一种双相恒流脉冲神经刺激器的设计.pdf-资料库

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一种双相恒流脉冲神经刺激器的设计 http://www.paper.edu.cn 谢树群电子科技大学生命科学与技术学院，四川成都（610054） E-mail：xsq180@yahoo.cn 摘要：电刺激检测系统已成为临床电生理检测技术的重要组成部分，设计安全可靠的神经刺激器是神经电生理技术的重要内容，针对目前临床上常用的单相恒流神经刺激器对人体组织损伤较大且刺激模式单一的缺点，给出了一种具有双相恒流脉冲神经刺激器的基本原理和设计方法。其中采用改进型的威尔逊恒流源较好的实现了刺激脉冲的双相模式，通过单片机经数模转换器实现对恒流源的电流控制，从而实现具有多种脉冲模式的恒流输出。关键词: 刺激脉冲；威尔逊恒流源；刺激参数中图分类号： TP312.6 1. 引言近年来,随着诱发电位理论和技术的不断成熟,电刺激诱发电位检测已成为临床电生理技术的重要组成部分,其重要意义在于客观反映周围神经系统的功能状态以及提供功能性信息，不仅可用于判定神经传导通路病变（或损伤）的损害程度、受损部位及预后，也可用于脊髓功能的监护以及治疗效果的观察[1]。在临床应用方面有着其独特的重要意义和价值.而电刺激系统的优劣不仅关系到临床安全问题,还直接影响检测的科学性和准确性,所以设计先进、安全可靠的神经电刺激器就显得非常重要. 临床上的电刺激器一般都采用恒流脉冲技术，刺激脉冲的模式有多种多样，不同的刺激波形引起的组织损伤、电极腐蚀、和兴奋阈值各有优劣，具体的比较如图 1[1]所示。图符（个数多）优（个数少）差编号刺激波形阈值腐蚀组织损伤 a b c d e f 图 1 不同的刺激波形比较目前国内神经电生理实验中或临床使用的神经刺激器大都只有一种脉冲模式，即单相 -1-

http://www.paper.edu.cn 脉冲，如图 1 中的第一种或第二种。从图 1 可以看出，前面两种模式的脉冲对人体组织的损伤跟后面的几种比相对要差很多。由于临床应用时最强调的就是安全，所以有必要设计更加安全可靠，功能更加齐全的具有双相恒流脉冲的神经刺激器。 2. 具有多种模式恒流脉冲电刺激系统的设计刺激系统主要由脉冲产生控制电路、脉冲处理电路、威尔逊恒流源(注:这里的恒流源是由威尔逊恒流源改进的,为了叙述方便以下都叫威尔逊恒流源)以及升压电路等组成，系统组成框图如图 2 所示。脉冲产生控制脉冲处理威尔逊恒流源脉冲升压图 2 刺激系统组成框图其中脉冲产生控制单元[2]由单片机以及 D/A 转换电路等组成，用来产生所需要脉冲的宽度、幅度、以及频率等,所产生的脉冲进一步通过脉冲处理单元反相处理，电路原理如图 3 所示. D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 DAA0 DAA1 14 13 12 11 10 9 8 7 17 16 15 5 6 3 U6 DB0 DB1 DB2 DB3 DB4 DB5 DB6 DB7 A0 A1 WR AGND DGND Vss VDD 18 OUTA 2 OUTB 1 OUTC 20 OUTD 19 OUTA OUTB OUTC OUTD +5 4 RE F R10 10k TLC7226 R3 10K R2 14k 8 A 2 3 R4 6.8K 4 R8 5.1k R11 10k 4 B 5 6 8 R1 10k U4A 1 AD712JN U4B AD712JN 7 R12 10k R520k R7 20k R6 20k 6 5 8 B R9 6.8k 4 U5B 7 U1 AD712JN 脉冲图 3 脉冲产生控制和处理电路其中 TLC7226 为电压输出型的 D/A 转换器，有四个输出端 OUTA、OUTB、OUTC 和 OUTD,分别通过地址端 A1、A0 选择输出,TLC7226 的数据线、地址线和写控制线分别接到单片机 AT89C52 的数据线、地址线和写控制线上（由于 D/A 转换器与单片机的接口部分电路技术比较成熟，故图中未给出），由单片机来控制 D/A 转换器的输出端 OUTA 和 OUTB。从 OUTA 和 OUTB 输出的脉冲频率、幅度大小、宽度都可以通过单片机编程实现，且输出的都是正相脉冲。U4A 和 U4B 运放分别组成反相和正相放大器，通过 U5B 运放把两个正反相的单脉冲组合成双相的脉冲。由单片机编程很容易实现如图 1 所示的 a、b、c、d、f -2-

等模式的刺激波形。另外由 OUTA 和 OUTB 输出的电压范围从 0V 至 5V，如果需要提高电压，只要同时改变 U4A 和 U4B 的放大倍数即可,如图 3 所示两运放的放大倍数设为 2 倍, 这样输出的电压范围扩大为 0V 至 10V,从而满足输出要求. 其中威尔逊恒流源的电路原理如图 4 所示。 http://www.paper.edu.cn 8 U7A 1 A 2 3 S1 模拟开关 4 U1 脉冲 U7B 7 S2 模拟开关 4 B 5 6 8 U2 U3 +15 R1 20 Q1 I1 Q3 Q6 I2 R2 20 Q2 Q4 Io U4 Q5 P1 1 2 T1 变压器 Q7 Q8 -15 图 4 恒流源电路图 4 中由两极威尔逊恒流源[3-4]组成，由 Q1、Q2、Q3、Q4 组成的恒流源产生正电流，由 Q5、Q6、Q7、Q8 组成的恒流源产生负电流。其中 S1 和 S2 为模拟开关，其通断受单片机控制,Q3 和 Q6 分别用来控制 I1 和 I2 的通断，也可以看作模拟开关。由威尔逊恒流源工作的原理可知输出电流 Io 决定于 I1 和 I2 的大小，当模拟开关 S1 和 S2 处于断开时，Q3 和 Q6 的源极和漏极处于高阻即“断开”状态，此时 I1 和 I2 都为零，输出 Io 相应的为零。如图 4 所示，当输入脉冲为负脉冲时 U7B 的第 7 脚输出负脉冲，幅度大小约等于运放 U1 的负电源电压，同时让 S2 导通，S1 断开，则 Q6 的漏极和源极跟着导通，此时 Io=I2。同理，当输入为正脉冲时，Io=I1。又由运放“虚短”“虚断”的概念可知 U1=U2=U3，且 I1 的大小约等于 U2 与 R1 的比值，I2 的大小约等于 U3 与 R2 的比值，所以 R1 和 R2 的值不变时， I1 和 I2 的大小就受到 U1 控制，所以输入脉冲幅度的大小决定了输出 Io 的大小。输入脉冲 U1 的模式决定输出 U4 的模式，U4 的幅度大小约等于正负 15 伏。由于作用在人体上的电压需要几百伏的阈值[1]，临床上一般取 300V 左右[5],所以恒流源输出经过带有隔离的升压变压器升压到 300 伏左右,再通过电极引到人体. -3-

http://www.paper.edu.cn 3. 神经电刺激器的技术要求及设计实现刺激参数的选择和控制对整个刺激系统来讲非常重要,它直接影响到整个刺激系统的性能.在设计具体的参数时,主要考虑两点,一个是刺激参数必须要满足神经电生理的工作机理,对人体的刺激参数都有严格的规定,一般是在某一个范围,临床使用时要把参数具体化.另一个要求是,刺激的参数在合理科学的基础上应该可以进行多种选择,对不同的患者,在刺激时的参数往往要求有差异,临床上医生可以根据不同的病人选择不同的参数,具体技术要求说明如下: 3.1 刺激电流强度引起神经冲动必须有一定的刺激强度,称为阈值强度,即为阈值刺激.不同的刺激波形,不同的刺激部分,不同的人体刺激阈值都有可能不同,所以刺激的电流强度也不同,要求刺激的电流应该可调,而且电流不能太大,太大了会对人体造成伤害,一般临床上要求不能超过 50mA。本设计的电流从 1mA 至 30mA 以步进 1mA 连续可调.如图 4 所示,通过单片机和 D/A 转换器来控制脉冲 U1 的大小进而控制输出电流 Io 大小. 3.2 刺激脉冲宽度(即电流作用时效) 前面提到刺激的电流强度不能太大，不能超过规定范围，同时刺激的时间也不能太长，太长同样对人体会构成伤害。刺激的时间长短是通过控制刺激脉冲的宽度来实现，脉冲宽度即电流作用时效。临床上使用时，为了病人的安全一般刺激的时间不超过 1ms.通常是从 0.1ms 到 1ms 之间。临床上最常用的是 0.2ms[5]，为了满足不同的需要,设置了从 0.1ms 到 1.0ms 以步进 0.1ms 连续可调，由医生根据不同的情况选择。 3.3 刺激频率 (即每秒刺激的次数) 刺激频率可在0.5Hz,1Hz,2Hz 三档中选择.神经刺激的刺激电流频率要求比较低,主要有两个原因,一个是患者对高频电刺激会有不适和疼痛感;另外一个是刺激频率过高会使后一个刺激落入前一个刺激的绝对不应期内,造成神经不发生兴奋.临床上使用时以0.5Hz 到2Hz 为宜，最常用的是 1Hz[5]。 3.4 系统安全措施为了保证患者的安全,医疗仪器对安全措施要求比较严格,对于本检测仪，最主要的是要对刺激电流和刺激时限采取相应的安全设计，刺激时如果电流过大或者脉冲宽度失控都会对人体造成伤害，按照医疗器械管理规范，为保证人体安全主要采用多方面措施：①供电电源通过带有隔离的 DC-DC 变换器浮地隔离,通过电源和信号的浮地隔离，使作用在人体上的电极和市电完全隔离，从而保证了人体的安全.② 刺激脉冲由单片机控制，只有发出操作指令时才能产生，由变压器隔离输出，为了进一步保证安全，还设计了脉冲监控电路防止脉冲宽度失控，当脉冲失控时通过继电器立即自动切断电路并报警;③刺激电路中为防止刺激电流突然变大，使用了保险丝和保护电阻等，当刺激电流过大即烧坏，从而切断电源达到了保护的目的. 4. 刺激器的实验结果通过单片机和 D/A 转换器以及脉冲处理电路很容易实现如图 1 所示的除了 e 编号以外 -4-

http://www.paper.edu.cn 的所有脉冲模式,并且实现了对输出脉冲的电流强度、刺激频率、脉宽的控制。为了检验刺激器的输出结果，在如图 4 所示的变压器输出端接一个电阻值为 1KΩ 的电阻进行测量，通过控制键盘设定输出电流为 5mA,输出脉冲宽度为 250uS,用示波测量结果如图 5 所示（这里只给出图 1 当的编号为 c 的双相恒流脉冲刺激波形）. 图 5 双相恒流脉冲刺激波形为了进一步验证该刺激器的刺激效果进行实际人体实验（正常人），采用图 1 中编号为 c 的脉冲波形进行刺激。如图 6 所示为正中神经复合肌肉动作电位（CMAP）的刺激示意图[5]，图 7 为用肌电检测系统检测的 CMAP 结果，从结果可以看出该刺激器的刺激效果基本上达到了设计的要求。 + - - + 测量点刺激点图 6 正中神经 CMAP 的刺激点和测量点图 7 正中神经 MCAP 的测量结果 -5-

http://www.paper.edu.cn 5. 结束语近年来，电诊断检测仪已成为临床电生理技术的重要组成部分，这些电诊断仪都配备有电刺激系统，电刺激治疗已成为周围神经不全损伤后或神经手术康复期中主要的治疗手段之一，寻找合适、科学的刺激参数是神经电生理研究领域的热门话题，特别是在临床神经电刺激检测和治疗方面对神经刺激器的性能参数要求是很严格的，设计安全可靠、功能齐全、运行稳定的神经刺激器是神经电生理技术的重要内容。国外一些科研机构和医疗器械公司在这方面已作了很多探索,而国内还处于刚刚起步状态,为了赶上国外先进技术,打破国外的技术垄断,进行相关方面的研究就显得势在必行. 参考文献 [1]邓亲恺. 现代医学仪器设计原理[M]. 科学出版社,2005. [2]周广清, 陈光杰, 李曦等. 单相恒流脉冲神经刺激器的设计[J]. 医疗卫生设备, 2003,12: 23-25 [3]Wu HanChang, Young ShuennTson , Kuo TeSon , et al. A Versatile Multichannel Direct-Synthesized Electrical Stimulator for FES Applications[J]. IEEE Trans. On Biomedical Engineering,2000,2:180-185 [4]J.A De Lima, A.S Cordeiro. A Simple Constant-Current Neural Stimulator With Accurate Pulse-Amplitude Control[J]. IEEE Trans. On Biomedical Engineering,2001,1:1328-1331 [5]张凯莉, 徐建光. 临床实用神经肌电图诊疗技术[M]. 复旦大学出版社,2004 A Constant-current Neural Stimulation with Biphasic-pulse Institute of Life Science and Technology, University of Electronic Science and Technology of Xie Shuqun China, Chengdu (610054) Abstract Electrical Stimulation System has become an important component of clinic electrical physiology detection technologies. Design of safe and reliable neural stimulators is an important content of neural electrical physiology technologies. The neural stimulator of single phase constant-current frequently used in clinical therapy at present, does great harm to bodies and has a single stimulation pattern. According to its disadvantages, we propose the fundamental principle and design method of the constant-current neural stimulator with a Biphasic-pulse pattern. Adopting improving Wilson constant-current can well achieve the dual-phase pattern of stimulation pulses. Through achieving the current control of constant-current based on MCU and D/A converter, we achieve the constant-current output of the multi-pulse pattern. Keywords：stimulation pulse; wilson current mirror; stimulation parameters 作者简介：谢树群，男，1978 年生，硕士，研究方向为智能医学仪器。 -6-

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