一种基于数字PI控制的经颅微电流刺激设备

本发明涉及一种基于数字pi控制的经颅微电流刺激设备，属于电刺激智能设备，具体为一种经颅微电流刺激设备。

背景技术：

1、经颅微电流刺激设备通过在头部施加微弱的电流刺激以调节大脑神经的兴奋性，通常被广泛用于治疗某些常见精神障碍和神经疾病，并取得了一定的临床效果。这种采用无创或微创的治疗方式减少了患者的治疗风险和不适感。并且可以根据患者的病症程度调整电流刺激强度和刺激时间，因此这种经颅微电流刺激设备被广泛应用于临床研究和实验中。

2、经检索，中国专利申请公布号cn118022173a公开了一种经颅微电流刺激设备及控制方法，其设置有阻抗检测模块、电流源和降噪模块。其中，阻抗检测模块用于检测人体头部的生物阻抗，控制模块根据设备的运行参数和检测结果对微电流刺激设备的输出电压进行调整，降噪模块用于减小外界噪声引起的电流波动。

3、然而，人体头部与刺激电极之间的等效负载阻抗容易受到电极贴合程度、皮肤状态和刺激过程等因素的影响而发生变化。采用阻抗检测结果参与刺激输出控制时，需要设置相应的阻抗检测电路，并对负载阻抗进行测量或计算；阻抗测量误差及阻抗变化可能进一步影响根据阻抗确定的输出控制量。与此同时，设置独立的阻抗检测模块和降噪模块还会增加设备的功能模块数量、硬件复杂程度及开发成本。因此，如何在不以负载阻抗的预先测量值或计算值作为刺激电流控制依据的情况下，使设备向负载提供稳定且精确的刺激电流，是本领域需要解决的技术问题。

技术实现思路

1、针对现有经颅微电流刺激设备需要检测负载阻抗并使阻抗检测结果参与刺激输出控制，导致控制过程受到阻抗测量误差和阻抗变化影响，以及设置独立阻抗检测模块和降噪模块导致硬件结构复杂、开发成本增加的问题，本发明提供一种基于数字pi控制的经颅微电流刺激设备。本发明通过反馈模块实时采集流经负载的输出电流并将其转换为反馈电压，由控制模块对反馈电压进行均值滤波，将滤波后的反馈电压与目标输出电流对应的目标反馈电压进行比较，并根据二者的偏差执行数字pi运算，以闭环调节电流源模块的参考电压，从而无需预先测量负载阻抗，也无需将负载阻抗作为数字pi控制算法的输入参数，即可向负载提供稳定的刺激电流，并在不设置独立硬件降噪模块的情况下减小采样噪声对输出控制精度的影响。

2、本发明的技术方案是：

3、一种基于数字pi控制的经颅微电流刺激设备，包括：包括反馈模块、供电模块、交互模块、电流源模块和控制模块；

4、所述反馈模块的输入端与负载连接，反馈模块输出端与控制模块连接，用于将流经负载的输出电流转换为反馈电压；

5、所述控制模块与电流源模块的控制端连接，用于根据反馈模块输出的反馈电压调整电流源模块的参考电压；所述电流源模块的输出端与负载连接，用于向负载输出与参考电压对应的刺激电流；

6、所述控制模块与交互模块连接，用于检测三个功能开关的触发状态，用于检测三个旋钮的指令，用于显示；

7、所述供电模块分别与交互模块、控制模块、反馈模块和电流源模块连接，用于向各模块提供相应供电电压；所述控制模块与供电模块的电流源模块供电单元中升压芯片连接，用于在反馈电压超过预设安全阈值时关闭电流源模块供电。

8、进一步地，所述反馈模块包括采样电阻和仪表放大器；采样电阻串联于负载的低端，将输出电流转换为采样电压；仪表放大器的输入端与采样电阻连接，仪表放大器的输出端与控制模块的反馈adc端连接，用于放大采样电压以形成反馈电压。

9、进一步地，所述交互模块包括液晶显示屏、set功能开关、start功能开关、toggle功能开关和三个旋钮；依据set功能开关、toggle功能开关与三个旋钮配合，用于第一刺激参数调节、第二刺激参数调节；液晶显示屏通过spi总线与控制模块连接。

10、进一步地，所述依据set功能开关、toggle功能开关与三个旋钮配合，用于第一刺激参数调节、第二刺激参数调节：

11、在start功能开关为松开状态下，按下set功能开关，依据旋钮1、旋钮2和旋钮3进入第一刺激参数调节模式：旋钮2用于粗调刺激电流幅值，粗调刺激电流幅值调节范围为50μa～1.65ma，设置粗调刺激电流幅值步长为第一步长；旋钮1用于微调刺激电流幅值，微调刺激电流幅值调节范围为1μa～50μa，设置微调刺激电流幅值步长为第二步长，且第一步长大于第二步长；设定第一刺激参数中刺激电流幅值为粗调刺激电流幅值与微调刺激电流幅值之和；旋钮3用于设定第一刺激参数中刺激频率，刺激频率调节范围为10 hz～1khz，设置刺激频率步长为第三步长；

12、在start功能开关为松开状态下，按下toggle功能开关后，旋钮2和旋钮3进入第二刺激参数调节模式：旋钮3用于调节作为第二刺激参数的刺激总时间；旋钮2用于调节刺激间隔，刺激间隔调节范围为10min～1h，设置刺激间隔步长为第四步长。

13、进一步地，所述供电模块包括电源输入单元、控制模块供电单元、反馈模块供电单元和电流源模块供电单元；电源输入单元将vbat稳压为vcc5v；控制模块供电单元将vbat稳压为vcc3.3v向控制模块和交互模块供电；反馈模块供电单元将vbat转换为vcc3.3v，vcc3.3v升压为vcc10v和vee-10v向反馈模块供电；电流源模块供电单元将vcc5v升压为vcc15v，并经稳压后产生vcc12v，vcc15v和vcc12v向电流源模块供电。

14、进一步地，所述电流源模块包括运放恒流电路和威尔逊电流镜电路；运放恒流电路包括opa型运算放大器、npn型三极管、电阻和电位器，运放恒流电路的控制端与控制模块的dac端连接，用于将dac输出参考电压转换为参考电流；威尔逊电流镜电路由两颗分压电阻和三颗pnp型三极管构成，威尔逊电流镜电路输入端与运放恒流电路输出端连接，威尔逊电流镜电路输出端与负载连接，用于将参考电流镜像为刺激电流；参考电流与刺激电流的相对误差和威尔逊电流镜电路中pnp型三极管电流放大倍数之间的关系如下：

15、；

16、式中，为参考电流与刺激电流的相对误差，为电流源模块中pnp型三极管的电流放大倍数。

17、进一步地，所述控制模块包括stm32微控制器、复位电路和时钟电路；stm32微控制器通过三路外部中断输入端分别检测交互模块中set、start和toggle功能开关，通过三路参数adc端分别采集交互模块中三个旋钮的指令，以完成第一刺激参数调节、第二刺激参数调节。

18、进一步地，所述stm32微控制器通过adc端采集反馈模块输出的反馈电压，并采用均值滤波算法直接对反馈电压进行滤波，得到的滤波后电压；

19、stm32微控制器将滤波后电压与目标输出电流对应的目标反馈电压进行比较，并通过数字pi控制算法直接计算dac端输出参考电压。

20、本发明的有益效果是：本发明通过运放恒流电路和威尔逊电流镜产生刺激电流，能够在电流源模块允许的负载范围内减小负载阻抗变化及环境温度变化对刺激电流的影响；通过反馈模块实时采集流经负载的输出电流，并将输出电流转换为反馈电压，控制模块对反馈电压进行均值滤波，将滤波后的反馈电压与目标输出电流对应的目标反馈电压进行比较，并根据二者的偏差执行数字pi运算，以闭环调节电流源模块的参考电压。因此，本发明无需预先测量负载阻抗，也无需将负载阻抗作为数字pi控制算法的输入参数，即可对参考电压进行闭环校正，提高刺激电流的稳定性和输出精度。与设置独立阻抗检测模块和硬件降噪模块的方案相比，本发明减少了功能模块和元器件数量，有利于简化硬件结构并降低设备开发成本。此外，电流源模块采用独立供电，控制模块能够在检测到反馈电压异常时通过en1端关闭电流源模块的供电，以及时终止刺激电流输出，提高设备的使用安全性。