可實時調(diào)整刺激參數(shù)的功能性電刺激儀的研制

丁建華，陳子晗，李玉榕

(福州大學(xué)電氣工程與自動化學(xué)院,福建省醫(yī)療器械和醫(yī)藥技術(shù)重點實驗室,福建 福州 350108)

0 引言

在FES 應(yīng)用中，為避免單極性電流刺激導(dǎo)致電荷在皮膚表面積累，造成肌肉疲勞或刺痛感，電刺激儀需要具備雙極性輸出的能力，且需要恒流輸出以保證刺激量穩(wěn)定.為應(yīng)用于輔助患者步行的場合，電刺激儀需要設(shè)計為可穿戴式.特別地，為應(yīng)用在閉環(huán)FES系統(tǒng)中，電刺激儀還需要具備實時調(diào)節(jié)刺激參數(shù)的能力，包括電流幅值、頻率和脈寬.文[5-6]指出，功能性電刺激常用刺激頻率為20～100 Hz，脈寬為0.1～1.0 ms，而電流幅值因刺激部位的不同而不同，因此，電流幅值需要連續(xù)可調(diào)[7-8].目前的功能性電刺激儀無法同時滿足上述需求，例如Compex SA制造Compex Motion[9]，雖然可以通過PC對預(yù)設(shè)的刺激序列進行編程，但并不是實時調(diào)整刺激參數(shù).訊豐通醫(yī)療股份有限公司生產(chǎn)的足下垂助行儀采用固定的刺激序列，也無法實時調(diào)整刺激參數(shù)[10].文[11-12]研究的功能性電刺激治療儀需要外接電源供電，不利于攜帶.

針對上述不足之處，設(shè)計一款基于STM32的功能性電刺激儀，其以雙極性恒流輸出，波形為雙極性波形，刺激強度可實時調(diào)整：幅值在0～50 mA、頻率在0～100 Hz和脈寬在0～1 000 μs范圍內(nèi)可調(diào)，調(diào)節(jié)幅值、頻率和脈寬的步長分別為1 mA、1 Hz和1 μs.

1 原理與系統(tǒng)框圖

刺激強度可實時調(diào)整的多通道電刺激輸出裝置主要包括串口通信、刺激恒壓源和刺激脈沖生成電路，通過四路刺激恒壓源和四路刺激脈沖生成四通道輸出脈沖的電刺激裝置.為避免采用市電供電導(dǎo)致體積較大，整個裝置由鋰電池供電，減小電刺激儀的體積.其基本原理是：電源模塊是通過USB線對鋰電池進行充電，并為各個模塊供電使其正常工作；STM32微控制器通過通信模塊與上位機通信，接收上位機指令，其中上位機指令包括刺激通道、通道使能信號、頻率、幅度和脈寬等數(shù)據(jù)，根據(jù)上位機指令選擇啟動刺激通道，并在刺激儀工作過程中對電池進行AD采樣，當(dāng)電壓過低時產(chǎn)生報警信號；升壓模塊是對鋰電池電壓進行升壓，通過調(diào)節(jié)DAC轉(zhuǎn)換器或者數(shù)字電位器來產(chǎn)生指定電流幅值對應(yīng)的刺激恒壓源電壓；恒流輸出模塊是通過微控制器控制H橋電路生成雙極性刺激脈沖，輸出恒定電流，從而實現(xiàn)輸出刺激強度可實時調(diào)整的電刺激脈沖.刺激強度可實時調(diào)整的多通道電刺激輸出裝置系統(tǒng)框圖如圖1所示.

圖1 系統(tǒng)框圖Fig.1 System block diagram

電刺激儀的微控制器采用STM32F407VET6，通過串口與上位機通信，接收由上位機發(fā)送的指令，實時調(diào)整刺激強度，上位機可以采用PC控制程序或者微控制器.

2 硬件電路設(shè)計

2.1 STM32處理器控制電路

STM32F407VET6是電刺激儀的主控芯片，它采用32位ARM Cortex-M4內(nèi)核，高達(dá)168 MHz的工作頻率，外設(shè)豐富，滿足系統(tǒng)所需的定時器、ADC、I2C、GPIO和USART功能模塊.STM32處理器主要是控制STM32與上位機通信、控制升壓電路生成刺激恒壓源、控制刺激脈沖生成電路輸出雙極性刺激脈沖以及對系統(tǒng)供電的鋰電池進行AD檢測.

2.2 刺激恒壓源生成電路

采用升壓電路的輸出電壓作為刺激恒壓源，當(dāng)電極片貼好后，負(fù)載維持在穩(wěn)定值，電刺激儀工作時刺激恒壓源作用在穩(wěn)定的負(fù)載上，因此，電刺激儀輸出恒定電流.人體皮膚阻抗約1 kΩ[13]，當(dāng)本系統(tǒng)輸出最大的脈沖幅值(50 mA)，根據(jù)歐姆定律，需要大約50 V的刺激恒壓源，而本設(shè)計采用鋰電池供電，無法達(dá)到50 V的電壓，需要采用升壓電路進行升壓.本系統(tǒng)將刺激恒壓源生成電路設(shè)計為兩級升壓電路，一級升壓電路最高輸出電壓為12 V,二級升壓電路最大輸出電壓為56 V.當(dāng)刺激恒壓源的電壓值大于12 V時，二級升壓電路開始工作，輸出對應(yīng)刺激脈沖幅值所需要的刺激恒壓源電壓.

為確定刺激恒壓源的電壓值，檢測電極片兩端的人體皮膚阻抗大小R0，根據(jù)設(shè)置的電流幅值數(shù)據(jù)I，根據(jù)歐姆定律有：

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U=R0×I

(1)

由式(1)計算得到輸出對應(yīng)幅值所需刺激恒壓源的電壓值.

當(dāng)式(1)計算出的電壓小于12 V時，二級升壓電路不工作，一級升壓電路的輸出電壓作為刺激恒壓源.一級升壓電路的輸出電壓Vo由電壓Vf和電壓Vadj組成的線性加法電路控制，其中電壓Vadj為STM32控制的DAC轉(zhuǎn)換電路輸出的電壓，輸出電壓Vo與電壓Vf成線性關(guān)系：

(2)

根據(jù)電路的分壓定理有:

(3)

其中：1.2 V為芯片F(xiàn)P6296XR第5引腳的反饋電壓，將式(2)帶入式(3)中并帶入具體數(shù)值，計算得：

Vo=10.1×(Vadj-8.64)

(4)

根據(jù)式(4)可以計算一級升壓電路的輸出電壓，以此作為刺激恒壓源.

當(dāng)式(1)計算出的電壓大于12 V時，DAC轉(zhuǎn)換電路不工作.由于二級升壓電路采用的升壓芯片的工作電壓在10～18 V之間，根據(jù)式(2)將一級升壓電路設(shè)計為輸出12 V電壓，作為二級升壓電路的升壓芯片的工作電壓.采用數(shù)字電位器U6控制輸出電壓，假設(shè)數(shù)字電位器U6的阻值為Rx，輸出電壓VCH1_VDD與數(shù)字電位器U6成線性關(guān)系：

(5)

根據(jù)式(5)計算出二級升壓電路的輸出電壓，以此作為刺激恒壓源.當(dāng)二級升壓電路不工作時，一級升壓電路的輸出電壓Vo即為電壓VCH1_VDD.

2.3 刺激脈沖生成電路

系統(tǒng)采用H橋電路作為刺激脈沖生成電路，H橋電路如圖2所示.

圖2 H橋電路Fig.2 H-bridge circuit

系統(tǒng)采用的刺激脈沖波形為雙極性脈沖，正負(fù)脈沖電荷相等，在一個周期內(nèi)正負(fù)電荷相互中和，可以減少電荷在皮膚組織中積累[14]，不易造成肌肉疲勞，可以避免由單極性脈沖刺激造成電荷積累引起刺痛感等問題.系統(tǒng)工作時，控制Q5、Q8導(dǎo)通且Q6、Q7截止，電流方向為：A—人體—B，產(chǎn)生正向的刺激脈沖；控制Q5、Q8截止且Q6、Q7導(dǎo)通，電流方向為：B—人體—A，產(chǎn)生反向的刺激脈沖；Q5、Q8和Q6、Q7輪流導(dǎo)通，電刺激儀輸出雙極性脈沖.

3 軟件設(shè)計

采用Keil uVision5編寫STM32的嵌入式程序，主要包括主程序、計算升壓參數(shù)子程序和計算H橋的控制參數(shù)子程序.

3.1 刺激脈沖生成電路

當(dāng)通信程序接收一次指令后，將標(biāo)記置1，在主程序中，將標(biāo)記置0，根據(jù)通信程序接收的指令，包括通道信號、通道使能信號、幅值、頻率和脈寬等數(shù)據(jù)，選擇啟動電刺激通道，以及計算對應(yīng)通道的升壓參數(shù)和H橋的控制參數(shù).其中升壓參數(shù)包括用于配置DAC轉(zhuǎn)換器的寄存器的一級升壓參數(shù)和用于配置數(shù)字電位器的寄存器的二級升壓參數(shù)，H橋的控制參數(shù)包括H橋的開關(guān)管導(dǎo)通時間和關(guān)斷時間.主程序流程圖如圖3所示.

圖3 主程序流程圖Fig.3 Main program flow chart

3.2 計算升壓參數(shù)子程序

現(xiàn)有文獻中指出在皮膚濕潤的情況下，人體阻抗約為1 kΩ[13].考慮到實際使用情況下皮膚濕潤程度不高，導(dǎo)致人體阻抗升高，子程序計算電極兩端的阻抗處于正常范圍內(nèi)后，可以進行升壓計算，并根據(jù)阻抗計算出升壓電路所需的一級升壓參數(shù)和二級升壓參數(shù).

3.3 計算H橋的控制參數(shù)子程序

改變指令中頻率和脈寬這2個刺激參數(shù)中的任意一個參數(shù)，都需要重新計算H橋的控制參數(shù).其中，F(xiàn)req和Width分別是指令中的頻率參數(shù)和脈寬參數(shù).根據(jù)頻率、周期和脈寬之間的關(guān)系有：

(6)

us_High=Width

(7)

LowTime=0.5×Period-us_High

(8)

根據(jù)式(6)先將頻率轉(zhuǎn)換為以微秒為單位的周期值Period，根據(jù)式(7)得到以毫秒為單位的高電平持續(xù)時間，根據(jù)式(8)得到以毫秒為單位的低電平持續(xù)時間，并根據(jù)這些時間參數(shù)控制H橋開關(guān)管的導(dǎo)通與關(guān)斷.

4 實驗與測試

采用Matlab軟件編寫上位機控制程序，發(fā)送指令改變刺激強度.搭建測試平臺，分別進行電阻實驗測試和人體實驗測試.為在示波器中觀察到脈寬的明顯變化，將刺激頻率設(shè)置為最大值100 Hz，頻率越大，脈沖的占空比也越大，在示波器中觀察到的脈寬變化越明顯.串口發(fā)送數(shù)據(jù)的頻率設(shè)為刺激脈沖的頻率，即每個脈沖周期改變一次脈寬，發(fā)送10次數(shù)據(jù).本次實驗采用梯形刺激包絡(luò)線，與目前市場上大多數(shù)成功商業(yè)化的電刺激儀相同，可以避免由全或無刺激包絡(luò)線的刺激強度上升或下降過快所導(dǎo)致的弊端[14]，其脈寬從零逐漸增加，然后維持一段時間的恒定脈寬，最后逐漸降低直到關(guān)閉輸出.

4.1 系統(tǒng)測試

測試平臺如圖4所示.實驗所用的示波器為安捷倫的DSO-X2012A示波器，帶寬為100 MHz，采樣率高達(dá)2 GSa·s-1(Sa為采樣數(shù))，滿足測試精度要求.并對提出的輸出參數(shù)和精度要求進行測試，測試結(jié)果顯示電刺激儀的輸出參數(shù)都滿足設(shè)計要求.與瑞士公司Compex SA制造Compex Motion[9]相比，本設(shè)計中的功能性電刺激儀精度更高，脈寬分辨率為1 μs，可以滿足更多刺激部位的脈寬調(diào)節(jié)要求，且可以滿足功能性電刺激系統(tǒng)的閉環(huán)控制要求.

4.2 模擬電阻實驗測試

實驗中采用1 kΩ的電阻模擬人體阻抗，給定刺激脈沖幅值為20 mA，通過Matlab發(fā)送指令改變脈寬.經(jīng)過實驗測試，通過示波器觀察實際輸出波形的脈寬如圖5所示，刺激脈沖波形的脈寬隨著脈寬值的變化而變化，其脈寬逐漸從零變寬，然后維持不變，再逐漸從寬變?yōu)榱?，符合梯形刺激包絡(luò)線.

圖4 測試平臺Fig.4 Testing platform

圖5 電阻實驗測試輸出波形Fig.5 Output waveform of resistance test

4.3 人體實驗測試

人體實驗選在手臂進行測試，實驗前，先用醫(yī)用酒精涂抹皮膚表面，用于消毒和增強導(dǎo)電能力.在實驗過程中，為了在示波器中觀察到脈寬的明顯變化，采用同模擬電阻實驗一樣的刺激頻率和刺激包絡(luò)線，其中刺激頻率為100 Hz.由于是在人體進行實驗，考慮人體安全，給定的測試電流不能過大，這里采用7 mA的電流幅值.采用與電阻實驗測試一樣的方法改變脈寬.

經(jīng)過實驗測試，在示波器中觀察到實際脈寬變化如圖6所示.其中，圖6(a)為人體實驗測試的波形圖，圖6(b)為圖6(a)的前5個周期放大后的波形圖，可以明顯觀察到脈寬逐漸增大，然后維持不變;圖6(c)為圖6(a)的后5個周期放大后的波形圖，可以明顯觀察到脈寬逐漸減小，整個過程符合梯形刺激包絡(luò)線.人體實驗測試結(jié)果同樣表明，在對人體進行電刺激時，電刺激儀也能實時調(diào)整刺激脈寬.與已經(jīng)商業(yè)化的深圳訊豐通醫(yī)療股份有限公司生產(chǎn)的足下垂助行儀[10]相比，該功能性電刺激儀可實時調(diào)整刺激強度，滿足閉環(huán)控制系統(tǒng)需求.

圖6 人體實驗測試輸出的波形圖Fig.6 The output waveform of human body

與圖6模擬電阻輸出的波形對比，發(fā)現(xiàn)人體實驗測試的波形圖與模擬電阻實驗測試的波形圖有所不同，是因為人體阻抗并不是純電阻，如果用電路模型模擬人體真實阻抗，表現(xiàn)為電阻和電容的復(fù)雜組合，因此具有電容的特性.當(dāng)電壓突然由高電平變?yōu)榈碗娖綍r，電容儲存的能量不能瞬間釋放，需要一段時間進行放電，因此在人體實驗測試得到的波形與在模擬電阻實驗測試得到的波形會略有差異.

5 結(jié)語

針對刺激強度可實時調(diào)整的設(shè)計要求，設(shè)計了根據(jù)上位機指令改變刺激參數(shù)的電刺激儀，并給出了具體的電路設(shè)計方案.該電刺激儀采用鋰電池供電，減小了電刺激儀的體積和重量，適用于一些特殊應(yīng)用場合，例如在輔助患者步行的FES應(yīng)用場合；輸出雙極性波形，并且實現(xiàn)恒流輸出，避免了造成肌肉疲勞以及刺激量不穩(wěn)定的弊端；實現(xiàn)了實時調(diào)整刺激參數(shù)，可以應(yīng)用在閉環(huán)FES系統(tǒng)中.通過精度測試、電阻的實驗測試和人體實驗測試，其結(jié)果表明：刺激電流幅值在0～50 mA連續(xù)可調(diào)，可以實時調(diào)整刺激脈沖的頻率和脈寬，其中頻率可以在0～100 Hz連續(xù)可調(diào)，脈寬可以在0～1 000 μs連續(xù)可調(diào).在閉環(huán)FES系統(tǒng)的實際工作過程中，刺激電流根據(jù)不同的刺激部位調(diào)節(jié)電流幅值，頻率和脈寬具體大小可以根據(jù)實際控制算法計算得到.