CN103311878A - 一种双极性电刺激保护装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双极性电刺激保护装置，包括电源电路、控制通断电路、差分放大电路、限流调节电路和比较器电路，控制通断电路实现对信号的采样与控制刺激信号的输出与切断；差分放大电路把控制通断电路采样的信号进行放大；比较器电路对差分放大电路放大后的取样信号与限流调节电路输入的电压进行比较，比较器电路输出高电压时控制通断电路切断刺激信号的输出。在负载（病人）进行双极性电刺激时，流过负载（病人）的电流超过某个电流值时，直接切断双极性电刺激信号并锁定该状态，从而停止双极性电刺激的输出，对患者实现进行有效安全的保护。本发明具有结构简单，使用方便，安全系数高的优点。

Description

一种双极性电刺激保护装置

技术领域

     本发明涉及双极性电刺激仪器技术领域，具体涉及一种双极性电刺激保护装置。

背景技术    

电刺激是一种常用的理疗方法，目前常用的为方波电刺激,这是因为方波电流的上升和下降速率极高,波幅在瞬间内即可达到最大刺激值,也可降低到零,并且方波的波形规则既有利于掌握刺激强度,也有利于测量和计算。在具体操作中,电刺激的波幅,波宽,串长,程序和时间间隔等指标均可随意调整,它即可以用于皮肤测痛,也可以用于外周神经和中枢神经系统的测定,除了可以产生疼痛感觉外,也产生麻木感。为了尽量减少刺激电流引起的热和电解作用对生物体的影响，在保持刺激有效的前提下，必须尽可能地缩短时间；而且要采用双极性方波刺激。后者特点在于：在正方波时离子向一个方向运动，紧接而来的负方波使离子向相反方向运动，这样可极大地减少电解作用。

目前，对电刺激电流过载保护，主要是在输出回路中串联一个测流电阻，在这个电阻上得到与刺激电流成正比的脉冲电压信号，此信号经光电耦合后送D/A转换器，控制器实时采集电流大小，当刺激电流超过一个设定的值时，过载保护电路会停止刺激脉冲合成电路的输出，从而保证避免意外情况对病人造成的伤害。一般电刺激电流过载保护有效的前提是：控制软件系统工作正常、D/A转换器工作正常、恒流控制开关管工作正常，实际上这三部分发生异常的情况很常见，因此将大大降低其安全性能的可靠性。

另外有一种电刺激电流过载保护装置，采用精准零漂移电流检测放大器实时监测电流大小，过流后控制后面的比较器输出翻转，通过MOS管构成的截断电路来断开电源。这种保护电路有多个不足：

1、此种电流过载保护电路采集只是单方向的方波，而现在电刺激仪输出的多是正负双极性的方波刺激信号，此种过流保护电路无法进行采集双极性电流。

2、电流过载保护电路的电源由外部电源提供，电路的可靠性就下降了，若是外部电源未正常则保护电路无法正常工作。

3、保护电路对电流的切断采用的是MOS管，这种控制方式需要一直保持在MOS管上施加特定的电平，这种方式的可靠性差。

4、保护电路对电流的检测采用的是电流检测放大器，价格高，电路复杂。

 

发明内容

本发明的目的在于针对以上不足，提出一种双极性电刺激过流保护装置，在负载（病人）进行双极性方波双极性电刺激时，流过负载（病人）的电流超过某个电流值时，直接切断双极性电刺激信号并锁定该状态，从而停止疼痛双极性电刺激的输出，对患者实现进行有效安全的保护。

本发明的目的通过如下技术方案实现：

一种双极性电刺激保护装置，其包括：电源电路、控制通断电路、差分放大电路、限流调节电路和比较器电路，电源电路分别与控通断电路、差分放大电路、限流调节电路和比较器电路相连接；控制通断电路用于实现对双极性方波刺激信号的采样与控制双极性方波刺激信号的输出与切断，控制通断电路的输入接双极性方波刺激信号；差分放大电路与控制通断电路相连接，把控制通断电路采样的信号进行放大；限流调节电路用于根据双极性电刺激器的使用需要，调节过载的电流控制阈值；比较器电路的输入接差分放大电路的输出和限流调节电路的输出，对差分放大电路放大后的采样信号与限流调节电路输出的电压进行比较；控制通断电路还与比较器电路相连接，比较器电路输出高电压时，控制通断电路切断双极性方波刺激信号的输出。

进一步优化的，所述电源电路把双极性方波刺激信号的一部分转换成正负电源电压，为整个双极性电刺激保护装置提供正负电源，并不需要外接电源，本装置就能正常工作。 

进一步优化的，所述控制通断电路包括整流硅桥、取样电阻、光耦合器、晶闸管和三极管，整流硅桥第一个输入端口作为双极性方波刺激信号的输入端，相对的第二个输入端口作为双极性方波刺激信号的输出端，三极管的集电极和发射极和取样电阻串联后连接在硅桥剩下的第三和第四端口之间，起到开关的作用，如果所述三极管处于截止状态，则取样电阻所在支路断开，双极性方波刺激信号无法输出；所述三极管的集电极和所述光耦合器中的光敏三极管的集电极相连，三极管的发射极和光耦合器中的光敏三极管的发射极相连，如果光耦合器中的发光二极管有光照射，光耦合器中的光敏三极管导通，三极管也就导通，双极性方波刺激信号就能输出到输出端；如果光耦合器中的发光二极管无光照射，光耦合器中的光敏三极管截止，三极管也就截止，则取样电阻所在支路断开，双极性方波刺激信号无法输出；晶闸管和光耦合器中的发光二极管并联，如果晶闸管导通，则光耦合器中的发光二极管就无电流流过，不发光，双极性方波刺激信号输出被截断。

进一步优化的，所述控制通断电路还包括指示灯，用于指示是否处于过流状态；指示灯与光耦合器中的发光二极管并联，光耦合器中的发光二极管发光时，双极性刺激信号正常输出，指示灯亮，显示为正常工作状态。

进一步优化的，所述控制通断电路还包括按键，按键接在晶闸管的控制端与地之间，按键按下后，晶闸管控制端接地，晶闸管由导通状态改为截止状态。

本双极性电刺激过流保护装置，采用双极性方波来转换出直流电源供给本刺激保护电路，不需要外接电源就能正常工作。本双极性电刺激过流保护装置采用整流硅桥与取样电阻来实现对双极性方波的采样，并且无论是正电平还是负电平，采样得到的电压方向一致。此电压经过差分放大电路实现取样，差分放大电路的输出电压与参考电压在比较器电路里进行比较，当超过参考电压时，比较器输出高电平，从而控制晶闸管导通，晶闸管导通控制光耦合器断开，光耦合器的断开又来控制整流硅桥的断开，从而控制刺激信号的切断。由于晶闸管是控制电平一次翻转就可以由截止状态改为导通，并且在控制电平彻底后也能保持这一导通状态，从而保持双极性电刺激信号的断开。

本双极性电刺激过流保护装置采用整流硅桥与取样电阻来实现对双极性方波的采样，并且无论是正电平还是负电平，采样得到的电压方向一致。采用晶闸管来控制光耦合器的通断，光耦合器的通断又来控制整流硅桥的通与断，从而控制刺激信号的输出与切断。由于晶闸管是控制电平一次翻转就可以由截止状态改为导通，并且在控制电平彻底后也能保持这一导通状态。 限流调节电路可根据不同双极性电刺激器的临床使用需要，修改控制过载的电流控制阈值，以适应各种不同的人群。

总之，与现有技术相比，本发明具有如下有益效果和优点：本发明是一种完全独立的保护装置，使用简单方便，可以作为附加设备与现有的多种双极性电刺激设备连接使用，即可启动过流保护的作用。本发明实现过流保护不受任何其他控制电路（含软件）、D/A或开关管的影响；本电路利用方波刺激信号产生正负电源，也不需要外部电源来提供电源，工作的可靠性提高。另外，通过晶闸管与光耦合器组成的开关直接切断双极性电刺激信号的输出，并且锁定次状态，安全系数高；有指示灯来指示是否处于过流状态，恢复工作状态的方法简单，按下按键一下即可。可根据不同电刺激的临床使用需要，修改控制过载的电流控制阈值，以适应各种不同的人群。

附图说明

图1为应用本发明的原理示意图。

图2为实施方式中双极性电刺激过流保护装置的组成框图。

图3为实施方式中电源电路模块电路图。

图4为实施方式中双极性电刺激过流保护装置的电路图。

图5为正电平刺激信号传输示意图。

图6为负电平刺激信号传输示意图。

 

具体实施方式

以下结合附图和实例对本发明的实施作进一步说明，但本发明的实施和保护不限于此。

如图1所示，双极性电刺激仪有两个输出端，双极性方波输出端为第一个输出端即第一电极接口1，地信号为第二个输出端即第二电极接口2。原来使用时两个输出端各连接到一个电极，对人体实施双极性电刺激。把本双极性电刺激过流保护装置连接到双极性双极性电刺激仪与两个电极片之间，即可实现限流保护的作用。连接方法是：本双极性电刺激过流保护装置的输入端IN与双极性电刺激仪的双极性方波输出端即第一电极接口1相连，本双极性电刺激过流保护装置的地信号端与双极性电刺激仪的地端即第二电极接口2相连。本双极性电刺激过流保护装置的两个输出端OUT A与OUT B各连接到一个电极片。第一个输出端OUT A来输出双极性电刺激信号，当电流大于设定值时，可以切断双极性电刺激信号的输出。第二个输出端OUT B是地信号。

如图2所示，双极性电刺激仪过流保护装置由电源电路、控制通断电路、差分放大电路、限流调节电路和比较器电路构成。输入到电路来的双极性方波刺激信号被分为两路，一路进入电源电路，另一路进入控制通断电路。电源电路把双极性的方波信号的一部分转换成正负电源电压，为整个限流保护电路提供正负电源。控制通断电路，利用整流硅桥来实现两个功能，一是取样电流转成取样电阻两端的电压，且电压的方向保持不变；二是根据比较器电路的输出实现对双极性电刺激信号的切断。控制通断电路中采样电阻两端的电压输入到差分放大电路中被采集，差分放大电路的作用是，采集取样电阻两端电压，而并不分流取样电阻上的电流，因为差分放大电路的输入电阻很高。差分放大电路采集到的电压输入到比较器电路中，与限流调节电路的参考电压进行比较，来控制比较器的输出。如果高于限定电压，比较器输出为高，控制信号输出到控制通断电路中，来控制截断双极性电刺激信号的输出。限流调节电路的作用是利用滑动变阻器产生可调的参考电压，从而改变设定的限定电流值。此参考电压输入到比较器电路中，作为比较器电路的参考电压。

如图3所示，电源电路由二极管（D1、D2）、电阻（R1、R2、R3、R4），电容（C1、C2、C3、C4）和稳压二极管（D3、D4）组成。图中，方波的正电压滤波电路（由D1、R1、R3、C1、C2构成），把正方波信号滤波成直流电压，后面的第三稳压二极管D3起到稳压的作用，产生稳定的正电压，此正电源为过流保护电路提供正电源。其中方波的负电压滤波电路（由D2、R2、R4、C3、C4构成），把负方波信号滤波成直流电压，后面的第四稳压二极管D4起到稳压的作用，产生稳定的负电压，此负电源为过流保护电路提供负电源。

如图4所示，控制通断电路由整流硅桥、NPN三极管Q1、NPN光 耦合器U1、电阻（R6、R13）、二极管（D5、D6、D7）、晶闸管U3和按键key构成。取样电阻R5连接到整流硅桥的一端，同时连接10K欧第九电阻R9的一端，第九电阻R9的另一端连接到运放U2A的反相输入端。取样电阻R5连接到三极管Q1发射极的一端，同时连接10K欧第十电阻R10的一端，第十电阻R10的另一端连接到运放U2A的同相输入端。三极管Q1的集电极和发射极和取样电阻R5串联在一起，起到开关的作用，如果Q1断开，刺激信号无法输出。三极管Q1的集电极和光耦合器中的光敏三极管的集电极相连，三极管Q1的发射极和光耦合器中的光敏三极管的发射极相连。晶闸管U3和光耦合器中的发光二极管并联。

如图4所示，差分放大电路的第八电阻R8一端接地，另一端接到运放的同相输入端，10K电阻R10连接在反相输入端和输出端之间。运放U2A的输出端连接到运放U2B的同相输入端，

如图4所示，限流调节电路由第八稳压二极管D8，3.3K欧电阻R14，51K欧电阻R11，50K欧可调电阻Rv1组成。50K欧可调电阻Rv1的一端接地，另一端连接到51K欧电阻R11的一端，51K欧电阻R11的另一端连接到3.3K欧电阻R14的一端，3.3K欧电阻R14的另一端连接到电源V+。稳压二极管D8的阳极连接到地，阴极连接到3.3K欧电阻R14与51K欧电阻R11的公共端。可调电阻RV1的滑动端连接到运放U2B的反相输入端。可调电阻RV1的滑动端的电压为限定电流大小设定值。调节可调电阻就可以调节双极性电刺激电流的限定值。

图5和图6是简化了的控制通断电路的示意图。下面结合图5、图6说明控制通断电路的工作原理。如图5所示，当方波的正电平过来时，电流按虚线的方向流过其中两个二极管（D11和D13）和取样电阻R5。电流从上而下流过取样电阻R5，双极性的方波从IN输入端输入进来，经过硅桥输出到输出端OUT B端。

如图6所示，当方波的负电平过来时，电流按虚线的方向流过其中两个二极管D12和D14，和取样电阻R5。电流从上而下流过取样电阻R5。双极性的方波由IN输入端输入进来，经过硅桥输出到输出端OUT B端。

OUT B输出端的电压是输入端IN的电压减去两个二极管的导通压降和取样电阻R5上的压降，因为取样电阻R5很小，双极性的方波通过这个整流硅桥与取样电阻R5构成的电路，只是减少很少的幅度就在输出端OUT B端输出，在OUT B端得到的是幅度稍微减少了一点的双极性方波。OUT B连接一个电极片，地信号连接另外一个电极片，这两个电极片安放在患者身上，即可进行双极性电刺激。从电路中，可以看到取样电阻R5上的电流就是流经人体的电流，实现了采样，而且无论是方波的正电平还是负电平在取样电阻R5上产生的电流都是自上而下，取样电阻R5上端的电压就一直高于下端电压，这样就方便后面的放大与比较。

    从图5和图6中，可以看到如果取样电阻R5所在支路被断开，方波信号的正电平无法通过此电路到达OUT B端，方波信号的负电平无法通过此电路到达OUT B端，双极性电刺激信号无法输出。这就是此电路实现双极性电刺激信号截断的原理。

如图4所示，三极管Q1的集电极和发射极和取样电阻R5串联在一起，起到开关的作用，如果Q1处于截止状态，则取样电阻R5所在支路断开，刺激信号无法输出。三极管Q1的集电极和光耦合器中的光敏三极管的集电极相连，三极管Q1的发射极和光耦合器中的光敏三极管的发射极相连，如果光耦合器中的发光二极管有光照射，光耦合器中的光敏三极管导通，三极管Q1也就导通，双极性的方波刺激信号就能输出到输出端。如果光耦合器中的发光二极管无光照射，光耦合器中的光敏三极管截止，三极管Q1也就截止，则取样电阻R5所在支路断开，刺激信号无法输出。

如图4所示，晶闸管U3和光耦合器中的发光二极管并联，如果晶闸管U3导通，则光耦合器中的发光二极管就无电流流过，不发光，刺激信号输出被截断。

取样电阻R5上的电压经过差分放大电路，放大倍数为1，差分放大电路的作用是，采集取样电阻两端电压，而并不分流取样电阻上的电流，因为差分放大电路的输入电阻很高。差分放大电路的输出电压与限流调节电路的参考电压进行比较，如果高于限定电压，比较器输出为高，晶闸管导通，则光耦合器中的发光二极管就无电流流过，不发光，刺激信号输出被截断。

当晶闸管截止时，即电流未超过设定值，双极性电刺激信号正常输出时，指示灯发光二极管D7亮灯。晶闸管U3和指示灯发光二极管D7并联，当电流超过设定值时，晶闸管导通，双极性电刺激信号被截断，指示灯发光二极管D7亮灭，起到指示工作状态的作用。

当电流超过设定值时，晶闸管导通，双极性电刺激信号被截断时，并保持此状态，这时要重新工作，只要按下按键一下，晶闸管就被截止，电刺激信号就恢复输出。

下面，举例说明整个系统的工作过程。输入的双极性方波信号，一路输入到电源电路产生正负电源，此正负电源为整个电路的其他模块供电。输入的双极性方波信号，另一路进入控制通断电路，流经取样电阻R5，取样电阻R5两端电压大小即表征了刺激电流的大小，此取样电压被差分放大电路取样，然后传到比较器电路中，和限流调节电路提供的参考电压比较。若是刺激电流过大，即取样电阻R5两端电压过大，即取样电压过大，则比较器电路输出高电平。此高电平传到晶闸管U3的控制端，使晶闸管U3导通。因为晶闸管U3和光耦合器U1中的发光二极管并联，晶闸管U3导通，导致光耦合器中的发光二极管无电流流过，光耦合器中的光敏三极管截止，三极管Q1也就截止，则取样电阻R5所在支路断开，刺激信号无法输出，并且锁定此状态。晶闸管U3和指示灯发光二极管D7并联，当电流超过设定值时，晶闸管导通，双极性电刺激信号被截断，指示灯发光二极管D7亮灭，起到指示工作状态的作用。这时要恢复刺激信号的输出，只需要按下按键key，按键key被按下，晶闸管U3被设置为截止。因为晶闸管U3和光耦合器U1中的发光二极管并联，晶闸管U3截止，导致光耦合器中的发光二极管导通，有电流流过，即有光照射到光耦合器中的光敏三极管，使光敏三极管导通，三极管Q1也就导通，双极性的方波刺激信号就能输出到输出端。

Claims (5)

1.一种双极性电刺激保护装置，其特征在于包括：电源电路、控制通断电路、差分放大电路、限流调节电路和比较器电路，电源电路分别与控通断电路、差分放大电路、限流调节电路和比较器电路相连接；控制通断电路用于实现对双极性方波刺激信号的采样与控制双极性方波刺激信号的输出与切断，控制通断电路的输入接双极性方波刺激信号；差分放大电路与控制通断电路相连接，把控制通断电路采样的信号进行放大；限流调节电路用于根据双极性电刺激器的使用需要，调节过载的电流控制阈值；比较器电路的输入接差分放大电路的输出和限流调节电路的输出，对差分放大电路放大后的采样信号与限流调节电路输出的电压进行比较；控制通断电路还与比较器电路相连接，比较器电路输出高电压时，控制通断电路切断双极性方波刺激信号的输出。

2.根据权利要求1所述的一种双极性电刺激保护装置，其特征在于所述电源电路把双极性方波刺激信号的一部分转换成正负电源电压，为整个双极性电刺激保护装置提供正负电源。

3.根据权利要求1所述的一种双极性电刺激保护装置，其特征在于所述控制通断电路包括整流硅桥、取样电阻、光耦合器、晶闸管和三极管，整流硅桥第一个输入端口作为双极性方波刺激信号的输入端，相对的第二个输入端口作为双极性方波刺激信号的输出端，三极管的集电极和发射极和取样电阻串联后连接在硅桥剩下的第三和第四端口之间，起到开关的作用，如果所述三极管处于截止状态，则取样电阻所在支路断开，双极性方波刺激信号无法输出；所述三极管的集电极和所述光耦合器中的光敏三极管的集电极相连，三极管的发射极和光耦合器中的光敏三极管的发射极相连，如果光耦合器中的发光二极管有光照射，光耦合器中的光敏三极管导通，三极管也就导通，双极性方波刺激信号就能输出到输出端；如果光耦合器中的发光二极管无光照射，光耦合器中的光敏三极管截止，三极管也就截止，则取样电阻所在支路断开，双极性方波刺激信号无法输出；晶闸管和光耦合器中的发光二极管并联，如果晶闸管导通，则光耦合器中的发光二极管就无电流流过，不发光，双极性方波刺激信号输出被截断。

4.根据权利要求3所述的一种双极性电刺激保护装置，其特征在于所述控制通断电路还包括指示灯，用于指示是否处于过流状态；指示灯与光耦合器中的发光二极管并联，光耦合器中的发光二极管发光时，双极性刺激信号正常输出，指示灯亮，显示为正常工作状态。

5.根据权利要求3或4所述的一种双极性电刺激保护装置，其特征在于所述控制通断电路还包括按键，按键接在晶闸管的控制端与地之间，按键按下后，晶闸管控制端接地，晶闸管由导通状态改为截止状态。

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