可穿戴无线生物电反馈控制系统设计*

张云鹏,王计平,熊大曦,郭立泉

(中国科学院苏州生物医学工程技术研究所,江苏 苏州 215163)

0 引 言

生物体任何的细微活动都与生物电有关,利用生物电信号可以有效推知生理过程和机体问题[1,2],从而有针对性的治疗和调节[3,4],因此生物电的获取和反馈对于临床和基础医学研究具有非常重要的意义[5]。目前,研究中常用的生物电反馈实验系统多用分立仪器搭建,造成成本高、体积大,难以便携及移动等问题,同时系统一般只能应用于特定实验范式,无法满足多类型生物电控制的需求[6,7]。

本文提出了一种可穿戴无线生物电反馈控制系统,并给出了具体电路实现。实验和测试结果表明：系统可以准确获取全动态范围生物电信号,并可根据算法反馈±5 V范围内的生物电脉冲刺激,实现生物电采集、控制和反馈的一体化实验需要。

1 系统基本原理

本文设计了一种便于携带、拆卸方便、灵活性和实用性强的无线生物电反馈控制系统,该系统以可拆卸的方式穿戴在人体的腰间、胸前或任意附近身体上,也可应用于灵长类动物实验中,通过电极获取指定位点的生物电信号,及输出生物电反馈至指定调节区域。计算机软件中提供了数据及波形显示界面及参数配置页,以及输入可调节阈值控制闭环反馈过程。系统与软件之间采用Wi-Fi协议透传。

2 系统设计

2.1 总体设计

系统框图如图1所示,主要包括通道选通电路、模拟前端电路、生物电反馈电路、安全保护电路以及数据采集与处理程序等几个部分。其中无线网络控制部分选用CC3200芯片设计,该芯片特有一个Wi-Fi片上互联网,包含802.11 b/g/n 射频、基带和具有强大加密引擎的 MAC,以实现支持 256 位加密的快速、安全互联网连接。控制器选用STM32F系列芯片,其采用Cortex M4内核,新增硬件浮点单元(float point unit,FPU)单元以及数字信号(digital signal processing,DSP)指令,尤其适用于需要浮点运算或DSP的应用。

图1 无线多重生物电反馈控制系统框图

2.2 通道选通电路

由于本文中所采用电极为Medtronic医用4触点电极,考虑到信号采集过程中,相邻两个触点并不常用,因此设计采集输入为4种控制模式,即点位1和点位3,点位1和点位4,点位2和点位3,点位2和点位4。信号反馈过程中,任意两个触点可以作为生物电反馈回路通路,因此本文运用三个高速模拟开关组成了通道选通电路,对生物电的获取和反馈进行切换,大大简化后续信号模拟前端调理电路的设计。通道选取电路如图2所示。

图2 通道选取电路

2.3 模拟前端电路

传统设计通常由模拟抗混叠滤波器、多级放大电路和陷波电路等来提高信号的信噪比,这也是导致其体积大不利于实现便携的主要原因。本文在通道选用电路之后使用2阶阻容高低通滤波对输入信号进行初步过滤,控制输入频率范围在2～80 Hz之间,然后采用TI公司的ADS1299为核心部件进行信号调理和转化,主要是考虑到该芯片专为微弱电信号采集而设计,由STM32通过SPI接口控制,接收到数据后,ADS1299会通过DRDY引脚产生高低电平变化,进而通过设置STM32引脚为外部中断引脚,达到低功耗联动的目的。其电路图如图3所示。

图3 模拟前端电路

ADS1299输入端被配置为差分采集模式,并且每个输入端都集成有EMI滤波器,能有效地抑制外部射频干扰；具有灵活的路由交换器,可以将任何输入连接到放大器的输入端；集成有持续断电检测电路,可以随时监测电极是否断开；内部集成了8路并行的可编程增益放大器(programmable gain amplifier,PGA)和模数转换器(analog to digital converter,ADC),可以提供很高的采集转换精度；内部还集成有偏置驱动放大器,可以有效抑制共模干扰噪声。

2.4 生物电反馈电路

生物电反馈电路采用16位高精度的高速DA芯片AD5761R进行设计,该芯片内置2.5 V参考电压,输出电脉冲范围正负5 V,通过STM32配置驱动生物电反馈输出单向、双向对称、双向非对称等脉冲群,并通过运放跟随电路增加驱动能力,如图4所示。

图4 生物电反馈电路

同时考虑到生物电反馈作用于生物体的安全性,本文选择将输出电流通过检测放大电路放大20倍后,再将电压抬升2.5 V,利用双通道窗口比较器电路,将输出电压范围限制在0.5～4.5 V之间,进而将电流限制在10 mA以内,当由于负载阻抗过低导致电流超过安全阈值后,安全保护模拟电路会自动控制模拟开关断开反馈通道。

2.5 系统上电自检过程

系统上电后,STM32对时钟和各类接口进行初始化后,会启动上电自检程序,自动检测各关键模块功能是否正常,通过自带AD采集电池电压,与满电电压比较,判断当前电量并预估续航时间,当电量和续航时间超过设定阈值时自检完成,否则返回错误代码；通过设置模拟开关使得反馈端与采集端短接,反馈端输出预先设置信号,利用系统采集数据并与原信号比较,判断电极接口是否存在短路或断路情况,以及验证通路选择功能是否正常。验证完成后可向通过Wi-Fi向软件端发送信息表示数据通路完好,此时上位机显示上电自检完成,同时通过LED指示灯状态判断系统自检状态。系统工作流程如图5所示。

图5 系统工作流程

2.6 上位机软件设计

本文上位机软件基于.NET环境设计,采用C#语言编写,分为两部分设计,首先将硬件装置配置为网络接入点模式,提供相应的IP地址和端口号,计算机通过TCP/IP协议在电脑端虚拟串口,然后选通串口并接收数据显示及发送控制命令。控制软件分为接口、采集、刺激、数据、功能、显示6个部分,如图6所示。

图6 软件控制界面

3 实验结果与分析

在对比实验过程中,本文选择了美国BIOPAC公司生产的MP150系列多导生理记录仪作为对比设备,其具备电生理信号记录功能,可以完成心电、脑电、肌电等生物电记录,同时具备在线或离线数字滤波功能可对原始信号进行抗干扰处理,可在放大器上选择增益,采样率可以自由设定。对比过程为同时利用对比设备和本文系统对生物电信号进行采集,并对两组原始信号分别进行3～90 Hz带通滤波处理,结果如图7所示。

图7 系统功能测试结果

从图7可以看出,利用本文设计的系统与商用设备获取的生物电信号基本一致。

在反馈测试实验中,通过信号发生器、烧杯及生理盐水搭建环境模拟欲采集的微幅级生物电信号,通过调节信号发生器幅度调节初始信号幅度,再加入文中装置进行信号采集。软件中配置Close Loop模式,调节源信号幅值,示波器抓取刺激输出信号,记录设备测试从调节幅值开始到刺激输出的时间间隔,为闭环控制延迟,刺激输出默认为正负2 V,500 μs,100 Hz。

实验中通过信号发生器结合生理盐水模拟人体组织参数的方法为基础研究过程中的惯例方法,可以较好地用于信号采集测试。经过实验测试,生物电反馈满足实时的要求,相关误差都在允许范围内。

4 结 论

本文提出了一种多重生物电闭环反馈控制方法,并给出了具体电路实现和系统设计。实验对模拟微弱生物电信号进行对比测试和反馈测试,结果显示：本便携式系统信号采集范围在±2.5 V之间,精度可以达到0.5 μV,对比实验结果一致；生物电反馈范围±5 V之间,精度可以达到0.1 V；阈值反馈实验显示本系统可实现实时控制反馈开关；系统体积14 cm× 6 cm×2 cm,重量292 g,可连续工作1周时间,其无线空旷控制距离45 m,满足多类型生物电采集、无线可调电脉冲反馈,以及闭环实时控制的需要,为临床及基础医学研究提供了一套科研工具。