肌电生物反馈法康复治疗仪的设计

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。

肌电生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。

1 总体设计

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。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μV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0.2μV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。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)和外来的神经肌肉刺激信号(NMES)巧妙地结合起来，将外来的电刺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。

2 系统详细设计

2.1 硬件模块设计

2.1.1 前端信号采集

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宜。

3)信号放大

由于人体生物电信号十分微弱，噪声背景强，且信号源阻抗很大，加之测量电极引入极化电压差较肌电及心电信号大几百倍，达300 mV左右，必须设计一个性能优良的前端放大器和滤波器电路。前端放大器要采用高输入阻抗，高共模抑制比，低噪声，低温漂，非线性度小，适合的带宽和动态范围。因此在本系统中采用AD620，温漂60，输入阻抗1 MΩ，非常适合做前端放大器。为防止AD620动态范围不够，进入非线性区而失去放大作用，前置放大倍数取6倍，为进一步提高本采集电路的共模抑制比，本系统进一步采用FET高阻抗运放作为输入端缓冲，以进一步提高本级性能。

2.1.2 肌电信号预处理模块

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2μV～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10～500Hz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20～250 Hz。为了更好的获得采样效果，采样频带设置在20 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，总体上分为硬件和软件两大类。在本治疗仪中，我们同时采用了硬件和软件两类解决方案。在这里，只讨论硬件解决方案，如图3所示，第一级为截止频率为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。这样就能很好的保持肌电信号较强的部分，滤去50Hz的工频干扰。

2.1.3 刺激模块

本系统将所测量到得肌电信号幅度与可调的刺激阈值进行比较，当肌电信号幅度超过阈值时，由下位机的主控芯片ARM发出刺激控制信号，该控制信号经电压隔离转换电路转换生成(0～2.5 V)的线性电压，来驱动双端脉冲调制器获得刺激电压，双端脉冲调制模块电路如图4所示。

2.2 软件模块设计

2.2.1 上位机软件设计

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MCU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。

2)功能模块设计

系统操作菜单给用户提供了三项功能人口，系统设置、开始治疗、历史档案。在进入“历史档案”后可以查看数据库中所有病人的治疗记录，同时可以对病人的记录做删除处理。系统设置模块可以对硬件设备参数进行设置，设置完成后将所设参数通过串口发送给MCU，当MCU方接受到参数数据后，将返回相应的值表示参数已经成功的接受了，否则将返回错误信息。开始治疗模块可以添加病人的一系列个人

资料，其中“病历号”，“姓名”是个人信息的必填项目，同时“病历号”不允许与系统数据库中已有的病例号重复，右侧设置病人治疗的参数，通过串口想数据发送到MCU方。保存启动模块进行主波形显示，显示患者的自发EMG讯号。

2.2.2 MCU方软件设计

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5μs的上电时间，所以设置完ADC控制寄存器后，需要等待5μs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：cOMCONO=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。

3 结论

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串口方式进行数据传输，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。