智能电刺激仪中肌电反馈功能的设计

　　0　引言

　　脑卒中是我国的高发病,生存患者中约有70%~80%在患侧肢体遗留不同程度的运动功能障碍,从而严重影响了日常生活。目前针对脑卒中患者的运 动功能障碍的康复治疗中,电刺激是一种广泛应用的治疗方法[1-7],通过使用低频电流刺激失去神经控制的肌肉,使其收缩,加快神经再生,降低致残率。

　　大量临床研究发现[8-11]:在采用低频电疗法治疗脑卒中患者时,由于中枢失去调控功能,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。因此在治疗中需要患者的主动参与[12]。

　　本文旨在设计应用于智能型反馈式电刺激仪中的肌电反馈系统,探索一种无创性、实时性的表面肌电信号拾取、信号处理及特征提取方法,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,促使患者必须主动参与康复治疗,对患者自我意识的恢复进行有效引导,避免常规电脉冲刺激的被动性和盲目 性,实现康复治疗的智能化。

　　1　系统总体结构设计

　　电刺激仪的反馈控制系统主要包括:肌电拾取电极、自适应增益控制及滤波模块、特征值提取模块、采样及AD转换模块、微处理器。如图1所示。

　　肌电拾取电极采用三点式布置,引入了参考信号电极。与两点式电极相比,有利于抑制共模干扰信号、更准确地测量肌电信号。

　　由于患者病情轻重不一,拾取到的肌电信号强弱差异大,无法采用固定增益方式进行统一放大。为了检测不同患者激发的不同数量级的肌电信号,肌电反 馈系统应具有宽动态检测范围、高分辨率的特性,因此设计了自适应增益控制及滤波模块,可针对不同强弱的肌电信号自动调整放大电路的增益值,确保不同幅度的 信号经过放大后调整到AD电路所需要的范围,扩展了肌电信号的检测范围,提高了检测精度。

　　通过自适应增益控制及滤波后提取的肌电信号是一个交变信号。为了评估患者主动参与训练的程度,需要将采集的肌电信号进行分析、识别、提取特征 量,检测患者自发肌电信号是否达到康复训练的阈值要求。采用了基于Delta-sig-ma计算技术的均方根(RMS)特征值提取方法,将频率范围主要分 布在10Hz至500Hz的肌电信号转换为电平信号,以此测量患者主动参与训练而激发的表面肌电信号强度。

　　用肌电特征值作为电刺激的控制信号,经过采样及AD转换后输入到微处理器中,微处理器读取此电平信号,与预设值进行比较,控制电刺激治疗仪的输出,达到反馈控制的功能,实现智能式康复训练和治疗。

2　关键技术设计

　　2·1　自适应增益控制及滤波模块