基于生物反馈的神经康复治疗仪的研制

生命科学仪器 2007第 5卷／7月刊 技术与应用 基于生物反馈的神经康复治疗仪的研制 陈骥 ，廖科 (重庆大学生物工程学院 重庆400044) 摘要 本文设计了一套基于生物反馈的智能化神经康复治疗仪。采用DSP+CLPD的新型设计思想，利用CPLD 芯片实现刺激器的主要硬件电路的设计，实现了刺激参数的数字式可调，简化了电路；使DSP从繁复的工作中解放出 来，专注于肌电采集、人工智能判断、闽值调整，并控制键盘液晶实现刺激参数的显示；并通过串口与上位机通 信，提供友好的人机交互界面。 关键词 生物反馈，刺激器 ，DSP，CPLD 1 引言 脑损伤和脑卒中是神经系统疾病中的常见病，目前 大多数康复是通过物理疗法，病人都是被动的接受治 疗，效果不是很理想，并且增加医护人员的负担⋯l。 因此开发出新的治疗方法和医疗仪器，有效的恢复病 人的运动功能，减轻业已产生的原发障碍，预防继 发障碍，提高病人的生活质量成为康复医学领域的一 个重要目标。基于生物反馈的智能化神经康复治疗仪 研究就是为实现这一目标而提出的，对脑卒中、脑 外伤等中枢神经系统疾病导致的四肢瘫痪、偏瘫、 半瘫等的后遗症进行有效的神经康复治疗。 神经康复治疗仪将生物反馈l 2l和神经肌肉电刺激_3I 这两种治疗偏瘫的有力手段有机结合起来，它利用患 者自己的肌电信号反馈回仪器，动态设定阈值，控制 电刺激输出，促进脑的可塑性的发展，从而恢复偏瘫 肢体的功能，是现代神经及康复医学主动治疗模式的 典范；康复仪具有生物反馈、认知再学习的作用，这 是治疗中风和脑损伤等中枢神经系统疾病的一大创新。 2 生物反馈技术 生物反馈技术(Biofeedback Therapy，BT)是一种心理 行为治疗技术。它借助于传感器把采集到的内脏器官 的活动信息加以处理和放大，及时转换成人们熟悉的 视觉信号和听觉信号，让患者根据这些信号学会在一 定范围内对部分内脏器官(如心率、血压、肌电等)的 活动的随意控制，校正偏离正常范围的内脏器官活 动，恢复内环境稳定。 肌电生物反馈术在1967年首先由美国心理学家米 勒研究成功的。米勒证明，通过主动的学习和锻炼， 人可以随意控制自身器官的活动，从而改变其病理状 态，逐步恢复健康的机能。生物反馈技术作为一种辅助 治疗手法，用于卒中后偏瘫的治疗和神经肌肉功能的 康复已40多年，其无损伤、无痛苦、无药物副作用、方 法简便等优点【 ，为卒中的治疗提供了全新的思路。 3 系统构架 康复仪系统的研制旨在把将肌电信号和神经肌肉 电刺激结合起来，通过大脑进行生物反馈控制，把 对病人的物理治疗和心理治疗结合起来，进行生物反 馈人工智能调度、分析评估。在设计中采用上一下 位机结构模式，其结构框图如图1所示。下位机以 DSP和CPLD为核心构建硬件系统，协同完成微弱肌 电信号反馈、数据传输和刺激波形的发生及波形 输出等功能；上位机软件部分提供病历档案的数据 库管理及刺激波形和肌电波形的动态显示。以下部分 将着重从从硬件构建及相关软件实现两方面进行阐 释 。 3．1 硬件设计实现 神经康复治疗仪的硬件设计主要集中于下位机部 分，下位机以DSP和CPLD为核心来构建硬件系统， 具体可划分为以下三个模块：微弱肌电信号检测放 大器的设计、基于DSP的数据采集及传输控制器的设 计、基于DSP和CPLD相结合的多参数复杂刺激波形 的恒流源刺激器的设计。 3．1．1肌电信号检测放大器的设计 肌电放大电路的任务是利用面电极从噪声中提 作者简介 ：陈骥 ，男，(1 954一)，副教授 ，重庆大学生物工程学院研究生导师 ，主要从事生物电子技术方面的应用研究。 通信联系人 ：廖科 ，硕士研究生。E—mail：keke0903@I63．corn、 57 维普资讯 http://www.cqvip.com 技术与应用 生命科学仪器 2007第 5卷／7月刊 图 1 神经康复治疗仪的系统结构框图 取肌电信号，并把它放大到合适的电平，提供给后 续采集电路 。 肌电放大电路 由前置放大 电路 、高通滤波电 路、增益选择电路 、中间级放大电路 、低通滤波电 路、50HZ陷波电路及后级放大电路组成。(1)前 置放大电路采用 AD公司生产的精密仪用放大器 AD620进行设计 ；(2)由于电路中Rc环节愈多， 阶数愈高，过渡带将愈窄，在设计中采用了二阶压 控型滤波电路的设计，加快了过渡带下降的速度， 改善了滤波效果 (频带20Hz～2000HZ)；(3) 50HZ陷波器的设计中采用了品质因素Q可调的有源 带阻滤波器——由无源LPF和HPF并联构成无源带阻 滤波电路(双 T网络)，通过串接一电位器改变电路增 益 ，从而改变 Q值 ，来达到良好的陷波效果；(4) 增益选择电路采用同相比例放大电路，利用一块集成 芯片4052来控制4组反馈电阻，通过DSP对其数据 选择端口的控制，达到改变增益的目的 (增益选择 5000倍、10000倍、25000倍 、50000倍可调 )； (5)最后 ，为了保证输出信号的幅值 ，在设计中 还增加中间级和末级放大电路。 3．1．2 基于DSP的数据采集及传输控制器的设计 本设计通过微处理器对前级放大滤波后的肌电信 号进行采集，要求速度快、易于实现；而另一方 面，后续刺激器电路的档位划分细致，传统单片机 端口无法满足要求，而 DSP的IO资源丰富，因此选 择了DSP作为硬件处理电路的核心器件。 数据采集及传输控制器部分利用TI公司DSP芯片 TMS320LF2407[5】实现对放大滤波后的肌电信号进行采 集和处理，根据设定的阈值，实现人工调度，控制 刺激器档位选择端口，并协同与上位机通信。分析 该部分功能可知，对该模块硬件电路的设计主要是实 现与其它各模块之间的接口电路的设计，它主要包括以 下四部分：(1)与肌电信号检测放大器的接口设计 从电平匹配出发，设计了电平转换电路解决 DSP的 ADC模块输人(单极f生信号)3．3VTTL电平接口与来自肌 电信号检测放大器的输出(双极性交流信号)一5V～ 5VCMOS电平接口的转换问，即将输出交流零点电 位提高到 1．65V，使输人DSP的电压调整到0～3．3V； (2)键盘液晶显示的接口电路设计采用键盘响应作 为I／O端口的输人信号，用I／O端口的输出信号控制液 晶显示模块工作；(3)系统要求采用RS232接口来 完成与上位机的通信，在设计中选择了MAX232芯片 进行电平转换来完成串口接口电路设计 ；(4)与恒 流源刺激器的接口设计该部分电路利用DSP的I／O口来 控制恒流源刺激器参数选择端口，协同刺激器工作。 由于DSP与以CPLD为核心的刺激器电路均为3．3VTTL 电平，因此，它们之间IO端口可以直接相连。 3．1-3基于DSP和CPLD相结合的多参数复杂刺激波 形的恒流源刺激器的设计 该部分采用电流刺激器一一产生恒定电流，对 人体受损肌肉进行刺激，以达到神经康复的目的。 为了适应人体的各个生理部位，电刺激信号的频率、 脉宽 、幅度，均设计成有较广泛的调节范围；为了 避免人体组织对电刺激的生理适应性反应，电刺激信 58 维普资讯 http://www.cqvip.com 生命科学仪器 2007第 5卷／7月刊 技术与应用 号的波形也设计成各种各样：有方波、三角波 、正 弦波 、指数 波 。 多参数恒流源刺激器的设计主要包括了基于CPLD 的多参数刺激波形发生器、升压电路及恒流刺激输出 三部分组成：(1)多参数刺激波形发生器的设计采 用 Ahera公司MAX II系列CPLD芯片EPM1270Tl44C5 [6]来设计硬件电路。MAX II器件采用了全新的CPLD 体系结构，在所有 CPLD系列中单位I／O成本最低，功 耗最低，且容量大，为升级提供了便利；(2)由 于人体的体表电阻在3K左右，而刺激脉冲的最大电流 输出幅值为50mA，因此必须将提供的5V直流电升压 到(3K 50mA)l50V的高压，以此为刺激器提供工作电 压。在本设计中采用变压器来实现升压。由于变压器 不可能传递低频、直流信号，所以要实现直流升压就 必须把直流信号加到高频载波上，经过变压器升压之 后，再整流、滤波、稳压，最后得到符合要求的恒 流源电压；(3)恒流刺激输出部分采用压控恒流源 设计的设计方法，完成对D／A转换输出的模拟信号进 行放大并提供恒流输出。 3．2 软件设计实现 神经康复治疗仪的软件设计包括DSP、CPLD的 软件设计及上位机软件设计，其软件设计流程如图2 所示。系统上电后，通过键盘设置配合液晶显示刺 图 2 软件流程图 激参数，根据所选择的工作模式进入相应的循环模式 子程序或 自动模式子程序。 3．2．1 DSP的软件设计 DSP部分软件设计主要包括系统初始化软件、键 盘液晶显示模块软件、AD采集及处理模块软件、串 口通信模块的软件设计。键盘液晶显示模块根据按键 功能 (确定键、前进键 、后退键 )实现不同参数 的档位选择；AD采集及处理模块利用外部信号 (来 自刺激器部分的刺激间歇脉冲)触发对肌电信号的采 集，并通过数据处理，进行动态阈值判断一～自动 调高阈值，控制刺激器输出或自动降低阈值，再次 采集处理，直到达到阈值。 3．2．2 CPLD的软件设计 CPLD部分软件设计主要完成多参数刺激波形发 生器的设计，包括刺激波形发生模块、脉冲调制控 制模块、DA并 一串转换的模块、刺激定时及刺激间 歇控制模块的软件设计。波形发生模块用来产生频率 可调的方波、三角波、正弦波、指数波；脉冲调 制控制模块对波形发生模块输出的信号进行调制，从 而实现由占空比和幅度的改变而引起的刺激强度的改 变；DA并一串转换的模块编程实现串行D／A(TLC5615) 所要求的CS、DIN、SCLK信号及其它们之间所需的 时序关系，并设计了移位寄存器将 l0位并行数据转 成串行数据；刺激定时模块输出的使能控制信号与 时钟信号相与，通过控制时钟信号的有无来实现定时 功能；间歇模块输出占空比不等的方波信号与经过 调制后的脉冲信号相与，通过控制脉冲输出的有无来 实现刺激间歇功能。 3．3-3 上位机软件设计 上位机软件设计主要包括病员数据库管理、病员 康复治疗历史数据库查询及疗效分析评估、图形显 示、报告打印等模块，实现了病历档案的数据库管理 及刺激波形和肌电波形的动态显示。在此不再详述。 4 结果 图3为采用DSP控制的键盘配合液晶显示一屏刺 激参数的结果。 图4为在示波器上观察到的采用CPLD设计的刺 一 一 图3 LCD显示一屏刺激参数 图4 实际输出的指数波调 幅波形 59 维普资讯 http://www.cqvip.com 技术与应用 激器输出的指数波调幅波形。为了便于示波器的观 察 ，实验 中采用 占空比为 1：4。 5 结语 康复仪系统将病人自发的肌电信号作为功能电刺 激的控制源，并根据病人情况建立动态阈值，智能 化的调高和减低阈值，进行生物反馈人工智能调度、 分析评估，增强病人信心，促进病人达到越来越高 的 目标 。 本文采用的DSP+CPLD设计结构，为智能化康 复系统的设计提供一个较好的解决。在设计中将 DSP(TMS320LF2407)J~_用到系统中，充分发挥 DSP的 优越性，扩大了资源，提高了运算能力和实时性； CPLD(EPM1270T144C5)在多参数波形发生器中的应 用，实现刺激波形的发生 、刺激频率 、脉宽和幅度 的数字式可调。该方法简化了电路 ，提高了系统的 可扩展性；并把微处理器从繁复的工作中解放出 来，专注于肌电采集和人工智能判断，提高了实时 处理能力 。 参考文献 生命科学仪器 2007第 5卷／7月刊 Kralj A，Acimovic R，Stanic U．Enhancement of hemiplegic patient rehabilitation by means offunctional electrical stimulation [JJ．Prosthet Orthot Int，1993，17：107 McGrady A．good news——bad press：applied psychophysiology in cardiovascular disorders[JJ．Biofeedback Self Regu1．1996，21 (4)：335-346． Cauraugh J，Light K，Kim S．Chronic motor dysfunction after stroke recovering wrist and finger extension by electromyo— graphy triggered neuromuscular stimulation[J]．Stroke．2000，3 1 (6)：1360 Rosenberg RN．Alternative neurology[J]．Arch Neurol，1998，55 (1 1)：1394—1395 刘和平等．TMS320LF240x DSP C语言开发应用[M]．北京： 北京航空航天大学出版社．2003 Ahera Corporation．Dedicated pin information for the MAXⅡ EPM1270／EPM1270G devices[Z]．2006 Developm ent Of Neural Healing Instrum ent Based On Biofeedback Ji Chen．Ke Liao (College of Bio—engineering，Chongqing University，Chongqing 400044，china) Abstract In this paper，an intelligent neural healing instrument based on biofeedback is developed．In addition，a novel developed method is proposed and implemented by Digital Signal Processor(DSP)and Complex Programmable Logic Device fCLPD)．A CPLD— based stimulator is used to generate a wide range of stimulating pulses．Thus，a DSP—based controller is released from complicated WOrk ． It can be absorbed in gathering for eIectmmyographic(EMG)signals and judging for artificial intelligence，and implement selective parameters display simultaneously．Besides，a user—friendly interface has also been developed using series port to communicate with host computer，which can offer case history database management and EMG wave dynamic display． Key words Biofeedback，electricaI stimulation，DSP，CPLD p 维普资讯 http://www.cqvip.com