一种便携式生物反馈电刺激仪的设计

葛志鹏，张元良

(大连理工大学 机械工程学院，辽宁 大连 116024)

0 引言

近年来，由于中老年人脑血管疾病高发，运动功能障碍作为一种普发的后遗症，成为患者家庭和社会的沉重负担。因此医学界对运动功能的康复治疗研究从未间断[1,2]。神经肌肉电刺激技术是一种被广泛应用的辅助治疗法，通过低频电流脉冲刺激失能的肌肉收缩，诱导其运动神经恢复再生。

表面肌电信号是表面肌纤维产生的所有动作电位在时间和空间上的累加，反映了运动过程中神经肌肉活动的生物学信息，其采集具备无痛、无创、便携等优点，被应用于肌肉机能状态检测、脉冲电刺激反馈治疗、假肢控制等领域。

表面肌电信号幅值在100 μV～5 000 μV之间，峰峰值一般不超过6 mV，频率主要分布在20 Hz～500 Hz，信号强度与肌肉力量呈正相关，其采集电路应具备高电压增益、高通频带宽、高输入阻抗、高共模抑制比、低噪声以及低漂移等特点。

现有的电刺激设备存在刺激治疗模式单一、体积大、使用场合受限等不足[3]。针对这些问题，本文提出一种新型便携式生物反馈电刺激系统方案[4]，实现肌电信号的有效采集和精准刺激，通过屏显和语音对刺激效果实时监控，及时调整刺激策略，以避免刺激引发的肌肉痉挛或过度刺激造成的治疗失败。

1 生物反馈电刺激系统总体设计

生物反馈电刺激系统总体结构框架如图1所示。肌电信号经信号采集与处理电路后送给主控单元进行数据处理和显示；主控单元控制刺激脉冲输出作用于患者。系统同时具有体温、脉搏等生物信息采集以及屏显和语音功能。

图1 生物反馈电刺激系统总体结构框架

(1)主控单元：主控芯片采用STM32F103RCT6单片机，负责数据分析处理、产生电刺激脉冲的驱动信号、控制屏幕显示和语音提示、存取档案数据库等功能实现。

(2)肌电信号采集单元：由前级放大电路、后级放大电路、带通滤波电路、带阻滤波电路组成，实现对肌电信号放大、滤波、降噪和模数转换功能。

(3)恒流脉冲刺激单元：由集成运算放大器和场效应管组成，采用压控恒流源电路对外输出电流刺激。

2 硬件电路设计

2.1 肌电信号采集电路

人体肌电信号具有幅值小、频率低的特征，为确保信号采集的有效性和准确性，采用两级放大与滤波相结合，并设计专用陷波电路用于消除工频干扰。肌电信号采集电路结构框图如图2所示。

图2 肌电信号采集电路结构框图

2.1.1 带通滤波电路

根据表面肌电信号的频率分布，低通滤波电路截止频率设定为200 Hz，高通滤波电路截止频率设定为20 Hz。采用二阶巴特沃斯滤波电路，电路具有单位增益和Sallen-Key拓扑结构，可在通频带内保持信号的稳定增益，同时兼顾信号在截止频率处过渡频带的衰减速度。低通和高通滤波电路分别如图3、图4所示。图3中，R=R23=R24,C1=C50,C2=C51。

图3 低通滤波电路

低通滤波电路传递函数为：

(1)

图4中，C=C47=C56，R1=R21,R2=R22,高通滤波电路传递函数为：

图4 高通滤波电路

(2)

计算得到低通滤波电路截止频率理论值为204.7 Hz，高通滤波电路截止频率理论值为20.3 Hz，符合设计要求。

2.1.2 50 Hz工频陷波电路

基于理论分析，系统正常工作时需要有效滤除工频干扰，因此设计工频陷波器，选用双T型有源带阻滤波器[5]。工频陷波电路如图5所示。

图5 工频陷波电路

陷波电路传递函数为：

(3)

2.1.3 其他电路设计

前级和后级放大电路选用仪表用运算放大器芯片AD8221，它具有高共模抑制比和良好的差分信号放大性能。

2.2 恒流脉冲刺激电路

对于直接作用在人体的医疗设备，刺激电路输出精度是设计的关键。选用运放和场效应管组成的压控恒流源，其电路如图6所示。场效应管工作在饱和状态，与调节电阻R1构成串联支路，负载电阻为Rx。忽略栅极电流IG的影响，根据电路原理可得，源极电流IS=Ui/R1，其中Ui由主控芯片自带的DAC控制输出，实现压控恒流输出。

图6 恒流脉冲刺激电路

3 软件设计

系统选用Keil IDE进行控制程序的编写，使用嵌入式实时操作系统μC/OS-Ⅱ，结合功能需求进行内核任务设计。系统主要的软件任务有肌电信号采集、脉冲输出、工控显示、人机交互、计时功能等，其中前两项为核心任务。

3.1 信号采集任务

主控芯片以1 kHz的采样频率对肌电信号采集，利用积分肌电值的时域分析方法建立容量为25的数据循环队列，将采集到的数据值放置在队列中，每出队一个数据由新采集的数据补位。将出队的每个数据累加，直到队尾数据，获得25个数据的平均值，作为该时刻采集到的肌电信号值，通过串口发送给屏幕进行显示。重复上述过程，直到训练过程结束。

3.2 脉冲输出任务

通过解析屏幕发送的指令数据得到设定的刺激电流强度值，计算DAC引脚给定输出电压。单片机输出的PWM信号作为产生刺激脉冲的驱动信号：在PWM信号为高电平时，刺激电流对外输出；低电平时没有输出。根据不同治疗模式的要求，设置单片机PWM引脚的输出频率和脉冲宽度。刺激输出任务的刷新周期是500 ms，周期开始重新解析屏幕设定的电流值，使用更新值输出。重复上述过程，直到刺激过程结束。

4 系统试验分析

4.1 信号处理电路测试

由信号发生器产生幅值为50 mV的正弦波，分别测试各部分滤波电路对不同频率信号的衰减性能。低通滤波电路、高通滤波电路及工频陷波电路的测试结果分别如表1、表2及表3所示。

表1 低通滤波电路测试数据

表2 高通滤波电路测试数据

表3 工频陷波电路测试数据

根据理论计算，高、低通滤波器通带频率设计值为20.3 Hz～204.3 Hz。由以上数据可知：测试信号在200 Hz时衰减约为73.6%；在20 Hz时衰减约为69%；工频陷波电路中心频率在45 Hz～55 Hz，测试信号在50 Hz时衰减深度约为95.8%，各部分电路均满足设计要求。

4.2 系统性能测试

使用测试样机对受试者的肱二头肌进行测试。采集到的表面肌电信号波形如图7所示，解析采集的肌电信号，将强度数值实时更新在屏幕上，如图8所示。

图7 表面肌电信号的波形

图8 系统的屏幕界面

刺激模式下，分别设定刺激频率为50 Hz和120 Hz，输出的PWM驱动信号如图9所示。

图9 输出的PWM驱动信号

5 结论

通过理论分析与试验验证，本文设计的刺激仪方案达到了设计预期，实现了肌电信号有效采集和刺激电脉冲精准输出的功能，在帮助患者康复治疗中具有积极作用。同时，通过屏显和语音提醒，对刺激效果实时监测，便于及时调整刺激治疗策略，从而提升治疗效果。