專利名稱：可控恒流脈沖發(fā)生電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于醫(yī)療儀器技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種脈寬、幅度可調(diào)的可控恒流脈沖發(fā)生電路，用于術(shù)前神經(jīng)定位和術(shù)中神經(jīng)監(jiān)測。
背景技術(shù)：
術(shù)前神經(jīng)刺激可用于定位神經(jīng)位置，術(shù)中神經(jīng)刺激可用于監(jiān)測神經(jīng)狀況。外周神經(jīng)阻滯是很多外 科手術(shù)的必須步驟，而準(zhǔn)確定位神經(jīng)叢的位置是阻滯手術(shù)成功的關(guān)鍵。傳統(tǒng)的外周神經(jīng)阻滯手術(shù)結(jié)合解剖圖采用盲探法，即依賴醫(yī)生的經(jīng)驗(yàn)和患者對異感的反饋來判斷注藥針尖是否到達(dá)合適的位置。若醫(yī)生的經(jīng)驗(yàn)不足，這種盲目試探的方法可能會對患者神經(jīng)造成機(jī)械性損傷并帶來疼痛；又或者患者處于昏迷狀態(tài)或不配合時(shí)，該方法即無法實(shí)施，特別對于肥胖患者，其體表由于堆積大量脂肪導(dǎo)致體表解剖標(biāo)志不明顯，該方法效果即變得非常有限。神經(jīng)生理監(jiān)測技術(shù)是目前神經(jīng)外科和脊柱外科領(lǐng)域受到廣泛關(guān)注的一項(xiàng)新技術(shù)，其主要是通過采用特定參數(shù)的電脈沖刺激神經(jīng)，觀察神經(jīng)的各項(xiàng)指標(biāo)來了解和監(jiān)控神經(jīng)的功能狀況，臨床上用于術(shù)中避免神經(jīng)損傷和預(yù)防術(shù)后神經(jīng)功能受損。運(yùn)動誘發(fā)電位(MEP)監(jiān)測是術(shù)中神經(jīng)監(jiān)護(hù)(Intraoperative Neuromonitoring, 10ΝΜ)系統(tǒng)的重要組成部分,可在不開顱的條件下對皮層運(yùn)動區(qū)施加刺激，實(shí)時(shí)評估手術(shù)中處于危險(xiǎn)狀態(tài)的神經(jīng)系統(tǒng)功能的完整性，并提示術(shù)者采取干預(yù)措施使神經(jīng)損傷消除或減至最小。MEP的實(shí)施需要特殊的高壓、大電流、短脈沖電刺激器，且輸出刺激脈沖的電壓、電流、寬度的變化范圍大，刺激模式多。參考專利:《神經(jīng)叢刺激系統(tǒng)及神經(jīng)叢刺激器》，申請?zhí)?01120096646.6。

發(fā)明內(nèi)容
基于上述兩個(gè)背景，即術(shù)前神經(jīng)刺激可用于定位神經(jīng)位置和術(shù)中神經(jīng)刺激可用于監(jiān)測神經(jīng)狀況，本發(fā)明的目的在于提出一種脈寬、幅度可調(diào)的可控恒流脈沖發(fā)生電路。本發(fā)明提出的可控恒流脈沖發(fā)生電路，根據(jù)臨床需求不同，可選擇參數(shù)不同的刺激模式，這些參數(shù)主要為脈沖強(qiáng)度，即電流幅度、脈沖寬度、脈沖間隔和脈沖個(gè)數(shù)等。本電路尤其適合于運(yùn)動誘發(fā)電位監(jiān)測。神經(jīng)刺激器的關(guān)鍵技術(shù)是可控恒流脈沖發(fā)生電路的設(shè)計(jì)?？煽匾灰筝敵雒}沖幅度可根據(jù)設(shè)置的參數(shù)進(jìn)行調(diào)整；恒流一要求脈沖發(fā)放過程中，刺激電流的幅度不受負(fù)載阻抗變化的影響。因?yàn)橐蟮碾娏魅≈捣秶?，為滿足電流調(diào)節(jié)精度，采用高壓充電電路在儲能電容上得到高壓，保證在三極管恒流輸出控制電路的發(fā)射極參考電阻上有足夠的壓降范圍。本發(fā)明提出的可控恒流脈沖發(fā)生電路，由微控制器、高壓充電電路、脈沖幅度控制電路和三極管恒流輸出控制電路組成。其中:
所述微控制器，接收外部的控制指令，設(shè)置脈沖幅度、寬度、間隔、個(gè)數(shù)等參數(shù)，根據(jù)指令控制相應(yīng)硬件電路動作，按參數(shù)要求發(fā)放脈沖，同時(shí)對高壓充電電路和脈沖幅度控制電路進(jìn)行充電控制和反饋檢測，保證硬件電路正常工作；
所述高壓充電電路，將外供低壓直流電源升至所需高電壓并對其中的儲能電容充電，該高壓送入三極管恒流輸出控制電路作為電源電壓；
所述脈沖幅度控制電路，利用外供低壓直流電源對其中的控制電容快速充電至設(shè)定電壓值，該可控電壓送入三極管恒流輸出控制電路作為控制電壓；
所述三極管恒流輸出控制電路，由三極管基極通過總開關(guān)管從脈沖幅度控制電路中取出所設(shè)定電壓值，利用三極管發(fā)射極和基極的壓差恒定原理，實(shí)現(xiàn)對發(fā)射極參考電阻的恒壓控制，參考電阻取固定阻值，即可實(shí)現(xiàn)對集電極負(fù)載的恒流控制。脈沖幅度是由微控制器通過數(shù)-模轉(zhuǎn)換的輸出電壓V_DAC控制，脈沖寬度、間隔和個(gè)數(shù)的控制是由微控制器通過輸出信號Ctrl3控制總開關(guān)管的導(dǎo)通時(shí)間 、截止時(shí)間和導(dǎo)通次數(shù)實(shí)現(xiàn)。本發(fā)明中，采用反激式開關(guān)電源構(gòu)成高壓充電電路以獲得所需高壓，并對較大容值的儲能電容充電。采用反激式開關(guān)電源構(gòu)成脈沖幅度控制電路，并對較小容值的控制電容進(jìn)行快速充電至設(shè)定的電壓值，該設(shè)定電壓由微控制器的數(shù)-模轉(zhuǎn)換輸出電壓值決定，從而實(shí)現(xiàn)脈沖幅度可控。反激式開關(guān)電源可采用專利ZL 200720074627.7所述的電路。反激式開關(guān)電源具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低、體積小、效率高等優(yōu)點(diǎn)。本發(fā)明所用的兩個(gè)反激式開關(guān)電源電路都是對電容進(jìn)行充電，不同之處在于，高壓充電電路采用較大容值的儲能電容存儲能量，且電壓維持恒定；脈沖幅度控制電路采用較小容值的控制電容快速充電，該電容存儲能量小，且電壓值可控。由電容放電公式Ut=U0Xe^t/EXC (其中Ut為電容當(dāng)前電壓，Utl為電容初始電壓)可知，當(dāng)前電壓Ut相對于初始電壓Utl的衰減由放電時(shí)間t、放電阻抗R和儲能電容容值C決定。當(dāng)放電時(shí)間t的最大值、放電阻抗R的最小值確定時(shí)，可根據(jù)所要求的誤差(Ut相對于U0的衰減)選擇合適的電容容值。在t和R —定的情況下，電容容值越大，Ut相對于U0的衰減越小，即輸出脈沖幅度的誤差越小。但儲能電容的容值越大，其充電時(shí)間就越長，電容的體積也越大。故應(yīng)該根據(jù)所設(shè)定的誤差范圍和充電時(shí)間要求選擇合適的電容容值。在本發(fā)明中，負(fù)載電流最大將達(dá)到安培數(shù)量級。在耐高壓三極管領(lǐng)域，三極管的電流放大倍數(shù)β大多為10左右，由脈沖幅度控制電路提供的旁路電流將不足以驅(qū)動該三極管正常工作。故所述三極管恒流輸出控制電路采用多級三極管復(fù)合成的達(dá)林頓管形式，且工作于射極跟隨模式。實(shí)施方式中采用了兩級三極管復(fù)合成達(dá)林頓管的形式，考慮脈沖幅度控制電路最大輸出電流極小，故可以復(fù)合更多級的三極管，每增加一級三極管，基極電流的驅(qū)動能力將增加一個(gè)數(shù)量級。同時(shí)，單個(gè)三極管基極與發(fā)射極的壓差在硅管一般為0.7V，多級三極管的壓差隨復(fù)合三極管數(shù)目的增加成正比例增長。相應(yīng)地，為補(bǔ)償該壓差，可通過軟件控制微調(diào)微控制器的數(shù)-模輸出電壓V_DAC，從而調(diào)整脈沖幅度控制電路的輸出電壓進(jìn)行補(bǔ)償。復(fù)合三極管的級數(shù)將依據(jù)脈沖幅度控制電路輸出功率和三極管的電流放大倍數(shù)β共同權(quán)衡決定。


圖1是電路總框圖。圖2是高壓充電電路圖。
圖3是脈沖幅度控制電路圖。圖4是三極管恒流輸出控制電路圖。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明提供的可控恒流脈沖發(fā)生電路，可用于術(shù)前神經(jīng)定位和術(shù)中神經(jīng)監(jiān)測。在本具體實(shí)施例中，負(fù)載阻抗不超過3kQ ;最大輸出脈沖電流不超過IOOmA ;輸出脈沖電流誤差不超過±10% ;脈沖寬度
50-1 ΟΟΟμ^ ;脈沖間隔50~100叫；脈沖個(gè)數(shù)I 10。
具體實(shí)施方式
如下:
圖1所示為本發(fā)明的電路總框圖。微控制器接收外部控制指令，設(shè)置脈沖幅度、寬度、間隔、個(gè)數(shù)等參數(shù)；微控制器根據(jù)接收到的指令控制相應(yīng)硬件電路動作，按參數(shù)要求發(fā)放脈沖；同時(shí)對高壓充電電路和脈沖幅度控制電路進(jìn)行充電控制和反饋檢測，保證硬件電路正常工作。高壓充電電路將低壓直流電源升壓，并對儲能電容Cl充電至高壓，該高壓Vl送入三極管恒流控制電路作為電源電壓。脈沖幅度控制電路根據(jù)設(shè)置的脈沖幅度，利用低壓直流電源對小容值的控制電容C2快速充電至相應(yīng)的電壓值，該可控電壓V2送入三極管控制電路作為控制電壓。三極管恒流輸出控制電路利用三極管發(fā)射極和基極的恒定壓差實(shí)現(xiàn)對發(fā)射極參考電阻的恒壓控制，參考電阻取為固定阻值，即可實(shí)現(xiàn)對集電極負(fù)載的恒流控制。本具體實(shí)施中取低壓直流電源為12V的電壓源；儲能電容上電壓Vl取為1300V ；考慮負(fù)載阻抗不超過3kQ ,最大輸出電流不超過100mA，負(fù)載上最大壓降為300V，取參考電阻為IOkQ ,可設(shè)控制電容上電壓V2的取值范圍為0~1000V。上述取值忽略了三極管恒流輸出控制電路中三極管基極和發(fā)射極0.7V的恒定壓降。

圖2所示為本發(fā)明的高壓充電電路圖。所述高壓充電充電電路由直流電源DC、開關(guān)管Q1、變壓器Tl、二極管D1、儲能電容Cl連接組成，電阻Rl為后級電路的等效阻抗。其中變壓器Tl初級的一端(同名端)接直流電源的正極，另一端接開關(guān)管Ql的漏極；開關(guān)管Ql的源極接直流電源的負(fù)極并接實(shí)地GND ;開關(guān)管Ql的柵極接來自微控制器的控制信號Ctrll0變壓器Tl次級的同名端接接儲能電容Cl的負(fù)極并接浮地FGND，另一端接二極管Dl的正極；二極管Dl的負(fù)極接儲能電容Cl的正極。后級電路的等效阻抗Rl與儲能電容Cl并聯(lián)?？刂菩盘朇trll控制開關(guān)管Ql的導(dǎo)通和關(guān)斷。當(dāng)開關(guān)管Ql導(dǎo)通時(shí)，低壓直流電源DC對變壓器Tl充電，變壓器Tl的初級有電流流過，此時(shí)次級有感應(yīng)電動勢，但是由于二極管Dl的反向截止，次級沒有電流，能量存儲在變壓器Tl之中。當(dāng)開關(guān)管Ql關(guān)斷時(shí)，初級電流驟減為0，但由于變壓器磁通不能突變，次級會感應(yīng)反相電動勢，瞬時(shí)產(chǎn)生高電壓，于是二極管Dl正向?qū)?，?shí)現(xiàn)對儲能電容Cl充電。開關(guān)管Ql反復(fù)通斷即可實(shí)現(xiàn)持續(xù)充電，最終能量存儲于儲能電容Cl上?？刂菩盘朇trll采用高頻的PWM信號。此處高壓充電電路引用專利 ZL 200720074627.7。本具體實(shí)施中取儲能電容的容值€1=120μΡ。后級電路的等效阻抗Rl之IOkQ，一
次脈沖串發(fā)放時(shí)間 tS1000FxIO=IOms ,根據(jù)公式 Ut =UQXe4/K1XG1，$l^l0ms , Rl=IOkQ
，可算得放電結(jié)束時(shí)電容電壓衰減至初始值的99.2%，即輸出脈沖電流的最大誤差不超過1%。所以在一次脈沖串發(fā)放過程中可認(rèn)為輸出始終保持恒流。
圖3所示為本發(fā)明的脈沖幅度控制電路圖。該電路結(jié)構(gòu)與高壓充電電路結(jié)構(gòu)基本相同，包括直流電源DC、開關(guān)管Q2、變壓器T2、二極管D2、小容值的控制電容C2，工作原理也與高壓充電電路基本相同。不同之處在于，該電路的輸出電壓V2要根據(jù)設(shè)置的脈沖參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，即輸出電壓要可控。該電路的控制信號Ctrl2是高頻的PWM信號，Ctrl2信號的發(fā)放是由比較器Al控制，比較器Al的負(fù)端接控制電容C2的反饋電壓V2_Ref，比較器的正端接微控制器的數(shù)-模轉(zhuǎn)換輸出電壓V_DAC。微控制器接收外部的控制指令，根據(jù)脈沖幅度參數(shù)設(shè)置輸出不同的電壓V_DAC，當(dāng)V_DAC > V2_Ref時(shí)，Ctrl2輸出PWM信號，開關(guān)管Q2正常通斷，充電電路工作，對控制電容C2充電，電壓V2升高，同時(shí)反饋電壓V2_Ref升高；當(dāng)V_DAC<V2_Ref時(shí)，Ctrl2始終為低電平，開關(guān)管Q2關(guān)斷，停止對控制電容C2充電。控制電容C2的反饋電壓V2_Ref是由電壓V2分壓后經(jīng)過采樣電路得到，分壓電路在此不再列出。本具體實(shí)施中取控制電容的容值02=1μΡ，當(dāng)C2充至最大電壓1000V時(shí)，所需的充電時(shí)間約70ms。所以該控制電容C2能夠?qū)崿F(xiàn)快速充電至設(shè)置的電壓值。圖4所示為本發(fā)明的三極管恒流輸出控制電路圖。該電路由開關(guān)管Q3、三極管Q4和Q5、參考電阻Rref、負(fù)載RL組成。開關(guān)管Q3的柵極接控制信號Ctrl3，漏極接圖3中控制電容C2上的電壓V2，源極接三極管Q4的基極；三極管Q4和Q5復(fù)合成達(dá)林頓管，電壓Vl接自圖2中儲能電容Cl上的電壓Vl ;參考電阻Rref接在三極管Q5的發(fā)射極和浮地FGND之間；負(fù)載RL接在Vl和三極管Q5的集電極之間。微控制器通過發(fā)放信號Ctrl3控制Q3的導(dǎo)通時(shí)間、截止時(shí)間和導(dǎo)通次數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)脈沖寬度、脈沖間隔和脈沖個(gè)數(shù)的控制。當(dāng)Q3導(dǎo)通時(shí)，電壓V2加到Q4的基極，根據(jù)三極管發(fā)射極和基極壓差恒定的原理，可在參考電阻Rref上得到恒定的電壓值，Rref取固定阻值，即可實(shí)現(xiàn)對集電極負(fù)載的恒流控制。本具體實(shí)施中，為補(bǔ)償兩級三極管復(fù)合導(dǎo)致的壓差1.4V，可通過微調(diào)微控制器的數(shù)-模輸出電壓V_DAC，從而調(diào)整脈沖幅度控制電路中控制電容C2上的電壓V2，進(jìn)行補(bǔ)償。以上僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或者替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之 內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)該以權(quán)利要求書要求所界定的保護(hù)范圍為準(zhǔn)。
權(quán)利要求
1.一種可控恒流脈沖發(fā)生電路，其特征在于:由微控制器、高壓充電電路、脈沖幅度控制電路和三極管恒流輸出控制電路組成；其中: 所述微控制器，接收外部的控制指令，設(shè)置脈沖幅度、寬度、間隔、個(gè)數(shù)參數(shù)，根據(jù)指令控制相應(yīng)硬件電路動作，按參數(shù)要求發(fā)放脈沖，同時(shí)對高壓充電電路和脈沖幅度控制電路進(jìn)行充電控制和反饋檢測，保證硬件電路正常工作； 所述高壓充電電路，將外供低壓直流電源升至所需高電壓并對其中的儲能電容充電，該高壓送入三極管恒流輸出控制電路作為電源電壓； 所述脈沖幅度控制電 路，利用外供低壓直流電源對其中的控制電容充電至設(shè)定電壓值，該可控電壓送入三極管恒流輸出控制電路作為控制電壓； 所述三極管恒流輸出控制電路，由三極管基極通過總開關(guān)管從脈沖幅度控制電路中取出所設(shè)定電壓值，利用三極管發(fā)射極和基極的壓差恒定原理，實(shí)現(xiàn)對發(fā)射極參考電阻的恒壓控制，參考電阻取固定阻值，即實(shí)現(xiàn)對集電極負(fù)載的恒流控制；其中，脈沖幅度由微控制器通過數(shù)-模轉(zhuǎn)換的輸出電壓V_DAC控制，脈沖寬度、間隔和個(gè)數(shù)的控制由微控制器通過輸出信號Ctrl3控制總開關(guān)管的導(dǎo)通時(shí)間、截止時(shí)間和導(dǎo)通次數(shù)實(shí)現(xiàn)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可控恒流脈沖發(fā)生電路，其特征在于，所述高壓充電充電電路由直流電源DC、開關(guān)管Q1、變壓器Tl、二極管D1、儲能電容Cl連接組成；其中變壓器Tl初級的一端接低壓直流電源DC的正極，另一端接開關(guān)管Ql的漏極；開關(guān)管Ql的源極接直流電源DC的負(fù)極并接實(shí)地GND ;開關(guān)管Ql的柵極接來自微控制器的控制信號Ctrll ;變壓器Tl次級的同名端接接儲能電容Cl的負(fù)極并接浮地FGND，另一端接二極管Dl的正極；二極管Dl的負(fù)極接儲能電容Cl的正極；所述高壓充電電路通過反激式開關(guān)電源升壓產(chǎn)生所需高壓并對儲能電容Cl充電，產(chǎn)生的高壓作為三極管恒流輸出控制電路的電源電壓。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可控恒流脈沖發(fā)生電路，其特征在于，所述脈沖幅度控制電路包括直流電源DC、開關(guān)管Q2、變壓器T2、二極管D2、控制電容C2和比較器Al ;開關(guān)管Q2柵極的控制信號Ctrl2由比較器Al的輸出端進(jìn)行控制，比較器Al的負(fù)端接控制電容C2的反饋電壓V2_Ref，比較器A2的正端接微控制器的數(shù)-模轉(zhuǎn)換輸出電壓V_DAC ;所述脈沖幅度控制電路根據(jù)設(shè)置的脈沖幅度，利用反激式開關(guān)電源對控制電容C2快速充電至相應(yīng)的電壓值，該可控電壓作為三極管恒流輸出控制電路的控制電壓。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可控恒流脈沖發(fā)生電路，其特征在于，所述三極管恒流輸出控制電路采用由多級三極管復(fù)合成的達(dá)林頓管的形式，且工作于射極跟隨模式。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可控恒流脈沖發(fā)生電路，其特征在于，當(dāng)脈沖幅度控制電路輸出的可控電壓范圍確定后，改變?nèi)龢O管恒流輸出控制電路的發(fā)射極參考電阻的阻值，在集電極負(fù)載上得到不同的電流范圍；負(fù)載阻抗發(fā)生變化時(shí)，脈沖電流的幅度保持不變。
全文摘要
本發(fā)明屬于醫(yī)療儀器技術(shù)領(lǐng)域，具體為一種可控恒流脈沖發(fā)生電路。該可控恒流脈沖發(fā)生電路包括微控制器、高壓充電電路、脈沖幅度控制電路和三極管恒流輸出控制電路。微控制器接收外部的控制指令，按照參數(shù)要求控制其它各部分電路的工作，同時(shí)對高壓充電電路和脈沖幅度控制電路進(jìn)行充電控制和反饋檢測，保證硬件電路正常工作；高壓充電電路通過反激式開關(guān)電源產(chǎn)生所需高壓并對儲能電容充電；脈沖幅度控制電路根據(jù)設(shè)置的脈沖幅度，利用反激式開關(guān)電源對控制電容快速充電至相應(yīng)的電壓值；三極管恒流輸出控制電路利用三極管發(fā)射極和基極的恒定壓差實(shí)現(xiàn)對發(fā)射極參考電阻的恒壓控制，參考電阻取為固定阻值，實(shí)現(xiàn)對集電極負(fù)載的恒流控制。本發(fā)明可用于術(shù)前神經(jīng)定位和術(shù)中神經(jīng)監(jiān)測。
文檔編號A61B5/04GK103190896SQ20131007280
公開日2013年7月10日 申請日期2013年3月7日 優(yōu)先權(quán)日2013年3月7日
發(fā)明者鄔小玫, 王建飛, 楊圣均, 王威琪 申請人:復(fù)旦大學(xué)