多模神經(jīng)電刺激儀的設(shè)計

薛慧君，焦 騰，呂 昊，郭天嬌，于 霄

（空軍軍醫(yī)大學軍事生物醫(yī)學工程學系，西安710032）

0 引言

神經(jīng)電刺激療法是指利用1 000 Hz 以下的低頻脈沖電信號治療疾病的方法，通過電極給神經(jīng)肌肉以一定弱強度的電刺激，引起神經(jīng)肌肉興奮，促進局部血液循環(huán)、緩解疼痛，使得肌肉恢復功能[1-2]，該療法廣泛應用于腦卒中、癲癇等神經(jīng)系統(tǒng)疾病相關(guān)的肢體運動康復領(lǐng)域[3-6]。目前，臨床上的神經(jīng)電刺激儀類型多樣，常規(guī)的神經(jīng)電刺激儀僅提供可預設(shè)參數(shù)的恒定刺激模式，被激活的肌肉組織容易產(chǎn)生疲勞，有時無法獲得理想的治療效果[7]。而臨床中往往需要針對患者實際病情和耐受程度來確定合適的刺激參數(shù)[8]。Hofstoetter 等[9]分別用18、20 和27 V 脈沖波刺激3 位實驗對象，發(fā)現(xiàn)改變電刺激頻率、幅度和作用時間會影響治療效果。因此，新型多刺激模式是提升治療效果、拓展神經(jīng)電刺激產(chǎn)品臨床應用的重要研究方向之一[10]。

為了更好地提升神經(jīng)電刺激的治療效果[11-12]，本研究設(shè)計一種能夠產(chǎn)生多種電刺激信號的多模神經(jīng)電刺激儀，改變刺激信號的幅值、頻率、波形以及刺激時間，為后續(xù)研究臨床中電刺激參數(shù)對神經(jīng)生理變化、神經(jīng)損傷預測等方面的影響提供硬件支持。

1 多模神經(jīng)電刺激儀設(shè)計

1.1 刺激參數(shù)

本研究設(shè)計的多模神經(jīng)電刺激儀有4 個可變參數(shù)：輸出波形、幅值、頻率和脈沖寬度（刺激時間）。其中輸出波形包括直流和三角波、正弦波、矩形波3 種脈沖波形。由于人體醫(yī)療電氣設(shè)備的安全標準（IEC-60601）中要求身體接觸直流電壓（危險電壓）小于120 V，因此，輸出電壓幅值為1～100 V。輸出頻率為0～200 Hz，脈沖寬度為50～100 μs。

1.2 結(jié)構(gòu)組成

多模神經(jīng)電刺激儀主要由人機交互模塊、主控單元、刺激脈沖生成模塊3 個部分組成，如圖1 所示。操作者通過人機交互模塊中提前設(shè)置好的按鍵控制指令對主控單元實施刺激輸出，并通過顯示屏查看輸出結(jié)果。主控單元通過通信線路與人體交互模塊通信，根據(jù)按鍵控制指令中的信號模式、幅值、頻率等要求生成刺激信號，并在輸出電極異常時產(chǎn)生報警信號。刺激脈沖生成模塊中的升壓電路接收主控單元指令，給電極驅(qū)動電路提供電壓，待升壓電路將電壓加載到電極驅(qū)動電路，通過其內(nèi)部的數(shù)模轉(zhuǎn)換器（digital to analog converter，DAC）接口進行高低電平轉(zhuǎn)換，從而控制輸出正負刺激信號；電極輸出電路在控制輸出電流的同時通過輸入輸出通道連接人體待刺激部位；斷路監(jiān)測電路監(jiān)測輸出電極是否連接完好，若電極丟失接口懸空則觸發(fā)報警。

圖1 多模神經(jīng)電刺激儀結(jié)構(gòu)框圖

1.3 硬件設(shè)計

1.3.1 人機交互模塊

該模塊包含按鍵輸入電路和屏幕顯示電路，其中按鍵輸入電路使用6 個SW-PB 按鍵，6 個鍵位分別對應輸出波形參數(shù)、幅值、頻率調(diào)整、脈沖寬度選擇以及確定、取消操作[如圖2（a）所示]；屏幕顯示電路使用武漢中顯公司的VGUS 組態(tài)屏SDWa043S53[如圖2（b）所示]，屏幕大小為4.3 in（1 in=25.4 mm），分辨力為480 像素×272 像素，供電電壓為5 V。

圖2 人機交互模塊

1.3.2 主控單元

選擇STM32F407VET6 高性能微控制器作為主控單元，由電源電路對其輸出3.3 V 穩(wěn)定電壓。該微控制器具有ARM?CortexTM-M4 32 bit 精簡指令微處理器（reduced instruction set computer，RISC），內(nèi)核工作頻率高達168 MHz，支持所有ARM（advanced RISC machine）單精度數(shù)據(jù)處理指令和數(shù)據(jù)類型，可為外接器件提供3 個12 bit 模數(shù)轉(zhuǎn)換器（analog to digital converter，ADC）接口、2 個DAC 接口、2 個脈沖寬度調(diào)制（pulse width modulation，PWM）定時器、12個通用型16 bit 定時器、2 個通用32 bit 定時器、4 個全雙工通用串行收發(fā)接口和2 個異步串行收發(fā)接口，滿足設(shè)計中輸出輸入要求。

1.3.3 刺激脈沖生成模塊

刺激脈沖生成模塊主要包括升壓電路、電極驅(qū)動電路、電極輸出電路和斷路監(jiān)測電路，電路設(shè)計精度量值為1%，元器件選用參照此精度。

升壓電路如圖3 所示。該電路采用開關(guān)升壓電路，主控單元控制PWM 信號由PB6 端口輸入，利用電路中的三極管Q6、二極管D3 的導通截止特性，對電感L2 和電容E1 充放電實現(xiàn)A 端口升壓，并根據(jù)PB6 端的PWM 輸入信號幅度控制輸出升壓值，使得輸出端電壓為60～100 V。

圖3 升壓電路

電極驅(qū)動電路如圖4 所示。升壓電路通過A 端口將電壓加載到電極驅(qū)動電路，主控單元控制2 個DAC 端口的高低電平轉(zhuǎn)換，輸出交流刺激信號。當DAC1 為高電平、DAC2 為低電平時，三極管Q3、Q4導通，電極1（ElecPole1）輸出刺激信號，Q7 截止，電極2（ElecPole2）無電流輸出；當DAC1 為低電平、DAC2 為高電平時，三極管Q7、Q8 導通，ElecPole2 輸出電流，ElecPole1 無電流輸出，以此達到交流輸出的目的。

圖4 電極驅(qū)動電路

電極輸出電路如圖5 所示。為了抑制電流偏置、放大微弱信號，電極輸出電路使用OP07 雙極性運算放大器作為輸出端。同時在人體與另一電極之間串聯(lián)1 Ω 的采樣電阻，通過采集刺激電流和采樣電阻兩端的電壓計算人體阻抗，一方面，為儀器測試提供人體阻抗數(shù)據(jù)；另一方面，根據(jù)人體所受電壓幅值進一步調(diào)控輸出電流。

圖5 電極輸出電路

斷路監(jiān)測電路如圖6 所示，該電路用以監(jiān)測電極是否連接好。電極連接穩(wěn)定時，三極管Q12、Q13 導通，電極丟失（electrode loss，EL）端口接收到電流信號后，二極管D6、D7 正向壓降使得Q10 導通。與此同時，主控單元接收電極連接信號，若電極未連接好時，EL 端口輸出高電平，Q10 截止，觸發(fā)斷路報警。

圖6 斷路監(jiān)測電路

1.4 軟件設(shè)計

采用Keil C51 編寫主控單元嵌入式程序，主要包括信號產(chǎn)生判斷子程序、矩形波輸出子程序和三角波/正弦波輸出子程序。定時器初始化后，與顯示屏進行通信，經(jīng)過電路升壓、按鍵輸入、輸出方式判斷及波形輸出等步驟，進而驅(qū)動矩形波輸出子程序或三角波/正弦波輸出子程序。多模神經(jīng)電刺激儀軟件設(shè)計流程如圖7 所示。

圖7 多模神經(jīng)電刺激儀軟件設(shè)計流程圖

2 性能測試

2.1 輸出波形測試

使用Electronics Pioneer 示波器測試多模神經(jīng)電刺激儀輸出波形的準確性。通常低壓干燥情況下，人體阻值范圍為500～1 900 Ω，因此，本研究中選擇1 000 Ω 電阻模擬人體負載。調(diào)節(jié)多模神經(jīng)電刺激儀輸入界面，分別設(shè)置A、B 2 種刺激脈沖，A 脈沖寬度為100 μs、頻率為50 Hz、幅值為64.2 mV，B 脈沖寬度為25 μs、頻率為100 Hz、幅值為64.2 mV。示波器測量A、B 2 種刺激脈沖的實際輸出波形如圖8 所示。圖8（a）顯示，A 刺激脈沖輸出矩形波頻率為50.66 Hz、幅值為65.11 mV；圖8（b）顯示，B 刺激脈沖輸出矩形波頻率為99.5 Hz、幅值為65.33 mV。二者輸出誤差均小于2%，可見設(shè)定參數(shù)與實際輸出參數(shù)很接近，即多模神經(jīng)電刺激儀具有穩(wěn)定的波形輸出特性。

圖8 示波器實際輸出波形圖

2.2 輸出精度測試

輸出精度測試采用1 000 Ω 電阻模擬人體負載，使用該負載電阻下的輸出電壓、電流測試多模神經(jīng)電刺激儀對人體的輸出線性特性。設(shè)置串口輸入為0100～0E00，分別測量DAC輸出電壓值、采樣值和放大后檢測值，測量結(jié)果見表1，參數(shù)擬合曲線如圖9 所示，表明該儀器具有較好的線性輸出特性。

表1 負載電阻為1 000 Ω 時的輸出精度測試結(jié)果

圖9 負載電阻為1 000 Ω 時各參數(shù)擬合曲線

3 結(jié)語

本研究設(shè)計了一種可用于腦卒中、癲癇等神經(jīng)系統(tǒng)疾病電刺激治療的多模神經(jīng)電刺激儀，能夠產(chǎn)生多種電刺激信號，且幅值、頻率、波形滿足實驗、研究和臨床治療要求。但由于人體組織可能對周期性刺激信號產(chǎn)生適應性而降低治療效果，后續(xù)研究可考慮結(jié)合人體治療反饋效果設(shè)計自適應刺激脈沖生成的電刺激儀。