电脉冲晕动治疗仪的研究与设计

于靖涛，郑淇轩

（珠海科技学院，广东珠海，519041）

0 引言

晕动症是由于机体暴露在运动环境中，受到加速、旋转等真实或虚拟的环境刺激而引起的以头晕、面色苍白、恶心、呕出冷汗等前庭和自主神经反应为主要表现的症候群[1]。我国是世界“晕动症”发生率最高的国家之一，八成的人都曾经历过不同程度的晕动反应。这种疾病没有彻底治愈的办法，但选择有效的方式可以有效缓解患者的痛苦。当前应用较多的方式为服用晕动症治疗药物，此种方式虽然能够减轻症状，但是药物会对人体产生一定的毒副作用。因此为了解决上述问题，本文提出了一种使用低频电流对人体颈部产生物理电击的方式用以缓解患者痛苦。

本系统由电刺激单元和生理信号反馈控制单元两部分组成。脉冲电流控制为电刺激单元的核心部分，因为会受到各种外界干扰，例如人体不同部位阻抗大小不一致、空气湿度、外部电磁干扰等复杂环境影响，所以常规脉冲电流控制方法很难实现对于系统的准确控制。因此本文选取模糊控制系统完成对于脉冲电流的控制。

一般的电脉冲刺激系统只能够通过不同的挡位实现对于放电电流的控制，进而实现用户对于放电强度的设定。但是使用此方法一旦对于设备设定完毕，系统每次的放电周期和放电强度都不再发生变化。为了解决上述“不智能”的设定方式，本文使用生理信号反馈控制单元分别对血压（BP）和脉率（PR）进行采集并且计算反馈控制系数矩阵中的控制因子。系统根据反馈控制矩阵完成对于患者当前状态的评估，并且自适应地给出放电强度的设定。

1 系统总体设计方案

本系统设计的总体框图如图1 所示，选取STM32F405作为核心控制器，分别控制PPG 采集模块、血压（BP）采集模块、低频脉冲电流输出模块、低功耗蓝牙传输模块。为了满足该系统的供电需求，本文选用USB 供电模块和锂电管理模块。

图1 系统设计总体框图

PPG采集方面，本文选取NJL5310R作为脉搏波传感器，模拟前端选取TI 公司的AFE4490[2]；BP 信号采集方面，本系统选取柯式音血压测量方法，为了满足对于充气泵和放气阀的控制，本文选取ULN2003 芯片对其进行驱动[3]；低频段电流输出方面，采用模拟电路对称脉冲波设计技术；蓝牙模块方面，选取DX-BT05-A4.0 模块，其遵循BLE V4.0 蓝牙规范协议；USB 供电模块方面，采用XT2051 单芯锂离子电池恒流/恒压充电电路，该芯片需要最少的外部组件并满足USB 总线规范，因此较为适宜应用于便携式应用领域；电池管理模块方面，本系统采用BQ24072 电源管理芯片，该芯片可以对于电池进行动态管理并支持1.5A 的锂电电流输出并支持使用USB 充电。上述各模块的电路原理图如图2 所示。

图2 原理图汇总

2 低频脉冲电流模糊控制

考虑到脉冲电流可能会受到的外界复杂干扰，因此传统控制方法很难实现对于脉冲电流的精确控制，因此为了解决该问题，本文选取模糊控制方法。模糊控制是应用模糊集合理论的控制方法，提供一种实现基于知识（规则）的，甚至语言描述的控制规律的新机理，该方法是利用计算机模拟人脑的思维与判断实现对系统的控制[4]。该方法首先将操作人员或专家经验编成模糊规则，然后将来自传感器的实时信号模糊化，将模糊化后的信号作为模糊规则的输入，完成模糊推理，将推理后得到的输出量加到脉冲电流控制器上，最终完成模糊控制。模糊控制逻辑如图3所示。

图3 低频脉冲电流模糊控制

本文的模糊控制器是以系统电流偏差及偏差变化率作为系统的输入，输出结果则用于控制下一时段的脉冲电流的输出值，模糊控制器的建立流程如图4 所示。在本文中选取七个模糊子集NB、NM、NS、ZO、PS、PM、PB，分别对应负大、负中、负小、零值、正小、正中、正大。由此可以得到其语言变量论{-6,-5,-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4,5,6}。设电流偏差E(ct) 的基本论域为[-6,6]，电流偏差变化率E(ct) 的基本论域为[-2,2]，处方电流模糊控制输出量Utc基本论域为[-3,3]。在此基础上可算出电流尺度变化比例因子：kct=1，电流偏差变化率尺度变化比例因子kect=3，电流模糊控制输出量kut=2。按此规则最终得到的模糊控制表如表1 所示。

表1 低频脉冲电流模糊控制表

图4 模糊控制器建立流程

3 生理信号反馈控制单元

为了研究人体出现晕动症时，相关生理参数的变化。徐苗等人，进行了相关研究，他们发现当个体使用虚拟现实（VR）技术的时候，会产生眩晕、恶心、呕吐等不适症状，这些症状被称为视觉诱导晕动症（VIMS）或者虚拟显示晕动症（VRMS），并且当出现此种症状的过程中脑电信号（EEG）会发生相应变化[5]。贾瑞双等人也对于晕动症的发生和血压与脉率的关系进行了研究，综合上面的分析可以看出，SBP与PR 最大互相关系数(α1)、DBP 与PR 最大互相关系数(α2)在受试者处于晕动状态时会有所下降；SBP 与PR 最大互相关系数的均值(α3)、DBP 与PR 最大互相关系数的均值(α4) 在受试者处于非晕动状态和晕动状态时存在显著性差异[6]。考虑到易于穿戴和使用方便等问题，本文选取血压和脉率信号进行分析，并得到反馈控制系数矩阵S=[α1,α2,α3,α4]。本文选取的血压测量方式为间断式血压测量，当使用者选取自适应电击模式时，血压测量最短会间隔30s 进行一次测量，每一次测量结束系统会自动进行上述相关参数矩阵的计算，系统会根据每一次计算的结果进行放电强度的自适应控制，本文将其进行状态划分，划分方式如表2 所示。生理信号反馈控制单元工作原理如图5 所示。

表2 反馈控制矩阵对应状态划分

图5 生理信号反馈控制单元工作原理

4 结果展示

为了验证该系统的性能，本文选取了10 名健康志愿者作为试验对象，其中包括5 名男性和5 名女性。本文通过VR模拟器产生的不同场景使得被试产生晕动症的不良感受，为了验证低频电流刺激可以缓解晕动症产生的不良反应，本文设计了测试用例1：随机选取3 名男性和2 名女性作为第一组被试人员，剩余的人员作为第二组被试人员，第一组人员进行VR 体验5min 但是在此期间不对于其进行电刺激干预，第二组测试人员同样进行VR 体验但是在测量过程中使用电刺激干预，然后分别询问每名被试人员测试体验并记录结果。试验结果如表3 所示。

表3 测试用例1

为了验证自适应放电能量控制的可行性，本文设计了测试用例2：随机选取3 名男性和2 名女性作为第一组被试人员，剩余的人员作为第二组被试人员，第一组人员进行VR体验5min，在此期间对于设备的放电强度设定为恒定输出，第二组测试人员同样进行VR 体验但是此时设备的放电强度设定为自适应模式，然后分别询问每名被试人员测试体验并记录结果。实验结果如表4 所示。

表4 测试用例2

通过实验结果可以得出以下结论：（1）我们发现采用低频电流刺激可以缓解晕动症产生的不良反应；（2）采用自适应放电能量控制方式比使用传统的放电方式效果要更加优异。

5 结论

为了解决晕动症对于人体带来的不适症状，本文设计了一种通过经皮神经电刺激方式缓解晕动症症状的方法。本系统由PPG 信号采集模块、BP 信号采集模块、低频段电流输出模块、蓝牙模块、USB 供电模块和电池管理模块6 个部分组成，为了实现对于各模块的控制本文选取STM32F405做为系统的主控MCU。为了克服复杂环境对于放电的影响，本文选取模糊控制策略实现对于低频脉冲电流的控制。为了使得系统更加智能化，本文选取生理信号反馈控制单元，对于PPG 信号和BP 进行提取并且最终得到反馈控制系数矩阵，并最终完成系统对于放电强度的自适应控制。为了验证低频电流对于晕动症治疗的有效性和使用自适应放电强度控制的可行性，本文分别设置了两组测试用例，通过试验结果得出使用低频电流刺激对于晕动症的病态缓解具有一定的效果，采用放电强度的自适应控制策略相较于传统的控制方式具有更好的使用体验。