专利名称：瘫痪患者功能康复仪的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及康复医学工程领域用的一种康复仪器。
瘫痪患者功能康复仪是为瘫痪病人和高位截瘫病人的康复治疗和辅助控制站立用的新型仪器，其基本原理是采用特殊形状的电脉冲(
图1)，通过皮表电极作用于患者需要治疗的靶肌上，使之产生类似于受神经脉冲刺激所引起的肌肉运动，以锻炼和增强肌力，改善肌体循环。仪器一般由脉冲发生器、脉冲放大器，电源以及贴附皮肤的金属电极板组成。
目前临床应用的仪器(专利号821109GB 031899和国内生产的CFES－1型截瘫治疗仪)采用的是共地系统，各输出通道有一公共端与患者皮肤相连，由于人体电阻小，所以它们都存在各电极相互串扰，不能很好地对准靶肌，不便应用于多通道输出的缺点，并且现有仪器均采用单向的正向矩形脉冲或负向的矩形脉冲，在治疗时患者有不舒适的疼痛感。另外，现有仪器均缺少自动变换脉冲频率、定时控制刺激时间和选择交替或循环刺激节律等临床需要的功能，输出方式也只有连续和断续两种，仪器存在功能少、功率消耗大的弱点。
本实用新型根据临床需要，提出一种新的设计，采用一种幅度可连续调节的主波为负向的双向脉冲，并让正向回波的幅度是负向主波幅度的10％～20％，这样更符合人的生理要求和有效地消除患者治疗时的疼痛感。
仪器的电路部分是由信号产生、功能控制、直流变换、光电隔离和脉冲功率输出等五个主要部分组成，电路的原理框图如图2所示，其特点是采用一只四运算放大器集成组件构成主脉冲信号发生器、时钟脉冲发生器、报警讯号发生器和电池电压监测器并可同时实现各自的功能(图3)；利用一只四双向模拟开关集成组件实现由同一信号源产生四个通道的信号输出；采用由一只十进制计数器／驱动器集成组件、一只四双输入或门集成组件和一只四刀十一掷开关组成的电路来实现十一种循环或连续输出模式选择，各输出通道之间经光电耦合器组件隔离而相互独立；还采用一只12位二进制串行计数器／分频器集成组件及一只单刀十掷开关实现10种不同的节律控制选择，节律控制的范围为1秒～512秒，该组件再与一只双D型触发器集成组件及一只双刀三掷开关实现三种不同的定时控制，定时控制时间分别为0.25小时、0.5小时和1小时，定时时间到，仪器将蜂鸣报警并自动停止各通道的刺激脉冲信号的输出。此外，系统还采用主要由一只十进计数器／驱动器集成组件(与输出模式选择的共用)及一只四双向模拟开关集成组件组成的电路实现自动变换输出脉冲信号的频率，自动变频的范围是1Hz～30Hz。
本实用新型还设计有新的直流变换器和脉冲功率输出器，直流变换器(DC－DC，Ni－Cd电池9伏变成直流高电压200伏)的转换效率在工作范围内达75％～81.5％，脉冲功率输出级设计成工作在完全开关状态，使仪器的功率消耗小于1W，电池寿命较之前述的CFES－1型仪器可延长6～10倍。
附
图1是脉冲波形图。图中刺激脉冲的主导脉冲是负向脉冲，脉冲的幅度在0～200伏连续调节，脉宽可在0.2毫秒～1毫秒变化，每一刺激脉冲的回程产生一正向的反脉冲，其幅度约为主脉冲幅度的10％～20％，它能消除对患者治疗部位的灼痛感。图中的(1)处是系统的地电位。
附图2是电路的原理框图。
附图3是主脉冲发生器(IC1－3为核心部分)，时钟脉冲发生器(IC1－2为核心部分)，报警讯号发生器(IC1－1为核心部分)和电池电压监测器(IC1－4为核心部分)。
主脉冲发生器是输出刺激脉冲的信号源，产生出频率可调、脉宽可调的连续矩形方波，改变其RC／充放电回路中电阻的参数，可产生输出频率为1Hz，3Hz，5Hz，10Hz，20Hz，30Hz，40Hz，100Hz，脉宽为0.2ms～1ms的矩形方波。频率变换可由一只八联琴键开关手动选择，也可由电路中自动变换。图中电阻R1是脉宽调节电位器，图中④端是主脉冲信号输出端。
时钟脉冲发生器产生出1Hz频率的时钟信号，作为定时控制电路、节律控制电路、模式控制电路和主脉冲发生器自动变频电路部分的工作时钟信号源。图中②端是时钟脉冲输出端。
报警讯号发生器产生出频率为3KHz～5KHz的方波信号，作为定时时间到以后停止治疗的蜂鸣器讯响信号的激励源。图中FM是压电晶体蜂鸣器。图中③端是蜂鸣器FM的控制端。
电池电压监测器是在使用9VNi－cd电池工作时，当电池电压小于7.5V时，控制发光二极管LED1亮，指示电池欠压。
IC1是一只高输入阻抗四运算放大器LF347集成组件，这就实现了用一只集成组件同时实现上述四种功能。
附图4是主脉冲发生器的输出信号频率自动变换电路。图中⑤端接主脉冲发生器的控制端。图中⑥端接系统的同步控制脉冲。图中⑦端接节拍脉冲，节拍脉冲由节律信号发生器产生。IC2是一只十进制计数器／脉冲分配器集成组件，采用CD4017。IC3是四双向模拟开关集成组件，采用CD4066。在节拍脉冲作用下，IC2分别输出二个节拍、一个节拍、一个节拍、三个节拍的控制信号，作为IC3四路模拟开关的控制端输入信号，以选择主脉冲发生器变频RC回路中变阻器的对应电阻参数，由⑤端得到1Hz，5Hz，10Hz，30Hz的持续时间分别为二个节拍、一个节拍、一个节拍、三个节拍的控制输出。图中⑧是主脉冲发生器变频RC回路中的变阻器。
附图5是输出模式选择／控制电路和输出信号节律选择／控制电路。图中⑨端和⑩端分别接同步控制脉冲和时钟脉冲。图中(11)是四刀十一掷模式选择开关。图中K1和K2分别是节律选择开关和间歇／断续输出方式选择开关。IC4是四双向模拟开关集成组件，采用CD4066。IC5是12位二进制串行计数器／分频器集成组件，采用CD4040。IC6是十进制计数器／脉冲分配器集成组件，采用CD4071。IC8是三3输入端与门集成组件，采用CD4073。在时钟脉冲控制下，IC5产生1秒～512秒的节律控制信号，由开关K2选择，控制主脉冲信号的输出节律。IC6，IC7和模式选择／控制开关组成十一种不同形式的输出模式控制信号，经过IC7定时输出控制门作为IC4四路模拟开关的控制端输入信号，使得由图中(12)端输入的主脉冲信号产生十一不同的输出形式。图中(13)端输出节拍脉冲。图中(14)端接定时控制信号。
附图6是系统启动／复位和定时控制电路。IC9是双D型触发器集成组件，采用CD4013。组成工作状态寄存器和定时状态寄存器。图中(15)端输入启动／复位脉冲，使这个状态寄存器分别处于工作等待状态和定时状态。K3为启动开关。K4为三种定时时间选择开关。当K3启动后，使两个状态寄存器分别置为工作状态和定时清除状态。图中(17)端输出的工作控制信号将允许工作模式控制信号的输出，从而使得主脉冲信号输出到功率输出电路部分。当定时时间到，两个状态寄存器分别转为工作等待状态和定时状态，使图中(17)端的输出控制主脉冲信号的输出停止。图中(16)端输出定时到报警控制信号，控制蜂鸣器发出讯响。图中的发光二极管LED2是二分之一定时过指示信号灯。
附图7是主脉冲信号输出电路与脉冲功率输出电路之间的光电隔离耦合电路。图中(18)是主脉冲信号的输入端。IC10是光电隔离耦合器件，采用4N25。信号级的输出控制信号由(18)端经过光电耦合器件和射极跟随器Q2，从脉冲幅度调节电位器R2的输出端，即图中(19)端输出脉冲幅度控制信号给脉冲功率放大级。由于各通道均与信号的控制级之间实行了光电隔离，并且各路的脉冲功率放大级均由直流变换变压器的一个独立绕组来供电，因而各通道的脉冲输出回路相互独立，避免了相互间的串拢，便于仪器临床时对准靶肌。
在图8中，从(20)端输入来自图7所示的脉冲幅度控制信号，(21)和(22)表示某通道输出的皮表电极，从这两端可获得如
图1所示的刺激脉冲波形，图中D1是为晶体管Q3和Q4可靠地工作在开关状态而设置的，改变R3和C1的数值可以调节正向回波的幅度。
图9中直流变换级的电路原理图，它的作用是把9伏的镍镉电池电压变换成200伏的高电压，图中的非门1、2和3组成一占空比为50％的矩形脉冲振荡器，由于晶体管由浓度饱和状态过渡到截止状态所需要的时间比由截止状态进入深度饱和状态的时间长，为了防止产生交叠损失，图中的S1点和S2点的两路波形有2μs～3μs的错开时间(
图10)，如果两路波形完全对称反相，则在变压器T的初级中心点(23)处将出现瞬间同时导通，从而影响直流变换的效率，按照本设计，转换效率可从原来的40％～49％提高至75％～81.5％，该错开时间的大小是由R4，C2，D2和R5，C3，D3分别组成的两个网络来决定，其中R4＝R5＝10KΩ～20KΩ，C2＝C3＝180PF～300PF(微微法拉)，振荡器的频率主要取决于R6和C4的数值，R6＝43KΩ～51KΩ，C4＝1000PF～2200PF，振荡频率约为10KHz～15KHz，直流变换后的高电压从图9中的(24)端和(25)端输出。
仪器组装在一个体积为200毫米(长)×110毫米(高)×240毫米(宽)的机匣内。
现已有两名瘫痪患者，一名是在胸10部位截瘫，另一名是在胸11处外伤造成的横贯型损伤致瘫，在本仪器的治疗和控制下，借助于手扶平行双杠在室内能初步站立起来和作原始性行走。
权利要求1.一种瘫痪患者功能康复仪，其电路部分是由信号产生、功能控制、直流变换、光电隔离和脉冲功率输出等主要部分组成，其主要特征是a.采用一只四运算放大器集成组件同时实现主脉冲发生器、时钟脉冲发生器、报警讯号发生器和电池电压监测器；b.采用一只四双向模拟开关集成组件实现由同一信号源产生四个通道的输出；c.采用一只十进制计数器/驱动器集成组件，一只四双输入或门集成组件和一只四刀十一掷开关组成的电路来实现11种循环或连续输出模式选择，各输出通道之间通过光电隔离器组件进行隔离而相互独立；d.采用一只12位二进制串行计数器/分频器集成组件及一只单刀十掷开关实现10种不同的节律控制选择，节律控制的范围为1秒～512秒；e.采用一只双D型触发器集成组件及一只双刀三掷开关来实现3种不同的定时控制，定时控制时间分别为1小时，0.5小时和0.25小时，定时时间到，仪器会蜂鸣报警并自停止输出刺激脉冲；f.采用主要由一只十进制计数器/驱动器集成组件(与输出模式选择的共用)及一只四双向模拟开关集成组件所组成的电路来实现自动变换脉冲频率，自动变频的范围是1Hz～30Hz。
2.按权利要求1所述的瘫痪患者功能康复仪，其特征在于直流变换级中引入分别由R4、C2、D2和R5，C3，D3所组成的两个网络，保证图中的S1点和S2点两路波形有2μs～3μs(微秒)的错开时间。
3.按权利要求1所述的瘫痪患者功能康复仪，其特征在于采用光电耦合实现各输出通道相互独立，便于临床时对准靶肌。
专利摘要瘫痪患者功能康复仪的基本原理是采用特殊形状的电脉冲，通过皮肤表面电极作用于患者的靶肌上，使之产生类似于受神经脉冲刺激所引起的肌肉运动。仪器的电路部分由信号产生、功能控制、直流变换、光电隔离和脉冲功率输出等组成，其特点是四个输出通道，设有11种循环或连续输出选择，各通道之间通过光电隔离而相互独立，并设有10种节律，3种定时及具备自动变频控制，还采用新的直流变换和脉冲功率输出设计。
文档编号A61N1/20GK2041574SQ87214928
公开日1989年7月26日 申请日期1987年11月5日 优先权日1987年11月5日
发明者林喜荣, 陈垦, 康吉生 申请人:清华大学