肌电生物反馈法康复治疗仪的设计_张静

1、- 190 -摘要 :设计并研发一种通过肌电生物反馈法重建人体神经网络系统的医疗仪器,为神经肌肉系统类疾病患者的全 面康复提供一种新的治疗平台。治疗仪由硬件电路和 PC 机控制软件两部分构成,下位机(MCU包括体表肌电 采集放大电路、神经肌肉电刺激电路两大部分;上位机(PC的软件系统主要负责视觉信号反馈,治疗参数控制、 病历登记、信息查询等功能。治疗仪达到了国家的医用康复治疗的各项指标,能够帮助患者逐步康复,且具有安 全、无创、便捷、人机交互能力强等特点。 关键词:肌电信号;刺激;神经网络;肌电生物反馈中图分类号:TN 914 文献标识码:A 文章编号:1674-6236(201405-019

2、0-04肌电生物反馈法康复治疗仪的设计张 静(常州信息职业技术学院 江苏 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 稿件编号:201307009作者简介:张 静 (1978, 女, 安徽宣城人, 硕士, 讲师, 工程师。研究方向 :智能控制。肌电生

6、物反馈疗法是涉及物理医学、控制学、生理学、 解剖学、心理学及康复医学知识和技术的多学科、综合应用 的新技术。它借助肌电接收设备记录自主收缩肌肉时的微弱 电信号 , 并以此为源 , 通过视觉或听觉通路提供反馈信号。将 人们平时不易感知的体内功能变化转变为可以感知的视听信 号 , 并让患者根据这些信号学会自我训练和调节的治疗方法。 适用于神经、 肌肉损伤性疾病的康复治疗 , 如卒中、 脊髓损伤、 肌张力高、外周神经损伤、肌肉萎缩 , 以及高血压病 , 神经症 , 尿失禁等。治疗仪通过在病人治疗部位的肌肉两端得贴一个电极, 能准确检测出病人己经不足以致使肌肉收缩的肌电信号,利 用生物反馈技术将患者意

7、识不到的自身生物信号肌电值,通 过视觉和图形反馈展现在患者面前,让患者重新感知自身的 生理信号和现存的功能 1。通过治疗师现场的正确指导和帮 助,运用认知再学习的方法来调动和激发患者的主动参与意 识,“唤醒”患者的意志过程,让患者重新建立积极、主动 的认知过程。由于贴片电极采集的肌电信号非常微弱,为 V级 , 系 统通过设计合适的前端放大、滤波预处理进行多次放大和 多次滤波后传给 MCU。最后,在 MCU 端使用数字滤波技术 进行二次滤波,使肌电信号的显示更稳定、清晰,以达到 0.2 V精度要求。通过以上信号处理后,MCU 将所测量到的 肌电信号幅度与可调刺激阈值进行比较,由此判定病人的动 作

8、意识,当肌电信号幅度超过阈值时,系统发出刺激信号, 形成反馈刺激通路,以对病人进行刺激性治疗 2。同时 MCU 将采集的数据交由上位机进行显示处理;MCU 方保证即时通 信,以配合上位机完成各种操作,系统的整个功能框图如图 1所示。患者可根据自身的肌电信号主动自发地调节设备主参考 阈值的高低,当病人能顺利的增加其 EMG 指标达到参考阈 值并获得电流刺激后,系统又会自动调高诱发点,促使病人 加大肌肉收缩意识,以引发进一步的肌肉刺激,达到能自主 控制肌肉动作。将自发的肌电信号 (EMG和外来的神经肌肉1 总体设计电子设计工程第 5 期 第 22卷 Vol. 22No. 5Electronic D

9、esign EngineeringMar. 20142014年 3月- 191 -图 1 人体神经网络康复系统功能框图Fig. 1 Human nervous network rehabilitation system diagram刺激信号 (NMES 巧妙地结合起来,将外来的电剌激作用做 为一种奖励溶于患者肌肉的主运动之中, 行成一个刺激来自 靶细胞的主功闭环反馈刺激通路,让患者重新学习正确、有 效的运动方式,加强或建立病人随意控制瘫痪的肢体或随意 地控制已破坏的肌肉的残余功能,从而提高瘫痪肢体的运动 功能 3。如图 2所示,其中 L、R 分别为左、右电极,LR 为右腿 驱动电极。各电极微

10、弱信号经过 2个输入缓冲器,送至威尔 逊网络及放大电路。 右腿驱动电路由威尔逊网络中心点引出, 反向放大后送至右腿驱动电极,以中和人体共模信号。1 输入缓冲输入缓冲电路的结构为电压跟随器,作为人体与威尔逊 网络高度隔离。一方面,极高的输入阻抗克服了电极与皮肤 接触电阻引起的信号衰减;另一方面,在极低的出阻抗确保 可以有效的驱动威尔逊网络工作。2 威尔逊网络及右腿驱动本系统采用标准的威尔逊网络技术 , 将人体上感应的干 扰信号,特别是 50Hz 工频干扰,传输到威尔逊网络的中心为 非中心节点,干扰信号也为相同。实际上,各电极在人上的 位置和接触状态也存在差异,导联线的参数和威尔逊网络的 原件值也

11、存在;离散性,故威尔逊网络的非中心节点上的干 扰信号必然有幅度差异甚至相位差。这种差异将以差模方式 传输到后续放大器被放大。而且,相对于肌电(心电有用 信号而言不能忽视。为此,将威尔逊网络中心的干扰信号送 右腿驱动放大器进行反向放大,传到右腿驱动电极 RF,对人体干扰信号是一种深度反馈,有效的削弱了人体感应的共模 信号,经放大器放大。在理想情况下,放大倍数越大,负反 馈越深,干扰抑制能力越强。但实际上,人体作为信号传输 媒体,其传输特性不是纯阻性,导联引线也有分布电容,太 强的反馈可能在某特定 pi 频率上满足自激条件,使电路不能 正常工作。 因此, 降低 Av, 使自己的幅度条件得不到满足为

12、宜。3 信号放大由于肌电信号作为肌肉点活动在人体体表的表现,信号 非常弱,幅度在 2 V 4 mV,而且信噪比较低,所以极易受 环境的影响。由体表电极检测到的 EMG 信号中含有 7种不 同类型的干扰,即工频干扰、基线漂移、电极极化噪声、心 电干扰、放大电路内部噪声和运动的干扰,其中 50 Hz及倍 频附近的工频干扰和 0.7 Hz以下的基线漂移是两个最重要的 干扰源。根据相关资料记载,一般正常的肌电信号在 10500 Hz 频率范围内,而 90%的 EMG 频率能量又集中在 250 Hz之 间。故可以认为 EMG 频率主要分布在 20250 Hz。为了更好 的获得采样效果,采样频带设置在 2

13、0 Hz 1 kHz。为了增强 肌电信号中的有效成分,抑制噪声和伪迹,提高波形检测准 确率,目前国内外研究人员提出了许多种处理方案,总体上1 功能概述软件系统用于 PC 机与 MCU 方的通讯,主要是起到视觉 信号反馈,治疗参数设计,病例登记,信息查询等功能。向图 2 前端信号采集电路框图Fig. 2 Front-end signal acquisition circuit2 系统详细设计张 静 肌电生物反馈法康复治疗仪的设计- 192 -种功能。如图 5(a所示,当系统上电后对本芯片及相关外围设备 进行初始化,初始化内容包括核心时钟的设置、ADC 采样、 串口通信、LED 指示管脚和控制管脚

14、等设置。完成系统初始 化等工作后等待上位机指令,当得到上位机指令后进行相应 操作。由于 ADC 采样前需要至少 5s 的上电时间,所以设 置完 ADC 控制寄存器后,需要等待 5s的时间,本系统中 采用 while 循环语句 200 次,经过试验,发现延长等待时间能 使 AD 更可靠复位,因此,在本系统中循环 20 000 次。由于 通过前级模拟电路调理电路,差模方式输入信号已转成单端 电压信号,在这里 AD 选择工作于单端模式、ADC 通道 4、 ADC 时钟频率 fADC/2、选择内部参考电压 2.5 V、触发方式 Timer0 触发、捕获时间 2clock,并设制 Timer0 相关的寄

15、存器 进行设置。串口通信需要定义两个部分,一是用于通信的管 脚,出于对布线的考虑,选用了串口通信的模式 2,即 P0.7 和 P2.0 口用于收发数据,二是波特率的设定为 9 600 bps,设 置 DLAB 值为 :COMCON0 = 0x80。 通过这些设制后,系统进 入正常工作模式,等待上位机指令。当收到上位机开始治疗 指令后单位机进入 EMG 测量及刺激程序,如图 5(b所示,系 统进入测量、治疗模式。图 3 肌电信号预处理模块原理图Fig. 3 EMG signal preprocessing module circuit图 4 双端脉冲调制电路原理图Fig. 4 Double-en

16、ded pulse modulation circuitMCU 方发送控制指令,显示 MCU 方返回的刺激信息 , 同时具 有病人信息的密保功能。上、下位机之间通过标准的 RS232串口进行通信,其中,作为主要治疗手段的 EMG-Triggered- NMES 模块与串口 1(COM1连接 6。2 功能模块设计本系统中所选用 Aduc7026是美国 ANALOG DEVICES公 司新设计生产的基于 ARM7内核的高速处理器,其内部自带 12位分辨率 AD 转换器、12位高精度 DA 转换器,串口等多电子设计工程 2014年第 5期 - 193 -图 5 MCU方主要功能模块流程图 Fig.

17、5 MCU program function flowchart本系统可以准确地捕捉到人体的表面肌电信号 , 并能清 晰地反映出肌肉收缩程度,有助于患者根据这些信号进行 自我训练和调节;本系统的前端信号采集放大电路具有高 共模抑制比 , 对 100 Hz以下的信号共模抑制比 CMRR 达到 100 dB,肌电信号预处理模块设计使肌电信号较强的部分得 到很好的保持,并滤去 50 Hz的工频干扰。系统采用 ARM 内核的高速处理器,内部自带 12位分辨 率 AD 转换器、 12位高精度 DA 转换器, 肌电信号采集精度高, 主要由 EMG-Triggered-NMES 模块通过 RS232串口方式

18、进行3 结 论数据传输,实现 EMG 测量及刺激治疗。该康复治疗仪体积小、接口简单、使用方便 , 适应症:1 脑血管病引起的瘫痪; 2颅脑外伤及神经外科手术后建留 的运动功能障碍;3 周围神经系统受损引起的肌肉萎缩、运 动功能障碍、废用性肌无力;4 神经症导致的运动功能降低 患者。 参考文献:1 中华人民共和国医药行业标准. 肌电生物反馈仪 S.北京 :国家食品药品监督管理局 ,2008.2 王庭槐 . 生物反馈及机理进展 J.医学信息 ,2002,7(10:610-613.WANG Ting-huai. Biofeedback and mechanism progress J.Medical

19、 Information,2002,7(10:610-613.3 宋丽娜. 生物反馈治疗神经症的进展 J.国际精神病学杂志 , 2007(9:109-111.SONG Li-na.Biofeedback neurosis progress J.Journal of International Psychiatry, 2007(9:109-111.4 松 井 邦 彦 .OP 放 大 器 应 用 技 巧 100例 M.北 京 :科 学 出版社 ,2006.5 张晓 . 表面肌电信号的高速数据采集系统的设计 J.电子测 量技术 ,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 刘虔铖 . 基于肌电生物反馈的脑卒中康复治疗仪的研制 J. 生物医学工程学杂志 ,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.张 静 肌电生物反馈法康复治疗仪的设计英飞凌新型 LTE 低噪声放大器和 LNA Bank让智能手机数据速率提升高达 96%,大幅改善用户体验英飞凌科技