基于肌張力反饋的深層肌肉刺激儀控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

宮迎嬌，張?jiān)?，孫 源

（大連理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院， 遼寧大連 116024）

0 引言

深層肌肉刺激儀主要通過機(jī)械振動(dòng)作用于人體肌肉組織，達(dá)到減少筋膜粘連、緩解疼痛、減少乳酸堆積等效果，目前在康復(fù)治療、運(yùn)動(dòng)損傷治療以及神經(jīng)性疾病的輔助治療中都有著廣泛的應(yīng)用[1]。肌肉刺激儀出現(xiàn)之初，振動(dòng)頻率較為固定，治療范圍也僅限于運(yùn)動(dòng)造成的肌肉損傷康復(fù)，功能較為單一。隨著技術(shù)的進(jìn)步，深層肌肉刺激儀也漸漸得到了發(fā)展，例如，出現(xiàn)了可以通過控制頻率來調(diào)節(jié)刺激深度的肌肉刺激儀、多路振動(dòng)治療儀等新型儀器。深層肌肉刺激儀的功能得到豐富，穩(wěn)定性及智能化程度也都得到提升。

隨著深層肌肉刺激儀應(yīng)用范圍的拓展，醫(yī)療界對(duì)其智能化的需求也逐漸增加。通過分析市面上現(xiàn)有的同類儀器發(fā)現(xiàn)，其控制方式往往由醫(yī)護(hù)人員憑借經(jīng)驗(yàn)手動(dòng)控制，缺少適當(dāng)?shù)姆答伩刂?。若在控制系統(tǒng)中加入合理的參考量作為反饋，深層肌肉刺激儀的智能化程度將得到大幅度的提升。

肌張力（Muscle Tone）是指肌肉松弛狀態(tài)下的緊張度和被動(dòng)運(yùn)動(dòng)時(shí)遇到的阻力。肌張力的大小可以表征多種神經(jīng)性疾病，例如脊髓前角灰質(zhì)炎、小腦病變、腦卒中等[2]。本文在深層肌肉刺激儀控制系統(tǒng)中加入肌張力檢測(cè)環(huán)節(jié)，并通過測(cè)得的數(shù)值對(duì)當(dāng)前治療效果進(jìn)行反饋，可以使儀器功能得到豐富，大大提升儀器的治療效果。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

肌張力大小反映了肌肉靜止時(shí)的緊張程度或運(yùn)動(dòng)時(shí)的牽引力。肌張力又分為靜止性肌張力、姿勢(shì)性肌張力和運(yùn)動(dòng)性肌張力。例如人在放松臥床休息時(shí)，肌肉之間的張力成為靜止性肌張力，維持站立姿勢(shì)時(shí)，需要靠肌肉維持身體穩(wěn)定；此時(shí)肌肉的張力成為姿勢(shì)性肌張力；人在走路或其他運(yùn)動(dòng)時(shí)，肌肉為保持運(yùn)動(dòng)過程連續(xù)、平滑而提供的張力成為運(yùn)動(dòng)性肌張力[2]。

肌張力的大小可作為許多肌源性疾病或神經(jīng)性疾病的表征。醫(yī)學(xué)研究顯示，例如進(jìn)行性肌營(yíng)養(yǎng)不良癥（Progressive Muscular Dystrophy）、多發(fā)性肌炎（Polymyositis， PM）、單神經(jīng)?。∕ononeruopathy）、肌萎縮性側(cè)索硬化（Amgotrophic Lateral Sclerosis）等疾病和都會(huì)導(dǎo)致肌張力減低。而Parkinson病、Huntington 舞蹈病、變形性肌張力障礙（Dystonia Muscu?lorumdefoumans）等疾病都會(huì)導(dǎo)致肌張力增高[3-5]。深層肌肉刺激儀在類似于上述肌源性疾病或神經(jīng)性疾病的治療或輔助治療過程中應(yīng)用非常廣泛，因此，將肌張力反饋環(huán)節(jié)加入深層肌肉刺激儀控制系統(tǒng)中，能夠讓儀器實(shí)用性更強(qiáng)，使用更加方便[6]。根據(jù)肌張力大小來調(diào)節(jié)刺激頻率，可大大節(jié)省人工成本，提高儀器的治療效率，使儀器更加智能化、人性化[7-9]。

系統(tǒng)選用功能豐富強(qiáng)大的STM32 單片機(jī)為核心控制器，該單片機(jī)運(yùn)算能力強(qiáng)大，可滿足系統(tǒng)控制需求。系統(tǒng)選用57BL06型無刷直流電機(jī)，由電機(jī)通過軟軸帶動(dòng)凸輪的方式產(chǎn)生振動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)深層肌肉進(jìn)行振動(dòng)治療的功能。電機(jī)采用三相全橋驅(qū)動(dòng)方式，并利用正弦波調(diào)制（SPWM）的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)其轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速的控制。系統(tǒng)主要分為單片機(jī)模塊、電機(jī)控制模塊、人機(jī)交互模塊、肌張力采集模塊、報(bào)警指示模塊、調(diào)試接口以及電源模塊組成。控制系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 深層肌肉刺激儀控制系統(tǒng)

直流無刷電機(jī)通過電橋驅(qū)動(dòng)，并由驅(qū)動(dòng)控制IC 進(jìn)行控制。為保證電機(jī)運(yùn)行的穩(wěn)定性，采用速度環(huán)與電流環(huán)雙閉環(huán)控制的控制方法，因此需要位置監(jiān)測(cè)和電流監(jiān)測(cè)電路，并將位置信息及電流信息分別傳輸至驅(qū)動(dòng)控制IC 和STM32 單片機(jī)，對(duì)電機(jī)的運(yùn)行進(jìn)行控制。為方便使用，人機(jī)交互模塊采用觸摸屏，通過接口電路將其與單片機(jī)相連，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)顯示以及指令的采集。肌張力采集模塊主要由肌張力傳感器以及濾波、放大電路組成。此外，系統(tǒng)還需要蜂鳴器報(bào)警電路對(duì)異常情況進(jìn)行報(bào)警，指示燈進(jìn)行上電指示，以及相應(yīng)的調(diào)試接口進(jìn)行程序燒錄等。

通過查詢上述各模塊需要的供電電壓，設(shè)計(jì)深層肌肉刺激儀控制系統(tǒng)的供電方案如圖2所示。

圖2 深層肌肉刺激儀控制系統(tǒng)供電方案

首先，由AC220 V 轉(zhuǎn)DC24 V 模塊將220 V 交流市電轉(zhuǎn)換為24 V直流電，并為無刷直流電機(jī)供電；再分別設(shè)計(jì)24 V轉(zhuǎn)12 V以及24 V轉(zhuǎn)5 V電路將24 V直流電分兩路轉(zhuǎn)換為12 V和5 V直流電，其中12 V直流電為屏幕和電橋驅(qū)動(dòng)電路供電，5 V直流電為驅(qū)動(dòng)控制IC 及觸摸屏接口電路供電；最后由5 V 轉(zhuǎn)3.3 V 電路得到3.3 V 直流電，為STM32 單片機(jī)以及其外圍的報(bào)警指示電路、調(diào)試接口電路供電。

2 系統(tǒng)主要模塊硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 單片機(jī)基準(zhǔn)電源

單片機(jī)模塊電路主要為單片機(jī)最小系統(tǒng)，包括電源電路、晶振電路以及復(fù)位電路。此外，由于系統(tǒng)中肌張力檢測(cè)模塊應(yīng)用了STM32內(nèi)部的ADC模塊，故還需要增加基準(zhǔn)電源電路，為ADC提供模數(shù)轉(zhuǎn)換時(shí)所需的參考電壓。單片機(jī)基準(zhǔn)電源模塊電路如圖3所示。

圖3 單片機(jī)基準(zhǔn)電源模塊電路

該電路的核心元件REF3025 是一種電壓基準(zhǔn)芯片，其主要功能為：在電壓輸入端輸入2.501～5.5 V 電壓，電壓輸出端將輸出恒定的2.5 V電壓，從而為單片機(jī)中的ADC提供參考電壓。RLC 部分電路的主要作用為隔離、濾波和緩沖，C7、C8主要用于濾除高頻干擾信號(hào)，鉭電容C9、C10 的作用是濾除低頻干擾信號(hào)。

2.2 電機(jī)控制模塊

電機(jī)控制模塊主要包括驅(qū)動(dòng)控制IC電路和電橋驅(qū)動(dòng)電路兩大部分，其中驅(qū)動(dòng)控制IC部分還應(yīng)考慮電流監(jiān)測(cè)和位置監(jiān)測(cè)電路。

選用無刷直流電機(jī)專用給的驅(qū)動(dòng)控制芯片JY01 進(jìn)行控制，該芯片的作用為接收電機(jī)內(nèi)置的霍爾傳感器采集的轉(zhuǎn)子位置信息，經(jīng)過運(yùn)算處理后輸出換向信息，使電機(jī)連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，同時(shí)將運(yùn)算獲得的電機(jī)轉(zhuǎn)速信息傳遞給單片機(jī)外部中斷引腳，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的速度閉環(huán)控制。該芯片還負(fù)責(zé)采集電機(jī)母線電流信息，起到保護(hù)電路的作用，實(shí)現(xiàn)電流閉環(huán)控制。驅(qū)動(dòng)控制IC電路如圖4所示。

圖4 驅(qū)動(dòng)控制IC電路

驅(qū)動(dòng)控制芯片通過控制逆變器實(shí)現(xiàn)電機(jī)定子的換向。系統(tǒng)采用三相全橋的驅(qū)動(dòng)方式，選用IR2101 芯片作為驅(qū)動(dòng)芯片，由該芯片同時(shí)驅(qū)動(dòng)兩個(gè)IRF540 型號(hào)的N 型MOSFET 功率管，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)。IR2101 芯片采用自舉的方式驅(qū)動(dòng)橋臂上的MOSFET管，采用SS16型肖特基二極管（D9）作為自舉二極管，C38是自舉電容，為1 μF的高質(zhì)量鉭電容。圖5所示為IR2101驅(qū)動(dòng)電路。

圖5 IR2101驅(qū)動(dòng)電路

2.3 肌張力傳感器接口電路

肌張力傳感器為橋路輸出，產(chǎn)生的信號(hào)較為微弱，需要經(jīng)放大電路放大到與單片機(jī)匹配的電壓后才能傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)進(jìn)行處理。圖6所示為肌張力傳感器接口電路。LM358為運(yùn)算放大器，為了防止單級(jí)放大倍數(shù)過高帶來的非線性誤差，放大電路采用兩級(jí)放大，前一級(jí)放大倍數(shù)約為10倍，后一級(jí)約為3倍。從電橋獲取的差分信號(hào)通過放大電路后輸入單片機(jī)內(nèi)置12位ADC的輸入引腳。肌張力傳感器接口由單片機(jī)提供的參考電壓供電。

圖6 肌張力傳感器接口電路

2.4 電源模塊

根據(jù)前述供電方案，設(shè)計(jì)電源模塊電路如圖7所示。

圖7 系統(tǒng)電源電路

分 別 選 用LM2576-12 和LM2576-5 作 為DC24 V 轉(zhuǎn)DC12 V、DC24 V轉(zhuǎn)DC5 V轉(zhuǎn)換芯片。AC220 V市電轉(zhuǎn)DC24 V模塊為外購(gòu)件，故在原理圖中不做表示。選用AMS1117 芯片為DC5 V轉(zhuǎn)DC3.3 V轉(zhuǎn)換芯片，單片機(jī)及驅(qū)動(dòng)控制芯片等需要較為穩(wěn)定的供電電壓，故需要對(duì)5 V 和3.3 V 電壓進(jìn)行濾波處理。多個(gè)電容并聯(lián)可得到更好的濾波效果。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)對(duì)深層肌肉刺激儀的合理控制，引入了實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。μC/OS-Ⅱ是一種常用的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，同時(shí)，μC/OS-Ⅱ?yàn)殚_源操作系統(tǒng)，方便在各開發(fā)平臺(tái)上的移植。參考官方移植說明，將系統(tǒng)底層代碼進(jìn)行移植，根據(jù)不同的硬件模塊，對(duì)相應(yīng)的控制任務(wù)進(jìn)行劃分，并編寫相應(yīng)的用戶代碼。用戶代碼則根據(jù)控制需求將系統(tǒng)劃分為多個(gè)任務(wù)，系統(tǒng)軟件框圖如圖8所示[10]。

系統(tǒng)調(diào)試任務(wù)主要應(yīng)用于系統(tǒng)調(diào)試階段，通過單片機(jī)串口與PC機(jī)通訊，完成程序燒錄等功能。參數(shù)存取任務(wù)主要為參數(shù)在單片機(jī)EEPROM 中的寫入和讀取，系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，從EEPROM 中讀取參數(shù)，運(yùn)行過程中則通過該任務(wù)將需要保存的參數(shù)寫入EEPROM。蜂鳴器報(bào)警任務(wù)為通過單片機(jī)I/O口設(shè)置蜂鳴器，使其報(bào)警，主要用于系統(tǒng)故障、違規(guī)操作等情景下對(duì)操作人員的提示。觸摸屏任務(wù)主要為單片機(jī)通過串行口于觸摸屏進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，將當(dāng)前運(yùn)行數(shù)據(jù)寫入觸摸屏，并從觸摸屏中讀取控制信息，對(duì)電機(jī)進(jìn)行下一步調(diào)節(jié)。肌張力檢測(cè)任務(wù)是通過傳感器對(duì)肌張力進(jìn)行采集，開啟單片機(jī)ADC通道進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，并將轉(zhuǎn)換得到的肌張力參數(shù)值用于電機(jī)調(diào)速任務(wù)。電機(jī)電流監(jiān)測(cè)任務(wù)為對(duì)電機(jī)母線電流的監(jiān)測(cè)，電流達(dá)到上限值時(shí)限制電機(jī)轉(zhuǎn)速使其不再增加，實(shí)現(xiàn)過流保護(hù)。電機(jī)速度監(jiān)測(cè)任務(wù)是單片機(jī)通過霍爾傳感器測(cè)得的位置信息計(jì)算出轉(zhuǎn)子實(shí)際轉(zhuǎn)速，用于電機(jī)速度調(diào)節(jié)。電機(jī)調(diào)速任務(wù)為單片機(jī)運(yùn)用PID 算法，根據(jù)肌張力值、電流值、當(dāng)前電機(jī)轉(zhuǎn)速以及設(shè)定轉(zhuǎn)速計(jì)算輸出控制量，使電機(jī)根據(jù)要求進(jìn)行加速、減速或保持當(dāng)前速度運(yùn)轉(zhuǎn)。

μC/OS-Ⅱ操作系統(tǒng)采用按優(yōu)先級(jí)搶占式規(guī)則進(jìn)行任務(wù)管理與調(diào)度。進(jìn)行任務(wù)劃分時(shí)，需要設(shè)定各個(gè)任務(wù)的優(yōu)先級(jí)。μC/OS-Ⅱ操作系統(tǒng)最多可創(chuàng)建64 個(gè)任務(wù)，故最多有64 個(gè)優(yōu)先級(jí)。優(yōu)先級(jí)用0～63 中的整數(shù)表示，數(shù)值越小，優(yōu)先級(jí)越高。對(duì)于用戶任務(wù)而言，對(duì)實(shí)時(shí)性要求較高的任務(wù)應(yīng)分配較高優(yōu)先級(jí)。以上任務(wù)中，因系統(tǒng)調(diào)試任務(wù)只在調(diào)試階段燒寫程序時(shí)使用，故對(duì)實(shí)時(shí)性要求最低；參數(shù)存取任務(wù)和蜂鳴器報(bào)警任務(wù)對(duì)實(shí)時(shí)性要求也都較低；觸摸屏任務(wù)需要進(jìn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行命令解析，對(duì)實(shí)時(shí)性要求中等；由于電機(jī)調(diào)速任務(wù)需要肌張力信號(hào)、電流信號(hào)以及當(dāng)前電機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)，故肌張力檢測(cè)任務(wù)、電機(jī)電流監(jiān)測(cè)任務(wù)、電機(jī)速度監(jiān)測(cè)任務(wù)都要在電機(jī)調(diào)速任務(wù)之前運(yùn)行。各個(gè)任務(wù)優(yōu)先級(jí)劃分如表1所示。

圖8 系統(tǒng)軟件框圖

4 結(jié)束語

本文將肌張力反饋引入深層肌肉刺激儀控制系統(tǒng)，豐富了現(xiàn)有儀器的使用功能，提高了儀器的智能化程度和使用效率，使深層肌肉刺激儀控制系統(tǒng)進(jìn)一步完善。系統(tǒng)使用的STM32 系列單片機(jī)功能強(qiáng)大，引腳豐富，使深層肌肉刺激儀有良好的可擴(kuò)展性。采用μC/OS-Ⅱ操作系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)控制任務(wù)間的靈活調(diào)度，保證電機(jī)對(duì)調(diào)節(jié)信息的快速響應(yīng)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的穩(wěn)定輸出，保證系統(tǒng)穩(wěn)定性和安全性。本系統(tǒng)具有良好的應(yīng)用和發(fā)展前景。