一种用于双向神经接口的功能性电刺激装置

本技术涉及智能康复设备领域，具体地说是一种用于双向神经接口的功能性电刺激装置。

背景技术：

1、随着人口老龄化进程的加剧，以及中风、偏瘫等疾病的影响，肢体损伤的人群逐年增多，重塑受损神经通路、加速肢体运动机能重建，是改善患者生活质量的有效途径。近年来，以下肢助力外骨骼、手功能康复机器人为代表的智能康复设备因其具有效率高、重复性好等特点而被广泛应用。它们多通过采集患者的生理信息，完成对患者运动意图的感知和操控，进而提高智能设备的康复辅助效率。但由于设备与人之间缺少交互通路，在系统工作时难以实现将智能设备的工作状态有效实时的反馈给使用者，大大降低了系统的训练效果。

2、生机接口是一种智能人机交互系统，能够实现生物体与机电装置之间的信息传递与交互，是赋予康复设备智能化的重要途径。目前应用于生机接口的反馈环节多以电刺激形式实现，然而，目前现有的电刺激系统在长时间使用过程中，受皮肤阻抗变化的影响容易产生输出波动，刺激效果较差；同时受电刺激响应灵敏性的限制，难以满足智能系统双向感知对复杂精细操控的需求。因此，需要一种刺激精度高、输出安全稳定的电刺激系统，来满足双向神经接口的感知操控需求。

技术实现思路

1、本实用新型目的是提供一种用于双向神经接口的功能性电刺激装置，具有输出稳定、安全可靠等特点，可以用于外骨骼反馈、假肢操控等场景，通过电刺激的方式实时反馈生物力信息进而实现生机交互。

2、本实用新型为实现上述目的所采用的技术方案是：

3、一种用于双向神经接口的功能性电刺激装置，包括：升压电源电路、高压控制电路、恒流输出电路、刺激保护电路、神经肌肉刺激接口、控制增强电路、集成控制单元、电源系统，其中：

4、升压电源电路分别与高压控制电路和恒流输出电路相连，集成控制单元依次通过控制增强电路、刺激保护电路、恒流输出电路连接神经肌肉刺激接口，集成控制单元还通过高压控制电路连接神经肌肉刺激接口，电源系统分别与升压电源电路、恒流输出电路、控制增强电路、集成控制单元相连。

5、所述升压电源电路包括直流高压隔离电源模块及其外围电路，其中：

6、所述直流高压隔离电源模块的电压输入引脚作为升压电源电路的输入端连接电源系统中的12v锂电池，直流高压隔离电源模块的电压输出端作为升压电源电路的输出端，电压输入端分别通过电容cs1和cs2接地，电压输出端通过电容cs3接地。

7、所述恒流输出电路包括运算放大器u1a、匹配电阻r1、场效应管m1、采样电阻r2，其中：

8、运算放大器u1a的同相输入端作为恒流输出电路的输入端与刺激保护电路相连，运算放大器u1a的输出端通过匹配电阻r1连接场效应管m1的栅极，场效应管m1的源极连接运算放大器u1a的反相输入端，场效应管m1的源极还通过采样电阻r2接地，场效应管m1的漏极作为恒流输出电路的输出端与神经肌肉刺激接口相连。

9、所述刺激保护电路包括串联的电阻r5和r6，电阻r5的一端作为刺激保护电路的输入端与控制增强电路相连，电阻r5的一端作为刺激保护电路的输出端与恒流输出电路相连。

10、所述控制增强电路包括同相比例放大器u2a、电阻r9、r10，其中：

11、同相比例放大器u2a的同相输入端作为控制增强电路的输入端与集成控制单元相连，同相比例放大器u2a的输出端作为控制增强电路的输出端与刺激保护电路相连，同相比例放大器u2a的输出端通过电阻r10连接同相比例放大器u2a的反相输入端，同相比例放大器u2a的反相输入端通过电阻r9接地。

12、所述电源系统包括5v降压电路以及分别与其连接的3.3v降压电路和-5v反压电荷泵电路，还包括与5v降压电路相连的12v锂电池。

13、本实用新型具有以下有益效果及优点：

14、本实用新型提供了一种用于双向神经接口的功能性电刺激装置，该装置采用恒流源设计，能够极大减少刺激反馈过程中皮肤电阻变化所带来的影响；同时采用刺激保护电路设计，可以有效避免控制端悬空状态下系统间的大电流输出，保障系统安全性；此外，通过控制增强电路设计，可以极大的提高系统的控制精度，增强反馈刺激的灵敏性。

技术特征：

1.一种用于双向神经接口的功能性电刺激装置，其特征在于，包括：升压电源电路(1)、高压控制电路(2)、恒流输出电路(3)、刺激保护电路(4)、神经肌肉刺激接口(5)、控制增强电路(6)、集成控制单元(7)、电源系统(8)，其中：

2.根据权利要求1所述的一种用于双向神经接口的功能性电刺激装置，其特征在于，所述升压电源电路(1)包括直流高压隔离电源模块及其外围电路，其中：

3.根据权利要求1所述的一种用于双向神经接口的功能性电刺激装置，其特征在于，所述恒流输出电路(3)包括运算放大器u1a、匹配电阻r1、场效应管m1、采样电阻r2，其中：

4.根据权利要求1所述的一种用于双向神经接口的功能性电刺激装置，其特征在于，所述刺激保护电路(4)包括串联的电阻r5和r6，电阻r5的一端作为刺激保护电路(4)的输入端与控制增强电路(6)相连，电阻r5的一端作为刺激保护电路(4)的输出端与恒流输出电路(3)相连。

5.根据权利要求1所述的一种用于双向神经接口的功能性电刺激装置，其特征在于，所述控制增强电路(6)包括同相比例放大器u2a、电阻r9、r10，其中：

6.根据权利要求1所述的一种用于双向神经接口的功能性电刺激装置，其特征在于，所述电源系统(8)包括5v降压电路以及分别与其连接的3.3v降压电路和-5v反压电荷泵电路，还包括与5v降压电路相连的12v锂电池。

技术总结
本技术涉及一种用于双向神经接口的功能性电刺激装置，包括：电源系统用于对整个装置进行供电；升压电源电路用于产生100V电压实现高压输出；高压控制电路用于隔离高电压与人体，保证只有在电刺激时高电压才与人体接触；恒流输出电路用于保障刺激电流恒定，使其不随负载阻抗的变化而变化；刺激保护电路用于阻抗匹配，避免控制端悬空情况下刺激接口处出现大电流刺激输出；神经肌肉刺激接口用于导出刺激电流，并通过连接刺激电极作用与人体；控制增强电路用于放大电压强度控制信号，提高系统控制精度；集成控制单元用于产生电压强度控制信号以及高压控制信号，实现功能性电刺激装置的总体操控。

技术研发人员：赵新刚,徐壮,张弼,赵明,赵忆文,卜春光
受保护的技术使用者：中国科学院沈阳自动化研究所
技术研发日：20240125
技术公布日：2024/7/15