新型电刺激仪中反馈功能的实现

　　0　引　　言

　　脑血管病是我国常见病。目前,中国大约有31万例脑卒中偏瘫患者,并且每年新增长4.6万例[1]。针对脑血管病患者的运动功能障碍,在临床上通过电刺激激发肌肉有节律收缩,加快神经再生,恢复运动功能[2-4]。然而现有的电刺激治疗装置多为被动型治疗仪,在治疗脑血管病患者时,因为中枢失去调控功能,在收缩肌肉时,极易引发拮抗肌的痉挛,由此导致肌力训练的失败[5-7]。具有肌电反馈与功能性电刺激相结合的治疗装置可实现智能式主动型康复治疗,在对患者进行肌肉收缩训练时,应用主动训练促使患者尽力用意识诱发微弱肌电信号,每次当自发肌电信号能达到或超过设定的“肌电诱发值”时,治疗装置产生电刺激作用于患者肌肉,从而使患者肌肉作出反应、收缩等。

　　本文旨在设计应用于智能型反馈式电刺激仪中的反馈模块,研究一种无创性、实时性的表面肌电信号拾取及特征提取方法,从而在康复治疗领域创新性地实现生物反馈与功能性电刺激相结合,避免常规电刺激的被动性和盲目性。

　　1　肌电反馈系统的总体设计

　　肌电反馈系统包括肌电信号采集与预处理模块、有效值提取模块、微处理器和刺激输出模块。肌电信号采集与预处理模块包括:肌电拾取电极、前置放大器、高通滤波器、低通滤波器[8]和工频陷波器。主要结构框图如图1所示。

　　其中,肌电拾取电极采用三点式布置,增加了一个参考电极,与两点式电极相比,可更好地抑制共模干扰;由于肌电信号的频谱很丰富,有用信号频率成分一般在10~500 Hz范围,因此选用了宽频带、高输入阻抗、低噪声的前置放大器。在滤波电路设计中,设计了截止频率为10 Hz高通滤波电路、截止频率为500 Hz的低通滤波电路和工频陷波电路,对肌电信号进行了预处理。

　　经过预处理的肌电信号是一个交变电信号,为了简化数据采集和处理,在设计中采用了信号特征量提取的方法。采用了基于ΔΣ技术的有效值(RMS)检测方案,提取肌电信号的有效值特征量,以此定量评估患者主动参与训练而诱发的表面肌电信号。微处理器读取此电平信号,然后与预设值进行比较,控制刺激输出模块,从而实现智能式康复治疗。

　　2　关键技术设计

　　2.1　工频陷波器

　　工频干扰几乎无处不在。只要是在供电的环境中,就有工频干扰信号存在,特别是在各种工业现场中。工频干扰更是各类工控测量系统中最常见也是最主要的一种干扰信号,对有用信号的检测起着极大的妨碍作用。我们的电路中的信号,本身就很微弱,所以更应该注意工频干扰对信号的影响。本项目采用了50 Hz双T陷波电路,如图2所示。