肌電生物反饋法康復(fù)治療儀的設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)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(tái)。治療儀由硬件電路和PC機(jī)控制軟件兩部分構(gòu)成，下位機(jī)（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(jī)（PC）的軟件系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)視覺信號(hào)反饋，治療參數(shù)控制、病歷登記、信息查詢等功能。治療儀達(dá)到了國家的醫(yī)用康復(fù)治療的各項(xiàng)指標(biāo)，能夠幫助患者逐步康復(fù)，且具有安全、無創(chuàng)、便捷、人機(jī)交互能力強(qiáng)等特點(diǎn)。

肌電生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(shí)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(shí)的微弱電信號(hào)，并以此為源，通過視覺或聽覺通路提供反饋信號(hào)。將人們平時(shí)不易感知的體內(nèi)功能變化轉(zhuǎn)變?yōu)榭梢愿兄囊暵犘盘?hào)，并讓患者根據(jù)這些信號(hào)學(xué)會(huì)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。

1總體設(shè)計(jì)

治療儀通過在病人治療部位的肌肉兩端得貼一個(gè)電極，能準(zhǔn)確檢測出病人己經(jīng)不足以致使肌肉收縮的肌電信號(hào)，利用生物反饋技術(shù)將患者意識(shí)不到的自身生物信號(hào)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(hào)和現(xiàn)存的功能。通過治療師現(xiàn)場的正確指導(dǎo)和幫助，運(yùn)用認(rèn)知再學(xué)習(xí)的方法來調(diào)動(dòng)和激發(fā)患者的主動(dòng)參與意識(shí)，“喚醒”患者的意志過程，讓患者重新建立積極、主動(dòng)的認(rèn)知過程。

由于貼片電極采集的肌電信號(hào)非常微弱，為μV級(jí)，系統(tǒng)通過設(shè)計(jì)合適的前端放大、濾波預(yù)處理進(jìn)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(jìn)行二次濾波，使肌電信號(hào)的顯示更穩(wěn)定、清晰，以達(dá)到0.2μV精度要求。通過以上信號(hào)處理后，MCU將所測量到的肌電信號(hào)幅度與可調(diào)刺激閾值進(jìn)行比較，由此判定病人的動(dòng)作意識(shí)，當(dāng)肌電信號(hào)幅度超過閾值時(shí)，系統(tǒng)發(fā)出刺激信號(hào)，形成反饋刺激通路，以對病人進(jìn)行刺激性治療。同時(shí)MCU將采集的數(shù)據(jù)交由上位機(jī)進(jìn)行顯示處理；MCU方保證即時(shí)通信，以配合上位機(jī)完成各種操作，系統(tǒng)的整個(gè)功能框圖如圖1所示。


圖1 人體神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)康復(fù)系統(tǒng)功能框圖

患者可根據(jù)自身的肌電信號(hào)主動(dòng)自發(fā)地調(diào)節(jié)設(shè)備主參考閾值的高低，當(dāng)病人能順利的增加其EMG指標(biāo)達(dá)到參考閾值并獲得電流刺激后，系統(tǒng)又會(huì)自動(dòng)調(diào)高誘發(fā)點(diǎn)，促使病人加大肌肉收縮意識(shí)，以引發(fā)進(jìn)一步的肌肉刺激，達(dá)到能自主控制肌肉動(dòng)作。將自發(fā)的肌電信號(hào)（EMG）和外來的神經(jīng)肌肉刺激信號(hào)（NMES）巧妙地結(jié)合起來，將外來的電刺激作用做為一種獎(jiǎng)勵(lì)溶于患者肌肉的主運(yùn)動(dòng)之中，行成一個(gè)刺激來自靶細(xì)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(yùn)動(dòng)方式，加強(qiáng)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(yùn)動(dòng)功能。

2系統(tǒng)詳細(xì)設(shè)計(jì)

2.1硬件模塊設(shè)計(jì)

2.1.1前端信號(hào)采集

如圖2所示，其中L、R分別為左、右電極，LR為右腿驅(qū)動(dòng)電極。各電極微弱信號(hào)經(jīng)過2個(gè)輸入緩沖器，送至威爾遜網(wǎng)絡(luò)及放大電路。右腿驅(qū)動(dòng)電路由威爾遜網(wǎng)絡(luò)中心點(diǎn)引出，反向放大后送至右腿驅(qū)動(dòng)電極，以中和人體共模信號(hào)。


圖2 前端信號(hào)采集電路框圖

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(hào)衰減；另一方面，在極低的出阻抗確保可以有效的驅(qū)動(dòng)威爾遜網(wǎng)絡(luò)工作。

2）威爾遜網(wǎng)絡(luò)及右腿驅(qū)動(dòng)

本系統(tǒng)采用標(biāo)準(zhǔn)的威爾遜網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，將人體上感應(yīng)的干擾信號(hào)，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(diǎn)，干擾信號(hào)也為相同。實(shí)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)的原件值也存在；離散性，故威爾遜網(wǎng)絡(luò)的非中心節(jié)點(diǎn)上的干擾信號(hào)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(hào)而言不能忽視。為此，將威爾遜網(wǎng)絡(luò)中心的干擾信號(hào)送右腿驅(qū)動(dòng)放大器進(jìn)行反向放大，傳到右腿驅(qū)動(dòng)電極RF，對人體干擾信號(hào)是一種深度反饋，有效的削弱了人體感應(yīng)的共模信號(hào)，經(jīng)放大器放大。在理想情況下，放大倍數(shù)越大，負(fù)反饋越深，干擾抑制能力越強(qiáng)。但實(shí)際上，人體作為信號(hào)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(qiáng)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宜。

3）信號(hào)放大

由于人體生物電信號(hào)十分微弱，噪聲背景強(qiáng)，且信號(hào)源阻抗很大，加之測量電極引入極化電壓差較肌電及心電信號(hào)大幾百倍，達(dá)300 mV左右，必須設(shè)計(jì)一個(gè)性能優(yōu)良的前端放大器和濾波器電路。前端放大器要采用高輸入阻抗，高共模抑制比，低噪聲，低溫漂，非線性度小，適合的帶寬和動(dòng)態(tài)范圍。因此在本系統(tǒng)中采用AD620，溫漂60，輸入阻抗1 MΩ，非常適合做前端放大器。為防止AD620動(dòng)態(tài)范圍不夠，進(jìn)入非線性區(qū)而失去放大作用，前置放大倍數(shù)取6倍，為進(jìn)一步提高本采集電路的共模抑制比，本系統(tǒng)進(jìn)一步采用FET高阻抗運(yùn)放作為輸入端緩沖，以進(jìn)一步提高本級(jí)性能。

2.1.2肌電信號(hào)預(yù)處理模塊

由于肌電信號(hào)作為肌肉點(diǎn)活動(dòng)在人體體表的表現(xiàn)，信號(hào)非常弱，幅度在2μV～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(hào)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(yùn)動(dòng)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(gè)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(hào)在10～500Hz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(rèn)為EMG頻率主要分布在20～250 Hz.為了更好的獲得采樣效果，采樣頻帶設(shè)置在20 Hz～1 kHz.為了增強(qiáng)肌電信號(hào)中的有效成分，抑制噪聲和偽跡，提高波形檢測準(zhǔn)確率，目前國內(nèi)外研究人員提出了許多種處理方案，總體上分為硬件和軟件兩大類。在本治療儀中，我們同時(shí)采用了硬件和軟件兩類解決方案。在這里，只討論硬件解決方案，如圖3所示，第一級(jí)為截止頻率為20 Hz以下的高通濾波器，第二級(jí)為截止頻率為600 Hz以上的低通濾波器，第三級(jí)為50 Hz的陷波器。這樣就能很好的保持肌電信號(hào)較強(qiáng)的部分，濾去50Hz的工頻干擾。


圖3 肌點(diǎn)信號(hào)預(yù)處理模塊原理圖


圖4 雙端脈沖調(diào)制電路原理圖

2.1.3刺激模塊

本系統(tǒng)將所測量到得肌電信號(hào)幅度與可調(diào)的刺激閾值進(jìn)行比較，當(dāng)肌電信號(hào)幅度超過閾值時(shí)，由下位機(jī)的主控芯片ARM發(fā)出刺激控制信號(hào)，該控制信號(hào)經(jīng)電壓隔離轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換生成（0～2.5 V）的線性電壓，來驅(qū)動(dòng)雙端脈沖調(diào)制器獲得刺激電壓，雙端脈沖調(diào)制模塊電路如圖4所示。

2.2軟件模塊設(shè)計(jì)

2.2.1上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

1）功能概述

軟件系統(tǒng)用于PC機(jī)與MCU方的通訊，主要是起到視覺信號(hào)反饋，治療參數(shù)設(shè)計(jì)，病例登記，信息查詢等功能。向MCU方發(fā)送控制指令，顯示MCU方返回的刺激信息，同時(shí)具有病人信息的密保功能。上、下位機(jī)之間通過標(biāo)準(zhǔn)的RS232串口進(jìn)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。

2）功能模塊設(shè)計(jì)

系統(tǒng)操作菜單給用戶提供了三項(xiàng)功能人口，系統(tǒng)設(shè)置、開始治療、歷史檔案。在進(jìn)入“歷史檔案”后可以查看數(shù)據(jù)庫中所有病人的治療記錄，同時(shí)可以對病人的記錄做刪除處理。系統(tǒng)設(shè)置模塊可以對硬件設(shè)備參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，設(shè)置完成后將所設(shè)參數(shù)通過串口發(fā)送給MCU，當(dāng)MCU方接受到參數(shù)數(shù)據(jù)后，將返回相應(yīng)的值表示參數(shù)已經(jīng)成功的接受了，否則將返回錯(cuò)誤信息。開始治療模塊可以添加病人的一系列個(gè)人

資料，其中“病歷號(hào)”，“姓名”是個(gè)人信息的必填項(xiàng)目，同時(shí)“病歷號(hào)”不允許與系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中已有的病例號(hào)重復(fù)，右側(cè)設(shè)置病人治療的參數(shù)，通過串口想數(shù)據(jù)發(fā)送到MCU方。保存啟動(dòng)模塊進(jìn)行主波形顯示，顯示患者的自發(fā)EMG訊號(hào)。

2.2.2 MCU方軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)中所選用Aduc7026是美國ANALOG DEVICES公司新設(shè)計(jì)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，串口等多種功能。


圖5 MCU方主要功能模塊流程圖

如圖5（a）所示，當(dāng)系統(tǒng)上電后對本芯片及相關(guān)外圍設(shè)備進(jìn)行初始化，初始化內(nèi)容包括核心時(shí)鐘的設(shè)置、ADC采樣、串口通信、LED指示管腳和控制管腳等設(shè)置。完成系統(tǒng)初始化等工作后等待上位機(jī)指令，當(dāng)?shù)玫缴衔粰C(jī)指令后進(jìn)行相應(yīng)操作。由于ADC采樣前需要至少5μs的上電時(shí)間，所以設(shè)置完ADC控制寄存器后，需要等待5μs的時(shí)間。本系統(tǒng)中采用while循環(huán)語句200次，經(jīng)過試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)延長等待時(shí)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(jí)模擬電路調(diào)理電路，差模方式輸入信號(hào)已轉(zhuǎn)成單端電壓信號(hào)，在這里AD選擇工作于單端模式、ADC通道4、ADc時(shí)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(shí)間2clock，并設(shè)制Timer0相關(guān)的寄存器進(jìn)行設(shè)置。串口通信需要定義兩個(gè)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：cOMCONO=0x80.通過這些設(shè)制后，系統(tǒng)進(jìn)入正常工作模式，等待上位機(jī)指令。當(dāng)收到上位機(jī)開始治療指令后單位機(jī)進(jìn)入EMG測量及刺激程序，如圖5（b）所示，系統(tǒng)進(jìn)入測量、治療模式。

3結(jié)論

本系統(tǒng)可以準(zhǔn)確地捕捉到人體的表面肌電信號(hào)，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(hào)進(jìn)行自我訓(xùn)練和調(diào)節(jié)；本系統(tǒng)的前端信號(hào)采集放大電路具有高共模抑制比，對100 Hz以下的信號(hào)共模抑制比CMRR達(dá)到100 dB，肌電信號(hào)預(yù)處理模塊設(shè)計(jì)使肌電信號(hào)較強(qiáng)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(hào)采集精度高，主要由EMG-Triggered-NMES模塊通過RS232串口方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，實(shí)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(yùn)動(dòng)功能障礙；3）周圍神經(jīng)系統(tǒng)受損引起的肌肉萎縮、運(yùn)動(dòng)功能障礙、廢用性肌無力；4）神經(jīng)癥導(dǎo)致的運(yùn)動(dòng)功能降低患者。