分布式自適應(yīng)反饋電針系統(tǒng)研究

薛方，崔延超

1.西安醫(yī)學(xué)院 衛(wèi)生管理系，陜西 西安 710021；2.西安交通大學(xué)第一附屬醫(yī)院 中醫(yī)康復(fù)科，陜西 西安 710061

分布式自適應(yīng)反饋電針系統(tǒng)研究

薛方1，崔延超2

1.西安醫(yī)學(xué)院 衛(wèi)生管理系，陜西 西安 710021；2.西安交通大學(xué)第一附屬醫(yī)院 中醫(yī)康復(fù)科，陜西 西安 710061

傳統(tǒng)電針系統(tǒng)在治療過程中，患者會(huì)出現(xiàn)對(duì)處方信號(hào)的免疫反映，影響治療效果，臨床上需要醫(yī)生進(jìn)行人工干預(yù)調(diào)節(jié)，費(fèi)時(shí)費(fèi)力。本研究設(shè)計(jì)的分布式自適應(yīng)反饋電針系統(tǒng)通過對(duì)患者在不同電針刺激下產(chǎn)生的肌電信號(hào)進(jìn)行建模與適時(shí)反饋，在以數(shù)字信號(hào)處理器為核心的硬件平臺(tái)上，采用自適應(yīng)方法實(shí)現(xiàn)頻率、脈寬和幅度的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，構(gòu)建分布式治療系統(tǒng)，達(dá)到患者療效最優(yōu)。

自適應(yīng)；反饋；電針；肌電信號(hào)；耐針性

0 前言

電針治療在簡(jiǎn)化醫(yī)護(hù)人員工作和方便數(shù)據(jù)分析等方面具有明顯優(yōu)勢(shì)，目前已廣泛應(yīng)用于臨床治療中。傳統(tǒng)電針系統(tǒng)在治療過程中，隨著治療時(shí)間的增長，人體會(huì)對(duì)電針信號(hào)產(chǎn)生免疫適應(yīng)，造成療效下降[1]。為了避免以上問題的發(fā)生，目前電針治療儀的研發(fā)正在向參數(shù)可調(diào)、多功能化、數(shù)字化等方向發(fā)展[2]。汪燦華等[3]為避免耐針性的出現(xiàn)研制了嵌入式音樂電針治療儀、基于ARM的電針治療儀等新型醫(yī)療產(chǎn)品[4]。在實(shí)際電針治療中，以患者自身生理參數(shù)作為電針激勵(lì)信號(hào)的依據(jù)能有效提高治療效果。

肌電信號(hào)（Electromyogram，EMG）作為人體特征信號(hào)[5-8]，經(jīng)過數(shù)學(xué)處理后，能夠反饋患者在治療過程中是否出現(xiàn)耐針性，當(dāng)EMG曲線運(yùn)行出工作區(qū)時(shí)，當(dāng)前處方信號(hào)失效，自適應(yīng)反饋[9-10]系統(tǒng)會(huì)跟蹤并控制EMG信號(hào)，適時(shí)進(jìn)行調(diào)節(jié)。本系統(tǒng)采用分布式網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架，醫(yī)生只需1臺(tái)服務(wù)器即可同時(shí)監(jiān)控多個(gè)治療終端，并將數(shù)據(jù)上傳至服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)過程可溯，節(jié)約運(yùn)行成本。

1 工作原理及系統(tǒng)組成

將電針系統(tǒng)兩電極間人體等效電阻設(shè)為Ri，輸出波形采用標(biāo)準(zhǔn)方波（圖1），單個(gè)脈沖能量e為[11]：

其中A為幅度，W為脈寬，Ri根據(jù)不同患者略有差異，通過改變A、W可產(chǎn)生不同的調(diào)制方式控制單個(gè)脈沖能量大小。

圖1 分布式自適應(yīng)反饋電針系統(tǒng)框圖

電針強(qiáng)度（EA Intensity，EAI）[12]即單位時(shí)間內(nèi)患者接收到的能量：

其中，f為電針頻率，電針劑量（EA Dose，EAD）定義為電針強(qiáng)度在治療時(shí)間上的積分：

t為患者治療時(shí)間，采用AR參數(shù)模型對(duì)EMG信號(hào)進(jìn)行處理[13]：

其中，EMG（n）為信號(hào)傳感器輸出信號(hào)，代表第n個(gè)采樣值，w（n）為輸入信號(hào)，P為AR模型階數(shù)，ak是AR模型第k個(gè)系數(shù)，EMG信號(hào)經(jīng)過處理后反映的電針免疫性（EA Immunity）與EAD、電針調(diào)制方式、患者個(gè)體Ri相關(guān)，其中EMGmin為安全區(qū)域下限曲線，EMGmax為安全曲線上限曲線（圖2），描述如下：

圖2 EMG運(yùn)行曲線

EAI預(yù)測(cè)可通過觀察EMG信號(hào)實(shí)現(xiàn)，電針系統(tǒng)治療過程中，引起的患者EMG信號(hào)變化傳遞函數(shù)為：

其中，EAD為劑量，MS為調(diào)制方式，治療過程中，保證EMG始終在（EMGmin, ENGmax）范圍內(nèi)運(yùn)行，隨著治療時(shí)間的延長，需要改變調(diào)制方式保證EMG在安全工作范圍。

圖3為系統(tǒng)控制模型，指患者在處方信號(hào)的治療過程中，EMG隨時(shí)間的變化，整個(gè)系統(tǒng)根據(jù)處方信號(hào)的傳遞函數(shù)：

不同調(diào)制方式下EMG的響應(yīng)特性不同，調(diào)頻（Frequency Modulation，F(xiàn)M）＜1 kHz時(shí)與 f2在1～10 kHz成正比：＞10 kHz時(shí)影響很小，最大頻率為10 kHz。

圖3 系統(tǒng)控制框圖

脈寬調(diào)制（Width Modulation，WM）引起神經(jīng)和肌肉興奮的脈沖寬度為0.03～1 ms，為頻率變化對(duì)肌電信號(hào)的影響：

幅度調(diào)制（Aplitude Modulation，AM）幅度與A2成正比：

系統(tǒng)控制圖中的增益可調(diào)，設(shè)Ka=Kb=Kc=1。

由式（11）可知要消除誤差，必須使得產(chǎn)生誤差的原因與補(bǔ)償誤差的方法相當(dāng)（圖4），具體控制見表1。在實(shí)際使用過程中，可根據(jù)患者的不同情況進(jìn)行動(dòng)態(tài)選擇。

圖4 系統(tǒng)調(diào)節(jié)原理

表1 三種調(diào)節(jié)方式比較

2 系統(tǒng)硬件

硬件系統(tǒng)由工控機(jī)（Industrial Personal Computer，IPC）、數(shù)字信號(hào)處理器（Digital Signal Processor，DSP）、采集卡和傳感器等組成（圖5）。采用分布式構(gòu)架，IPC安裝在醫(yī)生治療室，治療終端安裝在不同患者病房，采用SCI總線進(jìn)行連接，可根據(jù)患者數(shù)量進(jìn)行終端擴(kuò)充。

2.1 IPC

IPC的平均無故障時(shí)間可達(dá)10萬小時(shí)以上，維護(hù)性強(qiáng)、可靠性高，采用底板+CPU結(jié)構(gòu)，擴(kuò)充性強(qiáng)，小范圍的電源波動(dòng)不會(huì)影響其正常工作。IPC安裝WINDOWS 7操作系統(tǒng)，處理速度快，圖形用戶界面真實(shí)友好。另外IPC硬盤容量大，能夠?qū)崟r(shí)存儲(chǔ)大量數(shù)據(jù)用于歸檔分析。

2.2 DSP及其擴(kuò)展模塊

DSP采用德州儀器TMS320F2812，具備強(qiáng)大的32位數(shù)字信號(hào)處理能力，豐富的外圍設(shè)備，整合了2個(gè)時(shí)間管理器EVA/B和SCI通信接口，自帶12位高精度模/數(shù)轉(zhuǎn)換器，支持C語言開發(fā)。EMG信號(hào)經(jīng)過處理后送入模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器，變換為數(shù)字信號(hào)后，輸入中央處理器，根據(jù)預(yù)設(shè)算法，實(shí)現(xiàn)兩路電針控制，充分利用了處理器硬件資源。采集到的EMG信號(hào)經(jīng)分析后，采用閉環(huán)控制算法，獨(dú)立控制兩路電針輸出A/B。同時(shí)在治療過程中的數(shù)據(jù)可通過SCI接口送入IPC存檔。

2.3 傳感器及驅(qū)動(dòng)器

采用F6-EQP系列EMG信號(hào)傳感器，安裝在分布式治療儀上，將EMG轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)并輸出電壓在0～4.5 V的電信號(hào)，能夠與高速模/數(shù)器直接阻抗匹配；采用YQ60電針驅(qū)動(dòng)器，安裝在分布治療儀，將控制信號(hào)放大，精確驅(qū)動(dòng)電針信號(hào)輸出，電針驅(qū)動(dòng)電路；采用幅度調(diào)節(jié)器，用以測(cè)量EMG的實(shí)時(shí)變化。所有傳感器內(nèi)部均集成變送器，可直接送入AD模塊，簡(jiǎn)化硬件設(shè)計(jì)。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件采用CCS集成開發(fā)工具平臺(tái)開發(fā)[14]，系統(tǒng)上電后首先進(jìn)行初始化，軟件工作流程見圖6。

圖6 系統(tǒng)軟件流程圖

IPC檢測(cè)SCI總線上所有分布式治療終端是否正常，檢測(cè)結(jié)果顯示在IPC顯示器上，方便醫(yī)護(hù)人員快速排障。為確保系統(tǒng)對(duì)各個(gè)分布式治療單元的同步控制，系統(tǒng)為每個(gè)控制任務(wù)建立一個(gè)獨(dú)立的安全線程隊(duì)列[15]。然后將所有控制任務(wù)分配到n個(gè)線程中去，每個(gè)線程將實(shí)現(xiàn)獨(dú)立地實(shí)時(shí)控制并將分布式終端上傳的數(shù)據(jù)存入硬盤，利用控件提取并同步取出，確保采集到的所有參數(shù)均來自同一時(shí)間點(diǎn)。IPC利用這些參數(shù)和醫(yī)護(hù)人員輸入的處方電針信號(hào)計(jì)算出EMGi。

對(duì)于患者EMG不可預(yù)測(cè)的特征，傳統(tǒng)開環(huán)算法不能根據(jù)EMG變化做出及時(shí)調(diào)整，影響系統(tǒng)實(shí)時(shí)性能造成資源浪費(fèi)。本研究采用反饋控制方法，根據(jù)EMG信號(hào)變化情況，動(dòng)態(tài)地調(diào)整激勵(lì)電針信號(hào)的波形，保證實(shí)時(shí)滿足要求，提高硬件資源利用率。自適應(yīng)反饋電針系統(tǒng)設(shè)計(jì)了人工干預(yù)模式，以便EMG在超出安全工作區(qū)后，能夠快速恢復(fù)至安全區(qū)。有2種方式可以使系統(tǒng)進(jìn)入干預(yù)模式：手動(dòng)方式，當(dāng)醫(yī)護(hù)人員根據(jù)實(shí)際治療情況判斷EMG超出安全范圍，并發(fā)出應(yīng)急指令，系統(tǒng)強(qiáng)行進(jìn)入干預(yù)狀態(tài)；自動(dòng)方式，系統(tǒng)自動(dòng)自適應(yīng)不斷逼近控制目標(biāo)，采用梯度算法，對(duì)系數(shù)進(jìn)行調(diào)整最終使目標(biāo)函數(shù)最小化。檢查EMG是否超出安全范圍，一旦滿足條件，系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)入應(yīng)急模式并報(bào)警。在應(yīng)急模式下，系統(tǒng)同時(shí)打開調(diào)幅模式以最大幅度調(diào)節(jié)EMG，快速恢復(fù)EMG至安全范圍。

在正常調(diào)節(jié)的過程中，為避免頻繁調(diào)幅造成大電流電磁干擾，設(shè)計(jì)了半自動(dòng)FM模式，由醫(yī)護(hù)人員通過IPC給出調(diào)節(jié)指令，人工完成EMG緩慢調(diào)節(jié)，在IPC顯示屏上實(shí)時(shí)顯示不同患者的EMG、處方信號(hào)和安全性等動(dòng)態(tài)仿真信息，方便醫(yī)護(hù)人員進(jìn)行操作。

4 測(cè)試結(jié)果

圖7是電針系統(tǒng)的實(shí)際控制曲線。兩條虛線間為安全工作區(qū)，其中不同階段分別采用FM/WM/FM調(diào)節(jié)方式。最終控制結(jié)果表明該系統(tǒng)控制精度高、響應(yīng)快，可用來動(dòng)態(tài)調(diào)整EMG，保證處方信號(hào)的長期有效性，給出隨時(shí)間變化的免疫區(qū)。

圖7 自適應(yīng)反饋系統(tǒng)實(shí)際控制曲線

為了驗(yàn)證該系統(tǒng)的療效，選取32例消化不良患者，將其隨機(jī)等分為實(shí)驗(yàn)組和對(duì)照組（n=16），2組患者在性別、年齡、病程等方面均無明顯差異。采用自適應(yīng)反饋電針灸系統(tǒng)與對(duì)照組電針系統(tǒng)刺激患者雙側(cè)足三里、內(nèi)關(guān)，治療2周后，實(shí)驗(yàn)組有效率為93.75％（痊愈7例，有效8例，無效1例），對(duì)照組有效率81.23％（痊愈6例，有效7例，無效3例）。實(shí)驗(yàn)組采用本文所研究的分布式自適應(yīng)反饋的電針系統(tǒng)，對(duì)照組采用普通針灸系統(tǒng)，其中實(shí)驗(yàn)組治療有效率明顯高于對(duì)照組。

5 結(jié)論

設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的分布式自適應(yīng)電針系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)多個(gè)患者的并行治療。在治療過程中，能夠自動(dòng)調(diào)整電針系統(tǒng)信號(hào)波形，避免長時(shí)間使用后患者出現(xiàn)耐針性，同時(shí)能夠提高治療效率，方便進(jìn)行定量分析，節(jié)約人力，具有廣泛的應(yīng)用前景。

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Research on the Distributed Adaptive Feedback Electro-Acupuncture System

XUE Fang1, CUI Yan-chao2
1.Department of Health Management, Xi’an Medical University, Xi’an Shaanxi 710021, China；2.Department of Rehabilitation Medicine, The First Affiliated Hospital of Xi’an Jiaotong University, Xi’an Shaanxi 710061, China

During the course of treatment with the traditional electro-acupuncture system, the patients’ reaction to the prescribed signal would occur and have an influence on the effect of the treatment. Hence, doctors must adjust the prescription signal, using more time and manpower. In this study, a distributed adaptive feedback electro-acupuncture system was used to construct models and provide feedback for the EMG signal generated by different electro-acupuncture. The dynam ic adjustment of frequency, pulse w idth and amplitude was realized on the DSP-centered hardware platform by using adaptive methods so as to achieve the best treatment effects.

adaptive；feedback；electro-acupuncture；EMG signal；needle resistance

R245-33

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2015.10.009

1674-1633（2015）10-0033-04

2015-06-05

2015-06-23

陜西省教育廳科學(xué)研究計(jì)劃項(xiàng)目（15JK1634）。

本文作者：薛方，講師，主要研究領(lǐng)域?yàn)橛?jì)算機(jī)應(yīng)用、嵌入式系統(tǒng)，信息技術(shù)在醫(yī)療系統(tǒng)中的應(yīng)用。

作者郵箱：xuefang_75@163．com