连续反馈式电刺激系统的设计

陈满妮，康 威，蔡 岗，钟骏文

（1.赣南师范大学科技学院 数学与信息科学系，江西 赣州 341000；2.上海共进医疗科技有限公司，上海 200245）

连续反馈式电刺激系统的设计

陈满妮1，康 威2，蔡 岗1，钟骏文1

（1.赣南师范大学科技学院 数学与信息科学系，江西 赣州 341000；2.上海共进医疗科技有限公司，上海 200245）

目前第二代电刺激技术存在的不足之处有：刺激和肌电信号采集不能同时进行以及刺激强度不能随患者肌电信号大小而调节。文章基于电刺激技术的原理，采用WIN CE数字系统搭建了连续反馈式电刺激系统模拟板电路。设计得到了具有闭锁功能、快速恢复的肌电信号的放大器和快速、耐高压的电极通道切换电子开关，并且优化了肌电采集与刺激之间的对应关系。最终建立了完整的肌电生物反馈电刺激循环并实现恢复患者意识对肌肉的控制能力。

电刺激技术；连续反馈；放大器；电子开关

1 电刺激技术的原理及分类

1.1 电刺激技术的原理

医学上应用频率低于1 000 Hz的各种波形的脉冲电流治疗疾病的方法，称为低频脉冲电疗法［1］。由于这种电流对感觉、运动神经有较强的刺激作用，又称刺激电疗法。目前常用的低频电疗法有：神经肌肉电刺激疗法、经皮神经电刺激疗法、间动电疗法、低频高压电疗法等。低频电流的特点：电压和频率低，且可调节；对感觉和运动神经都有较强的刺激作用；有止痛作用，但无明显热作用。低频电流的治疗作用表现在兴奋神经肌肉组织、改善局部血液循环、促进水肿吸收和镇痛。

1.2 电刺激技术的分类

根据刺激部位的不同分为：周围神经电刺激、脊髓电刺激、脑深部脑刺激、运动皮质电刺激等。根据作用不同分为［2］：功能电刺激、治疗电刺激、诊断电刺激。根据刺激电极所处位置的不同分为［3］：表面刺激式、半植入式和全植入式。根据刺激电流的参数不同分为：神经肌肉电刺激疗法（Nerve Muscle Electrical Stimulation，NMES）、电肌肉刺激疗法（Electrical Muscle Stimulation，EMS）、功能性电刺激（Functional Electrical Stimulation，FES）、经皮神经电刺激疗法（Transcuataneous Electrical Nerve Stimulation，TENS）。

2 电刺激技术的发展

电刺激技术发展至今，经历了3个发展阶段［4］。第一代为环电刺激，又称自由刺激。这种刺激方式对肌肉结构和功能的维持具有积极作用，但在治疗过程中，患者只是被动接受治疗，不能实现患者和设备的交互。第二代为肌电反馈电刺激技术［5］，是普通肌电生物反馈与神经肌肉电刺激疗法有机结合的产物。它可以检测出患者微弱肌电信号和自动输出一组电流刺激，促使其完成动作。但由于技术上的原因存在一个缺点：刺激和肌电信号采集不能同时进行，即刺激强度不能随肌电信号大小调节。所以，此项技术还存在优化改进的潜力。

第三代为连续反馈式电刺激技术［6］。该技术是针对第二代电刺激技术中存在的缺点进行改进。它利用两个刺激脉冲之间的短暂时间，快速打开肌电放大器进行肌电采集，在宏观上实现刺激和采集的同时进行，从而实现刺激参数随患者肌电信号的变化而作出相应的调节。第三代功能电刺激的革命性创新在于：是智慧型的功能电刺激，能够完整地领会患者的主观运动意愿。目前，对于第三代电刺激产品的研究开发主要集中在国外。国内虽然现在也慢慢致力于这方面的研究，但成果寥寥无几。本文主要讨论的就是第三代连续反馈式电刺激技术的研发。

3 连续反馈式电刺激系统设计

3.1 系统总体设计

如图1所示，为连续反馈式电刺激系统结构框图。该系统主要由三大模块组成：模拟板、数字板（核心板）及上位机。系统的工作过程为：模拟板负责肌电信号采集及刺激电流的输出，数字板负责提供Win-CE操作系统，其中心处理器是OK6410核心板，模拟板与数字板之间采用串口通信，二者组成便携终端下位机，而上位机与下位机之间通过蓝牙进行无线通信，上位机主要是指电脑PC。在一般情况下，便携终端下位机具有携带方便且可完成连续反馈式电刺激的主要基本功能，当需要进行复杂的信号分析、处理及检测报告打印时可以通过蓝牙连接PC后进行操作。

图1 系统结构框图

3.2 系统硬件设计

模拟板主要由5部分组成：电源模块、采集器、刺激器、电子开关及微控制器。微控制器在系统中主要负责接收和处理数字板的命令。肌电采集和刺激电流输出所用的是同一组电极片进行输入或输出，通道状态通过继电器电子开关来切换。电源模块负责为各个模块供电。采集器实现对采集的肌电信号进行放大、滤波处理。刺激器由波形选择、波形放大及变压器输出组成，产生刺激电流输出。数字板主要由以下几个模块组成：OK6410核心板、电源电路、视频转换、蓝牙模块、音频控制、子CPU、按键和指示灯。

3.3 系统软件设计

连续反馈式电刺激要实现的目标是：让患者随心所欲，即用仪器来帮助患者实现想完成的动作。在软件上要实现这样的功能，需要建立采集与刺激之间的对应关系模型。通过电刺激仪测出患者能够感受到的最小电流刺激强度A和能够承受的最大刺激电流强度B，再利用表面肌电仪测出患者肌电信号的最小（Rate-Monotonic Scheduling，RMS）值a和最大RMS值b。过两点（a，A）和（b，B）确定直线，从而找到采集的肌电值和刺激电流之间的对应关系。这两个门限值可以通过便携式终端下位机按键设置实现，这样的设计不仅可以满足不同的患者需求，还可以满足随着治疗的康复调节至最佳状态。

4 结语

综上所述，连续反馈式电刺激系统的研发建立了完整的肌电生物反馈电刺激循环，通过电刺激参数和实时肌电的相关联，实现了基于患者残存肌电信号经放大后控制目标肌肉的功能，从而实现恢复患者意识对肌肉的控制能力。该系统还需更多的临床测试，从而完善系统，实现真正意义上的连续反馈式电刺激。

［1］芳菲.常用的低频、中频电疗法［J］.医疗保健器具，2006（10）：39-41.

［2］YAMAMOTO E，NISHIMURA H.Treatment of hemifacial spasm with transcutaneous electrical stimulation［J］.Laryngoscope，1987（4）：458-460.

［3］赵伟.经皮面神经电刺激治疗早期轻度偏侧面肌痉挛［D］.大连：大连医科大学，2009.

［4］顾正，林家瑞，原芸，等.电刺激技术在运动康复中的应用研究［J］.中国临床康复，2002（19）：2827-2828，2841.

［5］郭旭东，徐秀林.智能电刺激仪中肌电反馈功能的设计［J］.计算机测量与控制，2010（11）：2666-2668.

［6］郝会玲，沙洪，任超世.一种新型智能电刺激治疗仪的研究［J］.中国医学装备，2011（10）：1-4.

Design of continuous feedback electrical stimulation system

Chen Manni1，Kang Wei2，Cai Gang1，Zhong Junwen1

（1.Math and Information Science Department of Science and Technology College of GanNan Normal University，Ganzhou 341000，China；2.Shanghai Gongjin Medical Technology Co.，Ltd.，Shanghai 200245，China）

There are some disadvantages in the second generation of electrical stimulation techniques：the stimulation and EMG signals cannot be collected at the same time and the intensity of stimulation cannot be adjusted to the size of patients' EMG signals.Based on the theory of electrical stimulation technology，this paper sets up the analog circuits of continuous feedback electrical simulation system by using WIN CE digital systems.Design gets a locking function and rapid recovery of the EMG signal's amplifier，and a high voltage electrode channel switching electronic switch.Thus，the correspondence between EMG acquisition and stimulation has been optimized.At last establish a complete EMG biofeedback cycle and achieve a target of patients' surviving EMG control muscle，enabling patients to regain consciousness on muscle control.

electrical stimulation technology；continuous feedback；amplifier；electronic switch

江西省教育厅科技项目；项目编号：GJJ151567。江西省教育厅科学技术研究项目；项目编号：151572。

陈满妮（1987—），女，江西赣州，硕士，助教，研究方向：电子与通信工程，医疗器械。