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肌电生物反馈法恢复治疗仪的规划

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

规划并研制一种经过肌电生物反应法重建人体神经网络体系的医疗仪器,为神经肌肉体系类疾病患者的全面恢复供给一种新的医治渠道。医治仪由硬件电路和PC机操控软件两部分构成,下位机(MCU)包含体表肌电收集扩大电路、神经肌肉电影响电路两大部分;上位机(PC)的软件体系首要担任视觉信号反应,医治参数操控、病历挂号、信息查询等功用。医治仪到达了国家的医用恢复医治的各项目标,能够协助患者逐渐恢复,且具有安全、无创、快捷、人机交互才能强等特色。

肌电生物反应疗法是触及物理医学、操控学、生理学、解剖学、心理学及恢复医学知识和技能的多学科、归纳运用的新技能。它凭借肌电接纳设备记载自主缩短肌肉时的弱小电信号,并以此为源,经过视觉或听觉通路供给反应信号。将人们平常不易感知的体内功用改变转变为能够感知的视听信号,并让患者依据这些信号学会自我练习和调度的医治办法。适用于神经、肌肉损害性疾病的恢复医治,如卒中、脊髓损害、肌张力高、外周神经损害、肌肉萎缩,以及高血压病,神经症,尿失禁等。

1总体规划

医治仪经过在患者医治部位的肌肉两头得贴一个电极,能精确检测出患者己经不足以致使肌肉缩短的肌电信号,运用生物反应技能将患者认识不到的本身生物信号肌电值,经过视觉和图形反应展现在患者面前,让患者从头感知本身的生理信号和现存的功用。经过医治师现场的正确辅导和协助,运用认知再学习的办法来调集和激起患者的主动参加认识,“唤醒”患者的毅力进程,让患者从头树立活跃、主动的认知进程。

因为贴片电极收集的肌电信号十分弱小,为μV级,体系经过规划适宜的前端扩大、滤波预处理进行屡次扩大和屡次滤波后传给MCU.最终,在MCU端运用数字滤波技能进行二次滤波,使肌电信号的显现更安稳、明晰,以到达0.2μV精度要求。经过以上信号处理后,MCU将所丈量到的肌电信号起伏与可调影响阈值进行比较,由此断定患者的动作认识,当肌电信号起伏超越阈值时,体系宣布影响信号,构成反应影响通路,以对患者进行影响性医治。一起MCU将收集的数据交由上位机进行显现处理;MCU方保证即时通讯,以合作上位机完结各种操作,体系的整个功用框图如图1所示。


图1 人体神经网络恢复体系功用框图

患者可依据本身的肌电信号主动自发地调度设备主参阅阈值的凹凸,当患者能顺畅的增加其EMG目标到达参阅阈值并取得电流影响后,体系又会主动调高诱发点,促进患者加大肌肉缩短认识,以引发进一步的肌肉影响,到达能自主操控肌肉动作。将自发的肌电信号(EMG)和外来的神经肌肉影响信号(NMES)奇妙地结合起来,将外来的电影响作用做为一种奖赏溶于患者肌肉的主运动之中,行成一个影响来自靶细胞的主功闭环反应影响通路,让患者从头学习正确、有用的运动方法,加强或树立患者随意操控瘫痪的肢体或随意地操控已损坏的肌肉的剩余功用,然后进步瘫痪肢体的运动功用。

2体系具体规划

2.1硬件模块规划

2.1.1前端信号收集

如图2所示,其间L、R分别为左、右电极,LR为右腿驱动电极。各电极弱小信号经过2个输入缓冲器,送至威尔逊网络及扩大电路。右腿驱动电路由威尔逊网络中心点引出,反向扩大后送至右腿驱动电极,以中和人体共模信号。


图2 前端信号收集电路框图

1)输入缓冲

输入缓冲电路的结构为电压跟从器,作为人体与威尔逊网络高度阻隔。一方面,极高的输入阻抗克服了电极与皮肤触摸电阻引起的信号衰减;另一方面,在极低的出阻抗保证能够有用的驱动威尔逊网络作业。

2)威尔逊网络及右腿驱动

本体系选用规范的威尔逊网络技能,将人体上感应的搅扰信号,特别是50Hz工频搅扰,传输到威尔逊网络的中心为非中心节点,搅扰信号也为相同。实际上,各电极在人上的方位和触摸状况也存在差异,导联线的参数和威尔逊网络的原件值也存在;离散性,故威尔逊网络的非中心节点上的搅扰信号必定有起伏差异乃至相位差。这种差异将以差模方法传输到后续扩大器被扩大。并且,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搅扰信号送右腿驱动扩大器进行反向扩大,传到右腿驱动电极RF,对人体搅扰信号是一种深度反应,有用的削弱了人体感应的共模信号,经扩大器扩大。在抱负情况下,扩大倍数越大,负反应越深,搅扰按捺才能越强。但实际上,人体作为信号传输媒体,其传输特性不是纯阻性,导联引线也有散布%&&&&&%,太强的反应可能在某特定pi频率上满意自激条件,使电路不能正常作业。因而,下降Av,使自己的起伏条件得不到满意为宜。

3)信号扩大

因为人体生物电信号十分弱小,噪声布景强,且信号源阻抗很大,加之丈量电极引进极化电压差较肌电及心电信号大几百倍,达300 mV左右,有必要规划一个功用优秀的前端扩大器和滤波器电路。前端扩大器要选用高输入阻抗,高共模按捺比,低噪声,低温漂,非线性度小,合适的带宽和动态规模。因而在本体系中选用AD620,温漂60,输入阻抗1 MΩ,十分合适做前端扩大器。为避免AD620动态规模不行,进入非线性区而失掉扩大作用,前置扩大倍数取6倍,为进一步进步本收集电路的共模按捺比,本体系进一步选用FET高阻抗运放作为输入端缓冲,以进一步进步本级功用。

2.1.2肌电信号预处理模块

因为肌电信号作为肌肉点活动在人体体表的体现,信号十分弱,起伏在2μV~4 mV,并且信噪比较低,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种不同类型的搅扰,即工频搅扰、基线漂移、电极极化噪声、心电搅扰、扩大电路内部噪声和运动的搅扰,其间50 Hz及倍频邻近的工频搅扰和0.7 Hz以下的基线漂移是两个最重要的搅扰源。依据相关材料记载,一般正常的肌电信号在10~500Hz频率规模内,而90%的EMG频率能量又会集在250 Hz之间。故能够以为EMG频率首要散布在20~250 Hz.为了更好的取得采样作用,采样频带设置在20 Hz~1 kHz.为了增强肌电信号中的有用成分,按捺噪声和伪迹,进步波形检测精确率,现在国内外研究人员提出了许多种处理计划,总体上分为硬件和软件两大类。在本医治仪中,咱们一起选用了硬件和软件两类解决计划。在这里,只评论硬件解决计划,如图3所示,榜首级为截止频率为20 Hz以下的高通滤波器,第二级为截止频率为600 Hz以上的低通滤波器,第三级为50 Hz的陷波器。这样就能很好的坚持肌电信号较强的部分,滤去50Hz的工频搅扰。


图3 肌点信号预处理模块原理图


图4 双端脉冲调制电路原理图

2.1.3影响模块

本体系将所丈量到得肌电信号起伏与可调的影响阈值进行比较,当肌电信号起伏超越阈值时,由下位机的主控芯片ARM宣布影响操控信号,该操控信号经电压阻隔转化电路转化生成(0~2.5 V)的线性电压,来驱动双端脉冲调制器取得影响电压,双端脉冲调制模块电路如图4所示。

2.2软件模块规划

2.2.1上位机软件规划

1)功用概述

软件体系用于PC机与MCU方的通讯,首要是起到视觉信号反应,医治参数规划,病例挂号,信息查询等功用。向MCU方发送操控指令,显现MCU方回来的影响信息,一起具有患者信息的密保功用。上、下位机之间经过规范的RS232串口进行通讯,其间,作为首要医治手法的EMG-Triggered-NMES模块与串口1(COM1)衔接。

2)功用模块规划

体系操作菜单给用户供给了三项功用人口,体系设置、开端医治、历史档案。在进入“历史档案”后能够检查数据库中所有患者的医治记载,一起能够对患者的记载做删去处理。体系设置模块能够对硬件设备参数进行设置,设置完结后将所设参数经过串口发送给MCU,当MCU方接受到参数数据后,将回来相应的值表明参数现已成功的接受了,否则将回来错误信息。开端医治模块能够增加患者的一系列个人

材料,其间“病历号”,“名字”是个人信息的必填项目,一起“病历号”不允许与体系数据库中已有的病例号重复,右侧设置患者医治的参数,经过串口想数据发送到MCU方。保存发动模块进行主波形显现,显现患者的自发EMG信号。

2.2.2 MCU方软件规划

本体系中所选用Aduc7026是美国ANALOG DEV%&&&&&%ES公司新规划出产的依据ARM7内核的高速处理器,其内部自带12位分辨率AD转化器、12位高精度DA转化器,串口等多种功用。


图5 MCU方首要功用模块流程图

如图5(a)所示,当体系上电后对本芯片及相关外围设备进行初始化,初始化内容包含中心时钟的设置、ADC采样、串口通讯、LED指示管脚和操控管脚等设置。完结体系初始化等作业后等候上位机指令,当得到上位机指令后进行相应操作。因为ADC采样前需求至少5μs的上电时刻,所以设置完ADC操控寄存器后,需求等候5μs的时刻。本体系中选用while循环句子200次,经过实验,发现延伸等候时刻能使AD更牢靠复位,因而,在本体系中循环20 000次。因为经过前级模仿电路调度电路,差模方法输入信号已转成单端电压信号,在这里AD挑选作业于单端形式、ADC通道4、ADc时钟频率fADC/2、挑选内部参阅电压2.5 V、触发方法Timer0触发、捕获时刻2clock,并设制Timer0相关的寄存器进行设置。串口通讯需求界说两个部分,一是用于通讯的管脚,出于对布线的考虑,选用了串口通讯的形式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:cOMCONO=0x80.经过这些设制后,体系进入正常作业形式,等候上位机指令。当收到上位机开端医治指令后单位机进入EMG丈量及影响程序,如图5(b)所示,体系进入丈量、医治形式。

3定论

本体系能够精确地捕捉到人体的外表肌电信号,并能明晰地反映出肌肉缩短程度,有助于患者依据这些信号进行自我练习和调度;本体系的前端信号收集扩大电路具有高共模按捺比,对100 Hz以下的信号共模按捺比CMRR到达100 dB,肌电信号预处理模块规划使肌电信号较强的部分得到很好的坚持,并滤去50 Hz的工频搅扰。

体系选用ARM内核的高速处理器,内部自带12位分辨率AD转化器、12位高精度DA转化器,肌电信号收集精度高,首要由EMG-Triggered-NMES模块经过RS232串口方法进行数据传输,完成EMG丈量及影响医治。

该恢复医治仪体积小、接口简略、运用方便,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用障碍;3)周围神经体系受损引起的肌肉萎缩、运动功用障碍、废用性肌无力;4)神经症导致的运动功用下降患者。

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