基于單片機的運動功能康復治療信號發(fā)生器的設計

吳芳

摘要：目的：設計一種功能性電激勵（FES）信號發(fā)生器，主要用于刺激患者截癱部位以促進自身部分運動功能的恢復。方法：硬件系統(tǒng)基于AT89C52 MCU和DAC0832數(shù)模轉換芯片。通過分析常見波形和動物實驗中提取出的控制運動的神經(jīng)信號波形的時域特征來設計單片機程序，實現(xiàn)軟硬件協(xié)同之后，可產(chǎn)生預期波形作為治療儀的信號源。結果：經(jīng)過測試，該信號發(fā)生器給出了各時域波形圖，包括如正弦波、矩形波、三角波等常見信號，以及與控制運動相關的神經(jīng)信號波段。結論：與傳統(tǒng)的信號發(fā)生器[1]相比，該信號發(fā)生器結構簡單，功能齊全，成本低廉。并且，記錄與控制運動相關的神經(jīng)信號，通過數(shù)據(jù)分析編入程序共同作為運動功能康復治療儀的信號源，這更有利于誘發(fā)協(xié)調(diào)的肢體動作，減少肌疲勞。

關鍵詞：功能性電激勵;信號發(fā)生器;單片機

中圖分類號：TP311 ? ? ? ?文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2019）13-0259-04

Abstract： Objective： In order to promote paraplegia patients recovery of part of motor function， we design this functional electrical stimulation （FES） signal generator. Method： The hardware system consists of main control unit， conversion unit and output unit， with AT89C52 MCU and DAC0832 digital analog converter as the core .By analyzing the time domain characteristics of common waveforms and the neural signals which relate movement from animal experiments， we design SCM program to cooperate hardware design with software， and then the expected waveforms can be produced as signal sources of therapeutic apparatus. Results： After tests， this signal generator can produce each signal in the time domain waveform ， including common waveforms such as sine wave， rectangular wave， triangular wave signal， and neural signal bands relating movement .Conclusion： Compared with the traditional signal generators [1]， the signal generator has the advantages of simple structure， complete functions， low cost， convenient use. At the same time， using the neural signals which relate movement from animal experiments as signal sources of motor function rehabilitation treatment instrument is beneficial to induce the coordinated movement and reduce muscle fatigue.

Key words： Functional electrical stimulation; Signal generator; MCU

神經(jīng)損傷后功能的恢復一直是醫(yī)學界的研究熱點。特別是脊柱、脊髓損傷[2]后造成的后果往往比較嚴重，損傷后的肢體功能恢復極為困難。

隨著微電子技術、微納技術和生物技術等相關領域的快速發(fā)展，功能性電激勵在康復醫(yī)學中的應用越來越廣。科學家和康復醫(yī)學工程師一直在設計基于功能電刺激（FES）的康復設備，以控制癱瘓患者的肢體運動 [3-7]。FES使用外部電信號來刺激神經(jīng)或肌肉，以改善相應功能。它可用于重建上肢的運動，促進下肢的站立、平衡、姿態(tài)和步態(tài)訓練。FES為癱瘓患者的康復提供了新方法和技術，尤其是運動功能的修復。然而，這些功能電激勵設備采用的都是人工設置的正弦波、方波、三角波、鋸齒波、梯形波等電信號來刺激神經(jīng)或肌肉。在動作協(xié)調(diào)性方面還存在欠缺，且由于神經(jīng)的逆序興奮容易導致肌疲勞。為此，本文研究了運動功能康復治療用信號發(fā)生器，它除了能產(chǎn)生傳統(tǒng)的單向脈沖、雙向對稱脈沖和梯形波脈沖激勵信號外，還可以調(diào)用一系列與脊髓神經(jīng)控制下肢運動相關的原始神經(jīng)信號，將與控制運動相關的神經(jīng)信號記錄下來作為運動功能康復治療儀的信號源，這將有利于誘發(fā)協(xié)調(diào)的肢體動作，減少肌疲勞。

1 運動功能康復治療儀系統(tǒng)組成

功能性電激勵用信號發(fā)生器的硬件設計主要由主控單元、轉換單元和輸出單元組成（如圖1）。其中主控單元通過編程實現(xiàn)單片機輸出脈沖信號的波形和持續(xù)時間的設置，芯片輸出數(shù)字信號，信號通過模數(shù)轉換器轉換為模擬信號。DAC0832是一個電流型轉換器，所以在轉換單元中添加了電流轉換為電壓的電路。最后，通過放大電路和濾波電路的作用，輸出信號與所需的平滑曲線相匹配。

1.1主控單元

AT89C52 是 由ATMEL 生產(chǎn)的一種低功耗、低電壓、高性能的 8 位微控制器[8]。它由一個中央處理器CPU，隨機存取存儲器RAM，只讀存儲器ROM，I/O接口，定時器/計數(shù)器和串行通訊接口組成。由于它是一個獨立的微型計算機，這種芯片的系統(tǒng)簡單可靠。中斷系統(tǒng)允許處理器處理外部異步事件。AT89C52共有6個中斷向量，其中包括兩個外部中斷（INT0和INT1），3個定時器中斷（定時器0，1，2）以及1個串行端口中斷（如圖2）。使用AT89C52構成最小應用系統(tǒng)時，只要將其連接到時鐘電路和復位電路即可。晶體振蕩器，是產(chǎn)生原始時鐘頻率中常用的電路元件，時鐘頻率越高，則MCU運行速度就越快。

本信號發(fā)生器中，S1控制波形的切換，S2控制頻率的切換。晶振頻率為11MHz，與單片機內(nèi)部電路相結合，可以產(chǎn)生運行所需要的時鐘頻率。

1.2轉換單元

由于MCU輸出數(shù)字信號，為了獲得所需的波形，數(shù)字信號被轉換成模擬信號。如圖3所示，DAC0832是一款8分辨率D/A轉換集成芯片，具有8位輸入鎖存器，8位DAC寄存器，8位D/A轉換電路及邏輯轉換控制電路[9]。ILE、CS、WR1的邏輯組合產(chǎn)生LE，當LE為高電平時，數(shù)據(jù)鎖存器狀態(tài)隨輸入數(shù)據(jù)線變換，LE負跳變時將輸入數(shù)據(jù)鎖存。DAC0832的輸出不是真正連續(xù)可調(diào)，而是以絕對分辨率為單位增加或減少，此時外接運放可使電流型輸出轉換為電壓型輸出。

DAC0832有三種工作模式：直通模式、單緩沖模式和雙緩沖模式，CSDA：片選信號輸入線（選通數(shù)據(jù)鎖存器），低電平有效;WR：數(shù)據(jù)鎖存器寫入選通輸入線，負脈沖有效（脈寬大于500ns）。本設計中，DAC0832的數(shù)據(jù)口（D0-D7）與單片機P0口相連，即采用直通模式，實現(xiàn)八位數(shù)據(jù)并行傳輸。輸出端接放大器，實現(xiàn)電壓型輸出。

1.3輸出單元

如圖4，第一級運算放大電路將DAC0832輸出的電流信號轉換為電壓信號，第二級運放是將信號放大，放大倍數(shù)為

[A=-（R2/R1）] ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （1）

本設計中，R1選擇5KΩ的電阻，R2選擇10KΩ的電位器，可根據(jù)實際需要通過改變電阻的大小來改變放大倍數(shù)。

低通濾波器連接到放大電路的輸出端，截止頻率為

[f=1（2π?C1?R3）] ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（2）

低通濾波器起濾波和平滑的作用：選擇合適的參數(shù)以獲得更好的濾波效果。本設計C1選擇104F的電容，R3選擇100Ω的電阻，采用100Hz-800Hz的帶寬范圍。

2 軟件設計

波形產(chǎn)生程序的設計是設計的關鍵。在系統(tǒng)設計中，單片機只能產(chǎn)生數(shù)字信號，無論是信號頻率還是信號幅度都是離散點。根據(jù)不同波形的時域特性，采用不同的方法實現(xiàn)，這由計算機來完成[10]。

在本文中，對信號的量化是通過MATLAB軟件實現(xiàn)的。其中生成方波的方法相對簡單，只要周期性地輸出最小值和最大值即可。正弦波的生成是通過對標準正弦波進行采樣輸出得到的，采樣間隔越小，正弦波的輸出精度越高，失真度也越小。對于三角波，通過由最小值到最大值和由最大值到最小值的循環(huán)來實現(xiàn)輸出。

AT89C52 MCU線路簡單、結構緊湊、體積小、價格低廉、頻率穩(wěn)定度高、抗干擾能力強、用途廣泛。通過設計程序控制單片機輸出低頻信號，同時，如果需要生成新波形，只需修改程序即可。主程序的設計流程框圖如圖5所示。

本程序中的兩個外部中斷分別起到控制波形和頻率變化的作用，程序設計流程如圖6所示。

3 運行結果

連接好MCU，DA轉換器，運算放大器和濾波電路，下載設計的完整程序，并通過示波器檢驗輸出波形。設計原理上S1控制各種波形的切換，結果表明不斷按S1，示波器將依次顯示正弦波、方波、鋸齒波、梯形波、三角波以及原始神經(jīng)信號，如圖7所示。

設計原理上，S2控制波形頻率的改變，實驗結果證明每種波形下不斷按S2，波形的頻率的將依次在800Hz，400Hz，267Hz，200Hz，160Hz，133Hz，114Hz，100Hz中循環(huán)切換大小。從而成功完成了功能電激勵信號發(fā)生器的仿真設計。

4 總結

該功能性電激勵信號發(fā)生器設計簡單，具有價格低廉，操作方便，功能齊全的優(yōu)點，不僅能夠產(chǎn)生周期可變的常見信號，還從動物實驗中提取與控制運動相關的神經(jīng)信號，對其進行時域分析后編入波形設計程序，從而作為運動功能康復治療儀的信號源之一發(fā)揮作用，這有利于誘發(fā)協(xié)調(diào)的肢體動作，減少肌疲勞。如有需要，修改波形設計程序或添加適當?shù)淖映绦颍陨删哂懈嗖ㄐ蔚男盘栐础?/p>

但是，本文設計出的功能性電激勵用信號發(fā)生器是在靜態(tài)條件下進行的，若在鍛煉過程中，仍然不能根據(jù)患者的具體情況進行有效的動態(tài)刺激，為此，我們將進一步引入實時信號采集系統(tǒng)以提高系統(tǒng)功能。

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【通聯(lián)編輯：唐一東】