一種便攜式生物反饋電刺激儀的設計

葛志鵬，張元良

(大連理工大學 機械工程學院，遼寧 大連 116024)

0 引言

近年來，由于中老年人腦血管疾病高發(fā)，運動功能障礙作為一種普發(fā)的后遺癥，成為患者家庭和社會的沉重負擔。因此醫(yī)學界對運動功能的康復治療研究從未間斷[1,2]。神經(jīng)肌肉電刺激技術(shù)是一種被廣泛應用的輔助治療法，通過低頻電流脈沖刺激失能的肌肉收縮，誘導其運動神經(jīng)恢復再生。

表面肌電信號是表面肌纖維產(chǎn)生的所有動作電位在時間和空間上的累加，反映了運動過程中神經(jīng)肌肉活動的生物學信息，其采集具備無痛、無創(chuàng)、便攜等優(yōu)點，被應用于肌肉機能狀態(tài)檢測、脈沖電刺激反饋治療、假肢控制等領(lǐng)域。

表面肌電信號幅值在100 μV～5 000 μV之間，峰峰值一般不超過6 mV，頻率主要分布在20 Hz～500 Hz，信號強度與肌肉力量呈正相關(guān)，其采集電路應具備高電壓增益、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。

現(xiàn)有的電刺激設備存在刺激治療模式單一、體積大、使用場合受限等不足[3]。針對這些問題，本文提出一種新型便攜式生物反饋電刺激系統(tǒng)方案[4]，實現(xiàn)肌電信號的有效采集和精準刺激，通過屏顯和語音對刺激效果實時監(jiān)控，及時調(diào)整刺激策略，以避免刺激引發(fā)的肌肉痙攣或過度刺激造成的治療失敗。

1 生物反饋電刺激系統(tǒng)總體設計

生物反饋電刺激系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框架如圖1所示。肌電信號經(jīng)信號采集與處理電路后送給主控單元進行數(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)同時具有體溫、脈搏等生物信息采集以及屏顯和語音功能。

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，負責數(shù)據(jù)分析處理、產(chǎn)生電刺激脈沖的驅(qū)動信號、控制屏幕顯示和語音提示、存取檔案數(shù)據(jù)庫等功能實現(xiàn)。

(2)肌電信號采集單元：由前級放大電路、后級放大電路、帶通濾波電路、帶阻濾波電路組成，實現(xiàn)對肌電信號放大、濾波、降噪和模數(shù)轉(zhuǎn)換功能。

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

2 硬件電路設計

2.1 肌電信號采集電路

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

圖2 肌電信號采集電路結(jié)構(gòu)框圖

2.1.1 帶通濾波電路

根據(jù)表面肌電信號的頻率分布，低通濾波電路截止頻率設定為200 Hz，高通濾波電路截止頻率設定為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拓撲結(jié)構(gòu)，可在通頻帶內(nèi)保持信號的穩(wěn)定增益，同時兼顧信號在截止頻率處過渡頻帶的衰減速度。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，符合設計要求。

2.1.2 50 Hz工頻陷波電路

基于理論分析，系統(tǒng)正常工作時需要有效濾除工頻干擾，因此設計工頻陷波器，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 其他電路設計

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

2.2 恒流脈沖刺激電路

對于直接作用在人體的醫(yī)療設備，刺激電路輸出精度是設計的關(guān)鍵。選用運放和場效應管組成的壓控恒流源，其電路如圖6所示。場效應管工作在飽和狀態(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，實現(xiàn)壓控恒流輸出。

圖6 恒流脈沖刺激電路

3 軟件設計

系統(tǒng)選用Keil IDE進行控制程序的編寫，使用嵌入式實時操作系統(tǒng)μC/OS-Ⅱ，結(jié)合功能需求進行內(nèi)核任務設計。系統(tǒng)主要的軟件任務有肌電信號采集、脈沖輸出、工控顯示、人機交互、計時功能等，其中前兩項為核心任務。

3.1 信號采集任務

主控芯片以1 kHz的采樣頻率對肌電信號采集，利用積分肌電值的時域分析方法建立容量為25的數(shù)據(jù)循環(huán)隊列，將采集到的數(shù)據(jù)值放置在隊列中，每出隊一個數(shù)據(jù)由新采集的數(shù)據(jù)補位。將出隊的每個數(shù)據(jù)累加，直到隊尾數(shù)據(jù)，獲得25個數(shù)據(jù)的平均值，作為該時刻采集到的肌電信號值，通過串口發(fā)送給屏幕進行顯示。重復上述過程，直到訓練過程結(jié)束。

3.2 脈沖輸出任務

通過解析屏幕發(fā)送的指令數(shù)據(jù)得到設定的刺激電流強度值，計算DAC引腳給定輸出電壓。單片機輸出的PWM信號作為產(chǎn)生刺激脈沖的驅(qū)動信號：在PWM信號為高電平時，刺激電流對外輸出；低電平時沒有輸出。根據(jù)不同治療模式的要求，設置單片機PWM引腳的輸出頻率和脈沖寬度。刺激輸出任務的刷新周期是500 ms，周期開始重新解析屏幕設定的電流值，使用更新值輸出。重復上述過程，直到刺激過程結(jié)束。

4 系統(tǒng)試驗分析

4.1 信號處理電路測試

由信號發(fā)生器產(chǎn)生幅值為50 mV的正弦波，分別測試各部分濾波電路對不同頻率信號的衰減性能。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 低通濾波電路測試數(shù)據(jù)

表2 高通濾波電路測試數(shù)據(jù)

表3 工頻陷波電路測試數(shù)據(jù)

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

4.2 系統(tǒng)性能測試

使用測試樣機對受試者的肱二頭肌進行測試。采集到的表面肌電信號波形如圖7所示，解析采集的肌電信號，將強度數(shù)值實時更新在屏幕上，如圖8所示。

圖7 表面肌電信號的波形

圖8 系統(tǒng)的屏幕界面

刺激模式下，分別設定刺激頻率為50 Hz和120 Hz，輸出的PWM驅(qū)動信號如圖9所示。

圖9 輸出的PWM驅(qū)動信號

5 結(jié)論

通過理論分析與試驗驗證，本文設計的刺激儀方案達到了設計預期，實現(xiàn)了肌電信號有效采集和刺激電脈沖精準輸出的功能，在幫助患者康復治療中具有積極作用。同時，通過屏顯和語音提醒，對刺激效果實時監(jiān)測，便于及時調(diào)整刺激治療策略，從而提升治療效果。