，使控制器1能够根据当前各电极下的矢量阻抗值自适应地调节电刺激参数；

当经皮电刺激器处于阻抗测量状态时，控制器1控制DDS芯片2输出阻抗测量信号， 即一路相位为90度的余弦信号，测量信号的电压选择范围为3V-5V，频率选择范围为 1000Hz-4000Hz，设测试频率为f下测得的正相刺激电极阻抗为Z_P，反相刺激电极阻抗为 Z_N，参考地电极阻抗为Z_G，若Z_P，Z_N，Z_G的阻抗模数，即|Z_P|，|Z_N|，|Z_G|大 于200*f^-0.77(MΩ)，则应当调整电极与皮肤的接触面，如增大接触压力、采用95％的酒 精清洗皮肤等，直至|Z_P|，|Z_N|，|Z_G|小于200*f^-0.77(MΩ)。当经皮电刺激器处 于经皮电刺激状态时，电刺激波形由低频波(记为包络波)包络中频波(记为载波)形成， 包络波可为方波或正弦波，载波也可为方波或正弦波，包络波的频率为0.5Hz-100Hz，载 波的频率为f为测试频率，Im(Z_P)为正相刺激电极阻抗的虚部， Im(Z_N)为反相刺激电极阻抗的虚部，M为阻抗常数，其取值可为2kΩ到10kΩ之间；电刺 激波形的幅值I为可调电流，其在0-5mA间进行调节。

具体实施方式七：本实施方式对实施方式一作进一步说明，每通道的电刺激电极只有 两枚，为刺激电极和参考地电极，矢量阻抗测量时采用一枚辅助电极，以具体实施方式一 类似的方法依次求得刺激电极与参考地电极的电极-皮肤界面的矢量阻抗。

具体实施方式八：本实施方式对实施方式一作进一步说明，控制器1采用PC机，通 过高速I/O接口和AD采集板卡与电刺激器的其它部分相连，实现电刺激器的实时控制。