一種便攜式生物反饋電刺激儀的設(shè)計(jì)

葛志鵬，張?jiān)?/p>

(大連理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 大連 116024)

0 引言

近年來(lái)，由于中老年人腦血管疾病高發(fā)，運(yùn)動(dòng)功能障礙作為一種普發(fā)的后遺癥，成為患者家庭和社會(huì)的沉重負(fù)擔(dān)。因此醫(yī)學(xué)界對(duì)運(yùn)動(dòng)功能的康復(fù)治療研究從未間斷[1,2]。神經(jīng)肌肉電刺激技術(shù)是一種被廣泛應(yīng)用的輔助治療法，通過(guò)低頻電流脈沖刺激失能的肌肉收縮，誘導(dǎo)其運(yùn)動(dòng)神經(jīng)恢復(fù)再生。

表面肌電信號(hào)是表面肌纖維產(chǎn)生的所有動(dòng)作電位在時(shí)間和空間上的累加，反映了運(yùn)動(dòng)過(guò)程中神經(jīng)肌肉活動(dòng)的生物學(xué)信息，其采集具備無(wú)痛、無(wú)創(chuàng)、便攜等優(yōu)點(diǎn)，被應(yīng)用于肌肉機(jī)能狀態(tài)檢測(cè)、脈沖電刺激反饋治療、假肢控制等領(lǐng)域。

表面肌電信號(hào)幅值在100 μV～5 000 μV之間，峰峰值一般不超過(guò)6 mV，頻率主要分布在20 Hz～500 Hz，信號(hào)強(qiáng)度與肌肉力量呈正相關(guān)，其采集電路應(yīng)具備高電壓增益、高通頻帶寬、高輸入阻抗、高共模抑制比、低噪聲以及低漂移等特點(diǎn)。

現(xiàn)有的電刺激設(shè)備存在刺激治療模式單一、體積大、使用場(chǎng)合受限等不足[3]。針對(duì)這些問(wèn)題，本文提出一種新型便攜式生物反饋電刺激系統(tǒng)方案[4]，實(shí)現(xiàn)肌電信號(hào)的有效采集和精準(zhǔn)刺激，通過(guò)屏顯和語(yǔ)音對(duì)刺激效果實(shí)時(shí)監(jiān)控，及時(shí)調(diào)整刺激策略，以避免刺激引發(fā)的肌肉痙攣或過(guò)度刺激造成的治療失敗。

1 生物反饋電刺激系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

生物反饋電刺激系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框架如圖1所示。肌電信號(hào)經(jīng)信號(hào)采集與處理電路后送給主控單元進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和顯示；主控單元控制刺激脈沖輸出作用于患者。系統(tǒng)同時(shí)具有體溫、脈搏等生物信息采集以及屏顯和語(yǔ)音功能。

圖1 生物反饋電刺激系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框架

(1)主控單元：主控芯片采用STM32F103RCT6單片機(jī)，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)分析處理、產(chǎn)生電刺激脈沖的驅(qū)動(dòng)信號(hào)、控制屏幕顯示和語(yǔ)音提示、存取檔案數(shù)據(jù)庫(kù)等功能實(shí)現(xiàn)。

(2)肌電信號(hào)采集單元：由前級(jí)放大電路、后級(jí)放大電路、帶通濾波電路、帶阻濾波電路組成，實(shí)現(xiàn)對(duì)肌電信號(hào)放大、濾波、降噪和模數(shù)轉(zhuǎn)換功能。

(3)恒流脈沖刺激單元：由集成運(yùn)算放大器和場(chǎng)效應(yīng)管組成，采用壓控恒流源電路對(duì)外輸出電流刺激。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 肌電信號(hào)采集電路

人體肌電信號(hào)具有幅值小、頻率低的特征，為確保信號(hào)采集的有效性和準(zhǔn)確性，采用兩級(jí)放大與濾波相結(jié)合，并設(shè)計(jì)專用陷波電路用于消除工頻干擾。肌電信號(hào)采集電路結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 肌電信號(hào)采集電路結(jié)構(gòu)框圖

2.1.1 帶通濾波電路

根據(jù)表面肌電信號(hào)的頻率分布，低通濾波電路截止頻率設(shè)定為200 Hz，高通濾波電路截止頻率設(shè)定為20 Hz。采用二階巴特沃斯濾波電路，電路具有單位增益和Sallen-Key拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，可在通頻帶內(nèi)保持信號(hào)的穩(wěn)定增益，同時(shí)兼顧信號(hào)在截止頻率處過(guò)渡頻帶的衰減速度。低通和高通濾波電路分別如圖3、圖4所示。圖3中，R=R23=R24,C1=C50,C2=C51。

圖3 低通濾波電路

低通濾波電路傳遞函數(shù)為：

(1)

圖4中，C=C47=C56，R1=R21,R2=R22,高通濾波電路傳遞函數(shù)為：

圖4 高通濾波電路

(2)

計(jì)算得到低通濾波電路截止頻率理論值為204.7 Hz，高通濾波電路截止頻率理論值為20.3 Hz，符合設(shè)計(jì)要求。

2.1.2 50 Hz工頻陷波電路

基于理論分析，系統(tǒng)正常工作時(shí)需要有效濾除工頻干擾，因此設(shè)計(jì)工頻陷波器，選用雙T型有源帶阻濾波器[5]。工頻陷波電路如圖5所示。

圖5 工頻陷波電路

陷波電路傳遞函數(shù)為：

(3)

2.1.3 其他電路設(shè)計(jì)

前級(jí)和后級(jí)放大電路選用儀表用運(yùn)算放大器芯片AD8221，它具有高共模抑制比和良好的差分信號(hào)放大性能。

2.2 恒流脈沖刺激電路

對(duì)于直接作用在人體的醫(yī)療設(shè)備，刺激電路輸出精度是設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。選用運(yùn)放和場(chǎng)效應(yīng)管組成的壓控恒流源，其電路如圖6所示。場(chǎng)效應(yīng)管工作在飽和狀態(tài)，與調(diào)節(jié)電阻R1構(gòu)成串聯(lián)支路，負(fù)載電阻為Rx。忽略柵極電流IG的影響，根據(jù)電路原理可得，源極電流IS=Ui/R1，其中Ui由主控芯片自帶的DAC控制輸出，實(shí)現(xiàn)壓控恒流輸出。

圖6 恒流脈沖刺激電路

3 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)選用Keil IDE進(jìn)行控制程序的編寫(xiě)，使用嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)μC/OS-Ⅱ，結(jié)合功能需求進(jìn)行內(nèi)核任務(wù)設(shè)計(jì)。系統(tǒng)主要的軟件任務(wù)有肌電信號(hào)采集、脈沖輸出、工控顯示、人機(jī)交互、計(jì)時(shí)功能等，其中前兩項(xiàng)為核心任務(wù)。

3.1 信號(hào)采集任務(wù)

主控芯片以1 kHz的采樣頻率對(duì)肌電信號(hào)采集，利用積分肌電值的時(shí)域分析方法建立容量為25的數(shù)據(jù)循環(huán)隊(duì)列，將采集到的數(shù)據(jù)值放置在隊(duì)列中，每出隊(duì)一個(gè)數(shù)據(jù)由新采集的數(shù)據(jù)補(bǔ)位。將出隊(duì)的每個(gè)數(shù)據(jù)累加，直到隊(duì)尾數(shù)據(jù)，獲得25個(gè)數(shù)據(jù)的平均值，作為該時(shí)刻采集到的肌電信號(hào)值，通過(guò)串口發(fā)送給屏幕進(jìn)行顯示。重復(fù)上述過(guò)程，直到訓(xùn)練過(guò)程結(jié)束。

3.2 脈沖輸出任務(wù)

通過(guò)解析屏幕發(fā)送的指令數(shù)據(jù)得到設(shè)定的刺激電流強(qiáng)度值，計(jì)算DAC引腳給定輸出電壓。單片機(jī)輸出的PWM信號(hào)作為產(chǎn)生刺激脈沖的驅(qū)動(dòng)信號(hào)：在PWM信號(hào)為高電平時(shí)，刺激電流對(duì)外輸出；低電平時(shí)沒(méi)有輸出。根據(jù)不同治療模式的要求，設(shè)置單片機(jī)PWM引腳的輸出頻率和脈沖寬度。刺激輸出任務(wù)的刷新周期是500 ms，周期開(kāi)始重新解析屏幕設(shè)定的電流值，使用更新值輸出。重復(fù)上述過(guò)程，直到刺激過(guò)程結(jié)束。

4 系統(tǒng)試驗(yàn)分析

4.1 信號(hào)處理電路測(cè)試

由信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生幅值為50 mV的正弦波，分別測(cè)試各部分濾波電路對(duì)不同頻率信號(hào)的衰減性能。低通濾波電路、高通濾波電路及工頻陷波電路的測(cè)試結(jié)果分別如表1、表2及表3所示。

表1 低通濾波電路測(cè)試數(shù)據(jù)

表2 高通濾波電路測(cè)試數(shù)據(jù)

表3 工頻陷波電路測(cè)試數(shù)據(jù)

根據(jù)理論計(jì)算，高、低通濾波器通帶頻率設(shè)計(jì)值為20.3 Hz～204.3 Hz。由以上數(shù)據(jù)可知：測(cè)試信號(hào)在200 Hz時(shí)衰減約為73.6%；在20 Hz時(shí)衰減約為69%；工頻陷波電路中心頻率在45 Hz～55 Hz，測(cè)試信號(hào)在50 Hz時(shí)衰減深度約為95.8%，各部分電路均滿足設(shè)計(jì)要求。

4.2 系統(tǒng)性能測(cè)試

使用測(cè)試樣機(jī)對(duì)受試者的肱二頭肌進(jìn)行測(cè)試。采集到的表面肌電信號(hào)波形如圖7所示，解析采集的肌電信號(hào)，將強(qiáng)度數(shù)值實(shí)時(shí)更新在屏幕上，如圖8所示。

圖7 表面肌電信號(hào)的波形

圖8 系統(tǒng)的屏幕界面

刺激模式下，分別設(shè)定刺激頻率為50 Hz和120 Hz，輸出的PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)如圖9所示。

圖9 輸出的PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)

5 結(jié)論

通過(guò)理論分析與試驗(yàn)驗(yàn)證，本文設(shè)計(jì)的刺激儀方案達(dá)到了設(shè)計(jì)預(yù)期，實(shí)現(xiàn)了肌電信號(hào)有效采集和刺激電脈沖精準(zhǔn)輸出的功能，在幫助患者康復(fù)治療中具有積極作用。同時(shí)，通過(guò)屏顯和語(yǔ)音提醒，對(duì)刺激效果實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，便于及時(shí)調(diào)整刺激治療策略，從而提升治療效果。