一种简易双极性神经刺激脉冲发生器的制作方法

本发明涉及生物医疗电子器械技术领域，具体是涉及一种简易双极性神经刺激脉冲发生器。

背景技术：

传统的单极性神经刺激脉冲发生器具有以下缺陷：1)传统方法一般采用将微控制器(MCU)输出的幅度控制信号经数字-模拟转换(DAC)芯片转换成控制电压以控制基准电流大小，但是DAC芯片所引入的功耗较大，即产生基准电流源的电路所消耗的功耗较大；2)单极性神经刺激脉冲发生器易发生刺激部位电荷累积，需额外引入电荷消除电路，使系统更加复杂；3)传统方法一般采用专用集成电路(ASIC)来产生刺激脉冲，其成本较高。

本发明的一种简易双极性神经刺激脉冲发生器，目前尚无相关的文献介绍，亦未搜索到相关的专利文件。

技术实现要素：

本发明的目的是为克服以上技术缺陷，提供一种简易双极性神经刺激脉冲发生器。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：

一种简易双极性神经刺激脉冲发生器，包括多档基准微电流源10，镜像微电流阱20，镜像微电流源30，多路电流源40，H-桥50，微处理器(MCU)60和电平转移模块70，其中，

所述多档基准微电流源10分别与所述镜像微电流阱20和微处理器(MCU)60相连；且所述镜像微电流阱20为所述多档基准微电流源10的微电流源；

所述镜像微电流阱20还与所述镜像微电流源30连接，构成复合电流源；

所述镜像微电流源30还与所述多路电流源40连接，且所述多路电流源40是所述镜像微电流源30的微电流源；所述多路电流源40还与所述H-桥50相连，为所述H-桥50提供电流；

所述微处理器(MCU)60主要产生多路开关控制信号和多路脉冲宽度调制(PWM)信号，至少包括输入/输出(I/O)口601和多路PWM口602；其中所述I/O口601与所述多档基准微电流源10连接，用于控制和产生档位可调的基准微电流源；所述多路PWM口602产生的多路PWM信号首先输出至所述电平转移模块70进行电平提升，然后输送给所述H-桥50，用于控制所述H-桥50的开关；

所述H-桥50输出频率、占空比和幅度可调的双极性神经刺激脉冲。

所述刺激脉冲发生器的刺激电流脉冲的幅度(I_amp)范围为1μA～20mA，刺激电流脉冲幅度为多档可选、步长不等。例如若所述输入/输出(I/O)口601产生多路开关控制信号数(N)为3，则所述多档基准微电流源10的档位数为2^N-1，此时所述多路电流源40输出刺激电流的步长不等。具体而言，如果所述输入/输出(I/O)口601产生3路开关控制信号分别控制所述多档基准微电流源10的3路基准电流(1μA/2μA/100μA)，则所述多档基准微电流源10的基准电流档位为1μA/2μA/100μA/3μA/101μA/102μA/103μA(7档)，此时所述多路电流源40对应的输出刺激电流脉冲的幅度为10μA/30μA/10mA/100μA/12mA/15mA/20mA(7档)。

所述刺激脉冲发生器的刺激脉冲的顺从电压范围为0～12V。

所述刺激脉冲发生器的刺激脉冲的频率(1/T)范围为1～1000H_Z，刺激频率步长1H_Z。

所述刺激脉冲发生器的刺激脉冲的脉宽(W)范围为1～1000Us，刺激脉宽步长1Us。

所述H-桥70输出频率、占空比和幅度可调的双极性神经刺激脉冲。

本发明的一种简易双极性神经刺激脉冲发生器的使用方法：

首先，在所述微处理器(MCU)6中设置用于产生PWM的时钟频率以及与之相应计数器和寄存器的时间值，预置多路PWM的频率(1/T，1～1000H_Z)、脉宽(W，1～1000Us)和每两路PWM之间的死区时间(T_D，0.1～0.5Us)，并通过所述多路PWM口602输出多路PWM信号；其次，设置所述微处理器(MCU)的I/O口601的开关信号(如S2～S0)，设置所述多档基准微电流源10的档位(如1μA/2μA/100μA/3μA/101μA/102μA/103μA，N＝3，7档)，则所述多路电流源40输出步长不等的刺激电流(对应于10μA/30μA/10mA/100μA/12mA/15mA/20mA，7档)，从而在所述H-桥50输出预置频率、占空比和幅度的双极性神经刺激脉冲。

本发明的一种简易双极性神经刺激脉冲发生器具有如下优点和有益效果：

1、由于本发明的一种简易双极性神经刺激脉冲发生器中采用多档基准微电流源替代传统方法中的DAC，且多档基准微电流源、镜像微电流阱和镜像微电流源消耗的电流非常小，均在微安级别，因此用于产生基准电流源的电路所消耗的功耗较小；

2、由于本发明的一种简易双极性神经刺激脉冲发生器的输出为双极性神经刺激脉冲，因此不易发生刺激部位电荷累积，无需额外引入电荷消除电路，电路简单；

3、由于本发明的一种简易双极性神经刺激脉冲发生器仅由数量较少的三极管、电阻和单片机构成，因此比传统采用ASIC产生刺激脉冲的方法成本低。

附图说明

图1为本发明的一种简易双极性神经刺激脉冲发生器的组成示意框图；

图2为本发明的一种简易双极性神经刺激脉冲发生器的组成连接示意图；

图3为本发明的一种简易双极性神经刺激脉冲发生器中多路PWM口602产生的PWM信号(PWM1，PWM2)和H-桥50输出的神经刺激脉冲波形(NS+，NS+)图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步的详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1和图2所述一种简易双极性神经刺激脉冲发生器，由多档基准微电流源10，镜像微电流阱20；镜像微电流源30；多路电流源40；H-桥50；微处理器(MCU)60和电平转移模块70构成。

除微处理器(MCU)60外，上述所有组件均采用分立元件制造。

所述多档基准微电流源10分别与所述镜像微电流阱20和微处理器(MCU)60相连，由NMOS管M101、M102、M103、M104和电阻R101、R102、R103、R104和R105组成。其中，R101、R102和R103的一端接电源VCC，另一端分别与M101、M102和M103的漏极相连；M101、M102、M103的源极相互连接且均连至R104的一端；R104的另一端与M104的漏极和栅极相连；M104的源极与电阻R105的一端相连，R105的另一端接地。

所述镜像微电流阱20为所述多档基准微电流源10的微电流源，由NMOS管M201构成；M201的栅极与M104的栅极相连，其源极接地。

所述镜像微电流阱20与所述镜像微电流源30连接，构成复合电流源；所述镜像微电流源30由PMOS管M301和电阻R301构成；M301的栅极和漏极均连接至M201的漏极，其源极与R301的一端相连；R301的另一端接电源VAA。

所述多路电流源40是所述镜像微电流源30的微电流源，包含两路相同的电流源401和402，分别由两个相同的PMOS管M401和M402构成；M401和M402的栅极与M301的栅极相连；M401和M402的源极均连接电源VAA。

所述多路电流源40为所述H-桥50提供电流；所述H-桥50为四个呈“H”形状的开关构成的H-桥电路，由四个相同的NMOS管M501、M502、M503和M504构成；M501和M503的漏极分别与M401和M402的漏极相连，M501和M503的源极分别与M502和M504的漏极相连；M501和M503的栅极分别与M504和M501的栅极相连；所述H-桥50输出频率、占空比和幅度可调的双极性神经刺激脉冲(NS+，NS-)。

所述微处理器(MCU)60包括I/O口601和多路PWM口602；其中所述I/O口601中的三路控制信号(S0、S1、S2)分别与所述多档基准微电流源10中M101、M102、M103的栅极连接，产生档位可调的基准微电流源；所述多路PWM口602包括两路互不交叠且具有一定死区时间的PWM信号(PWM1，PWM2)，并输出至所述电平转移模块70进行电平提升；

所述电平转移模块70包括两个相同的电平转移模块701和702，完成顺从电压从MCU供电电压到VAA的电平提升；其中所述电平转移模块701由NMOS管M7011、M7012和电阻R7011、R7012构成两级级联的反相器；所述电平转移模块702由NMOS管M7021、M7022和电阻R7021、R7022构成两级级联的反相器；所述电平转移模块701中M7011的栅极与PWM1相连；M7011的漏极同时与R7011的一端和M7012的栅极相连；M7012的漏极与R7012的一端相连；M7011和M7012的源极接地；R7011和R7012的另一端均连接至电源VAA；所述电平转移模块702中M7021的栅极与PWM2相连，其各元件的连接方法与所述电平转移模块701中对应元件的连接方法相同。图3为图2中多路PWM口602产生的PWM信号(PWM1，PWM2)和H-桥50输出的神经刺激脉冲波形(NS+，NS+)图。

本实施例基于分立元件和单片机构造，具有电路简单、刺激脉冲可调幅度范围大、辅助电路功耗低以及成本低等特点。任何熟悉本领域的技术人员，当可根据本发明作出各种相应的等效改变和变形，都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。