多模神经电刺激仪的设计.pdf

目的为了更好地提升神经电刺激的治疗效果，设计一种多模神经电刺激仪。方法院该刺激仪硬件由人机交互模块、主控单元和刺激脉冲生成模块3个部分组成。其中人机交互模块由按键输入电路和屏幕显示电路组成；主控单元选择STM32F407VET6高性能微控制器；刺激脉冲生成模块由升压电路、电极驱动电路、电极输出电路和断路监测电路组成。软件程序采用Keil C51编写，主要包括信号产生判断子程序、矩形波输出子程序和三角波/正弦波输出子程序。结果院该刺激仪能够产生与预期一致的刺激脉冲，具有稳定的波形输出特性和线性输出特性。结论院该刺激仪能够产生多种电刺激信号，且频率、幅值和脉冲宽度可调，可满足临床治疗需求。关键词电刺激；神经电刺激疗法；神经电刺激仪中国图书资料分类号R318.6曰TH772.1文献标志码A文章编号1003-8868渊2023冤07-0034-05DOI院10.19745/j.1003-8868.2023135Design of multimode electrical nerve stimulatorXUE Hui-jun,JIAO Teng,LYU Hao,GUO Tian-jiao,YU Xiao*(Military Biomedical Engineering School,Air Force Medical University,Xian 710032,China)AbstractTo design a multimode electrical nerve stimulator to enhance the efficacy of electrical nerve stimulationtherapy.The multimode electrical nerve stimulator was composed of a human-machine interaction module,a maincontrol unit and a stimulation pulse generation module;the human-machine interaction module consisted of a key inputcircuit and a screen display circuit;a STM32F407VET6 high-performance microcontroller was used as the main control unit;the stimulation pulse generation module was made up of a boost circuit,an electrode driver circuit,an electrode output circuitand a disconnection monitoring circuit.The software was programmed with Keil C51 including a signal generation judgmentsubroutine,a rectangular wave output subroutine and a triangle wave/sine wave output subroutine.The multimodeelectrical nerve stimulator was capable of generating desired stimulation pulses,and had high stability in waveform outputand linear output.The multimode electrical nerve stimulator can generate a wide range of electrical stimulationsignals with adjustable frequency,amplitude and pulse width to meet clinical treatment needs.悦澡蚤灶藻泽藻 酝藻凿蚤糟葬造 耘择怎蚤责皂藻灶贼允燥怎则灶葬造袁2023袁44渊7冤院34-38Key wordselectrical stimulation;electrical nerve stimulation therapy;electrical nerve stimulator0引言神经电刺激疗法是指利用1 000 Hz以下的低频脉冲电信号治疗疾病的方法，通过电极给神经肌肉以一定弱强度的电刺激，引起神经肌肉兴奋，促进局部血液循环、缓解疼痛，使得肌肉恢复功能1-2，该疗法广泛应用于脑卒中、癫痫等神经系统疾病相关的肢体运动康复领域3-6。目前，临床上的神经电刺激仪类型多样，常规的神经电刺激仪仅提供可预设参数的恒定刺激模式，被激活的肌肉组织容易产生疲劳，有时无法获得理想的治疗效果7。而临床中往往需要针对患者实际病情和耐受程度来确定合适的刺激参数8。Hofstoetter等9分别用18、20和27 V脉冲波刺激3位实验对象，发现改变电刺激频率、幅度和作用时间会影响治疗效果。因此，新型多刺激模式是提升治疗效果、拓展神经电刺激产品临床应用的重要研究方向之一10。基金项目院陕西省重点研发计划项目（2023-YBSF-184）；空军军医大学教学研究一般课题；空军军医大学军事医学提升计划项目（2021HKYX10）作者简介院薛慧君（1983），女，博士，讲师，主要从事非接触生物医学信号检测及处理方面的研究工作，E-mail：。通信作者院于霄，E-mail：栽澡藻泽蚤泽论著薛慧君，焦腾，吕昊，等.多模神经电刺激仪的设计J.医疗卫生装备，2023，44（7）：34-38.34 窑医疗卫生装备窑 2023年7月第44卷第7期悦澡蚤灶藻泽藻 酝藻凿蚤糟葬造 耘择怎蚤责皂藻灶贼 允燥怎则灶葬造 窑 灾燥造援 44 窑 晕燥援 7 窑 July 窑 2023为了更好地提升神经电刺激的治疗效果11-12，本研究设计一种能够产生多种电刺激信号的多模神经电刺激仪，改变刺激信号的幅值、频率、波形以及刺激时间，为后续研究临床中电刺激参数对神经生理变化、神经损伤预测等方面的影响提供硬件支持。1多模神经电刺激仪设计1.1刺激参数本研究设计的多模神经电刺激仪有4个可变参数：输出波形、幅值、频率和脉冲宽度（刺激时间）。其中输出波形包括直流和三角波、正弦波、矩形波3种脉冲波形。由于人体医疗电气设备的安全标准（IEC-60601）中要求身体接触直流电压（危险电压）小于120 V，因此，输出电压幅值为1100 V。输出频率为0200 Hz，脉冲宽度为50100 滋s。1.2结构组成多模神经电刺激仪主要由人机交互模块、主控单元、刺激脉冲生成模块3个部分组成，如图1所示。操作者通过人机交互模块中提前设置好的按键控制指令对主控单元实施刺激输出，并通过显示屏查看输出结果。主控单元通过通信线路与人体交互模块通信，根据按键控制指令中的信号模式、幅值、频率等要求生成刺激信号，并在输出电极异常时产生报警信号。刺激脉冲生成模块中的升压电路接收主控单元指令，给电极驱动电路提供电压，待升压电路将电压加载到电极驱动电路，通过其内部的数模转换器（digital to analog converter，DAC）接口进行高低电平转换，从而控制输出正负刺激信号；电极输出电路在控制输出电流的同时通过输入输出通道连接人体待刺激部位；断路监测电路监测输出电极是否连接完好，若电极丢失接口悬空则触发报警。1.3硬件设计1.3.1人机交互模块该模块包含按键输入电路和屏幕显示电路，其中按键输入电路使用6个SW-PB按键，6个键位分别对应输出波形参数、幅值、频率调整、脉冲宽度选择以及确定、取消操作如图2（a）所示；屏幕显示电路使用武汉中显公司的VGUS组态屏SDWa043S53如图2（b）所示，屏幕大小为4.3 in（1 in=25.4 mm），分辨力为480像素伊272像素，供电电压为5 V。1.3.2主控单元选择STM32F407VET6高性能微控制器作为主控单元，由电源电路对其输出3.3 V稳定电压。该微控制器具有ARM誖 CortexTM-M4 32 bit精简指令微处理器（reduced instruction set computer，RISC），内核工作频率高达168 MHz，支持所有ARM（advancedRISC machine）单精度数据处理指令和数据类型，可为外接器件提供3个12 bit模数转换器（analog todigital converter，ADC）接口、2个DAC接口、2个脉冲宽度调制（pulse width modulation，PWM）定时器、12个通用型16 bit定时器、2个通用32 bit定时器、4个全双工通用串行收发接口和2个异步串行收发接口，满足设计中输出输入要求。1.3.3刺激脉冲生成模块刺激脉冲生成模块主要包括升压电路、电极驱动电路、电极输出电路和断路监测电路，电路设计精度量值为1%，元器件选用参照此精度。升压电路如图3所示。该电路采用开关升压电路，主控单元控制PWM信号由PB6端口输入，利用电路中的三极管Q6、二极管D3的导通截止特性，对电感L2和电容E1充放电实现A端口升压，并根据PB6端的PWM输入信号幅度控制输出升压值，使得输出端电压为60100 V。图1多模神经电刺激仪结构框图人机交互模块按键输入电路屏幕显示电路电源电路断路监测电路电极输出电路输出监测刺激脉冲生成模块电极驱动电路升压电路主控单元STM32F407VET6（a）按键输入电路（b）VGUS组态屏SDWa043S53图2人机交互模块栽澡藻泽蚤泽论著薛慧君，焦腾，吕昊，等.多模神经电刺激仪的设计J.医疗卫生装备，2023，44（7）：34-38.35 窑医疗卫生装备窑 2023年7月第44卷第7期悦澡蚤灶藻泽藻 酝藻凿蚤糟葬造 耘择怎蚤责皂藻灶贼 允燥怎则灶葬造 窑 灾燥造援 44 窑 晕燥援 7 窑 July 窑 2023图4电极驱动电路电极驱动电路如图4所示。升压电路通过A端口将电压加载到电极驱动电路，主控单元控制2个DAC端口的高低电平转换，输出交流刺激信号。当DAC1为高电平、DAC2为低电平时，三极管Q3、Q4导通，电极1（ElecPole1）输出刺激信号，Q7截止，电极2（ElecPole2）无电流输出；当DAC1为低电平、DAC2为高电平时，三极管Q7、Q8导通，ElecPole2输出电流，ElecPole1无电流输出，以此达到交流输出的目的。电极输出电路如图5所示。为了抑制电流偏置、放大微弱信号，电极输出电路使用OP07双极性运算放大器作为输出端。同时在人体与另一电极之间串联1 赘的采样电阻，通过采集刺激电流和采样电阻两端的电压计算人体阻抗，一方面，为仪器测试提供人体阻抗数据；另一方面，根据人体所受电压幅值进一步调控输出电流。断路监测电路如图6所示，该电路用以监测电极是否连接好。电极连接稳定时，三极管Q12、Q13导通，电极丢失（electrode loss，EL）端口接收到电流信号后，二极管D6、D7正向压降使得Q10导通。与此同时，主控单元接收电极连接信号，若电极未连接好时，EL端口输出高电平，Q10截止，触发断路报警。1.4软件设计采用Keil C51编写主控单元嵌入式程序，主要包括信号产生判断子程序、矩形波输出子程序和三角波/正弦波输出子程序。定时器初始化后，与显示屏进行通信，经过电路升压、按键输入、输出方式判断及波形输出等步骤，进而驱动矩形波输出子程序或三角波/正弦波输出子程序。多模神经电刺激仪软件设计流程如图7所示。2性能测试2.1输出波形测试使用Electronics Pioneer示波器测试多模神经电刺激仪输出波形的准确性。通常低压干燥情况下，人体阻值范围为5001 900 赘，因此，本研究中选择1 000 赘电阻模拟人体负载。调节多模神经电刺激仪输入界面，分别设置A、B 2种刺激脉冲，A脉冲宽度为100 滋s、频率为50 Hz、幅值为64.2 mV，B脉冲宽度为25 滋s、频率为100 Hz、幅值为64.2 mV。示波器测量A、B 2种刺激脉冲的实际输出波形如图8所示。图8（a）显示，A刺激脉冲输出矩形波频率为50.66Hz、幅值为65.11 mV；图8（b）显示，B刺激脉冲输出矩形波频率为99.5 Hz、幅值为65.33 mV。二者输出误差均小于2%，可见设定参数与实际输出参数很接近，即多模神经电刺激仪具有稳定的波形输出特性。图3升压电路图5电极输出电路栽澡藻泽蚤泽论著薛慧君，焦腾，吕昊，等.多模神经电刺激仪的设计J.医疗卫生装备，2023，44（7）：34-38.36 窑医疗卫生装备窑 2023年7月第44卷第7期悦澡蚤灶藻泽藻 酝藻凿蚤糟葬造 耘择怎蚤责皂藻灶贼 允燥怎则灶葬造 窑 灾燥造援 44 窑 晕燥援 7 窑 July 窑 2023图7多模神经电刺激仪软件设计流程图注：i为信号持续时间，ki为随着信号持续时间输出的三角波幅值。输出矩形波定义信号频率f0、幅值V0信号周期T=1/f0计时停止？定时器计数S=T/t0输出V=V0定时器计数S/2次输出V=0定时器计数S/2次按键判断否是（a）信号产生子程序初始化定时器初始化t0串口初始化PWM初始化升压电路触屏按键输入判断无输入有输入判断输出电压刺激电流刺激判断波形直流正弦波矩形波三角波计时停止？是否2.2输出精度测试输出精度测试采用1 000 赘电阻模拟人体负载，使用该负载电阻下的输出电压、电流测试多模神经电刺激仪对人体的输出线性特性。设置串口输入为01000E00，分别测量DAC输出电压值、采样值和放大后检测值，测量结果见表1，参数拟合曲线如图9所示，表明该仪器具有较好的线性输出特性。3结语本研究设计了一种可用于脑卒中、癫痫等神经系统疾病电刺激治疗的多模神经电刺激仪，能够产生多种电刺激信号，且幅值、频率、波形满足实验、研究和临床治疗要求。但由于人体组织可能对周期性刺激信号产生适应性而降低治疗效果，后续研究可考虑结合人体治疗反馈效果设计自适应刺激脉冲生成的电刺激仪。图6断路监测电路（b）矩形波输出子程序输出三角波、正弦波定义信号频率f0、幅值V0信号周期T=1/f0定时器计数S=T/t0设置采样数Sai=0三角波：V=ki（0约i臆S/2）V=-ki（S/2约i约S）正弦波：V=V0sin（2仔i/f0Sa）输出电压定时器计数S/Sa次计时停止？按键判断i约S？i=i+Sa是是否否（c）三角波/正弦波输出子程序图8示波器实际输出波形图（a）A刺激脉冲输出波形（b）B刺激脉冲输出波形栽澡藻泽蚤泽论著薛慧君，焦腾，吕昊，等.多模神经电刺激仪的设计J.医疗卫生装备，2023，44（7）：34-38.37 窑医疗卫生装备窑 2023年7月第44卷第7期悦澡蚤灶藻泽藻 酝藻凿蚤糟葬造 耘择怎蚤责皂藻灶贼 允燥怎则灶葬造 窑 灾燥造援 44 窑 晕燥援 7 窑 July 窑 2023参考文献1FLEMING M K，THEOLOGIS T，BUCKINGHAM R，et al.Transcranial direct current stimulation for promoting motorfunction in cerebral palsy：a reviewJ.J Neuroeng Rehabil，2018，15（1）：121.2杨刚生，封洲燕，郑吕漂，等.时变参数神经电刺激系统的设计及其应用J.生物医学工程学杂志，2021，38（6）：1 144-1 153.3MARQUEZ-CHIN C，BAGHER S，ZIVANOVIC V，et al.Functional electrical stimulation therapy for severe hemiple-gia：randomized control trial revisitedJ.Can J Occup Ther，2017，84（10）：87-97.4赵志博，代萌，付峰，等.脑卒中病灶对多频EIT边界电压谱特性的影响研究J.医疗卫生装备，2022，43（3）：1-7.5张淑君，张亚男，刘健，等.低频电刺激在脑卒中后肢体运动功能障碍治疗中的应用J.黑龙江医学，2023，47（2）：198-201，205.6RAZAVIAN R S，GHANNADI B，MEHRABI N，et al.Feed-back control of functional electrical stimulation for 2D armreaching movementsJ.IEEE TNeur Sys Reh，2018，26（10）：2 033-2 043.7WYCKHUYS T，BOON P，RAEDT R，et al.Suppression ofhippocampal epileptic seizures in the kainate rat by Poissondistributed stimulationJ.Epilepsia，2010，51（11）：2 297-2 304.8吴族勇，李策，白玉龙.低频电刺激治疗脑卒中后足下垂内翻的研究进展J.中国康复理论与实践，2015，31（3）：260-263.9HOFSTOETTER U S，HOFER C，KERN H，et al.Effects oftranscutaneous spinal cord stimulation on voluntary locomotoractivity in an incomplete spinal cord injured individualJ.Biomed 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