一种电刺激脉冲控制方法及系统

技术领域

本发明具体涉及一种电刺激脉冲控制方法及系统。

背景技术

不同的脉冲电流在人体内产生的生理作用不同，因此，不同的设备产生的脉冲也各不相同。在实际应用中，经常会有一些适应症需要用两种或两种以上的脉冲以特定的时序进行治疗。或者，需要用多个通道分别输出不同的脉冲进行治疗。在某些特殊的应用领域，比如运动康复治疗，还需要涉及到多个通道以特定时序协同治疗的情况。

目前，脉冲相关治疗设备通常会在出厂前就将脉冲参数存储在设备内，用户在使用时，设备直接读取预先存储的脉冲参数，即可输出相应的脉冲进行治疗。这种设备的功能有限，只能选择预先设置的脉冲进行治疗，当用户有特殊需求时无法满足。另外，绝大多数设备的同一通道只能输出一种脉冲，无法满足需要多种脉冲以特定时序进行治疗的应用，也无法准确控制不同通道之间的时间顺序。

发明内容

本发明为解决现有的脉冲治疗设备在使用时，只能选择预先设置的脉冲进行治疗，无法满足需要多种脉冲以特定时序进行治疗的应用，也无法准确控制不同通道之间时间顺序的技术问题，提供一种电刺激脉冲控制方法及系统。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

一种电刺激脉冲控制方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：

S1，搭建多层级的脉冲参数框架

从底层至顶层构建包含四个层级的脉冲参数框架，第一层为脉冲参数层，第二层为波段参数层，第三层为通道参数层，第四层为处方参数层，其中，第一层为底层；

其中，处方参数层用于设置处方参数，处方参数包括处方序号、治疗时间和通道参数，通道参数层用于设置通道参数，通道参数包括通道序号、通道延时和波段参数，波段参数层用于设置波段参数，波段参数包括波段序号、波段延时和脉冲参数，脉冲参数层用于设置脉冲参数，脉冲参数包括单脉冲参数、升降波参数和节律参数；

S2，根据脉冲参数框架，控制脉冲输出

S2.1，通过脉冲参数框架中的第四层，根据处方参数，控制各处方序号对应的处方治疗时间，设置通道参数并将通道参数发送至第三层，控制第三层按照通道参数的设置运行；

S2.2，通过脉冲参数框架中的第三层，根据通道参数，控制各通道序号对应的通道是否启用、启用通道上的波段时序，设置波段参数并将波段参数发送至第二层，控制第二层按照波段参数的设置运行；

S2.3，通过脉冲参数框架中的第二层，根据波段参数，控制按照波段序号依次产生相应波段、各波段之间的时间间隔，设置脉冲参数并将脉冲参数发送至第一层，控制第一层按照脉冲参数的设置运行；

S2.4，通过脉冲参数框架中的第一层，根据脉冲参数，控制脉冲波形幅度的增大和减小、波段的持续时间和休息时间，并控制脉冲发生装置生成每个波段所需的单一脉冲。

进一步地，步骤S1中，所述单脉冲参数包括波形代号、频率、脉宽和幅度。

进一步地，步骤S2.4中，所述生成每个波段所需的单一脉冲具体为，根据波形代号、频率和脉宽产生相应的波形，再按照幅度调整所述波形，生成每个波段所需的单脉冲。

进一步地，步骤S2.4中，所述产生相应的波形，具体是通过数字合成、数字模拟转换、模拟调制中的一种或任意组合产生；

所述按照幅度调整，具体是通过电压放大、电流放大、功率放大中的一种或任意组合调整。

本发明还提供了一种电刺激脉冲控制系统，能够实现上述电刺激脉冲控制方法，其特殊之处在于，包括依次相连的处方控制模块、通道控制模块、波段控制模块和脉冲控制模块；

所述处方控制模块中设有处方参数，所述处方参数包括处方序号、治疗时间和通道参数；所述通道控制模块中设有通道参数，所述通道参数包括通道序号、通道延时和波段参数；所述波段控制模块中设有波段参数，所述波段参数包括波段序号、波段延时和脉冲参数；所述脉冲控制模块中设有脉冲参数，所述脉冲参数包括单脉冲参数、升降波参数和节律参数；

所述处方控制模块，用于根据处方参数，控制各处方序号对应的处方治疗时间，并将通道参数发送至通道控制模块，控制通道控制模块按照通道参数的设置运行；

所述通道控制模块，用于根据通道参数，控制各通道序号对应的通道是否启用、启用通道上的波段时序，并将波段参数发送至波段控制模块，控制波段控制模块按照波段参数的设置运行；

所述波段控制模块，用于根据波段参数，控制按照波段序号依次产生相应波段、各波段之间的时间间隔，并将脉冲参数发送至脉冲控制模块，控制脉冲控制模块按照波段参数的设置运行；

所述脉冲控制模块，用于与外部的脉冲发生装置，根据脉冲参数，控制脉冲波形幅度的增大和减小、波段的持续时间和休息时间，并控制脉冲发生装置生成每个波段所需的单脉冲。

进一步地，所述单脉冲参数包括波形代号、频率、脉宽和幅度。

进一步地，所述处方控制模块包括相连接的定时模块和处方数据通信模块；

所述定时模块，用于根据处方参数，控制各处方序号对应的处方治疗时间；

所述处方数据通信模块，用于将通道参数发送至通道控制模块，控制通道控制模块按照通道参数的设置运行。

进一步地，所述定时模块为数字定时器、模拟时钟或机械定时器中的任一种。

进一步地，还包括分别与处方控制模块、通道控制模块、波段控制模块、脉冲控制模块连接的接口模块，用于接收外部用户对处方控制模块、通道控制模块、波段控制模块、脉冲控制模块的设置指令。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1.本发明电刺激脉冲控制方法，根据脉冲产生过程中可能涉及的参数，将所有参数分别嵌入至多层级脉冲参数框架中的各层，基于该多层级框架，能够实现多通道、多波形和复杂时序的脉冲控制。另外，能够根据患者的使用需要，任意定义并产生相应的脉冲，能够用于更多的适应症。

2.本发明的电刺激脉冲控制方法，可以用于脉冲治疗设备出厂前的设备预置功能设计，也可以用于出厂后用户自定义治疗脉冲参数。

3.本发明中提供了多种生成单脉冲和产生相应波形的具体方式，有利于本发明方法的推广应用，可根据实际需要进行选择。

4.本发明电刺激脉冲控制系统，能够实现上述脉冲控制方法，处方控制模块、通道控制模块、波段控制模块和脉冲控制模块共同形成层级控制结构，通过该系统可直接应用于各种脉冲治疗设备，得到相应能够实现多通道、多波形和复杂时序脉冲控制的脉冲治疗设备。

5.本发明电刺激脉冲控制系统还设置有接口模块，通过该接口模块，可向用户开放脉冲定义接口，用户可以根据自己的需要任意定义多通道、多波形、复杂时序的治疗处方。

附图说明

图1为本发明电刺激脉冲控制方法实施例中搭建的多层级的脉冲参数框架的数据结构示意图；

图2为本发明电刺激脉冲控制方法应用于电刺激脉冲治疗设备生成的一个双通道电刺激脉冲示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

本发明提供了一种电刺激脉冲控制方法和控制系统，可以用于各种脉冲治疗设备，能够对出厂前设备预置功能进行设计，也可以在出厂后进行用户自定义治疗，同时，提出了一种能够完整描述所用治疗脉冲参数的数据结构，搭建了多层级的脉冲参数框架，将所有治疗脉冲参数分布在各层级中，设备在输出脉冲时，按照该数据结构即可生成相应的脉冲，把该数据结构向设备的使用者开放，则使用者可以根据自己的需要任意定义脉冲。

本申请提出的电刺激脉冲控制方法，首先要搭建多层级的脉冲参数框架，数据结构如图1所示，把一种完整的脉冲定义为一种处方，数据结构采用层级结构，由底层(内层)向上层(外层)依次为单脉冲参数、升降波参数和节律参数组成的脉冲参数、波段参数、通道参数、处方参数。一个处方中可以包含一个或多个通道，一个通道中可以包含一个或多个波段，一个波段中只有一种脉冲。从底层至顶层构建包含四个层级的脉冲参数框架，第一层为脉冲参数层，第二层为波段参数层，第三层为通道参数层，第四层为处方参数层，其中，第一层为底层。处方参数包括处方序号、治疗时间和通道参数，通道参数包括通道序号、通道延时和波段参数，波段参数包括波段序号、波段延时和脉冲参数，脉冲参数包括单脉冲参数、升降波参数和节律参数。

描述波形的参数通常包括波形、频率、脉宽、幅度、波升时间和波降时间。波形按照脉冲的极性及电流方向可以分为单向波和双向波，其中，双向波按照对称性又可分为平衡波和非平衡波，双向波按照脉冲波的形状可分为正弦波、矩形波、三角波、锯齿波和梯形波。频率是指脉冲重复出现的快慢，通常用每秒钟出现脉冲的次数来表示，单位为赫兹(Hz)。脉宽是指一个脉冲持续的时间，单位通常为微秒(uS)、毫秒(mS)、秒(S)。幅度是指脉冲能量的大小，可以用电流和电压表示，用电流表示时单位通常为毫安(mA)、安(A)，用电压表示时单位通常为毫伏(mV)、伏(V)，电压和电流之间具有一定的等效性，其等量换算关系为欧姆定律V＝I*R，其中V表示电压，I表示电流，R表示负载电阻。波升时间是指一次治疗开始的时候，脉冲幅度从最小值增大到设定值所用的时间，单位通常为秒(S)。本发明提出一种通用型的电刺激脉冲控制方法及控制系统，可以用于出厂前设备预置功能的设计，也可以用于出厂后用户自定义治疗脉冲参数。本发明提出的技术方案总体思路，是设计一种能完整描述脉冲治疗设备所用治疗脉冲参数的数据结构，使设备在输出脉冲时，按照该数据结构即可生成相应的脉冲，把该数据结构向设备的使用者开放，则使用者也可以根据自己的需要任意定义脉冲。

单脉冲参数是描述一种单一波形的参数，其包括波形代号、频率、脉宽和幅度。

其中，波形代号是脉冲波形的一种数据化表示方式，以一个数据代表一种波形。波形是脉冲幅度随时间变化特征的一种直观描述方式，通常在二维平面坐标系中描述，以横轴为时间，纵轴为幅度，根据脉冲幅度与时间的变化关系在二维平面坐标系中形成的曲线命名，常见的波形包括正弦波、单向矩形波、双向对称矩形波、双向不对称矩形波、三角波、锯齿波和梯形波。波形代号可以是数值或者符号。典型的，以数值1-7依次代表正弦波、单向矩形波、双向对称矩形波、双向不对称矩形波、三角波、锯齿波和梯形波7种波形，即波形代号1代表正弦波，波形代号2代表单向矩形波。或者，以符号a-g依次各代表一种波形。

频率是指脉冲重复出现的快慢，通常用每秒钟出现脉冲的次数来表示，单位为赫兹(Hz)。本发明提出的技术方案中，频率参数可以是直接的频率数值或者符号化的频率代号。当采用频率数值直接表示频率参数时，该参数应该是数值类型的数据，即频率参数1代表波形频率为1Hz，频率参数100代表波形频率为100Hz。当频率参数用符号化的频率代号时，以一个或多个代号各对应一个波形的频率值，比如用符号a代表频率20Hz，符号x代表频率500Hz。

脉宽是指一个脉冲持续的时间，单位通常为微秒(uS)、毫秒(mS)、秒(S)。本发明提出的技术方案中，脉宽参数可以是直接的脉宽数值或者符号化的脉宽代号。当采用脉宽数值直接表示时，该参数应该是数值类型的数据，即脉宽参数50代表波形的脉宽为50uS，脉宽参数1000代表脉宽为1000uS或1mS。当脉宽参数用符号化的脉宽代号时，以一个或多个代号各对应一个波形的脉宽值，比如，用符号m代表脉宽100uS，符号t代表频率300uS。

幅度是指脉冲能量的大小，可以用电流或电压表示，用电流表示时单位通常为毫安(mA)、安(A)，用电压表示时单位通常为毫伏(mV)、伏(V)。本发明提出的技术方案中，幅度参数可以是直接的脉冲幅度数值，或者符号化的脉冲幅度代号。当采用幅度参数用脉冲幅度数值直接表示时，该参数应该是数值类型的数据，如幅度参数50代表波形的幅度为50mA或50mV，幅度参数100代表波形的幅度为100mA或100mV。当幅度参数用符号化的幅度代号表示时，以一个或多个代号对应一个波形的幅度值，比如用符号b代表幅度3mA，符号c代表幅度60mA。

波段参数描述的是一串重复的单脉冲的参数，其包括波段序号、波段延时、单脉冲参数、升降波参数和节律参数。

其中，波段序号是定义一个波段特征及顺序的代号。由于每个通道可能有多种波形，每一种波形持续一定的时间并形成一个波段。波段代号可以是数值或者符号，表示波段的数值或者符号需能按照特定的规律排序。在每一个通道新定义一个波段时，波段序号所对应的波段顺序必须是对应于第一个输出的。典型的，如波段序号以数值表示，1表示第一个波段，2表示第二个波段。

波段延时是指同一个通道中的不同波段之间的时间间隔，在本发明提出的技术方案中，波段延时都是以第一个波段的起始时刻为基准，第二波段、第三波段以及更多波段延时依次往后累加，即波段序号靠后的波段延时一定大于波段序号靠前的波段延时。典型的，例如一个通道定义有三个波段，第一个波段的波段延时参数默认为0，即起始时刻；第二个波段的波段延时设置为20秒，则表示在第一个波段开始20秒后开始输出第二波段的波形；第三波段的延时设置为50秒，则表示在第一个波段开始50秒后开始输出第三波段的波形。

单脉冲参数即如上述所描述的，包括波形代号、频率、脉宽和幅度。

升降波参数包括波升时间和波降时间，是指每一个波段开始和结束的时候，波形幅度从最小逐步升高到最大，以及从最大逐步降低到最小所用的时间。波形幅度升高和降低变化的规律可以是线性或非线性变化。该参数可以用数值或者符号表示，当采用数值表示时，其数值可以直接代表波升和波降时间，比如波升时间参数为2表示波升时间为2秒，波降时间参数为1表示波降时间为1秒。当采用符号表示时，可以用一个或多个符号各代表一个特定的波升或波降时间，比如波升时间参数f代表波升时间为1秒，波降时间参数h代表波降时间为5秒。

节律参数包括持续时间和休息时间。在治疗过程中，为了减轻患者的肌肉疲劳和不适感，通常设备并不是一致持续输出脉冲，而是持续输出脉冲(持续)和暂停输出脉冲(休息)交替进行。持续时间参数是指两次休息之间的时间间隔，而休息时间参数是指两次持续输出脉冲之间的时间间隔。持续时间和休息时间参数可以用数值或符号表示。

通道参数描述的是一个通道所需输出波形的相关参数，其包括通道序号、通道延时、波段参数。一个通道可以有一个或多个波段。通道序号是为了在多通道应用中区分不同通道而设置的，在多通道应用中，每个通道对应一个患者的身体部位，通道序号参数是数值型或符号型，并且应该与设备的实际输出通道能一一对应，其最大值不应超过设备配置的通道数。通道延时是指在多通道应用中，该通道输出第一个波段的时间相对于第一个通道输出第一个波段时间的延迟。波段参数包括前文所述的波段参数，包括波段序号、波段延时、单脉冲参数、升降波参数、节律参数。

处方参数描述的是一种完整的治疗方案，其包括处方序号、治疗时间、通道参数。一个处方可以使用一个或多个通道。处方序号是描述治疗方案的参数，方便在应用中准确引用该处方。处方序号参数可以是数值型或符号型，一个处方序号只能对应一个处方。治疗时间参数是使用该处方一次完整治疗所用的时间，及从开始使用该处方治疗到治疗结束所持续的时间，治疗时间参数可以是数值型或符号型。通道参数就是前文所述的通道参数，包括通道序号、通道延时、波段参数。

根据上述数据结构，本发明提供了一种电刺激脉冲控制系统，包括依次相连的处方控制模块、通道控制模块、波段控制模块和脉冲控制模块。处方控制模块中设有处方参数，通道控制模块中设有通道参数，波段控制模块中设有波段参数，脉冲控制模块中设有脉冲参数。

处方控制模块，按照处方参数的设置，控制治疗进行或结束，并向下控制相应通道工作。在治疗时间内，向下层通道控制模块发送通道参数，并控制其按照相应参数运行，在治疗时间到期后，停止向下层通道控制模块发送通道参数，并结束本次治疗。处方控制具体的实现，可以基于定时器以及数据通信，定时器可以是数字定时器、模拟时钟、机械定时器中的任一种或其任意组合，也可以是其他任何形式的定时装置，数据通信可以是有线的数据传输方式，也可以是无线的数据传输方式。

通道控制模块，按照通道参数控制相应通道工作。该模块根据通道序号控制相应通道是否启用，根据通道延时决定在具体通道上的波段时序(延时)，将波段参数发送给下层波段控制模块，以产生相应波段。其实现基于具有逻辑控制及数据通信两种基本功能的硬件单元。

波段控制模块，按照上层通道控制模块发来的波段参数，产生相应波段。按照波段序号依次产生各个波段，按照波段延时控制每个波段之间的的时间间隔，波段开始和结束时，按照升降波参数控制波形幅度的增大和减小，按照节律参数控制波段的持续时间和休息时间，将单脉冲参数、升降波参数、节律参数发送到下层脉冲控制模块，以产生每个波段所需要的单脉冲。其实现基于具有逻辑控制及数据通信两种基本功能的硬件单元。

脉冲控制模块，按照上层波段模块发送来的脉冲参数产生相应脉冲。该模块根据波形代号、频率、脉宽产生相应的波形，按照幅度参数将波形幅度调整为需要的大小。波形产生的实现方式可以是数字合成、数字模拟转换、模拟调制中的一种或任意组合，幅度控制的具体实现方式可以是电压放大、电流放大、功率放大中的一种或任意组合。

最后，将上述产生的脉冲通过具体输出件输至到患者，按照设备的电气连接可以分为隔离输出和非隔离输出。

关于输出，例如，将上述方法和系统用于电刺激脉冲治疗设备，就可通过电极将脉冲输出至患者的肢体上。按照上述方法生成的一个双通道电刺激脉冲如附图2所示，图中Tr表示波升时间，Tf表示波降时间，Tl表示持续时间，Tb表示休息时间，Tp表示波段延时，Tc表示通道延时。

以本发明的控制方法和控制系统用于低频电刺激设备作为一个实施例，对本发明的方案进行说明：

医学上将频率在1000Hz以下的脉冲电流称作低频电流或低频脉冲电流。将低频脉冲电流作用于人体来治疗疾病的方法称为低频电疗法。目前，在物理治疗行业，主要将低频电疗法划分为神经肌肉电刺激疗法(NMES)、经皮神经电刺激疗法(TENS)、功能性电刺激疗法(FES)、中医电针疗法(EA)和中医导平疗法。无论是哪一种疗法，其本质都是利用不同的低频脉冲电流在人体产生的生理效应治疗某些疾病。

低频电刺激脉冲的频率通常不大于1000Hz，低频电刺激脉冲的脉宽通常不大于1ms，低频电刺激脉冲幅度最大不超过100mA，以电压表示时不超过100V(典型负载为1千欧姆)，在低频电刺激治疗中，电流越大，对人体的作用就会越明显，如果在治疗一开始就直接给患者施加较大电流，可能超过患者的耐受从而让患者产生不适感或者受伤。因此，治疗开始的时候脉冲幅度需要从最小逐步上升到最大。低频电刺激的波升时间通常为0-10S。波降时间与波升时间对应，是指在一次治疗结束的时候脉冲幅度从最大逐步降低到最小的时间，单位为秒(S)。低频电刺激的波降时间通常为0-10S。

设计并实现一种处方，该处方总共使用2个通道，第一个通道中有两种波形，第一种波形是200Hz、250uS，10mA的单向矩形波，第二种波形是40Hz，450uS，20mA的锯齿波，持续时间为10秒，休息时间20秒，波升时间和波降时间都是2秒，第一种波形和第二种波形以3分钟为周期交替输出，第二个通道有一种波形，波形与第一通道的第一种波形相同，持续时间20秒，休息时间20秒，波升时间和波降时间都是2秒，其相对于第一通道滞后5秒输出。总共治疗时间为30分钟。本实例的控制实现中，处方控制模块通过处方参数pres1进行处方控制。在30分钟的治疗时间内，处方控制模块将ch1和ch2两个通道参数发送给通道控制模块工作，当30分钟治疗时间结束后，处方控制模块停止通道参数下发并停止工作。通道控制模块通过ch1和ch2两个通道参数分别控制通道1和通道2的工作。其中，通道1的通道延时为0，通道控制模块将piece1波段1和piece2波段2参数发送到下一级波段控制模块。通道2的波段相对于通道1延迟5秒，该模块将piece1波段参数发送到下一级波段控制模块。波段控制模块通过通道1的piece1和piece2两组波段参数，为通道1产生两种波段，其中，piece2波段相对于piece1延迟180秒。同时，波段控制模块还将按照通道2的piece1波段参数为通道2产生波段。通道1波段参数中的pulse1和pulse2，以及通道2波段参数中的脉冲参数，将分别发送到下一层的脉冲控制模块。脉冲控制模块将按照pulse1和pulse2参数，为通道1产生频率为200Hz、脉宽为250uS，幅度为10mA的单向矩形波，和频率为40Hz、脉宽为450uS、幅度为20mA的锯齿波两种脉冲波形，按照pulse1参数为通道2产生频率为200Hz、脉宽为250uS，幅度为10mA的单向矩形波一种波形。然后可以通过电极输出本实施例产生的电刺激信号。

本发明提出的控制方法及系统，在物理治疗设备中具有通用性，上述用于控制低频电刺激脉冲仅是一个具体的实施例，本发明还适用于中频电疗产品、超声治疗产品、光疗产品等其他物理治疗设备。另外，本发明控制方法涉及的步骤较多，每一个步骤都可以有多种实现方法，上述只是对本发明中每一个步骤具体实现方法的列举，也可以采用其他未具体列举的方法，如数据类型的改变、参数项的增加减少，或者顺序调整、不同的脉冲控制电路，都应该属于本发明的技术方案范畴。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。