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一种电刺激系统，包括植入人体内的接收块、与该接收块通过体内连接线缆连接的刺激头以及位于体外的控制器、与该控制器通过体外连接线缆连接的发射头，该控制器包括单片机控制单元、信号幅度控制单元、功率放大单元以及电源模组，通过该单片机控制单元产生数字化电刺激信号后传送至该信号幅度控制单元进行调制和幅度调节，再传送至该功率放大单元进行放大，该功率放大单元将放大后的电刺激信号传送至该发射头，最后由该发射头将该被调制后的电刺激信号以无线方式发送至该接收块进行解调后传送至该刺激头，本发明产生的数字化信号精度高，调节方便，且本发明还可通过显示装置进行人机对话，精确调节并显示出参数值，方便用户使用。

1.  一种电刺激系统，包括植入人体内相应部位的接收块、与该接收块通过体内连接线缆连接的刺激头以及位于体外的控制器、与该控制器通过体外连接线缆连接的发射头，其特征在于：该控制器至少包括单片机控制单元、信号幅度控制单元、功率放大单元以及电源模组，其中该单片机控制单元用于产生和调节数字化的电刺激信号，产生的该数字化的电刺激信号被传送至该信号幅度控制单元进行调制和幅度调节后，传送至该功率放大单元，该功率放大单元对被调制后的电刺激信号进行功率放大后经该体外连接线缆传送至该发射头，最后由该发射头将该被调制后的电刺激信号以无线通讯方式发送至该接收块进行解调后传送至该刺激头，该电源模组与该单片机控制单元、该信号幅度控制单元以及该功率放大单元连接，用于提供各单元所需电源。

2.  如权利要求1所述的电刺激系统，其特征在于，该控制器还包括高频载波调制模块和前置放大器，该高频载波调制模块分别与该单片机控制单元一输出端、该信号幅度控制单元输出端以及该前置放大器输入端连接，该前置放大器输出端与该功率放大器输入端连接，该高频载波调制模块及该前置放大器均与该电源模组连接，由该电源模组对其进行供电。

3.  如权利要求2所述的电刺激系统，其特征在于，该高频载波调制模块包括一锁相环和一调制器，该锁相环输入端与该单片机控制单元一输出端连接，该锁相环输出端与该调制器一输入端相连接，该调制器另一输入端与该信号幅度控制单元输出端连接，该调制器输出端与该前置放大器输入端连接。

4.  如权利要求3所述的电刺激系统，其特征在于，该信号幅度调节单元是数模转换器。

5.  如权利要求1或3或4所述的电刺激系统，其特征在于，该控制器还包括一与该单片机控制单元相连接的操控模组以及一存储单元，该操控模组产生的信息被传送至该单片机控制单元，由该单片机控制单元存储于该存储单元。

6.  如权利要求5所述的电刺激系统，其特征在于，该控制器还包括一与该单片机控制单元连接的显示装置，该显示装置用于接收该单片机控制单元传送的信息予以显示

7.  如权利要求6所述的电刺激系统，其特征在于，该系统还包括一测试模块，用于检测发射头是否有信号输出。

8.  如权利要求7所述的电刺激系统，其特征在于，该测试模块包括一线圈和一与之相连的发光二极管。

9.  如权利要求8所述的电刺激系统，其特征在于，该发射头为一天线。

10.  如权利要求1所述的电刺激系统，该单片机控制单元通过设置于内部的程序产生脉冲宽度和频率可调的数字化电刺激信号。

电刺激系统
技术领域
本发明涉及一种电刺激系统，特别是涉及一种可进行排尿、排便、性三大功能障碍进行代偿的电刺激系统。
背景技术
对于脊髓损伤而截瘫的病人，最常见的是脊髓终末支配的盆底三大功能(排尿、排便、性)障碍，膀胱功能的障碍给病人带来了很大的痛苦。1972年，G.S.Brindley提出了一种通过电刺激发射的刺激脉冲来人工控制人膀胱的方法，这种脉冲不是直接发射到膀胱或者外围神经，而是发射到骶前神经根S3和S4，通过正确地选择刺激器参数，将有可能实现膀胱颈的闭合或膀胱的排空，同时，如果神经纤维通过脊根只进入脊髓，这样的刺激不会使患者感到疼痛。
Finetech-Brindley膀胱控制器是基于以上原理设计的电刺激仪，其通过电刺激发射的刺激脉冲来人工控制膀胱。该膀胱控制器包括体内和体外两个部分，其中，体内部分包括接收器、体内电缆和植入的电极装配；体外部分包括在患者管理下的控制盒、体外电缆以及发射器。设备运行时，由内部充电电池提供电源的控制盒，通过体外电缆发射模拟的电脉冲到发射器，它能将其转换成无线电频率信号发射至体内部分的接收器，接收器置于患者皮下，将该无线电信号还原为电脉冲并沿着Cooper电缆输送到电极单元。此电极单元包括3个三极排列，每个刺激一个骶骨节的左右神经根。每个三极排列有它自己的Cooper电缆和它自己的无线电接收器，这样神经根S2，S3和S4能够分别进行刺激。电极的三极排列最大程度减小了刺激电流向邻近组织的传播。
该膀胱控制器是根据肌肉力学的原理来实现控制排尿、排便的。以排尿为例，即要实现膀胱逼尿肌和括约肌的协调工作。由于逼尿肌(属平滑肌类)对电刺激信号反应迟缓，而括约肌(属横纹肌)对电刺激反应迅速，当一连串适当的电脉冲信号作用在骶神经前根上传至这两种肌肉，均会产生肌肉收缩，只是前者收缩力缓慢上升，而后者收缩力迅速增加。此时因括约肌的强烈收缩膀胱中的尿液是无法排出的。当刺激信号中止后括约肌迅速舒张而逼尿肌还持续着高张力，排尿立即进行，随着逼尿肌张力缓慢下降尿流逐渐减小。当第二串电脉冲作用到骶神经前根上后又开始新一轮的收缩-排尿。因此这种电刺激式的膀胱功能代偿其排尿方式不同于正常的排尿方式，它是经过有限几次电脉冲串作用、间歇式排尽膀胱中的尿液。该Finetech-Brindley膀胱控制器虽然可以通过电刺激来控制人体膀胱，达到排尿，甚至排便以及性功能代偿，但是该产品体外部分采用的是分立电子元件组成的各个单元，产生的是模拟信号，所以对于电刺激波形控制很不准确，而且该产品的调节和参数设置是通过拨位开关和电位器来完成的，系统灵活性差，无法做到定量控制。此外所采用的模拟信号参数也无法精确显示，使临床统计和研究难以进行。这样的调节方式对于非技术专业的医护人员使用颇感困难和不便，此外，大量的分立元件增加了系统故障的可能性，不便于技术维护。
发明内容
为克服上述现有技术的缺点，本发明目的在于提供一种带单片机控制的电刺激系统，通过单片机产生数字化的电刺激信号，可对电刺激波形进行精确控制，且可定量调节系统参数，使用方便，便于系统维护。
本发明一种电刺激系统，包括植入人体内相应部位的接收块、与该接收块通过体内连接线缆连接的刺激头以及位于体外的控制器、与该控制器通过体外连接线缆连接的发射头，该控制器至少包括单片机控制单元、信号幅度控制单元、功率放大单元以及电源模组，其中该单片机控制单元用于产生和调节数字化的电刺激信号，产生的该数字化的电刺激信号被传送至该信号幅度控制单元进行调制和幅度调节后，传送至该功率放大单元，该功率放大单元对被调制后的电刺激信号进行功率放大后经该体外连接线缆传送至该发射头，最后由该发射头将该被调制后的电刺激信号以无线通讯方式发送至该接收块进行解调后传送至该刺激头，该电源模组与该单片机控制单元、该信号幅度控制单元以及该功率放大单元连接，用于提供各单元所需电源。
该控制器还包括高频载波调制模块和前置放大器，该高频载波调制模块分别与该单片机控制单元一输出端、该信号幅度控制单元输出端以及该前置放大器输入端连接，该前置放大器输出端与该功率放大器输入端连接，该高频载波调制模块及该前置放大器均与该电源模组连接，由该电源模组对其进行供电。
前述的该高频载波调制模块包括一锁相环和一调制器，该锁相环输入端与该单片机控制单元一输出端连接，该锁相环输出端与该调制器一输入端相连接，该调制器另一输入端与该信号幅度控制单元输出端连接，该调制器输出端与该前置放大器输入端连接。
该信号幅度调节单元可以是数模转换器。
该控制器还包括一与该单片机控制单元相连接的操控模组以及一存储单元，该操控模组产生的信息被传送至该单片机控制单元，由该单片机控制单元存储于该存储单元。
该控制器还包括一与该单片机控制单元连接的显示装置，该显示装置用于接收该单片机控制单元传送的信息予以显示
本发明电刺激系统还包括一测试模块，用于检测发射头是否有信号输出。
该测试模块包括一线圈和一与之相连的发光二极管。
本发明电刺激系统的发射头为一天线。
该单片机控制单元通过设置于内部的程序产生脉冲宽度和频率可调的数字化电刺激信号。与现有技术相比，本发明电刺激系统通过单片机控制单元产生数字化的电刺激信号，通过信号幅度调节单元及高频载波调制模块将电刺激信号以高频载波方式传输，并通过操控模组和显示装置提供用户交互界面，本发明电刺激系统由于产生的是数字化电刺激信号，电刺激信号易于精确控制，系统参数易于定量调节，而且本发明还可通过显示装置进行人机对话，精确调节并显示出参数值，便于使用及系统维护。
附图说明
图1是本发明电刺激系统的系统简单架构示意图；
图2是本发明第一实施例电刺激系统体外部分细部结构图；
图3是本发明第二实施例电刺激系统体外部分细部结构图
图4是本发明第三实施例电刺激系统体外部分细部结构图
图5是本发明第三实施例控制面板及显示装置示意图；
图6是本发明电刺激系统另一简单架构图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例并结合附图说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭示的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明亦可通过其他不同的具体实例加以施行或应用，本说明书中的各项细节亦可基于不同观点与应用，在不背离本发明的精神下进行各种修饰与变更。
图1是本发明电刺激系统的系统简单架构示意图。如图所示，本发明电刺激系统10是用于对脊髓损伤的病人进行排尿、排便、性三大功能障碍进行代偿的电刺激控制系统，其包括控制器11、发射头12、接收块13以及刺激头14。控制器11是一体外控制盒，其通过一体外连接线缆与发射头12连接。该控制器11通过单片机控制产生数字化的电刺激信号，并将该数字化的电刺激信号调制后通过该体外连接线缆传送至发射头12，在本发明之实施例中，体外连接缆线是与USB通用连接件配套的，与控制盒连接的一端改造装配为与控制盒插座配套的插头。发射头12接收到经调制后的电刺激信号后，将该电刺激信号以无线通讯方式传送至接收块13。接收块13接收到该电刺激信号后对其进行解调，并将解调后的电刺激信号通过体内连接线缆传送至刺激头14。其中，控制器11及发射头12设置于人体外，属于体外部分。而接收块13一般埋在病人皮下，刺激头14则是在外科手术时通过缝合片包在骶神经前根上，接收块13与刺激头14属于体内部分。体内部分的接收块13以及刺激头14的原理与现有技术相同，在此不予赘述，以下详细介绍体外部分。
图2为本发明电刺激系统10第一较佳实施例体外部分控制器11及发射头12的细部结构图。本发明电刺激系统10为可用于对脊髓损伤的病人进行排尿、排便、性三大功能障碍进行代偿的电刺激控制系统。在本发明第一较佳实施例中，为便于理解，仅实现对脊髓损伤的病人进行排尿一种功能障碍进行代偿。因此，在本发明第一较佳实施例中，体外部分包括一单片机控制单元110、存储单元111、信号幅度调节单元112、功率放大单113、电源模组114、操控模组115以及输出接口116。其中，单片机控制单元110、存储单元111、信号幅度调节单元112、功率放大单元113、电源模组114以及操控模组115属于控制器11，输出接口116属于发射头12，当然结构划分并不以此为限，如信号幅度调节单元112、功率放大单元113也可以属于发射头12。单片机控制单元110为一单片机，用于完成整个系统的控制，其通过内部设置的程序可产生频率和宽度可调的数字化电刺激信号。本实施例中，脉冲宽度的可调范围为100-800μs，误差控制在±5％范围内，病人使用较佳值为400μs，频率值的可调范围为3-20Hz，误差控制在±5％范围内。病人使用较佳值为18Hz，但不以此为限。当单片机控制单元110通过内部程序产生数字化的电刺激信号后，将该数字化的电刺激信号输出至信号幅度调节单元112进行调制及信号幅度调节，也就是说，该信号幅度调节单元112至少包含有数模转换器，将该数字化的电刺激信号经过转换成模拟的电刺激信号并对其进行信号幅度调节，本实施例中，信号幅度调节单元112的幅度调节范围为5.2-38.2v，病人使用较佳值为25.4v。经信号幅度调节单元112调制及幅度调节后的模拟化的电刺激信号被送入功率放大单元113，再由功率放大单元113对其进行功率放大，然后经体外连接线缆发送至输出接口116，由输出接口116通过无线通讯方式发送至体内部分的接收块13，本实施例中的输出接口117可为一天线。由于本较佳实施例仅实现排尿障碍的功能代偿，因此与发射头12相对应，接收块13也仅为一通道的接收块。电源模组114用于为单片机控制单元110、信号幅度调节单元112以及功率放大单元113供电，其供电电压为10.5V，并可采用稳压和过载保护电路为各单元提供稳定的电源。操控模组115提供用户操控界面以便用户操控控制器11，用户操控控制器11的产生信息传送至单片机控制单元110，由单片机控制单元110存入存储单元111中。该操控模组115可为一具有若干按键的控制面板，当然，若不需与用户的交互则也可不需该操控模组115。另外，因本实施例仅实现排尿功能障碍的代偿，因此体内部分的接收块13埋于病人皮下，而刺激头则可在外科手术时通过缝合片包在骶神经S2前根上。本发明可采用连续工作方式，也可采用间歇工作方式，间歇工作方式的信号时间为3-20s，较佳值为5s，空号时间为5-40s，较佳值为10s，误差在±10％范围内，信号与空号时间比为1∶2，但不以此为限。
为提高电刺激信号的传输效率，体外部分还可采用高频载波方式将调制后电刺激信号传送给接收块13。图3为本发明电刺激系统10第二较佳实施例体外部分控制器11及发射头12的细部结构图。如图所示，在本发明电刺激系统第二较佳实施例中，控制器11除包含第一实施例中单片机控制单元110、存储单元111、信号幅度调节单元112、功率放大单元113、电源模组114以及操控模组115外，还包括高频载波调制模块117以及前置放大器119。其中高频载波调制模块117可通过锁相环120及调制器121来实现。高频载波调制模块117一端与单片机控制单元110连接，接收来自单片机控制单元110的控制，也就是说通过单片机控制单元110完成对锁相环120及调制器121的设置。锁相环120及调制器121用于产生连续的高频连续载波，并在调制器121的一端接收来自信号幅度调节单元112的电刺激信号，本实施例中信号幅度调节单元112为一数模转换器，在调制器121的输出端产生高频ASK(ASK，幅度键控)信号，然后该高频ASK信号被传送至前置放大器119放大后再传送至功率放大单元113，最后由功率放大单元113将该高频ASK信号进行放大后通过输出接口116传送至体内部分的接收块13。锁相环120、调制器121及前置放大器119均由该电源模组114提供其工作电源。采用以上高频载波方式可提高电刺激信号的传输效率。
如前所述，本发明电刺激系统可用于对脊髓损伤的病人进行排尿、排便、性三大功能障碍进行代偿。但因绝大多数病人只需控制排尿和排便，只要用两个通道，仅男性中极少数人要求有性功能代偿，因此本发明电刺激系统第四较佳实施例主要实现对病人进行排尿和排便两大功能障碍进行代偿，因此本发明第四较佳实施例的发射头12具有两通道，分别用于实现排尿和排便两大功能障碍代偿，当然也可根据本发明的实现原理按照实际需求增加。图4为本发明电刺激系统10第三较佳实施例体外部分控制器11及发射头12的细部结构图。在本发明第三较佳实施例中，体外部分包括单片机控制单元210、存储单元211、信号幅度调节单元组212、高频载波调制模块组213、前置放大器组214、功率放大单元组215、电源模组216、操控模组217以及输出接口组218，其中信号幅度调节单元组212包括信号幅度调节单元2121以及信号幅度调节单元2122，高频载波调制模块组213包括高频载波调制模块2131以及高频载波调制模块2132，前置放大器组214包括前置放大器组2141以及前置放大器2142，功率放大单元组215包括功率放大单元2151以及功率放大单元2152，输出接口组218包括输出接口2181以及输出接口2182。本实施例中输出接口组218属于发射头12，其他各单元属于控制器11，当然不以此为限。同样，单片机控制单元210通过内部设置的程序控制输出两路频率和宽度可调的数字化电刺激信号后，将其分别传送至信号幅度调节单元2121和信号幅度调节单元2122进行调制及幅度调节，高频载波调制模块2131及2132分别产生稳定的高频连续载波，经调制后的电刺激信号被输入到高频载波调制模块后，在其输出端产生高频ASK信号(幅度键控)，两路高频ASK信号分别经前置放大器2141及前置放大器2142放大后分别送入功率放大单元2151及功率放大单元2152，然后由功率放大单元2151及功率放大单元2152分别传送至输出接口2181及输出接口2182。本实施例中，为了实现排尿与排便两大功能障碍的代偿，与发射头相对应，接收块13则是一个配有两通道的接收块，两个刺激头则可在外科手术时通过缝合片包在骶神经S2前根和骶神经S3前根上，体内连接线缆可设计成Y形连接，这样每一通道只需一条长缆线与两条短缆线及两个刺激头相连接。
为方便用户与本发明电刺激系统进行交互，本发明第三较佳实施例的控制器11还可包含一显示装置。该显示装置与单片机控制单元210相连，接收单片机控制单元210传送过来的信息进行显示，以将控制器11运行的一些信息显示在显示装置上。本实施例中的显示装置可为一液晶显示屏。图5为本发明第三实施例控制器11之控制面板及显示装置示意图。如图所示，该控制器11之控制面板上具有液晶显示屏51、电源开关52、参数设置按钮53、参数调节按钮54、液晶显示屏背灯按钮55、欠压指示灯56。当控制器11开启后，控制器11首先自检内存，进行参数初始化，然后液晶显示屏51会显示开机画面，用户进行按键进行模式转换、设置通道工作方式、设置输出通道、设置各通道的幅度值、设置脉宽、设置频率、设置空号时间、设置信号时间，并可以增、减模式，以上生成的参数储存于存储单元中。
另外，为便于用户使用，本发明电刺激系统10还可在其体外部分设置一测试模块15，用以检测发射头12是否有信号发出。请参阅图6，该测试模块15通常由一个线圈接一个发光管组成，当发射头12有信号发出时，该测试模块15通过电磁感应使得发光二极管点亮。当发射头12没有信号时，则该发光二极管不会点亮。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何本领域技术人员均可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰与改变。因此，本发明的权利保护范围，应如权利要求书所列。