足下垂自适应刺激器.pdf

《足下垂自适应刺激器.pdf》由会员分享，可在线阅读，更多相关《足下垂自适应刺激器.pdf（8页完整版）》请在专利查询网上搜索。

1、(10)授权公告号 CN 101822870 B (45)授权公告日 2012.12.26 CN 101822870 B *CN101822870B* (21)申请号 201010172105.7 (22)申请日 2010.05.14 A61N 1/36(2006.01) (73)专利权人 大连理工大学 地址 116024 辽宁省大连市甘井子区凌工路 2 号 (72)发明人 朱勇 邱天爽 (74)专利代理机构 大连理工大学专利中心 21200 代理人 梅洪玉 US 2009043357 A1,2009.02.12, 全文 . US 2005192645 A1,2005.09.01, 全文 . 。

2、US 5112296 A,1992.05.12, 全文 . CN 1767872 A,2006.05.03, 全文 . CN 201643417 U,2010.11.24, 权利要求 1-2. (54) 发明名称 足下垂自适应刺激器 (57) 摘要 本发明公开了一种足下垂自适应刺激器， 包 括左右刺激电极选择开关、 蜂鸣器、 按键、 内部电 路等 ； 内部电路包括单片机、 可变电压高压产生 电路、 可变恒流控制电路、 双轴角度传感器 ； 按键 电路可以人工调节刺激电流的强弱， 也可以暂停 或重新启动输出 ； 可变电压高压产生电路根据患 者的具体需求给定输出刺激的电压高低 ； 恒流控 制电路可以。

3、精确产生刺激电流， 双轴角度传感器 能够精确测量患者小腿与矢状轴的夹角， 并将夹 角数值传递给单片机进行处理、 判断以获取精确 的位置和时机来启动对患者的刺激。本发明安装 简单、 操作方便， 刺激强度可以调节， 适应各种正 常及腿脚畸形患者使用， 自动适应患者步行节奏、 选择左右脚， 具有跌倒报警功能等， 适合广大足下 垂患者使用。 (51)Int.Cl. (56)对比文件 审查员 石磊 权利要求书 1 页 说明书 4 页 附图 2 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利 权利要求书 1 页 说明书 4 页 附图 2 页 1/1 页 2 1. 一种足下垂自适应刺激器， 包括。

4、外部电路和内部电路 ； 其特征在于， 外部电路包括外部按键和按键控制电路， 外部按键包括 “+” 按键、“-” 按键、“ADJ” 按 键、“ENT” 按键， 这些外部按键和蜂鸣器均连接到按键控制电路 ； 内部电路包括单片机、 可变电压高压产生电路、 可变恒流控制电路、 双轴角度传感器、 安全输出电路 ； 所述的可变电压高压产生电路， 是能够产生 30 100V 高压直流电、 提供 40mA 以上电 流输出的高压电源电路， 通过单片机提供不同占空比的2040Khz的信号来控制其输出电 压 ； 可变电压高压产生电路是通过单片机提供不同占空比的 20 40Khz 的信号来控制晶 体管 T1 和 T2。

5、 的导通和截止 ； 由 T1 和 T2 的导通和截止使得通过变压器 TR 初级的电流产生 变化， 变压器TR初级的电流产生变化使得变压器TR的次级产生电压 ； 通过二极管D2检波， 电容 E4 和 C3 滤波后形成直流电压 ； 需要直流电压的高低通过调节 20 40Khz 信号的占空 比来实现， 需要高电压输出时将占空比调节在 90% 左右 ； 需要低电压输出时将占空比调节 在 30% 左右， 不需要电压输出时将占空比调节在 0% ； 所述可变恒流控制电路， 根据使用者设定， 单片机通过可变恒流控制电路的模数转换 器将所设定的的电流数值转换成 0 40mA 电流 ； 可变恒流控制电路由模数转换。

6、器、 运算放 大器、 晶体管和电阻 R10 组成 ； 根据需要的的电流数值， 单片机通过接口控制模数转换器提 供基准电压， 此电压通过运算放大器、 晶体管和电阻 R10 形成稳定的电流 ； 通过模数转换器 产生精确稳定的刺激电流 ； 当不需要产生刺激电流时， 通过模数转换器输出 0 ； 晶体管也是 安全输出控制电路的组成部件 ； 所述的双轴角度传感器是 90 度的双轴角度传感器， 采用重力分量检测技术能够精 确检测与冠状轴和矢状轴的夹角， 具有高达 20000g 的抗冲击能力和鲁棒性， 具有 0.1 度 的检测重复精度、 具有 SPI 和模拟两种输出方式和 10Hz 的响应速度 ； 所述的安全。

7、输出电路由单片机控制的双晶体管保护电路， 分别由 NPN 和 PNP 两种晶体 管与其独立的控制部分组成 ； 需要输出时， 双晶体管保护电路的两个晶体管同时导通 ； 使 刺激需要 30 100V 高压和 0 40mA 电流安全输出 ； 如果异常、 失控或器件失效时， 单片机 控制的两个晶体管不能同时导通 ； 在 NPN 和 PNP 两种晶体管的输入端串联接入测压电阻， 该电阻对高电压进行分压并将电压信号及时输送给单片机， 通过单片机对分压进行模数转 换， 当单片机发现未进行刺激时出现高压或电压数值不正确时， 则停止输出信号， 彻底停止 高压的产生。 2. 根据权利要求 1 所述的一种足下垂自适。

8、应刺激器， 其特征在于， 设置左右刺激电极 选择开关 （8） ， 具有选择适用的刺激位置， 确定需要刺激的是左还是右脚。 权 利 要 求 书 CN 101822870 B 2 1/4 页 3 足下垂自适应刺激器 技术领域 0001 本发明属于人体康复辅助仪器， 适用于脑中风和其它原因引起的对腓总神经失控 而造成的足下垂。涉及对患者行走时小腿姿态的检测， 并在行走需要抬脚时适时释放电刺 激脉冲迫使患者自动抬脚完成行走动作， 并在患者迈出小腿之前根据运动速度以一定的周 期自动持续刺激以保持抬脚。 背景技术 0002 目前许多患者在轻度脑中风后或其它原因会造成对腓总神经失控， 进而造成足下 垂。 这。

9、类患者有一定的生活自理能力， 但是由于行走过程中不能自主抬起脚尖， 从而产生跌 倒造成不必要的伤害， 甚至危机患者生命。 目前我国此类患者数量以百万计， 面对高龄化社 会的来临， 这类患者数量保持持续增长的趋势。提高这类患者的生活自理能力和生活质量 具有极大的社会意义和经济效益。 0003 目前公开的信息表明， 对于这类患者的辅助设备都限于采用机械辅助设备来帮助 患者， 如手扶支架、 机械脚托和拐杖等。 这类设备通常体积较大， 不方便携带， 同时使用不灵 活。 0004 本发明针对现状的不足， 采用简单的安放过程， 即固定在膝关节下胫骨粗隆处， 且 不论左脚还是右脚， 通过左右刺激电极选择开关。

10、即可确定。使用时仅需要按照个人特点调 节刺激强度后就可以正常使用。 本发明可以根据患者的行走步幅大小和速度自动选择合适 的时机发出刺激电流， 并在患者迈出小腿之前根据运动速度以一定的周期自动持续刺激以 保持抬脚， 使患者可以恢复正常行走功能。 发明内容 0005 本发明的目的是针对现有技术设备的不足， 提供一种安全、 方便、 使用简单、 成本 低廉、 无毒副作用且能够自动适应患者行走速度的足下垂自适应刺激器。本发明的技术解 决方案是这样实现的 ： 0006 一种足下垂自适应刺激器， 包括外部电路和内部电路 ； 外部电路包括左右刺激电 极选择开关、 外部按键和按键控制电路， 用于设置输出的暂停和。

11、恢复， 外部按键包括 “+” 按 键、“-” 按键、“ADJ” 按键、“ENT” 按键， 这些外部按键和蜂鸣器均连接到按键控制电路 ； 0007 当使用外部按键进行设置操作时， 每当有按键按下， 蜂鸣器 (SPK) 就鸣叫一声 ； 如 果出现异常、 发生故障或使用者发生跌倒时， 蜂鸣器发出断续的声响提醒 ； 0008 所述左右刺激电极选择开关， 用于选择适用的刺激位置， 方便患者使用。 如果患者 是左脚足下垂， 将左右刺激电极选择开关拨在左侧 ； 如果患者是右脚足下垂， 将左右刺激电 极选择开关拨在右。 0009 内部电路包括单片机、 可变电压高压产生电路、 可变恒流控制电路、 双轴角度传感 。

12、器、 安全输出电路 ； 0010 所述双轴角度传感器， 用于检测患者小腿的状态。 由于行走过程中， 小腿与冠状轴 说 明 书 CN 101822870 B 3 2/4 页 4 平面的角度约为 20 160 度左右。以选择 90(180) 度的双轴角度传感器 (SENSOR)， 采用 重力分量检测技术来精确检测与冠状轴和垂直轴的夹角， 具有高达 20000g 的抗冲击能力 和鲁棒性， 具有 0.1 度的检测重复精度、 具有 SPI 和模拟两种输出方式和 10Hz 的响应速 度， 完全满足本发明的设计需求。同时使用双轴角度传感器 (SENSOR) 可以检测患者小腿和 垂直轴的夹角， 根据双轴角度传。

13、感器 (SENSOR) 提供的角度信息和角度变化信息通过单片 机计算出患者的姿态以及是否发生跌倒。 0011 所述的可变电压高压产生电路， 是能够产生 30 100V 高压直流电、 提供 40mA 以 上电流输出的高压电源电路， 通过单片机提供不同占空比的2040Khz的信号来控制其输 出电压 ； 0012 可变电压高压产生电路是通过单片机提供不同占空比的 20 40Khz 的信号来控 制晶体管T1和T2的导通和截止。 由T1和T2的导通和截止使得通过变压器TR初级的电流 产生变化， 变压器 TR 初级的电流产生变化使得变压器 TR 的次级产生感生电压。通过二极 管 D2 检波， 电容 E4 。

14、和 C3 滤波后形成直流电压。需要直流电压的高低通过调节 20 40Khz 信号的占空比来实现， 需要高电压输出时将占空比调节在 90左右， 需要低电压输出时将 占空比调节在 30左右， 不需要电压输出时将占空比调节在 0 ( 逻辑低电平 ) 即可。 0013 所述可变恒流控制电路， 根据使用者设定， 单片机通过可变恒流控制电路的模数 转换器将所设定的的电流数值转换成 0 40mA 电流 ； 可变恒流控制电路由模数转换器 (DAC)、 运算放大器 (U1)、 晶体管 (T5) 和电阻 R10 组成。根据需要的的电流数值， 单片机通 过接口控制模数转换器 (DAC) 提供基准电压， 此电压通过运。

15、算放大器 (U1)、 晶体管 (T5) 和 电阻 R10 形成稳定的电流。通过模数转换器 (DAC) 可以产生精确稳定的刺激电流。当不需 要产生刺激电流时， 通过模数转换器 (DAC) 输出 0 即可。晶体管 (T5) 也是安全输出控制电 路的组成部件。 0014 通过所述可变电压高压产生电路和可变恒流控制电路的双调节作用， 可以根据使 用者的耐受情况精确调节刺激的强弱， 以满足不同使用者的需求。 0015 所述的安全输出电路由单片机控制的双晶体管保护电路， 分别由 NPN 和 PNP 两种 晶体管与其独立的控制部分组成 ； 需要输出时， 双晶体管保护电路的两个晶体管同时导通 ； 使刺激需要 。

16、30 100V 高压和 0 40mA 电流安全输出 ； 如果异常、 失控或器件失效时， 单片 机控制的两个晶体管不能同时导通 ； 在NPN和PNP两种晶体管的输出端串联接入测压电阻， 该电阻对的高电压进行分压并将电压信号及时输送给单片机， 通过单片机对分压进行模数 转换， 当单片机发现未进行刺激时出现高压或电压数值不正确时， 则停止输出信号， 彻底停 止高压的产生。 0016 本足下垂自适应刺激器具有安装简单、 操作方便， 刺激强度可以调节， 可以适应各 种正常及腿脚畸形患者使用， 可以自动适应患者步行节奏， 可以选择左右脚和具有跌倒报 警功能等特点， 适合广大足下垂患者使用。 附图说明 00。

17、17 图 1 为本发明的主视图和俯视图 ； 0018 图 2 为本发明的电气连接图 ； 0019 图 1 的主视图为本发明的说明书摘要附图。 说 明 书 CN 101822870 B 4 3/4 页 5 0020 图中 ： 1、 电池盒盖， 2、“+” 按键， 3、“ADJ” 按键， 4、“-” 按键， 5、“ENT” 按键， 6、 左刺 激电极接口， 7、 右刺激电极接口， 8、 左右刺激电极选择开关， 9、 工作指示灯， 10、 电源开关。 具体实施方式 0021 本发明所述可变电压高压产生电路是由单片机 (MCU) 根据设置的刺激强度通过 PB0 脚输出一定频率的脉冲信号控制 T1 和 。

18、T2 组成的复合管电路产生不同的脉冲电流。通 过变压器 TR 在次级产生 30 100V 左右的高压。高压电压通过电阻 R7 和 R8 的分压， 将分 压输入单片机 (MCU) 的 PA2 脚， 单片机 (MCU) 对此电压进行模数转换， 并判断是否是合适的 电压数值。如果不符合， 则调整 PB0 脚的输出信号的占空比， 以使其达到理想的设置数值。 0022 本发明为精确控制施加在患者身上的刺激电流强度， 仪器通过模数转换器 (DAC)、 U1、 T5 和 R10 组成可调整电流源电路来精确控制输出电流的强度以适应各种患者的使用。 0023 为保证患者的使用安全， 本发明特设计了软硬双重安全措。

19、施来保护使用人员的安 全。安全输出电路由晶体管 T4 和 T5 组成。由于刺激需要 30 100V 高压和 0 40mA 电 流， 如果异常、 失控或器件失效会给使用者造成严重影响。为防止异常的出现， 设计由晶体 管 T4 和 T5 组成安全输出电路， 只有当需要输出时， 单片机控制晶体管 T4 和 T5 同时导通。 如果异常、 失控或器件失效时， 晶体管 T4 和 T5 不能同时导通， 因而保护使用者的安全。 0024 首先， 在硬件设计上设计安全输出电路， 由恒流源调整晶体管 T5 和输出控制晶体 管 T3、 T4 来保证输出的可靠和安全。只有晶体管 T5 导通， 并且同时输出控制晶体管 。

20、T4 也 导通时， 刺激电流才能施加到患者身上。如果 T5 或 T4 晶体管出现击穿故障， 刺激电流是无 法施加至患者身体上。其次， 如果 T5 或 T4 晶体管均出现击穿故障， R7 和 R8 组成的分压电 路将实际的电压数值传递给单片机 (MCU) 的 PA2 脚， 经过单片机 (MCU) 中的软件算法判定 有故障出现时， 终止 PB0 脚的信号输出使得可变电压高压产生电路停止工作， 从而保护患 者的安全。 0025 本发明为提高仪器的抗干扰能力及整体的电磁兼容性能， 设计有 L1、 C1、 C2、 E2 和 E3 组成的滤波电路。通过 L1、 C2 和 E3 阻断可变电压高压产生电路的高。

21、频信号对单片机等 电路的干扰， 同时通过L1、 C1和E2阻断单片机等电路对可变电压高压产生电路的高频信号 的干扰。由于采用了高效的滤波电路， 似的整体的抗干扰能力得到了较大程度的提高。 0026 本发明采用了较为简单但非常有效的键盘电路， 通过电阻 R1 R4 和分别与之相 连接的按键构成。当有按键被按下时， 单片机相应的 PB2 PB5 脚被强制拉成低电平， 经过 相应的处理软件就可以区分出哪个按键被按下。 0027 本发明为方便使用， 采用蜂鸣器 (SPK) 作为提示使用人员。当使用按键进行设置 操作时， 每当有按键按下， 蜂鸣器 (SPK) 就鸣叫一声。如果出现异常或出现故障时， 蜂鸣。

22、器 (SPK) 就发出断续的鸣叫， 提醒使用人员注意。 0028 本发明设计使用双轴角度传感器 (SENSOR) 作为检测患者小腿状态的核心器件。 双轴角度传感器 (SENSOR) 采用重力分量检测技术来精确检测与冠状轴和垂直轴的夹角， 具有高达 20000g 的抗冲击能力和鲁棒性， 具有 0.1 的检测重复精度、 具有 SPI 和模拟两 种输出方式和 10Hz 的响应速度。完全满足本发明的设计需求。双轴角度传感器的检测数 据， 根据患者的行走步幅大小和速度自动通过软件算法选择合适的时机发出刺激电流， 在 患者迈出小腿之前根据运动速度以一定的周期自动持续刺激以保持抬脚。 同时根据双轴角 说 明。

23、 书 CN 101822870 B 5 4/4 页 6 度传感器产生精确的与垂直轴夹角的变化率通过软件算法判断是否发生跌倒。 0029 具体使用时， 由于患者对刺激电流的反映程度存在个体差异， 在首次使用时必须 进行调整。 此时需要将仪器安放在膝关节下胫骨粗隆处， 并确保与小腿没有相对运动。 调整 过程为， 首先， 确定需要刺激的是哪只脚， 通过拨动左右刺激电极选择开关 (8) 来确定。之 后按住 “ENT” 键 (5)， 然后打开电源开关， 听到蜂鸣器两声鸣叫后说明仪器进入调整状态。 进入调整状态后工作指示灯 (9) 以每秒 2 次的频率闪烁。 0030 在调整状态下， 按 “+” 键 (2。

24、)， 蜂鸣器鸣叫一声， 刺激电压和电流上升一个数量， 同 时看足部是否能抬起。如果不能抬起， 再按 “+” 键 (2)， 直到足部能随刺激抬起足够的高度 为止。如果感觉刺激电流强度较大感觉不适， 按 “-” 键 (4)， 刺激电流减小一个数量。当感 觉比较适合时， 按 “ADJ” 键 (3)， 仪器自动记录所设置的刺激强度数值， 听到蜂鸣器鸣叫一 声后表示强度设定工作完成。如果不重新设置刺激强度， 则每次开机时仪器默认原先的设 置数值。之后使用者保持稳定站立姿势 5 秒钟以上， 此时本发明自动根据站立姿势确定正 常姿态参数， 如果患者腿脚有畸形， 此时内部软件自动获取并调整参数， 听到蜂鸣器长。

25、鸣一 声后， 工作指示灯 (9) 由每秒 2 次的闪烁转变为长亮， 开始正常工作。 0031 平时使用时， 打开电源开关 (10) 听到蜂鸣器鸣叫一声后仪器开始正常工作。如果 突然感觉不适， 按任意键仪器就停止输出刺激电流。此时工作指示灯 (9) 由常亮变成每秒 钟 1 次闪烁。需要恢复工作时， 按 “ENT” 键 (5)， 听到蜂鸣器鸣叫一声， 同时工作指示灯 (9) 由每秒钟 1 次闪烁变成常亮说明仪器进入正常工作状态。 0032 以上所述， 仅为本发明的具体实施方式， 但本发明的保护范围并不局限于此， 任何 熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内， 根据本发明的技术方案及其发明 构思加以等同替换或改变， 都应涵盖在本发明的保护范围之内。 说 明 书 CN 101822870 B 6 1/2 页 7 图 1 说 明 书 附 图 CN 101822870 B 7 2/2 页 8 图 2 说 明 书 附 图 CN 101822870 B 8 。