一种电刺激输出校准补偿及自检方法

技术领域

本发明涉及医疗器械技术领域，尤其涉及一种电刺激输出校准补偿及自检方法。

背景技术

电刺激领域，波形输出精度是影响使用效果的重要因素。因器件存在差异、算法本身存在误差，会导致电刺激设备的输出强度存在偏差，进而影响使用效果或评估结果。同时如何保证设备的可靠运行，排除安全隐患，防止设备使用过程中因故障导致的后果，对使用者也至关重要。

电刺激中针对不同的症状及部位采取不同的刺激波型，在临床上用于电刺激的基本波形主要包括以下几种：

(1)方波：对疼痛的缓解有良好的作用，同时具有镇静、舒缓肌肉痉挛的效果；

(2)正弦波：对各种神经疾病、疼痛症存在良好的疗效；

(3)三角波：透过性较强，可透过体表达到内部组织，在提高神经以及肌肉兴奋性上具有积极的作用，并在调整经络功能和改善气血循环方面有良好的效果；

在电刺激过程中，不同个体以及不同部位的阻容都会较大的差异，为了保证输出强度的稳定性，需要采用恒流源电路控制电刺激的输出。而恒流源电路的输出精度，又直接影响到电刺激的输出波形精度，因此需要对恒流源电路进行校准和补偿，提高电路输出的一致性和稳定性。

此外，现有输出控制的算法本身存在误差，此误差会影响到对输出精度的控制，而提升算法本身的输出精度，会花费大量的资源，且对单个设备的效果比较显著，但无法解决器件的差异性对输出结果的影响，导致产品的批量制造与使用中的输出精度难以把控。

发明内容

技术目的：针对现有技术中的缺陷，本发明公开了一种电刺激输出校准补偿及自检方法，通过数据反馈补偿提升算法的输出精度，同时减少设备因器件的差异导致的算法输出结果出现的偏差，提升算法对设备量产的兼容性；同时加以自检验证的方法，确保电路输出的可靠稳定性。

技术方案：为实现上述技术目的，本发明采用以下技术方案。

一种电刺激输出校准补偿及自检方法，包括以下步骤：

S1、点击系统界面校准&自检按键后，上位机发送校准&自检指令到下位机；

S2、下位机收到校准&自检指令后，先进入校准状态，执行校准指令，基于电刺激电路记录校准结束时的电流校准补偿值，结束校准过程；

S3、下位机完成校准后，再进入自检状态，执行自检指令，在自检状态下，若电刺激输出电压与预期电压偏差持续超过10％或输出电流与设置电流偏差持续超过10％，判定自检失败，结束自检；否则直到自检结束，判定自检通过，自检通过后即可进行实际电刺激输出。

优选地，所述电刺激电路包括电刺激电压采样电路、电刺激电流采样电路、电刺激输出控制电路和电刺激输出调节电路；所述电刺激电压采样电路中，ADC_v信号通过电阻R3接地，ADC_v信号通过电阻R4与STIM_VCC电压信号连接；电刺激电流采样电路中，ADC_i信号通过R采样电阻接地，电刺激输出控制电路中，ADC_i信号通过R负载电阻与STIM_VCC电压信号连接，电刺激输出调节电路中，ADC_i信号通过电阻R2与DAC_Set信号连接，DAC_Set信号通过电阻R1与Vcc电压信号连接。

优选地，所述S2包括以下步骤：

S21、调用校准频率、脉宽、电流强度、波形、时间参数；

S22、下位机控制关闭对外输出电路，并打开内部负载电路；

S23、下位机控制BOOST升压，延迟等待升压完成；

S24、下位机计算波形输出DAC缓存区数据，在电刺激输出调节电路中，采用两个电阻与DAC控制分压的方式，结合电刺激电流采样电路中的R采样电阻，实现电刺激输出强度的调节控制；

S25、下位机根据波形及脉宽计算上/下波形的采样点及结束点；

S26、下位机打开电刺激输出电路的开关，依次调用波形输出DAC缓存区数据，控制电刺激电路输出所需的上/下波形；

S27、采样当前波形的输出电路ADC_i值，计算得出当前输出电流与I设置的偏差值：I偏差＝I设置-I输出；

S28、将I设置值增加I补偿值后，循环步骤S24～S27，直到电流输出值与设置值的偏差小于10％或者校准时间结束，并记录当前I补偿值，结束校准过程。

优选地，所述S27包括：下位机在上/下波形采样点时刻采样当前波形的输出电流ADC_i值，经过滤波处理后得出输出电流的ADC_i均值，即ADC_I，在电刺激输出电流采样电路中，使用一个R采样电阻，实现输出电流的采样，计算出输出电流值，比较输出电流与I设置的偏差值：I偏差＝I设置-I输出，得出当前I设置的补偿值：I补偿＝I偏差。

优选地，通过电流检测回路的计算公式：I输出＝Vcc*ADC_I/4095/R采样，计算出输出电流值。

优选地，所述S3包括以下步骤：

S31、调用自检频率、脉宽、电流强度、波形、时间参数；

S32、下位机控制关闭对外输出电路，并打开内部负载电路；

S33、下位机控制BOOST升压，延迟等待升压完成；

S34、下位机计算波形输出DAC缓存区数据，在电刺激输出调节电路中，采用两个电阻与DAC控制分压的方式，结合电刺激电流采样电路中的R采样电阻，实现电刺激输出强度的调节控制；

S35、下位机根据波形及脉宽计算上/下波形的采样点及结束点；

S36、下位机打开电刺激输出电路的开关，依次调用波形输出DAC缓存区数据，控制电刺激电路输出所需的上/下波形；

S37、采样当前波形的输出电路ADC_i值，计算得出当前输出电流与I设置的偏差值：I偏差＝I设置-I输出；

S38、采样当前波形的输出电路ADC_v值，计算得出当前输出电压与预期电压的偏差值：V偏差＝V预期-V输出；

S39、循环步骤S34～S38，若电刺激输出电压与预期电压偏差持续超过10％或输出电流与设置电流偏差持续超过10％，判定自检失败，结束自检，否则直到自检结束，判定自检通过。

优选地，所述S37包括：下位机在上/下波形采样点时刻采样当前波形的输出电压ADC_v值，经过滤波处理后得出输出电压的ADC_v均值，即ADC_V，在电刺激输出电压采样电路中，使用两个电阻分压的方式，实现输出电压的采样，计算出输出电压值，通过负载电阻与设置电流值计算出预期电压值：V预期＝R负载*I设置，比较得出当前输出电压与预期电压值的偏差值：V偏差＝V预期-V输出。

优选地，通过电压检测回路的计算公式：V输出＝Vcc*ADC_V/4095/R3*(R3+R4)，计算出输出电压值。

有益效果：本发明通过自动校准补偿的方案，能够较好的提升电路输出的稳定性和一致性，减少因硬件的差异及算法的误差所导致的输出偏差，提升设备的可量产性。

本发明还通过校准补偿与自检相结合的方法，在校准补偿后进行自检，既可验证校准补偿的结果，同时验证电路输出的可靠性，减少设备异常导致的后果。

附图说明

图1为本发明的方法流程图；

图2为本发明的电刺激电路结构示意图；

图3为本发明的波形示意图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明的一种电刺激输出校准补偿及自检方法做进一步的说明和解释。

实施例：

如附图1所示，一种电刺激输出校准补偿及自检方法，包括以下步骤：

步骤一、点击系统界面校准&自检按键后，上位机发送校准&自检指令到下位机。

步骤二、下位机接收到校准&自检指令后，先进入校准状态，调用校准频率、脉宽、电流强度、波形、时间参数。这里的波形为波形类型，即方波、三角波、锯齿波等等；步骤三、下位机控制关闭对外输出电路，并打开内部负载电路。对外输出电路与内部负载电路间通过开关进行切换，下位机负责控制电刺激电路的输出。

步骤四、下位机控制BOOST升压控制电路进行升压，延迟等待升压完成。

步骤五、下位机计算波形输出DAC缓存区数据，波形输出DAC缓存区数据即为利用步骤二中调用的校准频率、脉宽、电流强度、波形、时间参数得到的输出波形，在电刺激输出调节电路中，采用两个电阻与DAC控制分压的方式，结合电刺激电流采样电路中的R采样电阻，实现电刺激输出强度的调节控制。所述电刺激电路结构如附图2所示，电刺激电路包括电刺激电压采样电路、电刺激电流采样电路、电刺激输出控制电路和电刺激输出调节电路；ADC_v信号通过电阻R3接地，ADC_v信号通过电阻R4与STIM_VCC电压信号连接，ADC_i信号通过R采样电阻接地，ADC_i信号通过R负载电阻与STIM_VCC电压信号连接，ADC_i信号通过电阻R2与DAC_Set信号连接，DAC_Set信号通过电阻R1与Vcc电压信号连接；STIM_VCC电压信号是BOOST升压控制电路进行升压后得到的供电电压，幅值范围为12.3V～78.3V；Vcc电压信号为下位机中MCU芯片的供电电压，幅值为3.3V。

其中R采样、R负载、R1、R2、R3、R4为不同阻值的电阻，设置电阻R1两端的电压为Vr1，R2电阻两端的电压为Vr2，R采样电阻两端的电压为Vr采样，Vcc为供电电源，DAC_Set为DAC设置值，也就是波形输出DAC缓存区数据，I设置为流过R负载电阻的电流值，ADC_i为电刺激电流采样电路中电流采样ADC值，ADC_v为电刺激电压采样电路中电压采样ADC值。电路中电流I设置：从STIM_Vcc-＞R负载-＞R采样-＞GND。电流I调节：从Vcc-＞R1-＞R2-＞R采样-＞GND。

I采样＝I设置+I调节。

为了降低电刺激调节电路中的电流对电流采样的影响，R1、R2选取较大阻值(R1＝51KΩ，R2＝1KΩ，Vcc＝3.3V)，因此I调节＝Vcc/(R1+R2+R采样)≈63uA。考虑到uA级的电流对电刺激输出的mA级电流影响可以忽略，因此I采样≈I设置。

DAC缓存区数据的计算公式，即电刺激输出调节电路的推演公式，也就是DAC_Set公式计算过程为：

Vr1/R1＝Vr2/R2；

Vr采样＝I设置*R采样；

Vr1+Vr2+Vr采样＝Vcc

Vr2+Vr采样＝(DAC_Set/4095)*Vcc；

计算得出：

(Vcc-(DAC_Set/4095)*Vcc)/R1＝((DAC_Set/4095)*Vcc-I设置*R采样)/R2；

即：

DAC_Set＝((R2*Vcc+R1*I设置*R采样)/(R1+R2))*4095/Vcc。

其中，(DAC_Set/4095)*Vcc为DAC_Set端的电压值，根据下位机中MCU芯片手册获取；

步骤六、下位机根据波形及脉宽计算上/下波形的采样点及结束点，其中，采样点用于获取波形的输出电流ADC_i值或输出电压ADC_v值，结束点用于控制波形输出的结束；如附图3所示。

步骤七、下位机打开对外输出电路的开关，依次调用波形输出DAC缓存区数据，控制电刺激电路输出所需的上/下波形。

步骤八、下位机在上/下波形采样点时刻采样当前波形的输出电流ADC_i值，经过滤波处理后得出输出电流的ADC_i均值，即ADC_I，在电刺激电流采样电路中，使用一个R采样电阻，实现输出电流的采样，通过电流检测回路的计算公式：I输出＝Vcc*ADC_I/4095/R采样，计算出输出电流值I输出，比较输出电流与I设置的偏差值：I偏差＝I设置-I输出，得出当前设置电流的补偿值：I补偿＝I偏差。

步骤九、将I设置值增加I补偿值后，循环步骤五～步骤九，直到电流输出值与设置值的偏差小于10％或者校准时间结束，并记录当前I补偿值，结束校准过程。

步骤十、下位机完成校准后，进入自检状态，调用自检频率、脉宽、电流强度、波形、时间参数。

步骤十一、下位机控制关闭对外输出电路，并打开内部负载电路。

步骤十二、下位机控制BOOST升压，延迟等待升压完成。

步骤十三、同上述步骤五，下位机计算波形输出DAC缓存区数据。

步骤十四、同上步骤六，下位机根据波形及脉宽计算上/下波形的采样点及结束点。

步骤十五、同上步骤七，控制电刺激电路输出所需的上/下波形。

步骤十六、同上步骤八，采样当前波形的输出电路ADC_i值，计算得出当前输出电流与设置电流的偏差值：I偏差＝I设置-I输出。

步骤十七、下位机在上/下波形采样点时刻采样当前波形的输出电压ADC_v值，经过滤波处理后得出输出电压的ADC_v均值，即ADC_V，在电刺激输出电压采样电路中，使用两个电阻分压的方式，实现输出电压的采样，通过电压检测回路的计算公式：V输出＝Vcc*ADC_V/4095/R3*(R3+R4)，计算出输出电压值，通过负载电阻与设置电流值计算出预期电压值：V预期＝R负载*I设置，比较得出当前输出电压与预期电压值的偏差值：V偏差＝V预期-V输出。

步骤十八、循环步骤十三～步骤十八，若电刺激输出电压与预期电压偏差持续超过10％或输出电流与设置电流偏差持续超过10％，判定自检失败，弹窗提示出现故障，并结束自检。否则直到自检结束，判定自检通过，自检通过后即可进行实际电刺激输出。电刺激输出电压与预期电压偏差持续时间与输出电流与设置电流偏差时间均为自定义设置，在本发明的一些实施例中，持续时间自定义为10s。电压偏差计算是为校验电路是否异常，无需做补偿处理，进入循环检测是为了判断异常是否持续存在。

本发明通过数据反馈补偿提升算法的输出精度，同时减少设备因器件的差异导致的算法输出结果出现的偏差，提升算法对设备量产的兼容性；同时加以自检验证的方法，确保电路输出的可靠稳定性。

本发明硬件结构上，即一种电刺激输出校准补偿及自检的装置包括：上位机、下位机和电刺激电路，电刺激电路包括电刺激电压采样电路、电刺激电流采样电路、电刺激输出控制电路和电刺激输出调节电路。所述电刺激电压采样电路中，ADC_v信号通过电阻R3接地，ADC_v信号通过电阻R4与STIM_VCC电压信号连接；电刺激电流采样电路中，ADC_i信号通过R采样电阻接地，电刺激输出控制电路中，ADC_i信号通过R负载电阻与STIM_VCC电压信号连接，电刺激输出调节电路中，ADC_i信号通过电阻R2与DAC_Set信号连接，DAC_Set信号通过电阻R1与Vcc电压信号连接。主要工作原理为：①通过设置电路的DAC输出值，并控制输出电路的启动，开始进行波形的输出；②在输出过程中，实时采样输出端的电流及电压ADC值；③比较电压及电流的输出值与预设值的偏差，进行电刺激强度的补偿，提升电路的输出强度精度；④在完成电刺激输出强度的补偿后，再次通过调整电路的DAC输出值，并控制输出电路的启动，完成对电刺激输出电路及补偿结果的自检。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。