表面肌電信號實(shí)時(shí)反饋式電刺激康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

楊洋，李丕丁

上海理工大學(xué)醫(yī)療器械與食品學(xué)院(上海，200093)

表面肌電信號實(shí)時(shí)反饋式電刺激康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

楊洋，李丕丁

上海理工大學(xué)醫(yī)療器械與食品學(xué)院(上海，200093)

為使腦卒中偏癱病人在早期康復(fù)訓(xùn)練和護(hù)理中得到更加有效更加安全的治療手段，該文提出一種基于皮膚表面肌電信號(sEMG)作為反饋的功能性電刺激康復(fù)治療儀系統(tǒng)。系統(tǒng)中包含皮膚表面肌電信號拾取電路、刺激信號發(fā)生電路、殘余電荷釋放電路(用于釋放刺激堆積在人體組織和電極上的刺激信號殘余電荷，降低刺激信號對肌電信號的干擾)和STM32單片機(jī)控制電路。該系統(tǒng)是一種以皮膚表面肌電信號作為反饋的功能性電刺激康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)，具有較高有效性和安全性。在腦卒中偏癱患者早期康復(fù)訓(xùn)練中起著重要的作用，擁有前景廣闊的醫(yī)療應(yīng)用市場。

皮膚表面肌電信號;反饋;功能性電刺激;康復(fù)訓(xùn)練

0 引言

腦卒中是一種突發(fā)性的腦部血液循環(huán)障礙性疾病，很難做好疾病的預(yù)防，通常腦卒中患者術(shù)后會留下偏癱后遺癥，給患者將來的生活帶來諸多不便。功能性電刺激是腦卒中術(shù)后康復(fù)訓(xùn)練的一種重要手段，隨著腦卒中的發(fā)病率呈日益增加的趨勢，術(shù)后的康復(fù)訓(xùn)練就越發(fā)的顯得重要［1］。

功能性電刺激(Functional Electrical Stimulation，F(xiàn)ES)是一種采用低頻電流刺激失去神經(jīng)控制的肌肉，誘發(fā)肌肉群產(chǎn)生收縮，代替或矯正器官及肢體已喪失的功能。對腦卒中患者術(shù)后的康復(fù)訓(xùn)練治療有著巨大的促進(jìn)作用。目前臨床應(yīng)用中的功能性電刺激治療儀有兩種常規(guī)形式:一種是無反饋式的，它是依靠醫(yī)護(hù)人員手動調(diào)節(jié)刺激信號參數(shù)，沒有加入患者訓(xùn)練主觀意愿的簡單電刺激康復(fù)訓(xùn)練儀;另一種是在對患者被訓(xùn)練肌群肌電信號的采集、儲存和分析后，施加不可變的刺激信號于被訓(xùn)練肌群，并等待刺激完成后再開始重復(fù)下一次刺激訓(xùn)練。這兩種電刺激訓(xùn)練系統(tǒng)都無法滿足根據(jù)患者實(shí)時(shí)的肌電信號反饋于刺激信號輸出量以達(dá)到輸出符合患者主觀意愿的刺激強(qiáng)度［2］。

因此，本文以克服目前功能性電刺激儀在臨床應(yīng)用中突顯出的不足之處為目標(biāo)，設(shè)計(jì)一款基于皮膚表面肌電信號作為實(shí)時(shí)反饋量的功能性電刺激康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)，其具有無創(chuàng)、高效、安全以及低成本等優(yōu)點(diǎn)。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與硬件電路實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示，包括了皮膚表面肌電信號拾取電路、刺激信號發(fā)生電路和基于ARM Cortex-M3為內(nèi)核的32位單片機(jī)STM32主控電路。本次設(shè)計(jì)中涉及一種刺激殘余電荷釋放電路，用于釋放因刺激脈沖信號殘余在人體組織和電極片上的電荷。其中皮膚表面肌電信號拾取電路包含前置放大器、右腿驅(qū)動電路、高通濾波器、低通濾波器、工頻陷波器以及可變增益放大器，刺激信號發(fā)生電路包含升壓模塊、脈沖輸出控制模塊和電流/電壓安全檢測模塊，控制模塊包含肌電信號采集、刺激脈沖電壓/電流信號采集、LCD顯示、信息儲存、安全預(yù)警和整個(gè)系統(tǒng)的控制。

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

1.1 肌電信號拾取方案設(shè)計(jì)

表面肌電信號(Surface Electromyography，sEMG)是肌肉收縮時(shí)伴隨的電信號，由肌肉興奮時(shí)所募集的運(yùn)動單位所產(chǎn)生的一個(gè)個(gè)動作電位序列在皮膚表面疊加而成［3］，是一種非平穩(wěn)的微弱信號。正因?yàn)楸砻婕‰娦盘柼崛【哂蟹奖?、無創(chuàng)傷、準(zhǔn)確率高等特點(diǎn)，在生物醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域提取表面肌電信號是體表無創(chuàng)檢測肌肉活動的一種重要方法［4］。

皮膚表面肌電信號幅度峰峰值為0～6 mV，方差為0～1.5 mV。信號的有用能量在0～500 Hz的頻率范圍，主要集中在50～150 Hz頻率范圍內(nèi)。為從皮膚表面提取到信噪比較高的肌電信號，肌電信號拾取電路設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 表面肌電拾取電路框圖Fig.2 sEMG signal acquisition block diagram

圖3 皮膚表面肌電信號拾取電路圖Fig.3 Circuit diagram of sEMG signal acquisition

1.2 參數(shù)可調(diào)節(jié)刺激脈沖信號發(fā)生電路設(shè)計(jì)

由于人體對刺激脈沖的耐受程度因人而異，所以在“智能”電刺激系統(tǒng)中刺激脈沖信號是可變的。脈沖信號主要有三個(gè)參數(shù):①周期、②占空比、③脈沖幅值。通過調(diào)節(jié)輸出脈沖信號這三個(gè)參數(shù)的大小達(dá)到改變不同刺激強(qiáng)度的需求。本文設(shè)計(jì)恒壓雙相刺激信號發(fā)生電路框圖如圖4中所示，雙相刺激信號能有效地減輕皮膚因極化反應(yīng)造成的腐蝕［8］。

圖4 刺激脈沖信號發(fā)生電路框圖Fig.4 The stimulation pulse signal generator block diagram

其中包含的恒壓源模塊在微控制器的調(diào)解下，可輸出電壓幅值范圍0～60 V的穩(wěn)定電壓。本文中運(yùn)用“H橋”式交流驅(qū)動電路產(chǎn)生雙相的正負(fù)脈沖方波作為刺激信號?！癏橋”如圖5中所示，采用兩片驅(qū)動芯片L6384和4個(gè)功率MOSFET管AOD4126構(gòu)成橋式結(jié)構(gòu)。L6384是TI公司專門的半橋驅(qū)動芯片，具有外圍電路簡單、占用空間小等特點(diǎn)。AOD4126是一款導(dǎo)通時(shí)RDS＜24 mΩ(VGS= 10 V)的N通道MOSFET管，在應(yīng)用于開關(guān)場合中具有納秒級響應(yīng)性能。圖示中Q1、Q4和Q2、Q3在PWM1和PWM2信號的控制下輪流導(dǎo)通，流經(jīng)負(fù)載的電流方向根據(jù)導(dǎo)通方向而改變。

圖5 “H橋”電路圖Fig.5“H bridge”circuit diagram

1.3 刺激殘余電荷釋放電路

因?yàn)樵诖碳み^程中，電極與皮膚組織表面會產(chǎn)生極化反應(yīng)，堆積一些由刺激信號殘余下來的電子或離子。這樣的殘余電荷會在肌電拾取電極上產(chǎn)生較大的差模信號影響肌電信號的采集。本論文中設(shè)計(jì)一種開關(guān)控制的電荷低阻抗通路，在刺激脈沖結(jié)束時(shí)刻立即打開通路開關(guān)，為殘余電荷提供一條低阻抗電荷通路，使其快速流向電路中的大地。如圖6中所示其結(jié)構(gòu)，其中刺激電極片之間是具有一定電阻抗的人體組織。SW1和SW2是以光耦構(gòu)成的開關(guān)電路的控制信號，該開關(guān)電路中串聯(lián)著低阻抗負(fù)載(遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于電極之間的人體組織阻抗)。其中波形圖中所示刺激信號為正向脈沖(本文中定義為刺激電流由“+”極流向“-”極)，控制信號SW1將在正向刺激脈沖結(jié)束時(shí)立即閉合開關(guān)使得刺激殘余電荷從低阻抗電通路中流向大地，在負(fù)向脈沖(本文中定義為刺激電流由“-”極流向“+”極)到來前開關(guān)斷開;反之當(dāng)刺激信號為負(fù)向脈沖，控制信號SW2將在負(fù)向脈沖結(jié)束時(shí)立即閉合開關(guān)使得刺激殘余電荷從另外一低阻抗通路中釋放掉。

圖6 刺激殘余電荷釋放電路Fig.6 Circuit of the stimulation residual charge released

2 基于單片機(jī)stm32的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

采用ARM為內(nèi)核的單片機(jī)STM32作為系統(tǒng)微處理器，STM32是一款低成本、低功耗和高效能的微控制器。STM32F103ZET6是STM32下的一子型號單片機(jī)，內(nèi)部集成3個(gè)12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器、多達(dá)11個(gè)定時(shí)器、USART、SPI、I2C、存儲器等豐富的外設(shè)。通過STM32F103ZET6控制整個(gè)系統(tǒng)模擬信號采集、分析和處理，且實(shí)時(shí)采集肌電信號用以反饋調(diào)節(jié)刺激信號強(qiáng)度，系統(tǒng)通過檢測刺激脈沖信號的電流/電壓大小做出安全措施及安全預(yù)警。控制系統(tǒng)的流程如圖7所示。

圖7 反饋控制系統(tǒng)流程圖Fig.7 Flow chart of feedback control system

系統(tǒng)在開始進(jìn)入電刺激訓(xùn)練前，將根據(jù)患者間差異檢測當(dāng)前患者對刺激強(qiáng)度的最大耐受值，并作為反饋系統(tǒng)的上限標(biāo)準(zhǔn)。系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集肌電信號通過對刺激信號參數(shù)的估計(jì)并將參數(shù)估計(jì)值立即反饋于刺激輸出發(fā)生器，刺激強(qiáng)度參數(shù)將不大于該最大耐受閾值。在電刺激訓(xùn)練期間若刺激電極間電流超出預(yù)先設(shè)定的安全值范圍，系統(tǒng)將立即觸發(fā)蜂鳴器報(bào)警并斷開刺激信號輸出回路避免人體組織上施加過大電流導(dǎo)致?lián)p傷。

3 總結(jié)

本次以ARM為內(nèi)核的STM32單片機(jī)作為控制中心，構(gòu)建具有實(shí)時(shí)肌電反饋功能的電刺激訓(xùn)練系統(tǒng)。本系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集肌電信號進(jìn)行數(shù)據(jù)特征值提取，分析得到當(dāng)前最佳的刺激強(qiáng)度。該最佳刺激強(qiáng)度反映患者本身的肌電信號強(qiáng)度，使得治療更加地符合患者的主觀意愿。由于人體組織本身的阻抗特性并且電荷在電極與人體組織接合面產(chǎn)生的極化反應(yīng)，刺激脈沖電荷會在組織與電極處發(fā)生遲滯并殘留在此，殘留的電荷會在肌電采集電極上引起差分電勢進(jìn)入肌電信號拾取電路，影響肌電信號的提取。文中所設(shè)計(jì)的刺激殘余電荷釋放電路能有效地為殘余在組織與電極界面上的電荷提供一條低阻抗電通路，及時(shí)釋放掉殘余電荷。從而大大降低其對肌電信號采集產(chǎn)生的干擾。進(jìn)一步加強(qiáng)了肌電信號反饋控制刺激信號參數(shù)的穩(wěn)定性。

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Design of Real-time sEMG Feedback Type Electrical Stimulation Rehabilitation Training System

YANG Yang，LIPiding
School of Medical Instrument and Food Engineering，University of Shanghai for Science and Technology(Shanghai，200093)

Tomake partial stroke patients havemore effective and sager treatment in the early rehabilitation training and nursing，this paper puts forward the system of functional electrical stimulation of rehabilitation instrument that based on the surface electromyography(sEMG)as feedback.The system includes sEMG pick-up circuit，stimulus signal generating circuit，charge releasing circuit which is used for releasing the residual charge between the body's tissues and electrode to reduce the stimulation interference of sEMG signal immensely and STM32 MUC control circuit.As a functional electrical and rehabilitation instrument system，the system is based on the surface electromyography as feedback，which has high efficacy and safety and plays an important role and has broad prospects formedical applicationsmarket in partial stroke patients'early rehabilitation training.

surface electromyography，feedback，functional electrical stimulation，rehabilitation training

R318

A

1674-1242(2015)03-0142-04

10.3969/j.issn.1674-1242.2015.03.004

2015-05-25)

楊洋，E-mail:1162621368@qq.com