肌電生物反饋法康復(fù)治療儀的設(shè)計_張靜

1、- 190 -摘要 :設(shè)計并研發(fā)一種通過肌電生物反饋法重建人體神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的醫(yī)療儀器,為神經(jīng)肌肉系統(tǒng)類疾病患者的全 面康復(fù)提供一種新的治療平臺。治療儀由硬件電路和 PC 機控制軟件兩部分構(gòu)成,下位機(MCU包括體表肌電 采集放大電路、神經(jīng)肌肉電刺激電路兩大部分;上位機(PC的軟件系統(tǒng)主要負責視覺信號反饋,治療參數(shù)控制、 病歷登記、信息查詢等功能。治療儀達到了國家的醫(yī)用康復(fù)治療的各項指標,能夠幫助患者逐步康復(fù),且具有安 全、無創(chuàng)、便捷、人機交互能力強等特點。 關(guān)鍵詞:肌電信號;刺激;神經(jīng)網(wǎng)絡(luò);肌電生物反饋中圖分類號:TN 914 文獻標識碼:A 文章編號:1674-6236(201405-019

2、0-04肌電生物反饋法康復(fù)治療儀的設(shè)計張 靜(常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院 江蘇 常州 213164Design of the rehabilitation equipment based on EMG-BiofeedbackZHANG Jing(Changzhou College of Information Technology, Changzhou 213164, China Abstract: The paper design a medical equipment reconstructing the human neural network system based on the EMG

3、biofeedback,and provide a new therapeutic platform for the comprehensive rehabilitation of the disease of the neuromuscular system class. the rehabilitation equipment is composed of the hardware circuit and the PC control software, the lower machine (MCU including body surface EMG acquisition amplif

4、ier circuit, neuromuscular electrical stimulation circuit; software system of the host computer (PC is responsible for the visual signal feedback, treatment parameter control, medical records registration, and information query functions. The rehabilitation equipment can meet the indicators of the n

5、ational medical rehabilitation ,and can help patients gradually recovered, and has a safe, non-invasive, convenient, human-computer interaction ability features.Key words: EMG; stimulus; neural network; EMG biofeedback收稿日期:2013 07 01 稿件編號:201307009作者簡介:張 靜 (1978, 女, 安徽宣城人, 碩士, 講師, 工程師。研究方向 :智能控制。肌電生

6、物反饋療法是涉及物理醫(yī)學(xué)、控制學(xué)、生理學(xué)、 解剖學(xué)、心理學(xué)及康復(fù)醫(yī)學(xué)知識和技術(shù)的多學(xué)科、綜合應(yīng)用 的新技術(shù)。它借助肌電接收設(shè)備記錄自主收縮肌肉時的微弱 電信號 , 并以此為源 , 通過視覺或聽覺通路提供反饋信號。將 人們平時不易感知的體內(nèi)功能變化轉(zhuǎn)變?yōu)榭梢愿兄囊暵犘?號 , 并讓患者根據(jù)這些信號學(xué)會自我訓(xùn)練和調(diào)節(jié)的治療方法。 適用于神經(jīng)、 肌肉損傷性疾病的康復(fù)治療 , 如卒中、 脊髓損傷、 肌張力高、外周神經(jīng)損傷、肌肉萎縮 , 以及高血壓病 , 神經(jīng)癥 , 尿失禁等。治療儀通過在病人治療部位的肌肉兩端得貼一個電極, 能準確檢測出病人己經(jīng)不足以致使肌肉收縮的肌電信號,利 用生物反饋技術(shù)將患者意

7、識不到的自身生物信號肌電值,通 過視覺和圖形反饋展現(xiàn)在患者面前,讓患者重新感知自身的 生理信號和現(xiàn)存的功能 1。通過治療師現(xiàn)場的正確指導(dǎo)和幫 助,運用認知再學(xué)習(xí)的方法來調(diào)動和激發(fā)患者的主動參與意 識,“喚醒”患者的意志過程,讓患者重新建立積極、主動 的認知過程。由于貼片電極采集的肌電信號非常微弱,為 V級 , 系 統(tǒng)通過設(shè)計合適的前端放大、濾波預(yù)處理進行多次放大和 多次濾波后傳給 MCU。最后,在 MCU 端使用數(shù)字濾波技術(shù) 進行二次濾波,使肌電信號的顯示更穩(wěn)定、清晰,以達到 0.2 V精度要求。通過以上信號處理后,MCU 將所測量到的 肌電信號幅度與可調(diào)刺激閾值進行比較,由此判定病人的動 作

8、意識,當肌電信號幅度超過閾值時,系統(tǒng)發(fā)出刺激信號, 形成反饋刺激通路,以對病人進行刺激性治療 2。同時 MCU 將采集的數(shù)據(jù)交由上位機進行顯示處理;MCU 方保證即時通 信,以配合上位機完成各種操作,系統(tǒng)的整個功能框圖如圖 1所示。患者可根據(jù)自身的肌電信號主動自發(fā)地調(diào)節(jié)設(shè)備主參考 閾值的高低,當病人能順利的增加其 EMG 指標達到參考閾 值并獲得電流刺激后,系統(tǒng)又會自動調(diào)高誘發(fā)點,促使病人 加大肌肉收縮意識,以引發(fā)進一步的肌肉刺激,達到能自主 控制肌肉動作。將自發(fā)的肌電信號 (EMG和外來的神經(jīng)肌肉1 總體設(shè)計電子設(shè)計工程第 5 期 第 22卷 Vol. 22No. 5Electronic D

9、esign EngineeringMar. 20142014年 3月- 191 -圖 1 人體神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)康復(fù)系統(tǒng)功能框圖Fig. 1 Human nervous network rehabilitation system diagram刺激信號 (NMES 巧妙地結(jié)合起來,將外來的電剌激作用做 為一種獎勵溶于患者肌肉的主運動之中, 行成一個刺激來自 靶細胞的主功閉環(huán)反饋刺激通路,讓患者重新學(xué)習(xí)正確、有 效的運動方式,加強或建立病人隨意控制癱瘓的肢體或隨意 地控制已破壞的肌肉的殘余功能,從而提高癱瘓肢體的運動 功能 3。如圖 2所示,其中 L、R 分別為左、右電極,LR 為右腿 驅(qū)動電極。各電極微

10、弱信號經(jīng)過 2個輸入緩沖器,送至威爾 遜網(wǎng)絡(luò)及放大電路。 右腿驅(qū)動電路由威爾遜網(wǎng)絡(luò)中心點引出, 反向放大后送至右腿驅(qū)動電極,以中和人體共模信號。1 輸入緩沖輸入緩沖電路的結(jié)構(gòu)為電壓跟隨器,作為人體與威爾遜 網(wǎng)絡(luò)高度隔離。一方面,極高的輸入阻抗克服了電極與皮膚 接觸電阻引起的信號衰減;另一方面,在極低的出阻抗確保 可以有效的驅(qū)動威爾遜網(wǎng)絡(luò)工作。2 威爾遜網(wǎng)絡(luò)及右腿驅(qū)動本系統(tǒng)采用標準的威爾遜網(wǎng)絡(luò)技術(shù) , 將人體上感應(yīng)的干 擾信號,特別是 50Hz 工頻干擾,傳輸?shù)酵栠d網(wǎng)絡(luò)的中心為 非中心節(jié)點,干擾信號也為相同。實際上,各電極在人上的 位置和接觸狀態(tài)也存在差異,導(dǎo)聯(lián)線的參數(shù)和威爾遜網(wǎng)絡(luò)的 原件值也

11、存在;離散性,故威爾遜網(wǎng)絡(luò)的非中心節(jié)點上的干 擾信號必然有幅度差異甚至相位差。這種差異將以差模方式 傳輸?shù)胶罄m(xù)放大器被放大。而且,相對于肌電(心電有用 信號而言不能忽視。為此,將威爾遜網(wǎng)絡(luò)中心的干擾信號送 右腿驅(qū)動放大器進行反向放大,傳到右腿驅(qū)動電極 RF,對人體干擾信號是一種深度反饋,有效的削弱了人體感應(yīng)的共模 信號,經(jīng)放大器放大。在理想情況下,放大倍數(shù)越大,負反 饋越深,干擾抑制能力越強。但實際上,人體作為信號傳輸 媒體,其傳輸特性不是純阻性,導(dǎo)聯(lián)引線也有分布電容,太 強的反饋可能在某特定 pi 頻率上滿足自激條件,使電路不能 正常工作。 因此, 降低 Av, 使自己的幅度條件得不到滿足為

12、宜。3 信號放大由于肌電信號作為肌肉點活動在人體體表的表現(xiàn),信號 非常弱,幅度在 2 V 4 mV,而且信噪比較低,所以極易受 環(huán)境的影響。由體表電極檢測到的 EMG 信號中含有 7種不 同類型的干擾,即工頻干擾、基線漂移、電極極化噪聲、心 電干擾、放大電路內(nèi)部噪聲和運動的干擾,其中 50 Hz及倍 頻附近的工頻干擾和 0.7 Hz以下的基線漂移是兩個最重要的 干擾源。根據(jù)相關(guān)資料記載,一般正常的肌電信號在 10500 Hz 頻率范圍內(nèi),而 90%的 EMG 頻率能量又集中在 250 Hz之 間。故可以認為 EMG 頻率主要分布在 20250 Hz。為了更好 的獲得采樣效果,采樣頻帶設(shè)置在 2

13、0 Hz 1 kHz。為了增強 肌電信號中的有效成分,抑制噪聲和偽跡,提高波形檢測準 確率,目前國內(nèi)外研究人員提出了許多種處理方案,總體上1 功能概述軟件系統(tǒng)用于 PC 機與 MCU 方的通訊,主要是起到視覺 信號反饋,治療參數(shù)設(shè)計,病例登記,信息查詢等功能。向圖 2 前端信號采集電路框圖Fig. 2 Front-end signal acquisition circuit2 系統(tǒng)詳細設(shè)計張 靜 肌電生物反饋法康復(fù)治療儀的設(shè)計- 192 -種功能。如圖 5(a所示,當系統(tǒng)上電后對本芯片及相關(guān)外圍設(shè)備 進行初始化,初始化內(nèi)容包括核心時鐘的設(shè)置、ADC 采樣、 串口通信、LED 指示管腳和控制管腳

14、等設(shè)置。完成系統(tǒng)初始 化等工作后等待上位機指令,當?shù)玫缴衔粰C指令后進行相應(yīng) 操作。由于 ADC 采樣前需要至少 5s 的上電時間,所以設(shè) 置完 ADC 控制寄存器后,需要等待 5s的時間,本系統(tǒng)中 采用 while 循環(huán)語句 200 次,經(jīng)過試驗,發(fā)現(xiàn)延長等待時間能 使 AD 更可靠復(fù)位,因此,在本系統(tǒng)中循環(huán) 20 000 次。由于 通過前級模擬電路調(diào)理電路,差模方式輸入信號已轉(zhuǎn)成單端 電壓信號,在這里 AD 選擇工作于單端模式、ADC 通道 4、 ADC 時鐘頻率 fADC/2、選擇內(nèi)部參考電壓 2.5 V、觸發(fā)方式 Timer0 觸發(fā)、捕獲時間 2clock,并設(shè)制 Timer0 相關(guān)的寄

15、存器 進行設(shè)置。串口通信需要定義兩個部分,一是用于通信的管 腳,出于對布線的考慮,選用了串口通信的模式 2,即 P0.7 和 P2.0 口用于收發(fā)數(shù)據(jù),二是波特率的設(shè)定為 9 600 bps,設(shè) 置 DLAB 值為 :COMCON0 = 0x80。 通過這些設(shè)制后,系統(tǒng)進 入正常工作模式,等待上位機指令。當收到上位機開始治療 指令后單位機進入 EMG 測量及刺激程序,如圖 5(b所示,系 統(tǒng)進入測量、治療模式。圖 3 肌電信號預(yù)處理模塊原理圖Fig. 3 EMG signal preprocessing module circuit圖 4 雙端脈沖調(diào)制電路原理圖Fig. 4 Double-en

16、ded pulse modulation circuitMCU 方發(fā)送控制指令,顯示 MCU 方返回的刺激信息 , 同時具 有病人信息的密保功能。上、下位機之間通過標準的 RS232串口進行通信,其中,作為主要治療手段的 EMG-Triggered- NMES 模塊與串口 1(COM1連接 6。2 功能模塊設(shè)計本系統(tǒng)中所選用 Aduc7026是美國 ANALOG DEVICES公 司新設(shè)計生產(chǎn)的基于 ARM7內(nèi)核的高速處理器,其內(nèi)部自帶 12位分辨率 AD 轉(zhuǎn)換器、12位高精度 DA 轉(zhuǎn)換器,串口等多電子設(shè)計工程 2014年第 5期 - 193 -圖 5 MCU方主要功能模塊流程圖 Fig.

17、5 MCU program function flowchart本系統(tǒng)可以準確地捕捉到人體的表面肌電信號 , 并能清 晰地反映出肌肉收縮程度,有助于患者根據(jù)這些信號進行 自我訓(xùn)練和調(diào)節(jié);本系統(tǒng)的前端信號采集放大電路具有高 共模抑制比 , 對 100 Hz以下的信號共模抑制比 CMRR 達到 100 dB,肌電信號預(yù)處理模塊設(shè)計使肌電信號較強的部分得 到很好的保持,并濾去 50 Hz的工頻干擾。系統(tǒng)采用 ARM 內(nèi)核的高速處理器,內(nèi)部自帶 12位分辨 率 AD 轉(zhuǎn)換器、 12位高精度 DA 轉(zhuǎn)換器, 肌電信號采集精度高, 主要由 EMG-Triggered-NMES 模塊通過 RS232串口方式

18、進行3 結(jié) 論數(shù)據(jù)傳輸,實現(xiàn) EMG 測量及刺激治療。該康復(fù)治療儀體積小、接口簡單、使用方便 , 適應(yīng)癥:1 腦血管病引起的癱瘓; 2顱腦外傷及神經(jīng)外科手術(shù)后建留 的運動功能障礙;3 周圍神經(jīng)系統(tǒng)受損引起的肌肉萎縮、運 動功能障礙、廢用性肌無力;4 神經(jīng)癥導(dǎo)致的運動功能降低 患者。 參考文獻:1 中華人民共和國醫(yī)藥行業(yè)標準. 肌電生物反饋儀 S.北京 :國家食品藥品監(jiān)督管理局 ,2008.2 王庭槐 . 生物反饋及機理進展 J.醫(yī)學(xué)信息 ,2002,7(10:610-613.WANG Ting-huai. Biofeedback and mechanism progress J.Medical

19、 Information,2002,7(10:610-613.3 宋麗娜. 生物反饋治療神經(jīng)癥的進展 J.國際精神病學(xué)雜志 , 2007(9:109-111.SONG Li-na.Biofeedback neurosis progress J.Journal of International Psychiatry, 2007(9:109-111.4 松 井 邦 彥 .OP 放 大 器 應(yīng) 用 技 巧 100例 M.北 京 :科 學(xué) 出版社 ,2006.5 張曉 . 表面肌電信號的高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計 J.電子測 量技術(shù) ,2008,31(7:108-110.ZHANG Xiao.Design

20、 of EMG high-speed data acquisition system J. Electronic Measurement Technology,2008,31(7:108-110.6 劉虔鋮 . 基于肌電生物反饋的腦卒中康復(fù)治療儀的研制 J. 生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)雜志 ,2009,26(2:417-420.LIU Qian-cheng. Design of stroke rehabilitation instrument based on EMG biofeedback J .Journal of Biomedical Engineering, 2009,26(2:417-420.張 靜 肌電生物反饋法康復(fù)治療儀的設(shè)計英飛凌新型 LTE 低噪聲放大器和 LNA Bank讓智能手機數(shù)據(jù)速率提升高達 96%,大幅改善用戶體驗英飛凌科技