專利名稱：癱瘓患者功能康復(fù)儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及康復(fù)醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域用的一種康復(fù)儀器。
癱瘓患者功能康復(fù)儀是為癱瘓病人和高位截癱病人的康復(fù)治療和輔助控制站立用的新型儀器，其基本原理是采用特殊形狀的電脈沖(


圖1)，通過皮表電極作用于患者需要治療的靶肌上，使之產(chǎn)生類似于受神經(jīng)脈沖刺激所引起的肌肉運(yùn)動(dòng)，以鍛煉和增強(qiáng)肌力，改善肌體循環(huán)。儀器一般由脈沖發(fā)生器、脈沖放大器，電源以及貼附皮膚的金屬電極板組成。
目前臨床應(yīng)用的儀器(專利號(hào)821109GB 031899和國內(nèi)生產(chǎn)的CFES－1型截癱治療儀)采用的是共地系統(tǒng)，各輸出通道有一公共端與患者皮膚相連，由于人體電阻小，所以它們都存在各電極相互串?dāng)_，不能很好地對(duì)準(zhǔn)靶肌，不便應(yīng)用于多通道輸出的缺點(diǎn)，并且現(xiàn)有儀器均采用單向的正向矩形脈沖或負(fù)向的矩形脈沖，在治療時(shí)患者有不舒適的疼痛感。另外，現(xiàn)有儀器均缺少自動(dòng)變換脈沖頻率、定時(shí)控制刺激時(shí)間和選擇交替或循環(huán)刺激節(jié)律等臨床需要的功能，輸出方式也只有連續(xù)和斷續(xù)兩種，儀器存在功能少、功率消耗大的弱點(diǎn)。
本實(shí)用新型根據(jù)臨床需要，提出一種新的設(shè)計(jì)，采用一種幅度可連續(xù)調(diào)節(jié)的主波為負(fù)向的雙向脈沖，并讓正向回波的幅度是負(fù)向主波幅度的10％～20％，這樣更符合人的生理要求和有效地消除患者治療時(shí)的疼痛感。
儀器的電路部分是由信號(hào)產(chǎn)生、功能控制、直流變換、光電隔離和脈沖功率輸出等五個(gè)主要部分組成，電路的原理框圖如圖2所示，其特點(diǎn)是采用一只四運(yùn)算放大器集成組件構(gòu)成主脈沖信號(hào)發(fā)生器、時(shí)鐘脈沖發(fā)生器、報(bào)警訊號(hào)發(fā)生器和電池電壓監(jiān)測(cè)器并可同時(shí)實(shí)現(xiàn)各自的功能(圖3)；利用一只四雙向模擬開關(guān)集成組件實(shí)現(xiàn)由同一信號(hào)源產(chǎn)生四個(gè)通道的信號(hào)輸出；采用由一只十進(jìn)制計(jì)數(shù)器／驅(qū)動(dòng)器集成組件、一只四雙輸入或門集成組件和一只四刀十一擲開關(guān)組成的電路來實(shí)現(xiàn)十一種循環(huán)或連續(xù)輸出模式選擇，各輸出通道之間經(jīng)光電耦合器組件隔離而相互獨(dú)立；還采用一只12位二進(jìn)制串行計(jì)數(shù)器／分頻器集成組件及一只單刀十?dāng)S開關(guān)實(shí)現(xiàn)10種不同的節(jié)律控制選擇，節(jié)律控制的范圍為1秒～512秒，該組件再與一只雙D型觸發(fā)器集成組件及一只雙刀三擲開關(guān)實(shí)現(xiàn)三種不同的定時(shí)控制，定時(shí)控制時(shí)間分別為0.25小時(shí)、0.5小時(shí)和1小時(shí)，定時(shí)時(shí)間到，儀器將蜂鳴報(bào)警并自動(dòng)停止各通道的刺激脈沖信號(hào)的輸出。此外，系統(tǒng)還采用主要由一只十進(jìn)計(jì)數(shù)器／驅(qū)動(dòng)器集成組件(與輸出模式選擇的共用)及一只四雙向模擬開關(guān)集成組件組成的電路實(shí)現(xiàn)自動(dòng)變換輸出脈沖信號(hào)的頻率，自動(dòng)變頻的范圍是1Hz～30Hz。
本實(shí)用新型還設(shè)計(jì)有新的直流變換器和脈沖功率輸出器，直流變換器(DC－DC，Ni－Cd電池9伏變成直流高電壓200伏)的轉(zhuǎn)換效率在工作范圍內(nèi)達(dá)75％～81.5％，脈沖功率輸出級(jí)設(shè)計(jì)成工作在完全開關(guān)狀態(tài)，使儀器的功率消耗小于1W，電池壽命較之前述的CFES－1型儀器可延長(zhǎng)6～10倍。
附
圖1是脈沖波形圖。圖中刺激脈沖的主導(dǎo)脈沖是負(fù)向脈沖，脈沖的幅度在0～200伏連續(xù)調(diào)節(jié)，脈寬可在0.2毫秒～1毫秒變化，每一刺激脈沖的回程產(chǎn)生一正向的反脈沖，其幅度約為主脈沖幅度的10％～20％，它能消除對(duì)患者治療部位的灼痛感。圖中的(1)處是系統(tǒng)的地電位。
附圖2是電路的原理框圖。
附圖3是主脈沖發(fā)生器(IC1－3為核心部分)，時(shí)鐘脈沖發(fā)生器(IC1－2為核心部分)，報(bào)警訊號(hào)發(fā)生器(IC1－1為核心部分)和電池電壓監(jiān)測(cè)器(IC1－4為核心部分)。
主脈沖發(fā)生器是輸出刺激脈沖的信號(hào)源，產(chǎn)生出頻率可調(diào)、脈寬可調(diào)的連續(xù)矩形方波，改變其RC／充放電回路中電阻的參數(shù)，可產(chǎn)生輸出頻率為1Hz，3Hz，5Hz，10Hz，20Hz，30Hz，40Hz，100Hz，脈寬為0.2ms～1ms的矩形方波。頻率變換可由一只八聯(lián)琴鍵開關(guān)手動(dòng)選擇，也可由電路中自動(dòng)變換。圖中電阻R1是脈寬調(diào)節(jié)電位器，圖中④端是主脈沖信號(hào)輸出端。
時(shí)鐘脈沖發(fā)生器產(chǎn)生出1Hz頻率的時(shí)鐘信號(hào)，作為定時(shí)控制電路、節(jié)律控制電路、模式控制電路和主脈沖發(fā)生器自動(dòng)變頻電路部分的工作時(shí)鐘信號(hào)源。圖中②端是時(shí)鐘脈沖輸出端。
報(bào)警訊號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生出頻率為3KHz～5KHz的方波信號(hào)，作為定時(shí)時(shí)間到以后停止治療的蜂鳴器訊響信號(hào)的激勵(lì)源。圖中FM是壓電晶體蜂鳴器。圖中③端是蜂鳴器FM的控制端。
電池電壓監(jiān)測(cè)器是在使用9VNi－cd電池工作時(shí)，當(dāng)電池電壓小于7.5V時(shí)，控制發(fā)光二極管LED1亮，指示電池欠壓。
IC1是一只高輸入阻抗四運(yùn)算放大器LF347集成組件，這就實(shí)現(xiàn)了用一只集成組件同時(shí)實(shí)現(xiàn)上述四種功能。
附圖4是主脈沖發(fā)生器的輸出信號(hào)頻率自動(dòng)變換電路。圖中⑤端接主脈沖發(fā)生器的控制端。圖中⑥端接系統(tǒng)的同步控制脈沖。圖中⑦端接節(jié)拍脈沖，節(jié)拍脈沖由節(jié)律信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生。IC2是一只十進(jìn)制計(jì)數(shù)器／脈沖分配器集成組件，采用CD4017。IC3是四雙向模擬開關(guān)集成組件，采用CD4066。在節(jié)拍脈沖作用下，IC2分別輸出二個(gè)節(jié)拍、一個(gè)節(jié)拍、一個(gè)節(jié)拍、三個(gè)節(jié)拍的控制信號(hào)，作為IC3四路模擬開關(guān)的控制端輸入信號(hào)，以選擇主脈沖發(fā)生器變頻RC回路中變阻器的對(duì)應(yīng)電阻參數(shù)，由⑤端得到1Hz，5Hz，10Hz，30Hz的持續(xù)時(shí)間分別為二個(gè)節(jié)拍、一個(gè)節(jié)拍、一個(gè)節(jié)拍、三個(gè)節(jié)拍的控制輸出。圖中⑧是主脈沖發(fā)生器變頻RC回路中的變阻器。
附圖5是輸出模式選擇／控制電路和輸出信號(hào)節(jié)律選擇／控制電路。圖中⑨端和⑩端分別接同步控制脈沖和時(shí)鐘脈沖。圖中(11)是四刀十一擲模式選擇開關(guān)。圖中K1和K2分別是節(jié)律選擇開關(guān)和間歇／斷續(xù)輸出方式選擇開關(guān)。IC4是四雙向模擬開關(guān)集成組件，采用CD4066。IC5是12位二進(jìn)制串行計(jì)數(shù)器／分頻器集成組件，采用CD4040。IC6是十進(jìn)制計(jì)數(shù)器／脈沖分配器集成組件，采用CD4071。IC8是三3輸入端與門集成組件，采用CD4073。在時(shí)鐘脈沖控制下，IC5產(chǎn)生1秒～512秒的節(jié)律控制信號(hào)，由開關(guān)K2選擇，控制主脈沖信號(hào)的輸出節(jié)律。IC6，IC7和模式選擇／控制開關(guān)組成十一種不同形式的輸出模式控制信號(hào)，經(jīng)過IC7定時(shí)輸出控制門作為IC4四路模擬開關(guān)的控制端輸入信號(hào)，使得由圖中(12)端輸入的主脈沖信號(hào)產(chǎn)生十一不同的輸出形式。圖中(13)端輸出節(jié)拍脈沖。圖中(14)端接定時(shí)控制信號(hào)。
附圖6是系統(tǒng)啟動(dòng)／復(fù)位和定時(shí)控制電路。IC9是雙D型觸發(fā)器集成組件，采用CD4013。組成工作狀態(tài)寄存器和定時(shí)狀態(tài)寄存器。圖中(15)端輸入啟動(dòng)／復(fù)位脈沖，使這個(gè)狀態(tài)寄存器分別處于工作等待狀態(tài)和定時(shí)狀態(tài)。K3為啟動(dòng)開關(guān)。K4為三種定時(shí)時(shí)間選擇開關(guān)。當(dāng)K3啟動(dòng)后，使兩個(gè)狀態(tài)寄存器分別置為工作狀態(tài)和定時(shí)清除狀態(tài)。圖中(17)端輸出的工作控制信號(hào)將允許工作模式控制信號(hào)的輸出，從而使得主脈沖信號(hào)輸出到功率輸出電路部分。當(dāng)定時(shí)時(shí)間到，兩個(gè)狀態(tài)寄存器分別轉(zhuǎn)為工作等待狀態(tài)和定時(shí)狀態(tài)，使圖中(17)端的輸出控制主脈沖信號(hào)的輸出停止。圖中(16)端輸出定時(shí)到報(bào)警控制信號(hào)，控制蜂鳴器發(fā)出訊響。圖中的發(fā)光二極管LED2是二分之一定時(shí)過指示信號(hào)燈。
附圖7是主脈沖信號(hào)輸出電路與脈沖功率輸出電路之間的光電隔離耦合電路。圖中(18)是主脈沖信號(hào)的輸入端。IC10是光電隔離耦合器件，采用4N25。信號(hào)級(jí)的輸出控制信號(hào)由(18)端經(jīng)過光電耦合器件和射極跟隨器Q2，從脈沖幅度調(diào)節(jié)電位器R2的輸出端，即圖中(19)端輸出脈沖幅度控制信號(hào)給脈沖功率放大級(jí)。由于各通道均與信號(hào)的控制級(jí)之間實(shí)行了光電隔離，并且各路的脈沖功率放大級(jí)均由直流變換變壓器的一個(gè)獨(dú)立繞組來供電，因而各通道的脈沖輸出回路相互獨(dú)立，避免了相互間的串?dāng)n，便于儀器臨床時(shí)對(duì)準(zhǔn)靶肌。
在圖8中，從(20)端輸入來自圖7所示的脈沖幅度控制信號(hào)，(21)和(22)表示某通道輸出的皮表電極，從這兩端可獲得如
圖1所示的刺激脈沖波形，圖中D1是為晶體管Q3和Q4可靠地工作在開關(guān)狀態(tài)而設(shè)置的，改變R3和C1的數(shù)值可以調(diào)節(jié)正向回波的幅度。
圖9中直流變換級(jí)的電路原理圖，它的作用是把9伏的鎳鎘電池電壓變換成200伏的高電壓，圖中的非門1、2和3組成一占空比為50％的矩形脈沖振蕩器，由于晶體管由濃度飽和狀態(tài)過渡到截止?fàn)顟B(tài)所需要的時(shí)間比由截止?fàn)顟B(tài)進(jìn)入深度飽和狀態(tài)的時(shí)間長(zhǎng)，為了防止產(chǎn)生交疊損失，圖中的S1點(diǎn)和S2點(diǎn)的兩路波形有2μs～3μs的錯(cuò)開時(shí)間(
圖10)，如果兩路波形完全對(duì)稱反相，則在變壓器T的初級(jí)中心點(diǎn)(23)處將出現(xiàn)瞬間同時(shí)導(dǎo)通，從而影響直流變換的效率，按照本設(shè)計(jì)，轉(zhuǎn)換效率可從原來的40％～49％提高至75％～81.5％，該錯(cuò)開時(shí)間的大小是由R4，C2，D2和R5，C3，D3分別組成的兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)來決定，其中R4＝R5＝10KΩ～20KΩ，C2＝C3＝180PF～300PF(微微法拉)，振蕩器的頻率主要取決于R6和C4的數(shù)值，R6＝43KΩ～51KΩ，C4＝1000PF～2200PF，振蕩頻率約為10KHz～15KHz，直流變換后的高電壓從圖9中的(24)端和(25)端輸出。
儀器組裝在一個(gè)體積為200毫米(長(zhǎng))×110毫米(高)×240毫米(寬)的機(jī)匣內(nèi)。
現(xiàn)已有兩名癱瘓患者，一名是在胸10部位截癱，另一名是在胸11處外傷造成的橫貫型損傷致癱，在本儀器的治療和控制下，借助于手扶平行雙杠在室內(nèi)能初步站立起來和作原始性行走。
權(quán)利要求1.一種癱瘓患者功能康復(fù)儀，其電路部分是由信號(hào)產(chǎn)生、功能控制、直流變換、光電隔離和脈沖功率輸出等主要部分組成，其主要特征是a.采用一只四運(yùn)算放大器集成組件同時(shí)實(shí)現(xiàn)主脈沖發(fā)生器、時(shí)鐘脈沖發(fā)生器、報(bào)警訊號(hào)發(fā)生器和電池電壓監(jiān)測(cè)器；b.采用一只四雙向模擬開關(guān)集成組件實(shí)現(xiàn)由同一信號(hào)源產(chǎn)生四個(gè)通道的輸出；c.采用一只十進(jìn)制計(jì)數(shù)器/驅(qū)動(dòng)器集成組件，一只四雙輸入或門集成組件和一只四刀十一擲開關(guān)組成的電路來實(shí)現(xiàn)11種循環(huán)或連續(xù)輸出模式選擇，各輸出通道之間通過光電隔離器組件進(jìn)行隔離而相互獨(dú)立；d.采用一只12位二進(jìn)制串行計(jì)數(shù)器/分頻器集成組件及一只單刀十?dāng)S開關(guān)實(shí)現(xiàn)10種不同的節(jié)律控制選擇，節(jié)律控制的范圍為1秒～512秒；e.采用一只雙D型觸發(fā)器集成組件及一只雙刀三擲開關(guān)來實(shí)現(xiàn)3種不同的定時(shí)控制，定時(shí)控制時(shí)間分別為1小時(shí)，0.5小時(shí)和0.25小時(shí)，定時(shí)時(shí)間到，儀器會(huì)蜂鳴報(bào)警并自停止輸出刺激脈沖；f.采用主要由一只十進(jìn)制計(jì)數(shù)器/驅(qū)動(dòng)器集成組件(與輸出模式選擇的共用)及一只四雙向模擬開關(guān)集成組件所組成的電路來實(shí)現(xiàn)自動(dòng)變換脈沖頻率，自動(dòng)變頻的范圍是1Hz～30Hz。
2.按權(quán)利要求1所述的癱瘓患者功能康復(fù)儀，其特征在于直流變換級(jí)中引入分別由R4、C2、D2和R5，C3，D3所組成的兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)，保證圖中的S1點(diǎn)和S2點(diǎn)兩路波形有2μs～3μs(微秒)的錯(cuò)開時(shí)間。
3.按權(quán)利要求1所述的癱瘓患者功能康復(fù)儀，其特征在于采用光電耦合實(shí)現(xiàn)各輸出通道相互獨(dú)立，便于臨床時(shí)對(duì)準(zhǔn)靶肌。
專利摘要癱瘓患者功能康復(fù)儀的基本原理是采用特殊形狀的電脈沖，通過皮膚表面電極作用于患者的靶肌上，使之產(chǎn)生類似于受神經(jīng)脈沖刺激所引起的肌肉運(yùn)動(dòng)。儀器的電路部分由信號(hào)產(chǎn)生、功能控制、直流變換、光電隔離和脈沖功率輸出等組成，其特點(diǎn)是四個(gè)輸出通道，設(shè)有11種循環(huán)或連續(xù)輸出選擇，各通道之間通過光電隔離而相互獨(dú)立，并設(shè)有10種節(jié)律，3種定時(shí)及具備自動(dòng)變頻控制，還采用新的直流變換和脈沖功率輸出設(shè)計(jì)。
文檔編號(hào)A61N1/20GK2041574SQ87214928
公開日1989年7月26日 申請(qǐng)日期1987年11月5日 優(yōu)先權(quán)日1987年11月5日
發(fā)明者林喜榮, 陳墾, 康吉生 申請(qǐng)人:清華大學(xué)