技术领域
本发明属于医疗器械,特别涉及一种超低频磁刺激装置及其工作方法。
背景技术
当代医学研究表明,包括大脑和小脑在内的人脑组织对磁信号非常敏感。 磁刺激能改善大脑局部血液循环,促进脑细胞修复,激发脑组织活力。利用大 脑对磁场的敏感性,对大脑进行磁诱导,可以治疗和预防精神疾病。而且磁刺激 具有无创性和安全性高的特点。当前应用的磁刺激技术所用的磁场主要是脉冲 磁场,使用频率较高,主要用于神经科疾病的诊断,对疾病的治疗效果难以让 人满意。同时,科学研究还发现,不同频段的磁场刺激对大脑所产生的生物学 效应是有所不同的。
现有技术中还没有下述的医疗器械:通过产生超低频的电流,通过电极 或线圈作用于大脑,调节脑内的神经递质的功能,进而调节大脑的功能;而随 着社会竞争压力逐渐增大,精神和心理疾病已成为人类面临的一项挑战,因此 对大脑的功能进行调解是现代人非常需要的。
发明内容
为了解决上述的技术问题,本发明提供了一种超低频磁刺激装置及其工 作方法,用于治疗和缓解大脑相关疾病。
本发明提供了一种超低频磁刺激装置,该装置包括控制模块、电平平移与 变换电路、输出模块,其中,
控制模块,用于生成频率为20Hz以下的直流刺激信号;
电平平移与变换电路,用于对刺激信号进行电位平移,使之成为交流刺激 信号;
输出模块,用于对交流刺激信号进行功率放大,并产生电流、电场或磁场。
控制模块包括ARM处理器以及音频芯片,音频芯片在ARM处理器的控 制下产生所述直流刺激信号。
还包括人机界面,与ARM通信以实现人机界面控制。
控制模块采用型号为QQ2440V3的开发板,所述音频芯片为UDA1341TS; UDA1341TS通过输出口的电容(C45)和电容(C46)短接,通过输出口的电 阻(R4)和电阻(R9)R9接地。
输出模块包括至少一个功率放大电路,功率放大电路的输出端和一个线圈 连接。
输出模块包括至少一个功率放大电路,功率放大电路的输出端和一个电极 连接。
所述交流刺激信号是以0V为基准的交流刺激信号。
所述功率放大电路为芯片TDA7294;控制模块还用于输出芯片TDA7294 所需的静音控制信号。
控制模块为ARM处理器;电平平移与变换电路还用于将静音控制信号的 电压变换,将高电平为3.3V的静音控制信号变换为5V的静音控制信号输出 至芯片TDA7294。
输出电流为单一频率的非脉冲超低频的电流和/或多种频率的非脉冲超低 频电流的组合输出;单一频率电流和/或多种频率组合电流同时输出或分时输 出。
多种频率的组合输出时采用调制输出或叠加输出。
本发明提供了一种超低频磁刺激装置的工作方法,包括:
步骤1,生成频率为20Hz以下的直流刺激信号;
步骤2,对刺激信号进行电位平移,使之成为交流刺激信号;
步骤3,对交流刺激信号进行功率放大,并产生电流、电场或磁场。
本发明超低频磁刺激装置的输出电流为非脉冲超低频的电流(20Hz以 下)、电场或磁场;输出的电流可与电极连接用于电治疗,可与线圈连接用于 磁治疗;输出电流为单一频率的连续非脉冲超低频的电流,和多种频率的非脉 冲连续超低频电流的组合输出,可同时输出或分时输出;可多种频率的组合输 出治疗,可采用调制输出或叠加输出;其采用交变的超低频非脉冲磁场,对人 的大脑进行磁诱导,从而达到治疗和缓解大脑精神相关疾病的目的。
附图说明
图1为本发明超低频磁刺激装置的电路原理图;
图2为本发明超低频磁刺激装置中音频输出电路的原理图;
图3为本发明超低频磁刺激装置中电平平移与变换电路原理图;
图4为本发明超低频磁刺激装置中电平平移与变换电路的加法器的电路 原理图;
图5为本发明超低频磁刺激装置中功率放大电路的原理图;
图6为本发明超低频磁刺激装置中功率放大电路的静音控制电路原理图。
具体实施方式
本发明公开的超低频磁刺激装置如图1所示。包括控制模块10,电平平 移与变换电路20和输出模块30。控制模块10包括ARM处理器103、触摸式 彩色液晶显示屏101和音频芯片102;输出模块30包括四个功率放大电路301 (该产品的生产者可以设置功率放大器的个数)以及相应的四个线圈303,每 个功率放大电路301具有一个通道302。ARM处理器103连接触摸式彩色液 晶显示屏101,ARM处理器103的输出端子直接连接电平平移与变换电路20 的同时,还通过音频芯片连接电平平移与变换电路20,电平平移与变换电路 20再通过并列的超低频信号输出线和静音控制线连接功率放大电路301,四个 功率放大电路301的输出端各连接一个线圈303,刺激频率为0.001Hz~20Hz; 功率放大电路输出端还可以连接有电疗电极(图中未示出),电疗频率为 0.001Hz~20Hz。
输出电流为非脉冲超低频的20Hz(优选0.2Hz)以下电流、电场或磁场; 输出的电流与电极连接用于电治疗,与线圈303连接用于磁治疗;输出端只能 连接电极或线圈之一;输出电流为单一频率的非脉冲超低频的电流,和多种频 率的的非脉冲超低频电流的组合输出,单一频率电流和多种频率组合同时输出 或分时输出;或输出电流为多种频率的组合输出,组合输出时采用调制输出或 叠加输出。刺激频率0.001Hz~20Hz按1毫赫兹连续可调;最大磁场强度为 200高斯,连续可调;输出波形为单个正弦波或多个正弦波的叠加。
如此设计,超低频磁刺激装置的硬件主要由ARM处理器(含有操作系统) 103、电平平移与变换电路20、和输出模块30三部分组成。其中,ARM处理 器103主要负责人机界面控制,超低频刺激信号的生成,静音控制,治疗方案 的设置与存储,以及磁场标定等功能。电平平移与变换电路20负责对ARM 的输出信号进行电位平移,使之成为0基准的超低频信号输出给功放电路;同 时对ARM输出的静音信号进行电平变换,使之符合后续功放电路的控制要求。 输出模块30负责对超低频刺激信号进行功率放大,并通过线圈输出,产生交 变的超低频刺激磁场。本仪器采用变压器供电,功率为1500W,初级输入为 220VAC,次级为28VAC两路,12VAC两路。其中两路28V输出串联整流后 为功放板供电;两路12V输出串联整流后为电平平移与变换电路和ARM控制 模块供电。其采用超低频连续磁场,对人的大脑进行磁诱导,从而达到治疗和 缓解大脑精神相关疾病的目的。
作为优化,所述控制模块采用型号为QQ2440V3的开发板,其音频芯片 UDA1341TS通过输出口的C45,C46电容短接,同时将R4和R9电阻接地去 掉滤波功能。如此设计,控制模块的主控板采用广州友善之臂公司生产的 QQ2440V3开发板,液晶显示采用其配套的7寸彩色液晶屏。根据需要,对 ARM开发板做了少量改动。即将音频芯片UDA1341TS输出口的C45,C46 电容短接,同时将R4和R9电阻去掉。原因在于:本设计采用音频芯片进行 超低频刺激信号输出,而原开发板上音频输出10HZ以下被滤波,所以本设计 将的滤波器件去掉,以产生超低频信号。
针对本仪器的特殊用途,定制了专用的WinCE5.0内核,该系统启动后可 自动加载SD卡上的用户程序。
还设计了专用的超低频磁刺激系统应用程序,该程序可以方便的进行对波 形参数的设置,磁场定标,8种刺激方案的设定和保存,刺激计时,强度在线 调整等实用功能。
作为优化,如图2所示,所述音频芯片UDA1341TS的1、5、11、27脚 直接接地;23、9、21、20脚分别通过10K的R77、R78、R79、R80接地; 28脚通过0.1μF电容C44接地;2、4脚串接后通过10μF电容C47并接MIC IN和47K的R3、R3再通过100K的R11并接VDD33V和通过10μF电容C48 接地;26脚通过10μF电容C45并接LINEOUT L和通过10K的R9接地;24 脚通过10μF电容C46并接LINEOUT B和通过10K的R4接地;12、16、17、 18、19、13、14、15脚分别接CDCLK、I2SSCLK、I2SLRCK、I2SSDI、I2SSDO、 L3MODE、L3CLOCK、L3DATA;3、7、25脚串接后接AU-AVDD33V,通过 10μF电容C71接地,通过电感L4连接VDD33V;10脚连接VDD33V。如此 设计,结构简单,性能可靠。
作为优化,电平平移与变换电路的电平平移是将控制模块10输出的超低 频基准为1.75V直流信号变换为0V为基准的交流信号,电平变换是采用集电 极开路的反相器芯片实现控制模块输出的静音信号输出高电平3.3V到5V的 电平转化。如此设计,电平平移与变换电路20是控制模块10和输出模块30 之间的接口电路。其主要作用有二:
1)电平平移。从控制模块10输出的超低频信号基准为1.75V,是直流信 号。电平平移的目的是将此信号变换为以0V为基准的交流信号。这样经过后 续功率放大放可产生交变的超低频磁场。
2)电平变换。控制模块10输出的静音信号输出高电平为3.3V,此电压和 驱动能力都不足以完成功放的静音,因此,本设计采用集电极开路的反相器芯 片74LS06实现3.3V与5V的电平转化,并增加驱动能力。
作为优化,如图3所示,电平平移与变换电路20包括整流桥、稳压器、 电解电容、电位器、电阻、NE5532放大器、74LS06反向器、以及电源输入、 信号输入和输出三个外接端口;电源接头ACINPUT的1、2接口的两路12伏 的交流电串接后连接整流桥J0的2、3接口,整流桥J0产生的正负两路电压 分别通过其4、1接口连接7805正稳压芯片JI的1接口和7905负稳压芯片J2 的2接口;电源接头ACINPUT的负极接口3接地、并连接正稳压芯片JI的2 接口和7905负稳压芯片J2的1接口,还分别通过1000μF电容C1、1000μF 电容C3、1000μF电容C2、1000μF电容C4分别连接正稳压芯片JI的1、3 接口、负稳压芯片J2的2、3接口;正稳压芯片JI的3接口连接NE5532放大 器JP1的8接口,放大器JP1的1接口连接INPUT输出入接头J5的1接口, 放大器JP1的1接口和2接口通过6K电阻R4串连,负稳压芯片J2的3接口 与放大器JP1的4接口串接后通过10K调节电位器R1接地,放大器JP1的2 接口通过6K电阻R3连接INPUT输入接头J4的2接口,放大器JP1的2接 口还通过15K电阻R2连接调节电位器R1;正稳压芯片JI的3接口、电容C3 和放大器JP1的8接口串接后连接74LS06集电极开路的反向器JP2的14接口、 还通过33K电阻R5连接反向器JP2的2接口,反向器JP2的14接口通过0.1μF 电容C5接地,电容C5接地前还连接INPUT输入接头J4的3接口、OUTPUT 输出入接头J5的3接口和反向器JP2的7接口,反向器JP2的1接口连接INPUT 输入接头J4的1接口,反向器JP2的2接口连接OUTPUT输出接头J5的1 接口。图2中的输出信号LINEOUT L与INPUT输入接头J4的2接口连接, 输出信号LINEOUT B悬空。
如此设计,该电路主要由整流桥、稳压器、电解电容、电位器、电阻、NE5532 放大器、74LS06反向器、以及电源输入、信号输入和输出三个外接端口组成。 工作原理为:电源提供的两路12伏的交流电串接后通过整流桥,产生的正负 两路电压,通过正稳压芯片7805和负稳压芯片7905,分别输出正负5伏的直 流电,为放大器NE5532供电。利用放大器NE5532、电阻和电位器搭建加法 器电路,通过调节电位器进行电平平移。
1)整流桥:采用3A排桥,两路12伏交流电从两个输入端进入,有正负 两路整流后的输出。
2)稳压器:采用7805和7905两稳压块,整流桥的输出电压,正向电压 经过7805转化为5伏直流正电压,负向电压经过7905转化为5伏直流负电压。
3)电解电容:稳压器两端的0.1uF/25伏的电解电容是旁路电容,抑制电 路中可能产生的自激振荡,起到抑制干扰的作用。
4)运算放大器:采用运算放大器NE5532,其为DIP8封装的双运放,内 部为JFET(结型场效应管结构),驱动力强,电压适应范围非常宽,从正负3V 至正负20V都能正常工作。
5)加法器:原理图4所示,利用计算公式:
V out = - [ R 5 R 3 V in + R 5 R 2 ( 0 ~ R 1 R 1 ) × ( - 5 ) ] ]]>
R1选择10K电位器,R2选择15K电阻,R3、R5选择6K电阻,带入上述 公式可得:输出电压在原信号上加入0V~-2V的平移电压。
作为优化,所述功率放大电路的音频放大芯片为TDA7294型,所述功率 放大电路的其额定输出功率达100W、工作电压为±32V。如此设计,输出模块 30负责对超低频刺激信号进行功率放大,并通过线圈输出,产生交变的超低 频刺激磁场。
作为优化,如图5所示,所述功率放大电路是音频放大芯片TDA7294的1 接口STBY-GND接地,音频放大芯片TDA7294的8和15接口串接后分别通 过100nF的电容C9接地、接输入信号-VS、通过1000nF的电容C8接地;音 频放大芯片TDA7294的7和13接口串接后分别通过100nF的电容C7接地、 接输入信号+VS、通过1000nF的电容C6接地;音频放大芯片TDA7294的4 接口接地,音频放大芯片TDA7294的3接口通过22K电阻R1接地,音频放 大芯片TDA7294的2接口通过680Ω的电阻R2接地,还通过22K电阻R3连 接音频放大芯片TDA7294的14接口、22μF电容C5和线圈303,电容C5再 连接音频放大芯片TDA7294的6接口,线圈303再接地。图3中的输出信号 output1与作为输入与音频放大芯片TDA7294的3接口连接(四个音频放大芯 片均接收该输出信号output1),图3中的输出信号output2与音频放大芯 片TDA7294的10接口连接(四个音频放大芯片均接收该输出信号output2)。
如此设计,功率放大电路采用了音频放大芯片TDA7294,其额定输出功率 可达到100W(工作电压为±32V时)。各器件的作用如下表所示。
以上电子部件可以大于或小于推荐值,其中:R1用于输入阻抗、大于推 荐值时用于提高输入阻抗、小于推荐值时用于减小输入阻抗;R2用于闭环增 益到30DB,大于推荐值时减小增益、小于推荐值时增大增益;R3用于闭环增 益到30DB,大于推荐值时增大增益、小于推荐值时减小增益;R4用于STBY 时间,大于推荐值时更高待机时间、小于推荐值时更小待机时间;R5用于 MUTE时间,大于推荐值时更高静音时间、小于推荐值时更低静音时间;C3 用于MUTE时间,大于推荐值时更高静音时间、小于推荐值时更低静音时间; C4用于STBY时间,大于推荐值时更高待机时间、小于推荐值时更小待机时 间;C5属于自举电容、小于推荐值时低频信号衰减;C6,C8用于电源过滤。 C7,C9用于电源过滤。
作为优化,所述功率放大电路的音频放大芯片为TDA7294型,所述功率 放大电路的其额定输出功率达100W、工作电压为±32V。如此设计,匹配性好。
作为优化,所述功率放大电路还包括静音控制电路,如图5所示,静音控 制电路是音频放大芯片TDA7294的STBY端子通过20K电阻R20连接音频放 大芯片TDA7294的4接口,还通过10μF电容C20接地;音频放大芯片TDA7294 的MUTE端子通过10μF电容C21接地,还依次通过相互并联的30K电阻R21、 IN4148二极管和10K电阻R22串接音频放大芯片TDA7294的4接口与电阻 R20之间的连线。如此设计,为了使在不需要磁场输出时,线圈中没有任何干 扰电流,其的输出为0,在功放电路中增加了静音控制。其电路图如图5所示, 当MUTE端为高电平(+5V)时,TDA7294芯片正常工作,对输入信号进行 功率放大。当MUTE端为低电平(<2.5V)时,TDA7294芯片静音,即无论 有无输入信号,输出电流为0。
作为优化,输出电流为非脉冲超低频的0.2Hz以下电流、电场或磁场;输 出的电流与电极连接用于电治疗,与线圈连接用于磁治疗;输出电流为单一频 率的非脉冲超低频的电流,和多种频率的的非脉冲超低频电流的组合输出,单 一频率电流和多种频率组合电流同时输出或分时输出;或输出电流为多种频率 的组合输出,组合输出时采用调制输出或叠加输出。
作为优化,刺激频率0.001Hz~20Hz按1毫赫兹连续可调,可以通过调节 选择相应的频率,例如0.001Hz,0.002Hz,0.003Hz,0.005Hz,0.01Hz,0.1Hz, 0.2Hz,0.5Hz,1Hz,2Hz,4Hz,8Hz,10Hz,16Hz,18Hz等不同的频率; 最大磁场强度为200高斯,连续可调;输出波形为单个正弦波或多个正弦波的 叠加。如此设计,其采用交变的超低频连续磁场,对人的大脑进行磁诱导,从 而达到治疗和缓解大脑精神相关疾病的目的。
需要说明的是:采用变压器供电,功率为1500W,初级输入为220VAC, 次级为28VAC两路,12VAC两路。其中两路28V输出串联整流后为功放板供 电;两路12V输出串联整流后为电平平移与变换电路和ARM控制模块供电。
本发明还提供了一种超低频磁刺激装置的工作方法,包括:
步骤1,生成频率为20Hz以下的直流刺激信号;
步骤2,对刺激信号进行电位平移,使之交流刺激信号;
步骤3,对交流刺激信号进行功率放大,并产生电流、电场或磁场。