中低頻電刺激治療儀的設(shè)計(jì)與應(yīng)用研究*

吳義才，戴季高，曾俊煒，蔣麗媛，王璽羽，趙艷梅，鄒任玲△，徐秀林，胡秀枋，尹學(xué)志

(1.上海理工大學(xué)健康科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200093；2.上海貝瑞電子科技有限公司，上海 201100)

引言

腦卒中是一種急性腦血管疾病，多數(shù)患者會(huì)遺留肢體的功能障礙[1]。在康復(fù)過(guò)程中，除了基本的機(jī)械訓(xùn)練康復(fù)外，常并入電刺激輔助加以治療[2-3]。電刺激療法作為神經(jīng)損傷疾病的康復(fù)技術(shù)之一，可以幫助患者重建或者恢復(fù)部分運(yùn)動(dòng)功能[4-5]。在反復(fù)的運(yùn)動(dòng)康復(fù)中，刺激患者失去神經(jīng)控制的肌肉，使其收縮[6]，能更好地在皮層形成興奮痕跡，提高康復(fù)效果[7]。電刺激治療儀器近幾年在臨床使用普遍[8]，Sousa等[9]通過(guò)刺激患者肌肉來(lái)確定電刺激參數(shù)，F(xiàn)erree 等[10]研制的電刺激儀，通過(guò)檢測(cè)患者康復(fù)動(dòng)作來(lái)改變電刺激輸出， Akiba 等[11]通過(guò)下肢運(yùn)動(dòng)到不同位置時(shí)，改變電刺激部位，來(lái)實(shí)現(xiàn)更好的刺激效果。丁建華等[12]研制的可實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)刺激參數(shù)的功能性電刺激儀具有多通道恒流輸出，采用H橋電路生成脈沖波，波形單一。文獻(xiàn)[13]中電刺激儀雖采用新型電極，卻只有單通道，無(wú)法滿足患者多部位刺激的需求。郭佳瑩、尹琪敏等[14-15]分別設(shè)計(jì)了帶有肌電反饋的電刺激系統(tǒng)，通過(guò)反饋來(lái)更好確定刺激參數(shù)。

臨床上，刺激穩(wěn)定能夠保證人體安全，且效果更好。電刺激為了應(yīng)用于肢體不同位置，需要實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)刺激參數(shù)[16]，而輸出多種波形可以適應(yīng)不同肌肉的刺激反應(yīng)，多個(gè)通道便于作用在患側(cè)肢體不同部位，當(dāng)前的電刺激儀尚未滿足這些需求。本研究設(shè)計(jì)了一款多通道中低頻電刺激治療儀，使用雙運(yùn)放恒流源輸出，并采用四通道滿足各部位刺激需求。波形為方波、正弦波、低頻波形和中頻波形調(diào)制而成的包絡(luò)波，可實(shí)時(shí)采集電刺激輸出端、反饋電流大小、保證人體安全。

1 設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

該治療儀的電刺激輸出為恒流源輸出，能保證輸出電流不受人體阻抗不同的影響[17]。圖1為電刺激模塊的功能框圖，包含MCU、調(diào)制波形、恒流源輸出[18]及功率放大等模塊。MCU的DAC1輸出作為調(diào)制波的波形，可選用正弦波或方波。調(diào)節(jié)定時(shí)器可調(diào)制波形的頻率[19-21]。MCU兩路DAC輸出添加電壓跟隨器以提高帶載能力，需要先將DAC1輸出變換至0～1 V，DAC2輸出變換至-1～1 V，再通過(guò)AD835乘法器將兩路波形調(diào)制輸出，獲得如調(diào)制模塊中所示的兩種波形。上位機(jī)是由QT編寫的操作顯示界面，可以顯示各通道電刺激的參數(shù)。

刺激參數(shù)如下：電流輸出幅值0～50 mA、低頻0～150 Hz、中頻1～10 kHz、方波占空比在0%～50%。電流調(diào)節(jié)步長(zhǎng)為1 mA、低頻步長(zhǎng)為1 Hz(0～10 Hz)和10 Hz(10～150 Hz)、中頻步長(zhǎng)為100 Hz。

注：調(diào)制波形模塊有兩種調(diào)制波形。

1.1 硬件設(shè)計(jì)

硬件設(shè)計(jì)見(jiàn)圖2，包括MCU控制模塊、電源模塊、波形調(diào)制模塊、恒流源功率放大模塊和電流反饋模塊。由MCU設(shè)置的可調(diào)節(jié)波形輸出至波形調(diào)制電路，使用數(shù)字電位器調(diào)節(jié)其輸出大小，經(jīng)過(guò)恒流源功率放大后，輸出電流[22]。同時(shí)，主控板將電刺激各通道參數(shù)，通過(guò)串口發(fā)送至上位機(jī)。

圖2 硬件電路板Fig.2 Hardware circuit board

電源使用開(kāi)關(guān)電源將交流電變?yōu)?15 V為功率放大電路供電，再通過(guò)DC-DC轉(zhuǎn)換芯片將15 V電壓轉(zhuǎn)換為5 V、-5 V為運(yùn)放供電，最后使用LDO將5 V轉(zhuǎn)化為3.3 V為MCU供電。

1.1.1波形調(diào)制模塊 多種波形刺激可以形成不同的刺激療效[23]，為了更方便地進(jìn)行波形調(diào)制，首先MCU模塊DAC輸出的兩種波形，通過(guò)減法電路和反相放大器將波形電壓輸出至0～1 V和-1～1 V。其中調(diào)制波形頻率范圍為0～150 Hz,載波為1～10 kHz。通過(guò)芯片AD835乘法器將兩路中低頻波形進(jìn)行調(diào)制輸出，為控制后續(xù)電流輸出大小，使用數(shù)字電位器調(diào)節(jié)其調(diào)制后的調(diào)制波形電壓。該模塊實(shí)現(xiàn)的兩種調(diào)制波波形仿真圖，見(jiàn)圖3。

圖3 兩種調(diào)制波仿真波形圖Fig.3 Simulation waveform of two modulated wave

1.1.2恒流源功率放大模塊 電刺激采用的雙運(yùn)放恒流源模型見(jiàn)圖4，刺激電流的大小可通過(guò)式(1)計(jì)算：

圖4 恒流源模型Fig.4 Constant current source model

(1)

其中：

(2)

則可以得到：

(3)

這里Id為流過(guò)人體(Rload為人體阻抗)的電流，Uin為輸入波形，VDD為設(shè)備中功率放大電路的供電電源。在Uin=±1 V的情況下，Rset通常取100 Ω以內(nèi)，則VDD的表達(dá)式可簡(jiǎn)化為式(3)。通常輸出雙極性波形時(shí)，將Uref置0，其表達(dá)式同樣滿足式(3)。在功率放大電路與人體負(fù)載之間增加一個(gè)變壓器，變壓器隔離了人體與電路板的連接，并起到了阻抗變換的作用。將負(fù)載側(cè)大阻抗變換至輸出側(cè)小阻抗，在不增加電路功耗的情況下，可以使用較小的電源值。本研究供電電源U1=15 V，變壓器副極匝數(shù)設(shè)定為20，則人體負(fù)載側(cè)可測(cè)得的最大不失真電壓為300 V。后期可根據(jù)測(cè)得的阻抗值調(diào)整電源電壓，以保證輸出穩(wěn)定。

1.1.3電流反饋模塊 本研究選擇高端電流檢測(cè)，通過(guò)負(fù)載前串聯(lián)高精度小電阻，電阻兩端作為差分放大器AD629的兩個(gè)輸入，來(lái)實(shí)時(shí)檢測(cè)電流大小，并將采集的模擬信號(hào)發(fā)送至STM32內(nèi)置的ADC。模數(shù)轉(zhuǎn)換后，若檢測(cè)電流超過(guò)設(shè)定的電流閾值，則STM32發(fā)送指令信號(hào)，斷開(kāi)連接功率輸出端的繼電器，從而斷開(kāi)輸出，保護(hù)人體安全。

1.2 軟件設(shè)計(jì)

為方便操作，采用上、下位機(jī)功能分開(kāi)設(shè)計(jì)，下位機(jī)完成電刺激波形初始數(shù)據(jù)的生成，以及各參數(shù)可實(shí)時(shí)調(diào)整功能；上位機(jī)通過(guò)串口與下位機(jī)通信，接收下位機(jī)發(fā)送的各通道數(shù)據(jù)，并進(jìn)行顯示、保存等。

1.2.1下位機(jī) 下位機(jī)系統(tǒng)選用Keil環(huán)境進(jìn)行程序編寫，搭載嵌入式系統(tǒng)RTOS進(jìn)行多線程任務(wù)，其主要任務(wù)是將正弦波、方波波形數(shù)據(jù)通過(guò)STM32內(nèi)置DAC發(fā)送，同時(shí)，不斷檢測(cè)各按鍵來(lái)響應(yīng)改變波形、通道、頻率、電流大小等指令，并將各參數(shù)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通過(guò)串口發(fā)送至上位機(jī)。程序流程見(jiàn)圖5，接通電源后，選擇輸出的波形和通道及最初設(shè)定的電流值、頻率值和脈寬等，并可隨時(shí)改變輸出的各參數(shù)，將最終波形輸出至電極端。

圖5 電刺激程序框圖Fig.5 Program chart of electrical stimulation

1.2.2上位機(jī) 上位機(jī)是由QT編寫的操作顯示界面。選擇正確的串口端口，點(diǎn)擊開(kāi)始控件后，上位機(jī)通過(guò)串口通信接收電刺激儀四個(gè)通道的參數(shù)數(shù)據(jù)，包括頻率、電流強(qiáng)度、脈寬等。在實(shí)際刺激中可以通過(guò)此界面清晰觀察各通道的參數(shù)顯示，以便調(diào)整和記錄參數(shù)數(shù)據(jù)，方便使用。該部分?jǐn)?shù)據(jù)可存至文件夾中，后續(xù)可使用excel打開(kāi)，上位機(jī)界面顯示圖，見(jiàn)圖6。

圖6 電刺激上位機(jī)顯示界面Fig.6 Display interface of electrical stimulation upper computer

2 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果

為驗(yàn)證電刺激裝置的實(shí)際效果，本研究分別將模擬電阻和人體作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象。采用上述硬件搭建硬件平臺(tái)，檢測(cè)實(shí)際波形效果以及電流強(qiáng)度來(lái)驗(yàn)證臨床刺激效果[24-25]，使用QT上位機(jī)顯示各通道、參數(shù)的設(shè)定值，對(duì)實(shí)際值與設(shè)定值做參數(shù)對(duì)比來(lái)檢驗(yàn)輸出誤差。

2.1 模擬電阻實(shí)驗(yàn)

將四組不同阻值的電阻接入本電刺激儀輸出端，串口線連至PC端，接入電源。測(cè)試過(guò)程中，不斷調(diào)節(jié)波形、波形頻率、電流大小等參數(shù)。結(jié)果顯示，測(cè)試硬件樣機(jī)可以實(shí)現(xiàn)各個(gè)參數(shù)調(diào)節(jié)要求。圖7 (圖中括號(hào)內(nèi)為電阻實(shí)際值，1 k、2 k等分別代表人體在不同頻率電刺激下可能的電阻值)中，四通道通過(guò)調(diào)節(jié)數(shù)字電位器來(lái)改變預(yù)輸出電流幅值，選用中低頻調(diào)制波形，波形頻率分別為1 kHz(載波)和100 Hz(調(diào)制波)，分別測(cè)試電流值為5、10、15、20、25 mA的實(shí)際輸出。測(cè)試過(guò)程中，各通道電流實(shí)際輸出與預(yù)值基本吻合，滿足了恒流輸出和可精準(zhǔn)調(diào)節(jié)的要求。同時(shí)，隨著電流設(shè)定值的不斷增大，實(shí)際電流值開(kāi)始略低于標(biāo)準(zhǔn)值。結(jié)果分析得出，一是由于測(cè)試電阻精度不夠，部分電阻與實(shí)際值偏差較大；二是由于累計(jì)誤差；三是硬件測(cè)試環(huán)境部分影響，但總體精度滿足臨床刺激使用標(biāo)準(zhǔn)要求[24-25]。

圖7 不同電阻下實(shí)際輸出電流幅值圖Fig.7 Actual output current amplitude at different resistances

為測(cè)試各個(gè)波形的顯示效果，選用1 kΩ的電阻作為模擬電阻，通過(guò)模塊按鍵調(diào)整輸出波形，調(diào)制波頻率分別為1 kHz(載波)和100 Hz(調(diào)制波)、方波頻率為1 kHz、正弦波頻率為1 kHz、電流幅值2 mA。測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖8，其中，正弦波-正弦波調(diào)制波是為了在示波器顯示效果中，將頻率調(diào)至為1.3 kHz。

圖8 模擬電阻下各測(cè)試波形Fig.8 Test waveforms under simulated resistance

2.2 人體實(shí)驗(yàn)

人體測(cè)試選擇上臂不同部位，使用酒精棉擦拭表面皮膚后貼入電極片，連接串口線后接入電源。為了保證人體安全，初始模式電流幅值為0 mA，不斷增加直至人體感受到刺激感后停止。同時(shí)，調(diào)節(jié)不同頻率、波形和刺激部位以獲取個(gè)體刺激感受最佳值。圖9為人體測(cè)試圖，其中圖9(a)—圖9(d)分別是刺激不同部位的實(shí)驗(yàn)效果圖。通過(guò)測(cè)試發(fā)現(xiàn)，不同人體的相同刺激位置的刺激感受最佳值不同，且同一個(gè)體的不同肌肉部位的刺激感受最佳值也不同，這是由于不同人體、不同肌肉群疲勞或者損傷不同導(dǎo)致的，因此，實(shí)際刺激治療前可為患者確定刺激最佳值后，再進(jìn)行治療，以達(dá)到個(gè)體最佳治療效果。

圖9 人體測(cè)試中不同位置刺激圖Fig.9 Different positions of stimuli in human test

與模擬電阻實(shí)驗(yàn)對(duì)比，使用一致的刺激參數(shù)刺激人體上臂，分別測(cè)試各波形的實(shí)際刺激效果，見(jiàn)圖10。其中，圖10(a)—圖10(d)分別是各刺激波形的人體實(shí)驗(yàn)效果圖。除方波外，其他波形基本與模擬電阻測(cè)試一致。因?yàn)槿梭w阻抗不是純電阻，是具有電阻和電容的全阻抗，所以實(shí)際波形會(huì)由方波變成類似微分波形。

圖10 人體測(cè)試各波形輸出顯示圖Fig.10 Output diagram of each waveform in human test

3 結(jié)論

本研究基于多波形、多通道刺激治療的要求，設(shè)計(jì)了一種多通道可調(diào)節(jié)中低頻電刺激儀。該刺激儀通過(guò)上位機(jī)顯示各通道具體刺激參數(shù)值，便于調(diào)整恒流源輸出，且具有電流反饋功能，能更好地保障人體安全。該電刺激儀可實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)各個(gè)通道刺激參數(shù)，采用多波形模式，可滿足治療中對(duì)不同波形的刺激需求，多通道模式適用于人體不同部位的電刺激治療。在此基礎(chǔ)上，電刺激樣機(jī)分別進(jìn)行了模擬電阻和人體實(shí)驗(yàn)，模擬電阻實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：在不同波形、波形頻率、電流大小等參數(shù)調(diào)節(jié)下，測(cè)試顯示硬件樣機(jī)可以實(shí)現(xiàn)各個(gè)參數(shù)調(diào)節(jié)要求，各通道電流實(shí)際輸出與預(yù)設(shè)值基本吻合，滿足了恒流輸出和精準(zhǔn)調(diào)節(jié)要求，總體精度滿足臨床刺激使用標(biāo)準(zhǔn)要求。人體初步臨床測(cè)試通過(guò)同時(shí)調(diào)節(jié)不同頻率、波形和刺激部位，以獲得個(gè)體刺激感受最佳值，便于確定治療參數(shù)，測(cè)試范圍在標(biāo)準(zhǔn)要求內(nèi)[17-18]。對(duì)各波形的實(shí)際刺激效果進(jìn)行顯示，結(jié)果表明，除方波外，其他波形基本與模擬電阻測(cè)試一致。在測(cè)試中，方波變成類似微分波形，與電刺激人體電阻和電容的全阻抗模型結(jié)果相符。臨床初步結(jié)果表明，該電刺激儀可實(shí)現(xiàn)刺激參數(shù)及刺激波形的多樣化，可為實(shí)際治療提供新的康復(fù)方案，具有重要的臨床應(yīng)用意義。