高压功能性电刺激器设计(附件)【字数：11354】
摘 要功能性电刺激（FES）是近年来兴起的一种新的医疗手段，它是一种利用经皮电流使肌肉收缩的矫正和治疗技术，可用于治疗患有脊髓损伤、中风以及相关神经损伤的瘫痪患者。本论文设计一种能够实现脉宽与输入信号相同、刺激强度可调、高压、恒流与恒压双功能以及正负双极性脉冲输出的刺激电路。输入脉冲信号通过光耦隔离器电路实现输入与输出端隔离，利用高精度旋转电位器调整刺激强度大小，经过电压跟随器电路之后使用一个单刀双掷开关实现恒压与恒流输出功能的切换，同时利用一个经改造的六脚二档双联开关控制刺激脉冲极性输出。刺激器电源分为低压和高压供电两部分，其中低电压部分采用单节9V层叠电池供电，高压电源部分可采用多个9V层叠电池串联构成。电路整体架构精巧并且制作成本低。利用Arduino编程产生脉宽调制（PWM）脉冲信号经过高压隔离功能电刺激器后经过水凝胶刺激电极连接人体皮肤表面，激活患侧肌肉及其神经肌肉接头，从而完成肢体动作康复训练。
目 录
第一章 绪论 1
1.1引言 1
1.2研究的意义 1
1.3国内外的现状与发展前景 1
1.4本文研究目标和主要内容 2
第二章 Arduino的介绍 4
2.1 引言 4
2.2 Arduino简介 4
2.3 Arduino的种类 5
2.4小结 6
第三章 高压功能性电刺激器的系统设计与器件选择 7
3.1电路系统的结构 7
3.2各模块的器件选择 7
3.2.1选用Arduino作为信号发生器 7
3.2.2选用6N136作为光电耦合器 7
3.2.3选用CA3140作为运算放大器芯片 8
3.2.4刺激输出端的滤波电容选择 9
第四章 电路的具体设计 10
4.1信号发生模块电路 10
4.2光耦隔离器模块电路 11
4.3运算放大模块电路 12
4.4恒流恒压控制与输出反相控制模块电路 13
4.5电路集成 15
4.6 PCB板设计 15
4.7小结 16
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072#
第五章 高压功能性电刺激器电路的调装与实验验证 17
5.1引言 17
5.2电路的调装 17
5.2.1电路的调装设备 17
5.2.2电路的调装过程 18
5.3电路的调试结果 18
5.4实验验证 19
5.5小结 20
结束语 21
致 谢 22
参考文献 23
附录A 电路原理图 24
附录B PCB布线图 25
附录C PCB版图 26
第一章 绪论
1.1引言
功能性电刺激（FES, functional electrical stimulation）是一种应用低频电流、根据不同需求进行编程输出刺激脉冲到皮肤表层，然后通过刺激电流激活患侧肌肉神经从而诱发肌肉自主做收缩运动的治疗手段。FES已普遍应用于帮助和辅助脊髓损伤和中风患者运动以及恢复运动功能，如利用FES对偏瘫病人的足下垂进行恢复治疗。另外，FES已被应用于促进上下肢运动、改善呼吸功能、恢复肠道和膀胱功能、恢复男性性功能以及治疗各种因肌肉神经丧失运动功能而引起的病症。
刺激疗法在我国从古至今便有流传，即针灸。针灸就是指应用中医理论，在理论的指导下将针具慢慢插入患者的身体中某些穴位，然后采用旋转与抽插等刺针手法来对人体特定穴位进行有规律的刺激，从而达到刺激神经肌肉，对身体进行疾病的治疗的目标。在医疗技术的发展与科研人员的不断深入研究的条件下，电刺激疗法逐渐走向成熟，并且有了不少的治愈案例。功能性电刺激与传统针灸刺激有相似的功能，不同的是他更安全可靠，且可逆。
本章在基于前人的科研成果下，简单地介绍当代功能性电刺激技术在国内与国外的现状及发展前景，重点介绍高压电刺激器的国内外现状和发展前景和本文所研究的内容。
1.2研究的意义
长久以来，肢体残疾或者运动神经障碍一直困扰着患者，而传统的针灸治疗法虽然对肌肉神经刺激有治疗作用，但是其治疗法往往相对复杂烦琐，效率不高且有一定的危险因素。电刺激治疗法的发展与应用大大地提升了治疗效率，且功能性电刺激技术发展迅速，并应用于多种病症治疗，如治疗上运动神经元瘫痪、呼吸功能障碍、排尿功能障碍、特发性脊柱侧弯肩关节半脱位，尤其是在心脏起搏器方面的作用尤为突出。而本文研究的刺激器与其他刺激器又有着不同之处，它兼具恒流与恒压两种输出模式，且通过恒流部分电路的巧妙设计，节约了电路的成本的同时缩小了电路空间尺寸，使该刺激器携带方便并且操作容易。
1.3国内外的现状与发展前景
功能性电刺激技术是一种神经肌肉电刺激应用技术，通过人工预先设定样式的脉冲序列来刺激肌肉的神经或神经肌肉接头，使肌肉自主收缩和关节作运动从而达到完成肢体活动的目标。因此使用FES技术可以对脑卒中患者的偏瘫的肢体进行康复治疗。自1961年Liberson[1]研究并设计出世界上第一个功能性电刺激系统并用于矫正足下垂以来，科研人员开始陆续设计了许多FES系统用于恢复和提高患者的肢体运动功能。
根据FES刺激脉冲施加到皮肤的激励电源的方式来划分，可以分为恒压刺激和恒流刺激[23]。恒压刺激因其效率高的优点广泛应用于大电流刺激方式，同时这种方式可以增加电池的使用寿命、减小电源的功耗[4]。Wang等人[5]使用两个反击式（flyback）的开关电源（SMPS, Switch mode power supply）设计了一种最大输出高达900V的恒压脉冲电刺激器，用来运动诱发电位探测。在体表方向的FES应用中，大电流刺激模式比电压刺激模式使用的更加普遍[3]，原因在于神经元膜的电位去极化级别与注入的电荷数量和属性直接相关。根据文献[4]可知，电极和皮肤组织两者之间的阻抗是随时间变化的一个变量。除此之外，皮肤组织还具有一定的电容性部分。所大电流刺激可以确保一个恒定不变的电刺激而不用考虑阻抗的变化因素，相反，而电压刺激则需要时刻调整改变电压大小以确保电刺激能够维持一定的刺激程度。
目前，研究者们已经设计出了多种恒定电流刺激电路的结构，以实现高电压工作范围以及双相电荷平衡的要求。使用基于功率平衡的变压器结构可以实现恒流刺激[2,6,7]。但是由于变压器因线圈匝数比固定不变，输出的电流幅度的变化范围小、难以同时获得大电流和高电压。与此同时变压器本身的占用体积大，对外容易形成电磁干扰，其电感和寄生电容造成的瞬态电势差和电流变化还会影响生物电信号探测和记录。利用电感与电容等无源器件振荡以获取较高能量的脉冲[6]，这种方式可以替代变压器并能很够大程度减小电路的体积。这种利用无源器件的方法能够产生双相电荷平衡脉冲，但是受到放电回路中的阻容的限制，刺激波形不能设置为任意变形；使用豪兰德（Holland）架构的电压转电流电路，可以生成任意的双相电荷平衡波形并实现将输入电压线性变换为输出电流[8]，但Holland电路对电阻有要求，它需要使用高精度匹配电阻，这使得电路容易造成自激振荡，且运放的启动电流大、静态工作功耗高，芯片耐压的范围低，导致输出的刺激脉冲电压和电流幅度范围有限。文献[3]提出了使用基于耐高压三极管构成的威尔逊电流源驱动电路有效地解决了恒流电源在高压状态下工作的问题，但为了使得多通道刺激时通道间形成隔离，每一路都需要单独为其提供供电电源和电流驱动电路，这必定会增加电路的体积与设计成本。所以本课题的目的是设计一种功能性电刺激器，既可以输出高压恒流刺激脉冲，又可以输出恒压刺激脉冲，以便用于各种FES系统的应用实现和实验研究。
目 录
第一章 绪论 1
1.1引言 1
1.2研究的意义 1
1.3国内外的现状与发展前景 1
1.4本文研究目标和主要内容 2
第二章 Arduino的介绍 4
2.1 引言 4
2.2 Arduino简介 4
2.3 Arduino的种类 5
2.4小结 6
第三章 高压功能性电刺激器的系统设计与器件选择 7
3.1电路系统的结构 7
3.2各模块的器件选择 7
3.2.1选用Arduino作为信号发生器 7
3.2.2选用6N136作为光电耦合器 7
3.2.3选用CA3140作为运算放大器芯片 8
3.2.4刺激输出端的滤波电容选择 9
第四章 电路的具体设计 10
4.1信号发生模块电路 10
4.2光耦隔离器模块电路 11
4.3运算放大模块电路 12
4.4恒流恒压控制与输出反相控制模块电路 13
4.5电路集成 15
4.6 PCB板设计 15
4.7小结 16
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072#
第五章 高压功能性电刺激器电路的调装与实验验证 17
5.1引言 17
5.2电路的调装 17
5.2.1电路的调装设备 17
5.2.2电路的调装过程 18
5.3电路的调试结果 18
5.4实验验证 19
5.5小结 20
结束语 21
致 谢 22
参考文献 23
附录A 电路原理图 24
附录B PCB布线图 25
附录C PCB版图 26
第一章 绪论
1.1引言
功能性电刺激（FES, functional electrical stimulation）是一种应用低频电流、根据不同需求进行编程输出刺激脉冲到皮肤表层，然后通过刺激电流激活患侧肌肉神经从而诱发肌肉自主做收缩运动的治疗手段。FES已普遍应用于帮助和辅助脊髓损伤和中风患者运动以及恢复运动功能，如利用FES对偏瘫病人的足下垂进行恢复治疗。另外，FES已被应用于促进上下肢运动、改善呼吸功能、恢复肠道和膀胱功能、恢复男性性功能以及治疗各种因肌肉神经丧失运动功能而引起的病症。
刺激疗法在我国从古至今便有流传，即针灸。针灸就是指应用中医理论，在理论的指导下将针具慢慢插入患者的身体中某些穴位，然后采用旋转与抽插等刺针手法来对人体特定穴位进行有规律的刺激，从而达到刺激神经肌肉，对身体进行疾病的治疗的目标。在医疗技术的发展与科研人员的不断深入研究的条件下，电刺激疗法逐渐走向成熟，并且有了不少的治愈案例。功能性电刺激与传统针灸刺激有相似的功能，不同的是他更安全可靠，且可逆。
本章在基于前人的科研成果下，简单地介绍当代功能性电刺激技术在国内与国外的现状及发展前景，重点介绍高压电刺激器的国内外现状和发展前景和本文所研究的内容。
1.2研究的意义
长久以来，肢体残疾或者运动神经障碍一直困扰着患者，而传统的针灸治疗法虽然对肌肉神经刺激有治疗作用，但是其治疗法往往相对复杂烦琐，效率不高且有一定的危险因素。电刺激治疗法的发展与应用大大地提升了治疗效率，且功能性电刺激技术发展迅速，并应用于多种病症治疗，如治疗上运动神经元瘫痪、呼吸功能障碍、排尿功能障碍、特发性脊柱侧弯肩关节半脱位，尤其是在心脏起搏器方面的作用尤为突出。而本文研究的刺激器与其他刺激器又有着不同之处，它兼具恒流与恒压两种输出模式，且通过恒流部分电路的巧妙设计，节约了电路的成本的同时缩小了电路空间尺寸，使该刺激器携带方便并且操作容易。
1.3国内外的现状与发展前景
功能性电刺激技术是一种神经肌肉电刺激应用技术，通过人工预先设定样式的脉冲序列来刺激肌肉的神经或神经肌肉接头，使肌肉自主收缩和关节作运动从而达到完成肢体活动的目标。因此使用FES技术可以对脑卒中患者的偏瘫的肢体进行康复治疗。自1961年Liberson[1]研究并设计出世界上第一个功能性电刺激系统并用于矫正足下垂以来，科研人员开始陆续设计了许多FES系统用于恢复和提高患者的肢体运动功能。
根据FES刺激脉冲施加到皮肤的激励电源的方式来划分，可以分为恒压刺激和恒流刺激[23]。恒压刺激因其效率高的优点广泛应用于大电流刺激方式，同时这种方式可以增加电池的使用寿命、减小电源的功耗[4]。Wang等人[5]使用两个反击式（flyback）的开关电源（SMPS, Switch mode power supply）设计了一种最大输出高达900V的恒压脉冲电刺激器，用来运动诱发电位探测。在体表方向的FES应用中，大电流刺激模式比电压刺激模式使用的更加普遍[3]，原因在于神经元膜的电位去极化级别与注入的电荷数量和属性直接相关。根据文献[4]可知，电极和皮肤组织两者之间的阻抗是随时间变化的一个变量。除此之外，皮肤组织还具有一定的电容性部分。所大电流刺激可以确保一个恒定不变的电刺激而不用考虑阻抗的变化因素，相反，而电压刺激则需要时刻调整改变电压大小以确保电刺激能够维持一定的刺激程度。
目前，研究者们已经设计出了多种恒定电流刺激电路的结构，以实现高电压工作范围以及双相电荷平衡的要求。使用基于功率平衡的变压器结构可以实现恒流刺激[2,6,7]。但是由于变压器因线圈匝数比固定不变，输出的电流幅度的变化范围小、难以同时获得大电流和高电压。与此同时变压器本身的占用体积大，对外容易形成电磁干扰，其电感和寄生电容造成的瞬态电势差和电流变化还会影响生物电信号探测和记录。利用电感与电容等无源器件振荡以获取较高能量的脉冲[6]，这种方式可以替代变压器并能很够大程度减小电路的体积。这种利用无源器件的方法能够产生双相电荷平衡脉冲，但是受到放电回路中的阻容的限制，刺激波形不能设置为任意变形；使用豪兰德（Holland）架构的电压转电流电路，可以生成任意的双相电荷平衡波形并实现将输入电压线性变换为输出电流[8]，但Holland电路对电阻有要求，它需要使用高精度匹配电阻，这使得电路容易造成自激振荡，且运放的启动电流大、静态工作功耗高，芯片耐压的范围低，导致输出的刺激脉冲电压和电流幅度范围有限。文献[3]提出了使用基于耐高压三极管构成的威尔逊电流源驱动电路有效地解决了恒流电源在高压状态下工作的问题，但为了使得多通道刺激时通道间形成隔离，每一路都需要单独为其提供供电电源和电流驱动电路，这必定会增加电路的体积与设计成本。所以本课题的目的是设计一种功能性电刺激器，既可以输出高压恒流刺激脉冲，又可以输出恒压刺激脉冲，以便用于各种FES系统的应用实现和实验研究。
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