基于FPGA的神经康复治疗仪的刺激器设计

        近年来,新的康复治疗技术不断应用于临床,对瘫痪的康复效果优于传统的PT(physical Tech2nique)方法,其中利用生物反馈和功能性电刺激技术[1](Biofeedback and function electric stimula2tion, BFES)的神经康复治疗仪(国内亦称神经网络重建仪)介入康复训练在国内已引起广泛的重视并取得了很好的临床效果.神经康复治疗仪的基本原理是利用患者自己的肌电信号反馈回仪器,动态设定阈值,控制电刺激输出,通过重建大脑和瘫痪肌肉的功能联系,促进病人恢复健康的仪器,是现代神经及康复医学主动治疗模式的典范[2].

　　随着微电子制造工艺的发展, FPGA(FiledProgrammable Gate Array)作为专用集成电路(ASIC)概念上的一个新型范畴和门类,以其功能强大、开发过程投资小、周期短、可反复编程修改、保密性能好、开发工具智能化等特点[3],日益成为电子设计自动化(EDA)领域的热门技术.利用FPGA来实现复杂功能、小体积和易于管理的数字电路已成为一种高效可靠的解决方案.

　　本文在介绍刺激器整机结构的基础上,重阐述了采用FPGA和VHDL语言,运用自顶而下的思想,来设计神经康复治疗仪的刺激器的核心———多参数刺激波形发生器,并与传统刺激器设计相比,凸显其优点.

　　1　刺激器整体设计

　　刺激器的整机结构框图如图1所示.它由刺激参数端口控制部分、FPGA实现的多参数刺激波形发生器、升压电路和刺激输出四大部分组成.其工作原理是,升压电路提供刺激器所需的工作电压,刺激参数端口控制模块根据要求向I/O端口输出所需的选择信号,控制多参数刺激波形发生器产生具有多种刺激波形、刺激频率、刺激脉宽和刺激幅度可调　的信号,经D/A转换后的模拟信号在刺激输出部分进行放大,并产生电流恒定[4]的刺激信号对患者受损肌肉进行刺激,从而达到神经康复治疗的目的.

　　2　多参数刺激波形发生器的设计

　　由刺激器的整机结构框图可以看出,多参数刺激波形发生器的设计是整个刺激器设计的核心,它是实现刺激指标的关键所在.

　　利用VHDL语言[5]设计多参数刺激波形发生器顶层设计图如图2所示,它主要由波形发生模块、脉冲调制模块、DAC模块,刺激间歇控制及刺激定　时模块组成.通过选择不同的波形及其频率、脉冲(载波)频率、脉宽和幅度,使能刺激定时模块和刺激间歇模块,就能使刺激器按设定参数要求实现刺激功能.

　　本设计利用FPGA来实现刺激器主要硬件电路部分,简化了电路、提高了电路系统的集成度、数据处理速度和可靠性;同时实现了刺激频率、刺激脉宽和刺激幅度的数字式可调等功能,只需要微处理器向I/O端口输出所需的选择信号,其它所有工作就由FPAG的硬件电路来完成,不需占用微处理器的时间.以下部分将对各个模块功能的实现做详细的阐释.