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，運動功能障礙作為一種普發的后遺癥，成為患者家庭和社會的沉重負擔。因此醫學界對運動功能的康復治療研究從未間斷[1,2]。神經肌肉電刺激技術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，誘導其運動神經恢復再生。

表面肌電信號是表面肌纖維產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肌肉活動的生物學信息，其采集具備無痛、無創、便攜等優點，被應用于肌肉機能狀態檢測、脈沖電刺激反饋治療、假肢控制等領域。

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，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方案[4]，實現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控，及時調整刺激策略，以避免刺激引發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總體設計

生物反饋電刺激系統總體結構框架如圖1所示。肌電信號經信號采集與處理電路后送給主控單元進行數據處理和顯示；主控單元控制刺激脈沖輸出作用于患者。系統同時具有體溫、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總體結構框架

(1)主控單元：主控芯片采用STM32F103RCT6單片機，負責數據分析處理、產生電刺激脈沖的驅動信號、控制屏幕顯示和語音提示、存取檔案數據庫等功能實現。

(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，實現對肌電信號放大、濾波、降噪和模數轉換功能。

(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構框圖如圖2所示。

圖2 肌電信號采集電路結構框圖

2.1.1 帶通濾波電路

根據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拓撲結構，可在通頻帶內保持信號的穩定增益，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為：

(1)

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

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療設備，刺激電路輸出精度是設計的關鍵。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，與調節電阻R1構成串聯支路，負載電阻為Rx。忽略柵極電流IG的影響，根據電路原理可得，源極電流IS=Ui/R1，其中Ui由主控芯片自帶的DAC控制輸出，實現壓控恒流輸出。

圖6 恒流脈沖刺激電路

3 軟件設計

系統選用Keil IDE進行控制程序的編寫，使用嵌入式實時操作系統μC/OS-Ⅱ，結合功能需求進行內核任務設計。系統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的數據循環隊列，將采集到的數據值放置在隊列中，每出隊一個數據由新采集的數據補位。將出隊的每個數據累加，直到隊尾數據，獲得25個數據的平均值，作為該時刻采集到的肌電信號值，通過串口發送給屏幕進行顯示。重復上述過程，直到訓練過程結束。

3.2 脈沖輸出任務

通過解析屏幕發送的指令數據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信號作為產生刺激脈沖的驅動信號：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，直到刺激過程結束。

4 系統試驗分析

4.1 信號處理電路測試

由信號發生器產生幅值為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果分別如表1、表2及表3所示。

表1 低通濾波電路測試數據

表2 高通濾波電路測試數據

表3 工頻陷波電路測試數據

根據理論計算，高、低通濾波器通帶頻率設計值為20.3 Hz～204.3 Hz。由以上數據可知：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驅動信號如圖9所示。

圖9 輸出的PWM驅動信號

5 結論

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，對刺激效果實時監測，便于及時調整刺激治療策略，從而提升治療效果。