一種面向下肢康復的功能性電刺激器設計

孫振棟，李娟，李偉達，陳新樂

(蘇州大學 機電工程學院，江蘇 蘇州 215021)

0 引言

功觸性電刺激(functional electrical stimulation, FES)利用電壓信號人工激活癱瘓肌肉來控制肢體的運動。目前FES康復系統主要通過電刺激器的方式實現。市場上的電刺激器大部分針對上肢，針對下肢的較少[1]。相對人體上肢而言，下肢所需的刺激強度更大，對刺激參數的多元化要求更高。

在參數調節方面，一般的電刺激器主要分為兩種方式：一是采用檔位調節，這種方法調節簡單，但調節分辨率較低，無法滿足下肢刺激的參數多元化要求[2]；二是采用旋鈕調節，這種方法雖然實現了連續可調，但仍有重復性和記憶性差的缺點[3]。在多通道方面，大部分電刺激器采用開關切換方案。實際的刺激信號源只有一個，這種方案的優點是節省成本，但是難以滿足差異化刺激的需求。當通道數較多時，即使各通道進行類似單核處理器“分時復用”的操作，也會因其較長的延時對刺激效果產生影響。

針對上述問題，本文旨在設計一種新型的可擴展多通道電刺激器，且各個刺激參數連續可調，以滿足不同人群的需要。

1 硬件設計

1.1 硬件整體設計

電刺激器主機和從機的主控芯片分別采用STM32F103ZET6和STM32F103C8T6，整個系統由電源模塊、升壓模塊、參數檢測模塊、保護電路等組成。各電刺激模塊通過485總線與總控制器相連，并由PC上位機實現人機交互，系統整體框架[4]如圖1所示。

圖1 可擴展多通道電刺激器系統整體框圖

1.2 升壓模塊

市場上的升壓芯片有很多，其輸出電壓主要由反饋電阻的配比決定，主要缺點是一般輸出電壓是固定的，很難做到輸出電壓連續可調。本設計采用的是圖騰柱電路設計，通過改變PWM的占空比來調節輸出電壓[5]。如圖2所示，設計取開關頻率為120 Hz，當設置占空比在50%～91.7%內變化時，可得到10～60 V變化的升壓輸出值。

圖2 Boost升壓模塊

1.3 全橋控制模塊

全橋控制模塊又稱脈沖輸出模塊，其主要功能就是將升壓模塊的電壓轉化成刺激人體的雙向方波。該模塊采用的是一個H橋的設計[6]，由主控制器控制上下橋臂的開通和關斷，從而達到控制電流流經人體的時序控制，其電路框架如圖3所示。

圖3 全橋控制模塊

1.4 參數檢測模塊

參數檢測模塊主要用來實時檢測流過人體的電流值及當前的刺激電壓值。模塊主要通過采樣電阻對當前電壓及刺激電流進行采樣，將采樣到的模擬信號經過LM358運放放大后送給處理器的片上AD620。該模塊的電路原理圖如圖4所示。

圖4 參數檢測模塊

1.5 人體保護模塊

保護電路的主要功能是當刺激參數超過設定的參數時，能夠及時地切斷作用于人體的刺激脈沖，防止對人體造成傷害。刺激信號的通斷采用的是繼電器方案，有效地做到了強電與弱電的隔離[7]。繼電器的通斷則由比較器的輸出端進行控制，當刺激參數超過設定參數，比較器會產生使繼電器斷開的信號，切斷刺激源。電路原理如圖5所示。

圖5 保護電路

2 軟件設計

主程序框架如圖6所示。系統軟件采用Keil uVision5平臺并基于STM32F1庫函數開發。程序采用模塊化設計，主要模塊包括總線通信模塊、數據處理模塊、ADC采樣及軟件濾波模塊、全橋控制模塊和參數調整模塊。用戶可以根據上位機軟件界面的提示實時調整刺激脈寬、刺激強度、刺激周期等參數，以適應不同人群的刺激需求。

圖6 主程序框圖

3 人機交互設計

為獲得更好的人機交互體驗，本文設計了運行于Windows平臺下的軟件控制平臺。上位機界面使用LabVIEW開發，如圖7所示，刺激參數部分界面分為通道使能、各刺激通道參數調節以及參數下載三個部分。通道使能決定了對應通道的參數是否生效，各通道的強度、頻率和脈寬參數均連續可調，點擊參數下載則會按照界面上的配置修改電刺激器組的參數。

圖7 刺激參數配置界面

4 實驗

4.1 電刺激器性能評測實驗

為了直觀地顯示電刺激器的波形情況，采用示波器進行觀測。實驗過程將電刺激的刺激電壓統一設定為30 V，并調整刺激頻率和刺激脈寬對輸出波形進行測量，測量結果如圖8所示，可以看出電刺激器的波形與參數設置一致。

圖8 電刺激器波形測試

4.2 人體膝關節控制實驗

使用傳統PID控制方法和神經網絡控制方法對FES控制人體膝關節運動展開研究。實驗時受試者靜坐于椅子上，小腿自然下垂，兩片刺激電極分別粘貼固定在股四頭肌兩端，姿態傳感器固定在大腿和小腿右側，設置膝關節期望的運動角度，觀察實際的運動角度來檢測電刺激器的性能。實驗結果如圖9所示，該電刺激可以很好地跟蹤期望關節角度。

圖9 FES軌跡跟蹤控制實驗

5 結語

本文設計了一種面向下肢的連續可調的可擴展式多通道電刺激器，使用者可根據自身的需求任意調節所需的參數。對調試好的樣機進行參數測試與人體實驗，初步驗證了其參數特性與功能。測試結果表明，該電刺激器已經達到既定的設計要求。