葛志鵬,張元良
(大連理工大學 機械工程學院,遼寧 大連 116024)
近年來,由于中老年人腦血管疾病高發(fā),運動功能障礙作為一種普發(fā)的后遺癥,成為患者家庭和社會的沉重負擔。因此醫(yī)學界對運動功能的康復治療研究從未間斷[1,2]。神經(jīng)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(jīng)恢復再生。
表面肌電信號是表面肌纖維產(chǎn)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(jīng)肌肉活動的生物學信息,其采集具備無痛、無創(chuàng)、便攜等優(yōu)點,被應用于肌肉機能狀態(tài)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(xiàn)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(tǒng)方案[4],實現(xiàn)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(jiān)控,及時調(diào)整刺激策略,以避免刺激引發(fā)的肌肉痙攣或過度刺激造成的治療失敗。
生物反饋電刺激系統(tǒng)總體結構框架如圖1所示。肌電信號經(jīng)信號采集與處理電路后送給主控單元進行數(shù)據(jù)處理和顯示;主控單元控制刺激脈沖輸出作用于患者。系統(tǒng)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(tǒng)總體結構框架
(1)主控單元:主控芯片采用STM32F103RCT6單片機,負責數(shù)據(jù)分析處理、產(chǎn)生電刺激脈沖的驅(qū)動信號、控制屏幕顯示和語音提示、存取檔案數(shù)據(jù)庫等功能實現(xiàn)。
(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(xiàn)對肌電信號放大、濾波、降噪和模數(shù)轉(zhuǎn)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。
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(jù)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(nèi)保持信號的穩(wěn)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(shù)為:
(1)
圖4中,C=C47=C56,R1=R21,R2=R22,高通濾波電路傳遞函數(shù)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(tǒng)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(shù)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。
對于直接作用在人體的醫(yī)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(tài),與調(diào)節(jié)電阻R1構成串聯(lián)支路,負載電阻為Rx。忽略柵極電流IG的影響,根據(jù)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(xiàn)壓控恒流輸出。
圖6 恒流脈沖刺激電路
系統(tǒng)選用Keil IDE進行控制程序的編寫,使用嵌入式實時操作系統(tǒng)μC/OS-Ⅱ,結合功能需求進行內(nèi)核任務設計。系統(tǒng)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。
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(shù)據(jù)循環(huán)隊列,將采集到的數(shù)據(jù)值放置在隊列中,每出隊一個數(shù)據(jù)由新采集的數(shù)據(jù)補位。將出隊的每個數(shù)據(jù)累加,直到隊尾數(shù)據(jù),獲得25個數(shù)據(jù)的平均值,作為該時刻采集到的肌電信號值,通過串口發(fā)送給屏幕進行顯示。重復上述過程,直到訓練過程結束。
通過解析屏幕發(fā)送的指令數(shù)據(jù)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(chǎn)生刺激脈沖的驅(qū)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(jù)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。
由信號發(fā)生器產(chǎn)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(shù)據(jù)
表2 高通濾波電路測試數(shù)據(jù)
表3 工頻陷波電路測試數(shù)據(jù)
根據(jù)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(shù)據(jù)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。
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(shù)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(tǒng)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(qū)動信號如圖9所示。
圖9 輸出的PWM驅(qū)動信號
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(xiàn)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(jiān)測,便于及時調(diào)整刺激治療策略,從而提升治療效果。