基于Android的超聲刺激器的控制系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

張滎娟，鄭 政，吳永亮

（上海理工大學醫(yī)療器械與食品學院，上海 200093）

基于Android的超聲刺激器的控制系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

張滎娟，鄭 政，吳永亮

（上海理工大學醫(yī)療器械與食品學院，上海 200093）

超聲刺激器是研究神經(jīng)調(diào)制的必備工具，然而目前大多數(shù)的超聲刺激器的軟件控制部分皆由PC端完成，設備體積大且無法滿足操作人員遠距離進行控制的需求。基于此，本文設計了一款基于Android平臺的超聲刺激器控制系統(tǒng)，系統(tǒng)軟件部分通過手機藍牙端口與刺激器通信，可將手機端輸入的參數(shù)信息發(fā)送至刺激器的現(xiàn)場可編程門陣列（Field－Programmable Gate Array，F(xiàn)PGA）進行編譯處理。通過該系統(tǒng)向刺激器發(fā)送參數(shù)進行實驗，經(jīng)刺激器處理后在示波器上觀察腦刺激所需的刺激信號，結(jié)果表明此控制系統(tǒng)參數(shù)傳輸準確，控制有效。同時此設備體積小、攜帶方便，設計界面簡單易懂，便于操作，擴大了研究人員的操控范圍，因此具有一定的實用價值。

生物醫(yī)學工程，超聲刺激器；控制設備；Android；藍牙；刺激信號

0 引言

在神經(jīng)科學領域，神經(jīng)刺激不僅可用于神經(jīng)性疾病的治療，還為腦功能研究提供了強有力的手段。目前常用的腦刺激方法有電刺激、經(jīng)顱磁刺激等。電刺激有著更高的靶向性，但是需要手術植入長期刺激電極，價格昂貴[1-2]。經(jīng)顱磁刺激不需要手術，但是空間分辨率較低[3]。低強度聚焦超聲刺激方法相比于上述等方法具有空間分辨率高、無損傷的突出優(yōu)勢[4]，因此目前獲得廣泛研究。超聲刺激器是研究此項技術的必備工具。多數(shù)超聲刺激器的控制端均接于 PC端，這造成操作人員的檢測活動范圍受限，不能滿足遠距離控制的要求。

基于此，本文設計了一種基于 Android的超聲刺激器的控制系統(tǒng)。該控制系統(tǒng)為超聲刺激器的一個外接控制設備。使用時，通過手機端自帶的藍牙接口與刺激器進行通信交互，控制刺激器根據(jù)實際需求利用內(nèi)置的FPGA發(fā)出復雜的超聲脈沖序列，通過改變?nèi)四X的刺激強度，獲得所需的腦刺激信號，以滿足不同的檢測要求。

本文設計的基于 Android的超聲刺激器的控制系統(tǒng)解決了在腦刺激技術過程中，常規(guī)的 PC控制端難以移動而導致的操作人員參數(shù)輸入不便，以及設備體積過大占用實驗平臺面積的問題。本控制系統(tǒng)可擴大操作人員活動范圍，簡化檢測流程，縮小控制設備體積，因此具有一定的實用價值。

1 系統(tǒng)設計

腦神經(jīng)刺激器由外接的控制系統(tǒng)和超聲刺激器電路兩部分組成，由控制系統(tǒng)設置參數(shù)并通過串口與刺激器連通后傳遞數(shù)據(jù)，控制刺激器發(fā)出適用于腦刺激的超聲信號。超聲刺激過程中，參數(shù)需要人為輸入，這是由于對于不同的實驗所需的腦刺激信號不同，操作人員需根據(jù)具體的實驗要求選擇性輸入相應的參數(shù)。常規(guī)的超聲刺激器控制系統(tǒng)參數(shù)皆由PC端輸入[5]，但PC端參數(shù)混雜，操作不便，故為了達到輸入?yún)?shù)方便且便于移動控制檢測的目的，本文設計了如框圖1所示的刺激器控制系統(tǒng)。

本控制系統(tǒng)的整體控制流程如圖1虛線框圖里的流程所示。操作時，首先將移動設備，比如手機，通過藍牙模塊與刺激器連接；進而，在移動設備上通過鍵盤人為輸入產(chǎn)生刺激波所需的各項參數(shù)，之后將設定好的參數(shù)通過藍牙發(fā)送給FPGA串口模塊進行編譯處理。最后刺激器將數(shù)據(jù)處理后的輸出應用于超聲換能器產(chǎn)生需要的神經(jīng)刺激信號。

2 硬件部分連接與設計

目前，移動設備與FGPA之間的近距離傳輸協(xié)議眾多，常用的有USB串口通信、藍牙、WiFi等[6]。超聲刺激器對數(shù)據(jù)傳輸速率要求不高，現(xiàn)有的數(shù)據(jù)傳輸方法中，藍牙通信作為一種抗干擾能力強、成本低、功耗小的無線通信方式被廣泛運用。藍牙傳輸可擴大超聲刺激器控制系統(tǒng)的活動范圍，滿足通訊要求且成本低廉，因此本控制系統(tǒng)選取藍牙傳輸作為本控制系統(tǒng)與刺激器之間的通信方式。

刺激器的藍牙串口模塊位于FPGA控制板上。所使用的藍牙型號為HC-05，是一款高性能的藍牙串口模塊，可用于與各種帶藍牙功能的電腦、藍牙主機、手機等智能終端配對。此模塊波特率范圍廣泛，可為 4800 bits/s-1382400 bits/s。藍牙模塊與FPGA通信電路接線方式如下圖2所示，其中TX為信號發(fā)送端，RX為信號接收端，GND為地，供電VCC為3.3V電源。

圖1 系統(tǒng)設計框圖Fig.1 System design block diagram

使用時的操作步驟為：1. FPGA開發(fā)板上電，藍牙模塊指示燈進入快閃狀態(tài)，進入自動連接工作模式。2. 手機開藍牙，即可搜到藍牙模塊，進行連接。3. 若連接成功，藍牙模塊指示燈進入雙閃狀態(tài)，準備發(fā)送數(shù)據(jù)。

3 軟件設計

本控制系統(tǒng)軟件設計采用了 Google 在 2013年推出的專為Android 應用開發(fā)設計的集成開發(fā)環(huán)境 Android Studio，它提供了集成的 Android 開發(fā)工具以用于開發(fā)和調(diào)試。

本軟件設計共分為3部分。第一為信號通信，即藍牙連接部分，其負責手機端與超聲刺激器串口模塊進行交互；第二為參數(shù)設置部分，其負責各類超聲刺激信號的選擇與常規(guī)參數(shù)的填寫，通過Android提供的RadioGroup和RadioButton[7]結(jié)合使用，實現(xiàn)模式選擇、刺激方式和重復頻率的切換；第三為數(shù)據(jù)傳送部分，其負責參數(shù)的發(fā)送，控制著刺激器信號的傳輸與停止。

根據(jù)系統(tǒng)需求，本系統(tǒng)軟件設計流程如圖3所示。

圖3 軟件流程圖Fig.3 Softw are flow chart

以下針對各個部分進行詳細介紹。

3.1 藍牙連接

藍牙連接部分主要負責手機端與超聲刺激器串口模塊進行交互，因最終波形的產(chǎn)生皆由通過藍牙發(fā)送給刺激器的數(shù)據(jù)決定，所以藍牙連接模塊是信號輸出的實現(xiàn)基礎。Android建立藍牙連接的基本步驟如下[8]：程序利用 Android 提供的藍牙相關 API完成藍牙的打開、搜索；找到目標后，獲得目標設備的MAC地址；通過Bluetoothsocket 類建立藍牙套接字即與硬件部分藍牙的連接點；向目標設備發(fā)送連接請求，第一次連接需要輸入配對密鑰，如若配對成功，則兩端藍牙自動進行連接。藍牙連接流程圖如圖4所示。

3.2 參數(shù)輸入

3.2.1 信號參數(shù)簡介

參數(shù)設定決定著刺激器系統(tǒng)所輸出的超聲刺激信號，不同參數(shù)所產(chǎn)生的超聲刺激信號也不同。在超聲刺激系統(tǒng)研究中，單一波形的刺激無法滿足實驗研究的需要，因此需要產(chǎn)生多種刺激信號，也就需要不同的參數(shù)設定。刺激器支持連續(xù)刺激和脈沖刺激，前者是在刺激時長內(nèi)輸出連續(xù)超聲波，后者則是刺激時長內(nèi)輸出一個猝發(fā)正弦脈沖串。與此同時，刺激器還支持窄脈沖輸出模式，在必要的場合可用于超聲生物測量以便于超聲探頭的定位。每種模式下輸出既可以是單次的，也可以是重復的。由于刺激器通過匹配電路將矩形脈沖驅(qū)動轉(zhuǎn)化成正弦波輸出，因此超聲強度控制可以通過改變超聲周期內(nèi)的驅(qū)動占空比實現(xiàn)。由此總結(jié)上述三種輸出模式下的刺激信號及所需參數(shù)如圖5所示。

3.2.2 參數(shù)分析

腦刺激信號的產(chǎn)生需要某些特定的參數(shù)控制，不同刺激信號所需的參數(shù)不同。總結(jié)所得，常用刺激信號所需參數(shù)為超聲中心頻率、聲強、脈沖重復頻率、刺激時長、刺激時間間隔、脈沖中的正弦個數(shù)、脈沖個數(shù)等 7個參數(shù)[9]，分別以 Ft、I，PRF、SD、SI、cpp、np表示。

研究表明，神經(jīng)調(diào)制需要刺激器能適應頻率從數(shù)百kHz到數(shù)MHz的換能器；超聲強度需滿足0.01到 79.02 W/cm2，并且 PRF從 0到數(shù)千赫茲，SD從數(shù)百毫秒到幾分鐘，PD從數(shù)十微秒到數(shù)百微秒，SI通常為若干秒，cpp和 np通常為數(shù)個到數(shù)千個數(shù)值[5,9]。因此本文設計的超聲刺激器控制軟件各參數(shù)范圍如下：

Ft=100 KHz~2 MHz，I=0.7~26 W/cm2，PRF=10 Hz~2 KHz，SD=0.05 s~1 s，

cpp=0~5000個，np=0~2000個，Interval(SI)= 0.5 s~10 s

圖4 藍牙連接流程圖Fig.4 Bluetooth connection flow chart

圖5 刺激信號相應參數(shù)Fig.5 The corresponding parameters of the stimulus signal

3.3 數(shù)據(jù)發(fā)送

由于FPGA的時鐘頻率為50MHz，刺激波形的單個脈沖是根據(jù)時鐘頻率轉(zhuǎn)換而來，再根據(jù)各項參數(shù)的調(diào)節(jié)范圍，可得二進制轉(zhuǎn)換關系公式和參數(shù)相應的位數(shù)如表1所示。

表1 參數(shù)轉(zhuǎn)換Tab.1 Parameter conversion

此外，還需要輸出開關、模式選擇、連續(xù)或脈沖刺激選擇、單次或重復刺激選擇4個表示工作狀態(tài)和模式的數(shù)據(jù)位。

ON_OFF（輸出開關：輸出關=0輸出開=1，）；

F_mode（模式選擇：刺激=0定位=1，）；

S_mode（連續(xù)或脈沖刺激選擇：連續(xù)=0，脈沖=1，）

T_mode（單次或重復刺激選擇：重復=0單次=1，）。

據(jù)此，對所有參數(shù)轉(zhuǎn)換后的二進制位數(shù)求總和，可得共需傳送145位數(shù)據(jù)，且這些數(shù)據(jù)已經(jīng)能完全表示刺激器全部參數(shù)和狀態(tài)。為了降低刺激器內(nèi)置FPGA解碼的復雜性，改變?nèi)魏我粋€刺激參數(shù)，控制器軟件都會重新下傳所有控制位。

4 實驗

4.1 系統(tǒng)界面

控制系統(tǒng)設計完成后，其系統(tǒng)界面如圖6所示，圖 6(a)所示界面主要功能為藍牙型號的選擇和連接，測試過程中選擇與刺激器內(nèi)置藍牙模塊型號一致的名稱，就可以與刺激器建立通信聯(lián)系，本系統(tǒng)設置多個藍牙名稱為方便調(diào)試之用。圖 6(b)所示界面主要完成參數(shù)數(shù)據(jù)的設置與發(fā)送，根據(jù)刺激信號需求選擇相應刺激方式、超聲發(fā)射類型及設置相應的參數(shù)等，設置完畢后就可發(fā)送給刺激器譯碼。此外如圖 6(c)所示，對于不合理的參數(shù)輸入軟件具有警告提示功能，提高了使用的安全性和準確性。

依據(jù)常規(guī)腦刺激實驗經(jīng)驗，本系統(tǒng)的默認參數(shù)設置為：刺激、連續(xù)、重復，F(xiàn)t=500 KHz，I=20 W/cm2，SD=0.1 s，interval=5 s。

控制系統(tǒng)基于 Android平臺設計，整體體積相較于 PC控制端縮小了數(shù)倍，便于設備的移動和攜帶，且參數(shù)設置鍵較少，操作簡單，并提供了錯誤警告功能，降低了出錯率，對以后超聲刺激的研究具有巨大的實用價值。

圖6 控制系統(tǒng)界面Fig.6 Con trol system interface

4.2 刺激信號獲取

為了驗證控制系統(tǒng)的有效性，設計了超聲腦刺激信號的實驗，分別獲取刺激模式下連續(xù)波、刺激模式下脈沖波、定位模式三種刺激信號。將手機軟件和刺激器通過藍牙進行通信，設置相應參數(shù)，當參數(shù)設置完畢且確定無誤后，將數(shù)據(jù)發(fā)送給刺激器，硬件FPGA會根據(jù)接收到的參數(shù)產(chǎn)生對應的刺激信號。

三種不同的超聲刺激信號參數(shù)設置如下：

1. 刺激模式-連續(xù)波參數(shù)設置：Ft=500 KHz，I=20 W/cm2，SD=0.25 s，單次刺激。

2. 刺激模式-脈沖波參數(shù)設置：Ft=500 KHz，I=20 W/cm2，PRF=2000 Hz，cpp=100 個，np=200個，單次刺激。

3. 定位模式參數(shù)設置：Ft=500KHz，I=20 W/cm2，PRF=2000 Hz。

為了便于觀察輸出的刺激信號，在輸出端接一臺500 MHz的示波器以便顯示，三種實際超聲刺激信號如下圖7所示。

圖7 實際刺激信號超聲波Fig.7 Actual stimulus signal for ultrasound

由此可以得出結(jié)論，本控制系統(tǒng)發(fā)射的參數(shù)信息完整有效，且準確的生成了相應的腦刺激超聲信號。實驗過程中，為了驗證控制系統(tǒng)藍牙傳輸?shù)挠行Х秶箍刂圃O備逐漸遠離刺激器，觀察傳輸情況，測試得出在刺激器周圍20平米內(nèi)，數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定，藍牙連接有效，這極大的增加了控制系統(tǒng)的活動范圍。

5 結(jié)論

本文設計并實現(xiàn)了基于 Android平臺的超聲腦刺激器的控制系統(tǒng)，其控制界面的參數(shù)根據(jù)所需超聲刺激信號來設計，參數(shù)簡單易懂，其命名和意義和多數(shù)文獻所用的保持一致，且系統(tǒng)參數(shù)設置鍵較少，操作簡單，可以有效節(jié)約時間，提高操作效率。同時，控制系統(tǒng)整體體積小，攜帶方便，通過藍牙與刺激器無線通信，擴大了控制設備移動范圍，因此控制設備可以放置在任何方便的位置，幾乎不占用實驗平臺面積。實驗證實應用此控制系統(tǒng)控制超聲刺激器，實現(xiàn)了超聲腦刺激信號的設定與獲取。

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Design and Implementation of the Control System for Ultrasonic Stimulator Based on Android

ZHANG Ying-juan, ZHENG Zheng, WU Yong-liang
(School of Medical Instrument and Food Engineering, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093, China)

The ultrasonic stimulator is a necessary tool for the study of neural modulation. However, most of the software control parts of the ultrasonic stimulator are completed by PC at present, and the equipment is large and cannot meet operators’ needs of remote control. For that, an ultrasonic stimulator control system based on the Android platform was designed. The software section of this system could be communicated to the stimulator through the mobile phone Bluetooth port. The information input from the mobile terminal could be sent from the section to the field-programmable gate array (FPGA) of the stimulator to compile and process. An experiment was conducted that parameters were sent to the stimulator through the system and processed with the stimulator. Then the stimulation signal needed by brain stimulation was observed on the oscilloscope. The results have shown the accurate transmission of parameters and effective control of the system. Meanwhile, the device, with small size and simple design interface, is easy to carry and operate. It also expand the operating range of researchers. Thus the device is of practical value to a certain extent.

Ultrasonic stimulator; Control equipment; Android; Bluetooth; FPGA; Stimulus signal

R318.04

A

10.3969/j.issn.1003-6970.2017.11.028

本文著錄格式：張滎娟，鄭政，吳永亮. 基于Android的超聲刺激器的控制系統(tǒng)設計與實現(xiàn)[J]. 軟件，2017，38（11）：142-146

張滎娟(1992-），女，碩士研究生，研究方向：醫(yī)學超聲；鄭政(1961-），男，博士，研究員，研究生導師，研究方向：超聲影像、超聲神經(jīng)調(diào)制、神經(jīng)生物學；吳永亮(1994-），男，碩士研究生，研究方向：醫(yī)學超聲。