可穿戴無線生物電反饋控制系統(tǒng)設(shè)計*

張云鵬,王計平,熊大曦,郭立泉

(中國科學(xué)院蘇州生物醫(yī)學(xué)工程技術(shù)研究所,江蘇 蘇州 215163)

0 引 言

生物體任何的細微活動都與生物電有關(guān),利用生物電信號可以有效推知生理過程和機體問題[1,2],從而有針對性的治療和調(diào)節(jié)[3,4],因此生物電的獲取和反饋對于臨床和基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)研究具有非常重要的意義[5]。目前,研究中常用的生物電反饋實驗系統(tǒng)多用分立儀器搭建,造成成本高、體積大,難以便攜及移動等問題,同時系統(tǒng)一般只能應(yīng)用于特定實驗范式,無法滿足多類型生物電控制的需求[6,7]。

本文提出了一種可穿戴無線生物電反饋控制系統(tǒng),并給出了具體電路實現(xiàn)。實驗和測試結(jié)果表明：系統(tǒng)可以準(zhǔn)確獲取全動態(tài)范圍生物電信號,并可根據(jù)算法反饋±5 V范圍內(nèi)的生物電脈沖刺激,實現(xiàn)生物電采集、控制和反饋的一體化實驗需要。

1 系統(tǒng)基本原理

本文設(shè)計了一種便于攜帶、拆卸方便、靈活性和實用性強的無線生物電反饋控制系統(tǒng),該系統(tǒng)以可拆卸的方式穿戴在人體的腰間、胸前或任意附近身體上,也可應(yīng)用于靈長類動物實驗中,通過電極獲取指定位點的生物電信號,及輸出生物電反饋至指定調(diào)節(jié)區(qū)域。計算機軟件中提供了數(shù)據(jù)及波形顯示界面及參數(shù)配置頁,以及輸入可調(diào)節(jié)閾值控制閉環(huán)反饋過程。系統(tǒng)與軟件之間采用Wi-Fi協(xié)議透傳。

2 系統(tǒng)設(shè)計

2.1 總體設(shè)計

系統(tǒng)框圖如圖1所示,主要包括通道選通電路、模擬前端電路、生物電反饋電路、安全保護電路以及數(shù)據(jù)采集與處理程序等幾個部分。其中無線網(wǎng)絡(luò)控制部分選用CC3200芯片設(shè)計,該芯片特有一個Wi-Fi片上互聯(lián)網(wǎng),包含802.11 b/g/n 射頻、基帶和具有強大加密引擎的 MAC,以實現(xiàn)支持 256 位加密的快速、安全互聯(lián)網(wǎng)連接。控制器選用STM32F系列芯片,其采用Cortex M4內(nèi)核,新增硬件浮點單元(float point unit,FPU)單元以及數(shù)字信號(digital signal processing,DSP)指令,尤其適用于需要浮點運算或DSP的應(yīng)用。

圖1 無線多重生物電反饋控制系統(tǒng)框圖

2.2 通道選通電路

由于本文中所采用電極為Medtronic醫(yī)用4觸點電極,考慮到信號采集過程中,相鄰兩個觸點并不常用,因此設(shè)計采集輸入為4種控制模式,即點位1和點位3,點位1和點位4,點位2和點位3,點位2和點位4。信號反饋過程中,任意兩個觸點可以作為生物電反饋回路通路,因此本文運用三個高速模擬開關(guān)組成了通道選通電路,對生物電的獲取和反饋進行切換,大大簡化后續(xù)信號模擬前端調(diào)理電路的設(shè)計。通道選取電路如圖2所示。

圖2 通道選取電路

2.3 模擬前端電路

傳統(tǒng)設(shè)計通常由模擬抗混疊濾波器、多級放大電路和陷波電路等來提高信號的信噪比,這也是導(dǎo)致其體積大不利于實現(xiàn)便攜的主要原因。本文在通道選用電路之后使用2階阻容高低通濾波對輸入信號進行初步過濾,控制輸入頻率范圍在2～80 Hz之間,然后采用TI公司的ADS1299為核心部件進行信號調(diào)理和轉(zhuǎn)化,主要是考慮到該芯片專為微弱電信號采集而設(shè)計,由STM32通過SPI接口控制,接收到數(shù)據(jù)后,ADS1299會通過DRDY引腳產(chǎn)生高低電平變化,進而通過設(shè)置STM32引腳為外部中斷引腳,達到低功耗聯(lián)動的目的。其電路圖如圖3所示。

圖3 模擬前端電路

ADS1299輸入端被配置為差分采集模式,并且每個輸入端都集成有EMI濾波器,能有效地抑制外部射頻干擾；具有靈活的路由交換器,可以將任何輸入連接到放大器的輸入端；集成有持續(xù)斷電檢測電路,可以隨時監(jiān)測電極是否斷開；內(nèi)部集成了8路并行的可編程增益放大器(programmable gain amplifier,PGA)和模數(shù)轉(zhuǎn)換器(analog to digital converter,ADC),可以提供很高的采集轉(zhuǎn)換精度；內(nèi)部還集成有偏置驅(qū)動放大器,可以有效抑制共模干擾噪聲。

2.4 生物電反饋電路

生物電反饋電路采用16位高精度的高速DA芯片AD5761R進行設(shè)計,該芯片內(nèi)置2.5 V參考電壓,輸出電脈沖范圍正負5 V,通過STM32配置驅(qū)動生物電反饋輸出單向、雙向?qū)ΨQ、雙向非對稱等脈沖群,并通過運放跟隨電路增加驅(qū)動能力,如圖4所示。

圖4 生物電反饋電路

同時考慮到生物電反饋作用于生物體的安全性,本文選擇將輸出電流通過檢測放大電路放大20倍后,再將電壓抬升2.5 V,利用雙通道窗口比較器電路,將輸出電壓范圍限制在0.5～4.5 V之間,進而將電流限制在10 mA以內(nèi),當(dāng)由于負載阻抗過低導(dǎo)致電流超過安全閾值后,安全保護模擬電路會自動控制模擬開關(guān)斷開反饋通道。

2.5 系統(tǒng)上電自檢過程

系統(tǒng)上電后,STM32對時鐘和各類接口進行初始化后,會啟動上電自檢程序,自動檢測各關(guān)鍵模塊功能是否正常,通過自帶AD采集電池電壓,與滿電電壓比較,判斷當(dāng)前電量并預(yù)估續(xù)航時間,當(dāng)電量和續(xù)航時間超過設(shè)定閾值時自檢完成,否則返回錯誤代碼；通過設(shè)置模擬開關(guān)使得反饋端與采集端短接,反饋端輸出預(yù)先設(shè)置信號,利用系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)并與原信號比較,判斷電極接口是否存在短路或斷路情況,以及驗證通路選擇功能是否正常。驗證完成后可向通過Wi-Fi向軟件端發(fā)送信息表示數(shù)據(jù)通路完好,此時上位機顯示上電自檢完成,同時通過LED指示燈狀態(tài)判斷系統(tǒng)自檢狀態(tài)。系統(tǒng)工作流程如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)工作流程

2.6 上位機軟件設(shè)計

本文上位機軟件基于.NET環(huán)境設(shè)計,采用C#語言編寫,分為兩部分設(shè)計,首先將硬件裝置配置為網(wǎng)絡(luò)接入點模式,提供相應(yīng)的IP地址和端口號,計算機通過TCP/IP協(xié)議在電腦端虛擬串口,然后選通串口并接收數(shù)據(jù)顯示及發(fā)送控制命令?？刂栖浖譃榻涌凇⒉杉?、刺激、數(shù)據(jù)、功能、顯示6個部分,如圖6所示。

圖6 軟件控制界面

3 實驗結(jié)果與分析

在對比實驗過程中,本文選擇了美國BIOPAC公司生產(chǎn)的MP150系列多導(dǎo)生理記錄儀作為對比設(shè)備,其具備電生理信號記錄功能,可以完成心電、腦電、肌電等生物電記錄,同時具備在線或離線數(shù)字濾波功能可對原始信號進行抗干擾處理,可在放大器上選擇增益,采樣率可以自由設(shè)定。對比過程為同時利用對比設(shè)備和本文系統(tǒng)對生物電信號進行采集,并對兩組原始信號分別進行3～90 Hz帶通濾波處理,結(jié)果如圖7所示。

圖7 系統(tǒng)功能測試結(jié)果

從圖7可以看出,利用本文設(shè)計的系統(tǒng)與商用設(shè)備獲取的生物電信號基本一致。

在反饋測試實驗中,通過信號發(fā)生器、燒杯及生理鹽水搭建環(huán)境模擬欲采集的微幅級生物電信號,通過調(diào)節(jié)信號發(fā)生器幅度調(diào)節(jié)初始信號幅度,再加入文中裝置進行信號采集。軟件中配置Close Loop模式,調(diào)節(jié)源信號幅值,示波器抓取刺激輸出信號,記錄設(shè)備測試從調(diào)節(jié)幅值開始到刺激輸出的時間間隔,為閉環(huán)控制延遲,刺激輸出默認為正負2 V,500 μs,100 Hz。

實驗中通過信號發(fā)生器結(jié)合生理鹽水模擬人體組織參數(shù)的方法為基礎(chǔ)研究過程中的慣例方法,可以較好地用于信號采集測試。經(jīng)過實驗測試,生物電反饋滿足實時的要求,相關(guān)誤差都在允許范圍內(nèi)。

4 結(jié) 論

本文提出了一種多重生物電閉環(huán)反饋控制方法,并給出了具體電路實現(xiàn)和系統(tǒng)設(shè)計。實驗對模擬微弱生物電信號進行對比測試和反饋測試,結(jié)果顯示：本便攜式系統(tǒng)信號采集范圍在±2.5 V之間,精度可以達到0.5 μV,對比實驗結(jié)果一致；生物電反饋范圍±5 V之間,精度可以達到0.1 V；閾值反饋實驗顯示本系統(tǒng)可實現(xiàn)實時控制反饋開關(guān)；系統(tǒng)體積14 cm× 6 cm×2 cm,重量292 g,可連續(xù)工作1周時間,其無線空曠控制距離45 m,滿足多類型生物電采集、無線可調(diào)電脈沖反饋,以及閉環(huán)實時控制的需要,為臨床及基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)研究提供了一套科研工具。