神经刺激仪的设计

神经刺激仪的设计

朱显武

温州医学院附属第二医院 (浙江325027)

摘要 目前电刺激器在医院麻醉和理疗科室的应用已十分普遍。本文介绍的神经刺激器是用于麻醉时神经定位和神经肌肉功能监测。微处理器产生电脉冲,经过D /A (数/模)转化输出强度可调的脉冲电流,针对不同病人采用不同刺激频率,同时显示刺激电流的大小。刺激器有两种功能:自动循环进行刺激和手动选择刺激频率挡。

关键词 神经刺激;脉冲

The D esign of N erve Sti m ulator

Z HU X ian-w u

The Second A ffiliated H osp ita l o fW enzhou M ed ical Co llege (Zhejiang 325027)

Abstract The applicati o n of nerve sti m ulate is extre m ely co mm on no w.This article i n troduced the ner ve sti m u lator is uses i n the nerve loca lizati o n and m on itor o f the ner va lm usc le functi o nm onitor when doing anaesthesia .

Th is nerve sti m u lator is take t h e Sing le-ch i p M ircoprocessor as the cen tra l desi g n .The S i n g le-chipM ircoproces -sor produces the e lectricity pulse ,after DA transfor m ation can outputs different size sti m ulative curren,t i n a llusion to different patient uses differently Sti m ulati v e frequency ,and can display the size si m ultaneousl y .The nerve sti m u -lator have t w o k i n d of f u ncti o ns :The auto m atic c irculati o n carry on sti m u lator and The m anual cho ice the sti m u la -ti v e frequency .

KeyW ords Sti m ulate ;E lectricity pulse 作者简介:朱显武,E -m a i :l keora1980@!164.co m

0 前言

生命系统中的神经、肌肉都是可兴奋组织,对于外界给予的一定的刺激会发生反应,这种反应表现为神经冲动、肌肉收缩、血管张弛等等。神经刺激器就是利用这些反应,用于外科手术麻醉过程中,通过刺激外周神经引起病人的肌肉颤搐来观察临床麻醉药效的一种仪器。神经刺激器可以完成肌肉-神经功能的监测,便于临床医生的麻醉用药,与传统上的根据操作者的 落空感 或患者的 异感 来判断神经位置正确与否相比,它具有非常大的优点,它定位准确,由于通过检测能正确施加麻醉药等的剂量而减少许多后遗症,比如术后恶心、呕吐的减少,对循环影响变小,无尿潴留等。目前在医院中使用的神经刺激仪需要麻醉师根据病人的肌肉刺激反应手动

控制输出刺激电流大小。麻醉师在麻醉过程中观察病人的肌松程度时都是带着医用手套,调节刺激电流大小存在很多不便之处。因此本文设计一种可以

供麻醉师选择输出方式的神经刺激仪。

本文设计的神经刺激仪,要求刺激脉冲宽度是30m s ,电流强度是0.1~0.6mA,分四档可调,它具有2种工作方式:(1)自动循环刺激,刺激间隔是2s ;(2)手动选择刺激电流大小,刺激时间可根据需要设定。每种工作方式均带大液晶屏显示,且有输出强度指示,输出信号的时间由有软件精确控制。1 硬件设计

本刺激器采用M SP430F2131微处理器为核心元件,编程输出的信号经过D /A 转换电路,转换为模拟信号,再通过运算放大电路,输出所需要的刺激电流,实现刺激功能。

神经刺激器原理框图如图1所示。

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图1 神经刺激仪原理框图

F i g .1 P ri nciple d i agram o f nerve sti m u l ator

模式选择为选择采取何种刺激方式。刺激方式分为两种:一是自动控制,即有电路自动输出电流大小变化的刺激;二是手动控制,即由麻醉师手动选择输出刺激电流大小。微处理器选用超低功耗的M SP430F2131,整个系统由3.6V (电池容量为1.2Ah)电池单独供电,系统静态电流低至2 A,提高了系统的电气安全性。

D /A 转换电路由D /A 转换芯片DAC0832构成。DAC0832接收来自单片机输送的数字量,在其使能信号有效的情况下,进行DA 转换。设计DAC0832与单片机的借口电路时,采用双缓冲单极性输出的接法。DAC0832的8位D /A 转换电路是由8位T 型电阻网络和电子开关组成,电子开关受8位DAC 寄存器是输出的数字量控制,T 型电阻网络能输出与数字量成正比的模拟电流,因为通常需要外接运算放大器进行电流/电压转换才能输出模拟电压。输出的电压与输入的数字量D 的关系为:V o=-D (Vref/256)。因此只要在Vre f 已定的情况下就很容易算出输出电压。其中V ref 为基准电压。这里采用TL431组成的电路作为基准电压。基准电压电路如图2

所示。

图2 基准电压电路F ig .2 C i rcuit of fi ducial vo ltage

TL431的内部含有一个2.5V 的基准电压,所以

当在VREF 端引入输出反馈时,器件可以通过从阴

极到阳极很宽范围的分流,控制输出电压。当R1=R2时,V o=5V 。有一点是需要注意的,在选择电阻

时必须保证TL431工作的必要条件,就是通过阴极的电流要大于1mA,同时R0的数值应该满足1mA

<(Vcc-V out)/R0<500mA 。脉冲输出原理如图3所示。

D /A 转换输出的信号经过放大再输出。放大电路采用L M 324组成。具体电路如图4所示。输出的信号由CD4051控制脉冲宽度。CD4051控制的原理为:当多路模拟开关CD4051的引脚A 为低电平时,其输出端X 与输入端X0连接,并接地,使场效应管Q 的栅极接地,Q 截止,无刺激电流输出;当CD4051的引脚A 为高电平时,其输出端X 与输入端X1连接,U1,Q1,R2组成电压串联负反馈电路,最终使R2两端的电压为Uc ,流经R1、R2的电流都等于:Uc /R2。因此,D /A 转换输出的电压U 决定了刺激电流的大小,CD4051引脚A 的脉冲宽度决定了刺激脉冲的宽度。具体电路原理如图3所示。CD4051引脚A 的脉冲和D /A 转换的数字量D 都由微处理器直接控制。

图3 脉冲输出原理F ig .3 P rinci p l e o f puls e output

2 软件设计

神经刺激仪输出电流分为四档,大小为0.1mA,0.2mA,0.4mA 和0.6mA;输出方式分为:自动和手动循环;自动循环输出时,两档电流输出时

间间隔为2S 。在电流输出时,系统设计为中断方式

检测电池电量,连续多次确认电池电量不足时,液晶屏显示电池电量不足,提示用户更换电池。程序流程图如图5所示。

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