連續(xù)反饋式電刺激系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

陳滿妮，康 威，蔡 崗，鐘駿文

（1.贛南師范大學(xué)科技學(xué)院 數(shù)學(xué)與信息科學(xué)系，江西 贛州 341000；2.上海共進(jìn)醫(yī)療科技有限公司，上海 200245）

連續(xù)反饋式電刺激系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

陳滿妮1，康 威2，蔡 崗1，鐘駿文1

（1.贛南師范大學(xué)科技學(xué)院 數(shù)學(xué)與信息科學(xué)系，江西 贛州 341000；2.上海共進(jìn)醫(yī)療科技有限公司，上海 200245）

目前第二代電刺激技術(shù)存在的不足之處有：刺激和肌電信號(hào)采集不能同時(shí)進(jìn)行以及刺激強(qiáng)度不能隨患者肌電信號(hào)大小而調(diào)節(jié)。文章基于電刺激技術(shù)的原理，采用WIN CE數(shù)字系統(tǒng)搭建了連續(xù)反饋式電刺激系統(tǒng)模擬板電路。設(shè)計(jì)得到了具有閉鎖功能、快速恢復(fù)的肌電信號(hào)的放大器和快速、耐高壓的電極通道切換電子開(kāi)關(guān)，并且優(yōu)化了肌電采集與刺激之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。最終建立了完整的肌電生物反饋電刺激循環(huán)并實(shí)現(xiàn)恢復(fù)患者意識(shí)對(duì)肌肉的控制能力。

電刺激技術(shù)；連續(xù)反饋；放大器；電子開(kāi)關(guān)

1 電刺激技術(shù)的原理及分類

1.1 電刺激技術(shù)的原理

醫(yī)學(xué)上應(yīng)用頻率低于1 000 Hz的各種波形的脈沖電流治療疾病的方法，稱為低頻脈沖電療法［1］。由于這種電流對(duì)感覺(jué)、運(yùn)動(dòng)神經(jīng)有較強(qiáng)的刺激作用，又稱刺激電療法。目前常用的低頻電療法有：神經(jīng)肌肉電刺激療法、經(jīng)皮神經(jīng)電刺激療法、間動(dòng)電療法、低頻高壓電療法等。低頻電流的特點(diǎn)：電壓和頻率低，且可調(diào)節(jié)；對(duì)感覺(jué)和運(yùn)動(dòng)神經(jīng)都有較強(qiáng)的刺激作用；有止痛作用，但無(wú)明顯熱作用。低頻電流的治療作用表現(xiàn)在興奮神經(jīng)肌肉組織、改善局部血液循環(huán)、促進(jìn)水腫吸收和鎮(zhèn)痛。

1.2 電刺激技術(shù)的分類

根據(jù)刺激部位的不同分為：周圍神經(jīng)電刺激、脊髓電刺激、腦深部腦刺激、運(yùn)動(dòng)皮質(zhì)電刺激等。根據(jù)作用不同分為［2］：功能電刺激、治療電刺激、診斷電刺激。根據(jù)刺激電極所處位置的不同分為［3］：表面刺激式、半植入式和全植入式。根據(jù)刺激電流的參數(shù)不同分為：神經(jīng)肌肉電刺激療法（Nerve Muscle Electrical Stimulation，NMES）、電肌肉刺激療法（Electrical Muscle Stimulation，EMS）、功能性電刺激（Functional Electrical Stimulation，F(xiàn)ES）、經(jīng)皮神經(jīng)電刺激療法（Transcuataneous Electrical Nerve Stimulation，TENS）。

2 電刺激技術(shù)的發(fā)展

電刺激技術(shù)發(fā)展至今，經(jīng)歷了3個(gè)發(fā)展階段［4］。第一代為環(huán)電刺激，又稱自由刺激。這種刺激方式對(duì)肌肉結(jié)構(gòu)和功能的維持具有積極作用，但在治療過(guò)程中，患者只是被動(dòng)接受治療，不能實(shí)現(xiàn)患者和設(shè)備的交互。第二代為肌電反饋電刺激技術(shù)［5］，是普通肌電生物反饋與神經(jīng)肌肉電刺激療法有機(jī)結(jié)合的產(chǎn)物。它可以檢測(cè)出患者微弱肌電信號(hào)和自動(dòng)輸出一組電流刺激，促使其完成動(dòng)作。但由于技術(shù)上的原因存在一個(gè)缺點(diǎn)：刺激和肌電信號(hào)采集不能同時(shí)進(jìn)行，即刺激強(qiáng)度不能隨肌電信號(hào)大小調(diào)節(jié)。所以，此項(xiàng)技術(shù)還存在優(yōu)化改進(jìn)的潛力。

第三代為連續(xù)反饋式電刺激技術(shù)［6］。該技術(shù)是針對(duì)第二代電刺激技術(shù)中存在的缺點(diǎn)進(jìn)行改進(jìn)。它利用兩個(gè)刺激脈沖之間的短暫時(shí)間，快速打開(kāi)肌電放大器進(jìn)行肌電采集，在宏觀上實(shí)現(xiàn)刺激和采集的同時(shí)進(jìn)行，從而實(shí)現(xiàn)刺激參數(shù)隨患者肌電信號(hào)的變化而作出相應(yīng)的調(diào)節(jié)。第三代功能電刺激的革命性創(chuàng)新在于：是智慧型的功能電刺激，能夠完整地領(lǐng)會(huì)患者的主觀運(yùn)動(dòng)意愿。目前，對(duì)于第三代電刺激產(chǎn)品的研究開(kāi)發(fā)主要集中在國(guó)外。國(guó)內(nèi)雖然現(xiàn)在也慢慢致力于這方面的研究，但成果寥寥無(wú)幾。本文主要討論的就是第三代連續(xù)反饋式電刺激技術(shù)的研發(fā)。

3 連續(xù)反饋式電刺激系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

如圖1所示，為連續(xù)反饋式電刺激系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。該系統(tǒng)主要由三大模塊組成：模擬板、數(shù)字板（核心板）及上位機(jī)。系統(tǒng)的工作過(guò)程為：模擬板負(fù)責(zé)肌電信號(hào)采集及刺激電流的輸出，數(shù)字板負(fù)責(zé)提供Win-CE操作系統(tǒng)，其中心處理器是OK6410核心板，模擬板與數(shù)字板之間采用串口通信，二者組成便攜終端下位機(jī)，而上位機(jī)與下位機(jī)之間通過(guò)藍(lán)牙進(jìn)行無(wú)線通信，上位機(jī)主要是指電腦PC。在一般情況下，便攜終端下位機(jī)具有攜帶方便且可完成連續(xù)反饋式電刺激的主要基本功能，當(dāng)需要進(jìn)行復(fù)雜的信號(hào)分析、處理及檢測(cè)報(bào)告打印時(shí)可以通過(guò)藍(lán)牙連接PC后進(jìn)行操作。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

3.2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

模擬板主要由5部分組成：電源模塊、采集器、刺激器、電子開(kāi)關(guān)及微控制器。微控制器在系統(tǒng)中主要負(fù)責(zé)接收和處理數(shù)字板的命令。肌電采集和刺激電流輸出所用的是同一組電極片進(jìn)行輸入或輸出，通道狀態(tài)通過(guò)繼電器電子開(kāi)關(guān)來(lái)切換。電源模塊負(fù)責(zé)為各個(gè)模塊供電。采集器實(shí)現(xiàn)對(duì)采集的肌電信號(hào)進(jìn)行放大、濾波處理。刺激器由波形選擇、波形放大及變壓器輸出組成，產(chǎn)生刺激電流輸出。數(shù)字板主要由以下幾個(gè)模塊組成：OK6410核心板、電源電路、視頻轉(zhuǎn)換、藍(lán)牙模塊、音頻控制、子CPU、按鍵和指示燈。

3.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

連續(xù)反饋式電刺激要實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)是：讓患者隨心所欲，即用儀器來(lái)幫助患者實(shí)現(xiàn)想完成的動(dòng)作。在軟件上要實(shí)現(xiàn)這樣的功能，需要建立采集與刺激之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系模型。通過(guò)電刺激儀測(cè)出患者能夠感受到的最小電流刺激強(qiáng)度A和能夠承受的最大刺激電流強(qiáng)度B，再利用表面肌電儀測(cè)出患者肌電信號(hào)的最小（Rate-Monotonic Scheduling，RMS）值a和最大RMS值b。過(guò)兩點(diǎn)（a，A）和（b，B）確定直線，從而找到采集的肌電值和刺激電流之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。這兩個(gè)門限值可以通過(guò)便攜式終端下位機(jī)按鍵設(shè)置實(shí)現(xiàn)，這樣的設(shè)計(jì)不僅可以滿足不同的患者需求，還可以滿足隨著治療的康復(fù)調(diào)節(jié)至最佳狀態(tài)。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，連續(xù)反饋式電刺激系統(tǒng)的研發(fā)建立了完整的肌電生物反饋電刺激循環(huán)，通過(guò)電刺激參數(shù)和實(shí)時(shí)肌電的相關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)了基于患者殘存肌電信號(hào)經(jīng)放大后控制目標(biāo)肌肉的功能，從而實(shí)現(xiàn)恢復(fù)患者意識(shí)對(duì)肌肉的控制能力。該系統(tǒng)還需更多的臨床測(cè)試，從而完善系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)真正意義上的連續(xù)反饋式電刺激。

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Design of continuous feedback electrical stimulation system

Chen Manni1，Kang Wei2，Cai Gang1，Zhong Junwen1

（1.Math and Information Science Department of Science and Technology College of GanNan Normal University，Ganzhou 341000，China；2.Shanghai Gongjin Medical Technology Co.，Ltd.，Shanghai 200245，China）

There are some disadvantages in the second generation of electrical stimulation techniques：the stimulation and EMG signals cannot be collected at the same time and the intensity of stimulation cannot be adjusted to the size of patients' EMG signals.Based on the theory of electrical stimulation technology，this paper sets up the analog circuits of continuous feedback electrical simulation system by using WIN CE digital systems.Design gets a locking function and rapid recovery of the EMG signal's amplifier，and a high voltage electrode channel switching electronic switch.Thus，the correspondence between EMG acquisition and stimulation has been optimized.At last establish a complete EMG biofeedback cycle and achieve a target of patients' surviving EMG control muscle，enabling patients to regain consciousness on muscle control.

electrical stimulation technology；continuous feedback；amplifier；electronic switch

江西省教育廳科技項(xiàng)目；項(xiàng)目編號(hào)：GJJ151567。江西省教育廳科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目；項(xiàng)目編號(hào)：151572。

陳滿妮（1987—），女，江西贛州，碩士，助教，研究方向：電子與通信工程，醫(yī)療器械。