（测试计量技术及仪器专业论文）基于虚拟仪器技术的肌电反馈仪研究.pdf

沈阳下业大学硕十学位论文 搁姜 目前，国内外生产的肌电反馈产品较多，它对临床诊断，康复医学及运动医学等领 域方面起着重要作用。本文从肌电信号的产生机理入手，研究了肌电信号的特点和提取 的方法，以及对电刺激信号的产生进行了分析和研究。通过肌电变化转化成直观的肌电 波，以此表征肌肉的活动状态，并通过此反馈给患者，使患者能感知肌电的这种变化， 并进行反复的调控训练，从而达到康复训练和治疗的目的。并且可采用不同的频率和强 度的电流对肌肉或神经进行刺激，以达到反馈训练、松弛、增强肌肉和治疗疾病的作用。 本文工作主要是对肌电信号、肌电反馈技术和电刺激等进行了介绍，分别利用肌电 反馈治疗和电刺激治疗的优点，采用了肌电信号检测和电刺激治疗相结合的生物反馈治 疗方法。在研究肌电信号特点的基础上，基于虚拟仪器技术，完成了数据显示、处理和 控制的设计，并研究低中频电刺激波形的组成特点，用l a b v i e w 编制几种电刺激波形 处方下传给存储器，通过不同时钟频率读取存储器实现电刺激波形。 本文研究的肌电反馈仪系统主要包括电极的选择、前置放大器、信号调理电路、信 号采集电路、电刺激输出电路、阻抗检测电路、单片机控制电路和利用虚拟仪器开发平 台l a b v i e w 编制的肌电反馈系统应用软件。该应用软件完成采集显示、信号特征处理、 数据存储与回放、波形下传和通讯控制等功能。可在虚拟仪器面板对信号进行增益调节， 有信号的实时显示和在时域的积分肌电值显示，使患者更加直观的看到反馈效果。 本系统设计考虑到干扰和人体安全的问题，采取了多级抗干扰措施，多方面的电气 隔离设计，保证了人体的安全。 本文的创新点是将虚拟仪器技术引入到肌电信号采集和电刺激波形发生中来，建立 了基于虚拟仪器技术的肌电反馈和治疗系统。 关键词；虚拟仪器，肌电反馈，l a b v i e w ，电刺激 基丁i 虚拟仪器技术的肌电反馈仪研究 r e s e a r c ho ne l e c t r o m y o g r a p h yf e e d b a c ki n s t r u m e n tb a s e do nv i r t u a l i n s t r u m e n tt e c h n o l o g y a b s t r a c t a tp r e s e n t h e r ea r em a n ye l e e t r o m y o g r a p h yf e e d b a c ki n s t r u m e n t sb o t ha th o m ea n d a b r o a d t h ei n s t r u m e n th a sav e r yi m p o r t a n ts i g n i f i c a n c ef o rt h ec l i n i cd i a g n o s i s ，h e a l i n g m e d i c i n e ， a n da t h l e t i c sm e d i c i n e t h ec h a r a c t e r i s t i ca n de x t r a c t i o nm e t h o d so f e l e e t r o m y o g r a p h yi ss t u d i e d ，a n dt h ep r o d u c t i o no fe l e c t r i c a ls t i m u l a t i o ni sa n a l y s e da n d s t u d i e ds t a r t i l l gw i t ht h em e c h a n i s mo f e l e c t r o m y o g r a p h ys i g n a lp r o d u c t i o ni nt h ep a p e r b y t r a n s f o r m i n ge l e c t r o m y o g r a p h yi n t o t h ed k e c t - 、，i e w i n g e l e c t r o m y o g r a p h yw a v e s ，w h i c h i n d i c a t e sm u s c l ea c t i v ec o n d i t i o n , a n dt h r o u g ht h ee l e c t r o m y o g r a p h yw a v e sf e e d b a c k i n f o r m a t i o nt ot h ep a t i e m ，t h ep a t i e mc a ns e i l s ee l e c t r o m y o g r a p h yc h a n g e ，a n dc a r r i e so n r e g u l a t i v et r a i n i n gr e p e a t e d l ya sf o rh e a l i n gt r a i n i n ga n dt h e r a p e u t i cp u r p o s e s a n dt h e m u s c l e so rn e r v e sa r es t i m u l a t e db yt h ec u r r e n to fd i f f e r e n tf r e q u e n c i e sa n di n t e n s i t i e s ，a sf o r e f f e c to f f e e d b a c kt r a i n i n g ，r e l a x i n g ，s t r e n g t h e n i n gt h em u s c l ea n dt r e a t i n gt h ed i s e a s e t h ee l e c t r o m y o g r a p h y ，e l e c t r o m y o g r a p h yf e e d b a c kt e c h n o l o g ya n de l e c t r i c a ls t i m u l a t i o n a r ei n t r o d u c e d m a i n l yi n t h i sp a p e r ，a n dm a k i n g f u l lu s eo ft h e a d v a n t a g e s o f e l e c t r o m y o g r a p h yf e e d b a c ka n de l e c t r i c a ls t i m u l a t i o nt h e r a p y ，ab i o f e e d b a c kt h e r a p ym e t h o d i sp u tf o r w a r db yc o m b i n i n gt h ed e t e c t i o no f e l e c t r o m y o g r a p h yw i t ht h ee l e c t r i c a ls t i m u l a t i o n t h e r a p y b a s e do nt h es t u d yo ft h ee l e c t r o m y o g r a p h yc h a r a c t e r i s t i c ，t h es y s t e ma c c o m p l i s h s s i g n a ld i s p l a y , d a t ap r o c e s s i n ga n dc o n t r o ld e s i g nb a s e do nv i r t u a li n s t r u m e n tt e c h n o l o g y a n dt h r o u g hs m d y i n go nt h ec o m p o s i t i o nc h a r a c t e r i s t i co ft h el o wi n t e r m e d i a t ef r e q u e n c y e l e c t r i c a ls t i m u l a t i o nw a v e s ，d e s i g n i n gs e v e r a lk i n d so fe l e c t r i c a ls t i m u l a t i o np r e s c r i p t i o n w a v e sw i t hl a b v i e ws o f t w a r ep r o g r a m , t r a n s f e r i n gd a t at oam e m o r m e r ，a n dm a k i n g e l e c t r i c a ls t i m u l a t i o nw a v e s b yr e a d i n gt h em e m o r i z e ro nt h ed i f f e r e n tc l o c kf r e q u e n c i e s t h ee l e c t r o m y o g r a p h yf e e d b a c ks y s t e mm a i n l yi n c l u d e se l e c t r o d ec h o i c e ，p r e a m p l i f i e r , s i g n a lp r o c e s s i n gc i r c u i t ，s i g n a lg a t h e r i n gc i r c u i t ，e l e c t r i c a ls t i m u l a t i o no n t p n tc i r c u i t ， i m p e d a n c em e a s u r e m e n tc i r c u i t ，s i n g l ec h i pm i c r o c o m p u t e r c o n t r o lc i r c u i ta n dt h e e l e c t r o m y o g r a p h yf e e d b a c ks y s t e ma p p l i c a t i o ns o f t w a r ep r o g r a m m e db yl a b v i e w t h e 沈阳t 业大学硕士学位论文 a p p l i c a t i o ns o f t w a r ea c c o m p l i s h sg a t h e r i n gd i s p l a y ，s i g n a lc h a r a c t e r i s t i cp r o c e s s i n g ，d a t a m e m o r ya n dp l a y b a c k ，w a v e sd o w n b a da n dc o m m u n i c a t i o nc o n t r o lf u n c t i o n s t h ep a t i e n t c a ns e ef e e d b a c ke f f e c tv i s u a l l yw i t hs i g n a lr e a lt i m ea n di n t e g r a t e de l e c t r o m y o g r a md i s p l a y ， b yt h ea d j u a m e mo f s i g n a lg a i ni nt h ev i r t u a lp a n e lo f t h ea p p l i c a t i o ns o f t w a r e as e r i e so fm e a s u r e sa r ea d o p t e da b o u ta n t i - i n t e r f e r e n c ea n de l e c t r i ci s o l a t i o ni nt h e s y s t e mc o n s i d e r i n gi n t e r f e r ea n dh u m a ns a f e t y ，w h i c he n s u eh u m a ns a f e t y t h ei n n o v a t i o nv i e w p o i n ti nt h i sr e s e a r c hj o bi st oa c q u i r ee l e e t r o m y o g r a p h ys i g n a l sa n d e l e c t r i c a ls t i m u l a t i o nw a v e sb yv i r t u a li n s t r u m e n tt e c h n o l o g ya n db u i l das e to f e l e c t r o m y o g r a p h yf e e d b a c ka n dt h e r a p ys y s t e mo nb a s e dv i r t u a li n s t r u m e n tt e c h n o b g y k e yw o r d s ：v i r t u a li n s t r u m e n t , e l e e t r o m y o g r a p h yf e e d b a c k , l a b v l e w ，e l e c t r i c a l s t i m u l a t i o n 独创性说明 本人郑重声明：所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得 沈阳工业大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同 工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表 示了谢意。 签名：日期：矿7 多，夕 关于论文使用授权的说明 本人完全了解沈阳工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公 布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论 文。 签名： ( 保密的论文在解密后应遵循此规定) 导师签名：芏奠当 日期：型2 ：! ：学 叨争 珑一 纽 ，耳 沈阳t 业大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 本课题研究的意义 生物反馈疗法是应用电子仪器，将人们正常意识不到的身体功能，如肌电、脑电、 皮温、心率、血压等转变为可以被人察觉到的信号，如视觉或听觉信号，再让患者根据 这些信号，学会控制自身不随意功能的治疗和训练方法。这一疗法自6 0 年代提出并开 展以来，以其无损伤，无痛苦，无药物副作用，方法简便，疗效满意等优点而被许多国 家重视并采用，特别是一些发达国家己把生物反馈和自身调节作为一种常规方法，广泛 开展于临床“1 。医学临床当中肌电反馈仪及电刺激应用普遍，国内外生产的品种也比较 多，它在临床诊断，康复医学及运动医学等领域方面起着重要作用。随着科学技术的快 速发展，新技术、新产品的不断涌现，人们对仪器的功能、灵活性的要求越来越高。虚 拟仪器技术是仪器技术和计算机技术相结合的产物。经过了近2 0 年的发展，它已成为 2 l 世纪测试技术和仪器技术发展的主要方向0 1 。本课题的研究目的就是为了采用虚拟仪 器技术，发挥其强大的软件优势，来实现传统的治疗仪。这将对节约成本，利于开发编 程等方面有很高的益处，并对促进生物医学仪器的进一步发展有重要意义。 1 2 肌电反馈及电刺激研究的现状 生物反馈的研究是医学中的一个新课题，并越来越引起心里学界和医学界的重视。 从本世纪6 0 年代至今，虽然兴起不久，但发展十分迅速。其广阔的发展前景和应用价 值，越来越多的研究机构把它列为重点攻关项目。生物反馈技术已有几十年的时间，与 其它治疗方法相比，无论从基础理论还是从临床实践的研究来说，都是不成熟的。目前 在国内关于肌电信号提取和基于虚拟仪器的生物医学方面已有一定的研究，如北京理工 大学的多导生物反馈仪肌电信号提取研究。1 ，杭州电子工学院的肌电信号的提取与预处 理的研究“1 ，浙江医科大学的肌电信号检测和分析研究。1 ，东北大学的磁场刺激诱发肌 电信号的采集研究“1 ，还有许多高校和科研单位在此方面进行了研究。在人体内测得的 电信号有心电图( e c g ) 、脑电图( e e g ) 、肌电图( e m g ) 、视网膜电图( e r g ) 以及神经的活 动电位( e n g ) 等”1 。目前，随着产品化进程的加快，市场上相继出现了肌电、脑电、皮 基丁虚拟仪器技术的肌电反馈仪研究 温、皮电等多种生物反馈仪，但应用范围大部分限制在临床监护等领域，使仪器仅仅作 为一个人体信号采集系统，缺乏有效的治疗手段。 在当今医疗界，电子理疗仪、电子针灸治疗仪以及其它各类脉冲治疗仪己被广泛应 用于临床，取得了较好的治疗效果其基本原理是仪器发出有一定波形、幅度、持续时间、 重复频率或者能量的电脉冲，按一定方式作用于人体有关部位或穴位进行电刺激，通过 运动肌肉、激活中枢神经、促进分泌某些生物成分而达到治疗的目的。1 。功能性神经肌 肉刺激是近年来康复工程中一个热点研究课题，它对瘫痪患者的功能恢复与重建有积极 意义。肌电信号反映了神经肌肉的活动信息，对功能性神经肌肉刺激的控制有重要作用 【9 】 o 国外在电刺激器方面的研究也已经有很多，从简单的单通道的到复杂的多通道的， 可以将它们分为以下类型：表皮刺激的、植入式的、注射器式的、便携式的、可编程的 等等。但它们也都还是处在研制开发阶段，并未走向商用“”。中、低频治疗对肌肉劳损、 肩周炎腰腿痛、运动功能障碍等有极佳治疗效果，并可辅以药物分子透入和离子导入功 能。国内外中、低频治疗临床应用广泛，其先进机型c p u 、数字化电路设计主要局限在治 疗处方设置和操作、显示功能上。近十余年各类、电脑型中、低频机未见其它本质性创 新、改进1 。 国内外治疗设备技术的况和发展状趋势可以简单归纳为3 点： ( 1 ) 多功能化设计。将电疗、超声、激光、热疗等功能集成到同一设备上的产品越 来越多； ( 2 ) 智能化设计。引入如生物反馈、生理电反馈对输出进行自我调节； ( 3 ) 人性化设计。简单、易用的操作界面和清晰明确的工作指示成为产品设计的基 本要求n 2 1 。 1 3 虚拟仪器技术 1 3 1 虚拟仪器概念 随着计算机技术、大规模集成电路技术和通讯技术的飞速发展，仪器技术领域发生 了巨大的变化，美国国家仪器公司( n a t i o n a l i n s t r u m e n t s ) 于2 0 世纪8 0 年代中期首先提出 2 一 沈阳i ：业人学硕十学位论文 基于计算机技术的虚拟仪器的概念，把虚拟测试技术带入新的发展时期，随后研制和推 出了基于多种总线系统的虚拟仪器。所谓虚拟仪器技术，就是用户在通用计算机平台上， 根据测试任务的需要来定义和设计一仪器的测试功能，其实质是充分利用计算机来实现 和扩展传统仪器功能。虚拟仪器技术综合运用了计算机技术、数字信号处理技术、标准 总线技术和软件工程方法，代表了测量仪器与自动测试系统未来的发展方向。现代竞争 要求要求测控系统有更短的开发周期、更低的成本和更高的质量，流行的解决方案是： “虚拟仪器”软件策略。虚拟仪器将成为未来仪表世界的一个主流产品“”o 。 虚拟仪器( v i r t u a l i n s t r u m e n t ) 是现代计算机技术和仪器技术完美结合的产物，是当今 计算机辅助测试( c a t ) 领域的一项重要技术“。虚拟仪器利用加在计算机上的一组软件 与仪器模块相连接，以计算机为核心，充分利用计算机强大的图形界面和数据处理能力 提供对测量数据的分析和显示。虚拟仪器打破了传统仪器功能为厂家定义，用户无法修 改的模式，利用虚拟仪器，用户可以很方便地组建自己的自动测试系统。 电子仪器与计算机技术更深层次的结合产生了一种新的仪器模式：虚拟仪器( v i r t u a l i n s t r u m e n t ) 。虚拟仪器是指在通用计算机上添加一层软件和一些硬件模块，使用户操作 这台通用计算机就像操作一台自己专门设计的仪器一样。虚拟仪器技术强调软件的作 用，提出了“软件就是仪器”的概念。它是电子测试与仪器领域中发展方兴未艾的技术， 特别适用于现代越来越复杂的测试系统。 1 3 2 虚拟仪器的特点及与传统仪器的差别 ( 1 ) 强调“软件就是仪器”。在虚拟仪器中，仪器的功能和性能的实现，除了必备 的硬件系统之外，大多采用硬件软件化或以软件代硬件技术，来完成复杂的控制、分析 或处理等能力。因而从这个意义上讲，虚拟仪器对软件更具依赖性。 ( 2 ) 打破传统仪器小而全且各仪器资源不能共享的现状。可将传统仪器的公共部分 如显示、储存、打印及微处理器控制管理等，都由计算机来完成，即无论任何功能的仪 器都可利用或共享计算机的这些公共资源，而无需重复地设计。 基于虚拟仪器技术的肌电反馈仪研究 ( 3 ) 具有模块化、开放性及互换性的特点和好的资源复用性。用户可以根据自己的 需要选购不同功能的板卡或模块化仪器，并可随任务献不同而灵活组合，提高仪器资源 的可再用性。 ( 4 ) 可自定义仪器功能。传统仪器在出厂时，其功能已经确定，用户不能根据自己 的需求而随时进行修改，只能一机一用。而虚拟仪器则可借助通用数据采集装置，通过 编制不同的软件测试方案，从而构造几乎任意功能的仪器，即“软件就是仪器”的再次 体现。 ( 5 ) 采用虚拟仪器，硬件设备与计算机之间的数据交流将变得非常方便和直接迅 速。 ( 6 ) 利用计算机强大的图形用户界面( g r a p h i c a lu s e ri n t e r f a c e ；g u i ) ，虚拟仪器可 以采用多种方式显示采集的数据、分析的结果和控制过程，真正做到界面友好、人机交 互。 虚拟仪器与传统仪器的最大不同之处就在于应用的灵活性、功能的重构性上。虚拟 仪器的功能可由用户根据自己的需要来定义。表1 1 是虚拟仪器与传统仪器的差别。 表1 1 虚拟仪器与传统仪器的比较 t a b 1 1c o m p a r e t h e v i r t u a l i n s t r u m e n t w i t h t r a d i t i o n a l i n s t r u m e n t 1 3 3 虚拟仪器技术在医学仪器中的应用 生物医学工程是现代信息科学技术与生物医学问题相结合的一个边缘领域。一方面 它利用先进的科学技术和设备推动生物医学科研与实践的进步，另一方面又从生物医学 沈阳t ：业大学硕士学位论文 研究中寻求新的工程与信息处理原理，推动相关科学与工程技术领域的发展，具有非常 重要的桥梁作用。生物医学工程学科的发展与人类的健康直接相关，是本世纪最有前景 的一个交叉性的朝阳学科领域“”1 。 虚拟仪器技术应用到生物医学工程中使得医学仪器充分利用p c 机的资源及灵活性， 使医学仪器设计变得简单、灵活富有弹性、更加模块化、易维护、可重复利用性好、省 时经济等“”，而且增强了医学仪器的功能，如分析处理、存储管理等能力，同时仪器的 用户界面更加美观、友好，操作使用非常简便。医学仪器虽有其特殊性，但仍是一种测 量仪器系统，只要能提供适当的前端部件，就可利用虚拟仪器组成标准的虚拟医学仪器。 这种虚拟医学仪器系统尤其适合于医学或生物医学工程的研究，省时省力，节约经费。 1 4 本课题研究的内容 设计研究一套完善的仪器系统，首先对采集对象的特性进行深入的分析研究，根据 对象的性质来选取适合的采集和设计方案；其次，要确定数据采集、存储、分析和处理 的流程，以实现数据的规范化；再次，选择合适的采集和波形发生硬件；最后，重点构 建软件模块。因此，本课题在以下几个方面展开工作： ( 1 ) 开展对虚拟仪器技术的理论研究； ( 2 ) 研究肌电信号的产生机理和特征； ( 3 ) 研究电刺激波形产生机理和特征； ( 4 ) 了解硬件关键技术，掌握各硬件部分的功能和结构； ( 5 ) 选择合适的电极，设计信号调理，数据采集及电刺激发生硬件电路； ( 6 ) 选择合适的软件开发平台，并进行软件开发，内容包括：采集显示、信号特征 处理、数据存储与回放、波形下传、数据传输控制等； ( 7 ) 进行肌电采集及电刺激波形发生分析研究。 基于虚拟仪器技术的肌电反馈仪研究 2 肌电反馈及电刺激的研究 2 1 肌电信号简述 肌电信号是肌肉中运动单元动作电位( m u a p ) 在时间上和空间上的叠加，表面肌电 信号则主要是浅层肌肉和神经干上电活动的综合效应。肌电信号的幅值本质上是随机信 号，其峰一峰幅值范围为0 - 1 0 m v ，均方根幅值范围为0 - 1 5 m v ，主要集中在1 0 0 5 0 0 u v ， 频率范围在0 - 1 0 k h z ”“，有用能量分布在0 - 5 0 0 h z 频率范围之间，主要能量集中分布在 5 0 1 5 0 h z 频率范围之间。“。 2 2 肌电反馈技术 常用生物反馈仪都是由生理信息检测、信号处理、反馈显示和数据收集记录四部分 组成。根据检测和反馈的信息的不同可分为肌电生物反馈、脑电生物反馈和皮温生物反 馈等。 ( 1 ) 定义。基于肌电图原理，将采集获得的肌电信号( 运动电位，活动电位) 经过拾 取，放大并转换成声讯号，光讯号和两者的混合的讯号，使患者能直接观察到肌肉紧张 或松弛的水平，以训练相应的肌肉放松或收缩。 ( 2 ) 作用形式。正反馈训练：用于肌肉再教育，即将肌电输出信号显示给患者让患 者有意识地增强受训肌肉的收缩，使肌电输出信号提高，以此不断强化刺激，最终提高 受训肌肉的有效收缩功能。负反馈训练：与正反馈训练相反，通过患者有一定地努力降 低肌电输出信号，达到肌肉放松的目的。适用于肌肉再教育，抑制痉挛，全身和特定肌 肉的肌肉放松比1 。 肌电生物反馈是用于反馈的信息是肌电信号，可直观地反映肌肉紧张和松驰水平。 由于骨骼肌受随意神经系统控制因而简便易学，且疗效显著，是目前应用最成功、最广 泛的一种。肌电生物反馈按临床应用目的分为两类：一类是松驰性反馈，治疗时根据病 种不同选择适当的肌肉放置肌电电极，检测肌电信号，同时让患者根据输出信号设法松 驰肌肉，达到治疗目的。有证据表明，肌肉松驰是系统脱敏治疗的重要方法，可用于失 眠、高血压等多种生理心理紊乱。另一类是再训练反馈，治疗时肌电电极放在被训练肌 沈阳下业大学硕+ 学位论文 肉的体表，让病人努力提高肌肉电位水平，达到改善肌肉功能的目的。可用于康复训练 及运动员的技术训练。 2 3 电刺激技术 ( 1 ) 电刺激是指将特定频率和形状的电流或电压施加于生物体兴奋组织后，所产生 的各种生理反应。电刺激可分为三类旧1 ： 1 ) 功能电刺激。指借电刺激恢复人体的某些功能，其中多数是刺激神经肌肉系统， 用以恢复或控制肌肉的收缩功能。如心脏起搏器，步态矫正器，瘫痪肢体刺激器等。 2 ) 治疗电刺激。指借电刺激减轻病痛。如除颤，镇痛，抑制癫痫，抑制震颤等 3 ) 诊断电刺激。如记录诱发电位对神经进行电刺激。 ( 2 ) 功能电刺激技术是随着现代电子技术、计算机技术和生物材料技术的发展而发 展起来的一种新的康复训练方法，能为截瘫和偏瘫患者的肌肉功能重建和锻炼提供有效 手段。功能电刺激器由计算机控制，采集患者的腱侧肌电信号或者患者的语音信号，然 后按照预先确定的刺激参数控制电刺激器对瘫痪肌肉或其支配神经进行刺激，以产生肌 肉收缩，带动关节按一定规律运动，起到康复训练的作用。 ( 3 ) 理疗学又称物理治疗学( p h y s i c a lt h e r a p y ) 是研究应用物理因子作用人体以提高 健康水平、保健、预防和治疗疾病，促进病后机体康复，延缓衰老等的专门学科。物理 因子作为信息作用于机体或局部组织后，引起局部效应，神经，血液，内分泌，免疫系 统等的改变，从而产生一系列生理、生化效应和治疗效应。物理因子对机体的基本效应 主要有改善体内的自动调节能力、改善营养机能、加强修复机能、加强代偿机能、加强 防卫机能、加强适应机能、加强能量储各、有益的后作用、理疗与药疗具有协同作用和 副作用少等特点。以电作为物理因子的理疗被称为电疗( e l e c t r o t h e r a p y ) 。按其频率可分 为直流电疗法、低频电疗法、中频电疗法、高频电疗法等。这里主要介绍低频和中频电 疗法。 1 ) 低频电疗法。低频脉冲电疗法是应用频率在1 k h z 以下的脉冲电流治疗疾病的 方法魄1 。其特点是：均为低压、低频，而且可调；无明显的电解作用；对感觉、运动神 经都有强的刺激作用：有止痛但无热的作用。 基丁虚拟仪器技术的肌电反馈仪研究 目前常用的低频脉冲电疗法有：感应电疗法、间动电疗法、电睡眠疗法、超刺激电 疗法、经皮神经电刺激疗法和电兴奋疗法等。低频脉冲电流的种类有： 感应电流和新感应电。主要用于感应电疗法、电兴奋、电体操和电诊断等。 方波。波形呈矩形或正方形。 指数曲线波( 又称三角波) 。一种按数学上指数规律上升与下降的脉冲电流。 调制波。使一种频率较高的电流的幅度和频率随着一种频率较低的电流的幅度 变化而改变，称为调制。其受控制( 即频率较高) 的电流称为被调制波：控制电流( 即频率 较低) 则称为调制波。 低频脉冲电流的生理和治疗作用主要有：兴奋神经肌肉组织，能兴奋神经肌肉组织 是这种电流的重要特征。因为电刺激可以破坏膜极化状态，因而有可能引起神经肌肉的 兴奋。而哺乳动物运动神经的绝对不应期多在l m s 左右，因此频率在1k h z 以下的低频 脉冲的每个脉冲都可能引起一次运动反应；促进局部血液循环；镇痛作用。 2 ) 中频电疗法。应用频率为1 0 0 0 1 0 0 ，0 0 0 h z 的脉冲电流治疗疾病的方法，称为 中频电疗法o “。目前临床常用的有干扰电疗法、调制中频电疗和等幅正弦中频( 音频) 电 疗法三种。中频电疗有以下特点： 无电解作用。中频电流是一种正弦交流电。由于是交流电，作用时无正负极之 分，亦不产生电解作用，所以使用时操作简单，电极一般为铅板和一层绒布。 降低组织阻抗，增加作用深度。机体组织相当于一个小电容器，对交流电显示 为容抗。中频电流可以克服机体组织电阻，而达到较大的作用深度。 对机体组织有兴奋作用。中频电流单一周期不能引起一次兴奋，由于哺乳动物 运动神经每次兴奋后有一个绝对不应期，持续时间约l r a s 左右，因此为使每个刺激都能 引起一次兴奋，频率不能大于1 k h z ，为此将1 k h z 以下的频率定为低频电流。而中频 电流频率在11 4 3 q 1 0 0 k h z 之间，己不能每次刺激都引起一次兴奋，需综合多个刺激的 连续作用才能引起一次兴奋，这即所谓中频电刺激的综合效应。 中频电对神经肌肉刺激的特点。中频电流对皮肤感觉神经刺激引起的是一种舒 适的振动感( 大强度时者有不适的束缚感) ，这种刺激不会引起痛纤维的兴奋。因此中频 电流作用时可以使用较大的电流强度来引起深层肌肉强烈地收缩，但不致引起电极下的 沈阳t 业大学硕十学位论文 烧灼刺痛感。目前认为，低频感应电流只能兴奋正常的神经肌肉，而中频交流电( 尤其 频率为6 k h z 者) 仍有可能兴奋变性的神经肌肉。有人提出6 k - 8 k h z 的中频电流作用时， 肌肉收缩闭与痛闭有明显的分离现象，即在此频率内，使肌肉发生强烈收缩而不引起疼 痛。 由低频调制的中频电流生理学特点。幅度恒定的中频电流虽有上述优点，但它 由于幅度无变化易为人体所适应。目前临床上己用低频( 0 1 5 0 h z ) 电流调制中频电流， 使中频电流的幅度随低频电流的频率发生变化。 本课题研究的是功能电刺激和治疗电刺激，与肌电反馈相结合用于康复训练和康复 治疗。 基于虚拟仪器技术的肌电反馈仪研究 3 硬件电路设计 本系统硬件结构如图3 1 所示，主要包括两个部分肌电信号采集部分和电刺激部分。 其中肌电信号采集部分包括：检测电极、前置放大、隔离器、信号滤波放大调理电路、 5 0 h z 陷波电路、a d 转换电路、单片机和串口电路。电刺激部分包括：波形存储器、 d a 转换电路、功放驱动变压器电路、刺激电极和阻抗检测电路。 图3 1 硬件结构图 f i g 3 1h a r d w a r ed i a g r a m ( 1 ) 肌电信号采集部分。检测电极采用a g c l 表面电极，用来检测提取肌电信号。 根据2 1 节可知，人体表面肌电信号非常微弱，从几微伏到几毫伏，并存在高频电磁干 扰，5 0 h z 工频干扰和极化电压干扰等。因此选用高共模抑制比的仪表放大器a d 6 2 0 和 高通滤波电路作前置隔直放大，消除极化电压的干扰；通过带通滤波放大电路消除高频 电磁干扰：用5 0 h z 陷波器消除工频干扰，并用通过隔离放大器使检测的肌电信号和后 端处理信号隔离，保证了人体安全。通过前置放大和二级放大，并经过信号调理后把信 号传给a d 转换器，供a d 采样。由于肌电信号的个体差异性，在设计放大通道时，放 大倍数在2 0 0 0 5 0 0 0 0 倍，可通过p c 机软件调节控制。 ( 2 ) 电刺激部分。电刺激在治疗方面应用低中频电流恒流刺激，频率在0 - 4 k h z ， 幅值在0 - 8 0 m a ，选用低频问动类型中的单向整流，双向整流，疏密波，间升波，2 5 1 0 沈阳丁业大学硕士学位论文 超刺激电流，t 王n s 电流，中频选用等幅正弦中频等，根据具体的处方来达到康复治疗 的目的；在功能电刺激方面也可选择刺激脉冲的宽度，频率和时间来完成短时间的电刺 激，配合肌电反馈来达到康复训练。刺激波形通过上位机软件编程供选择，并通过串口 下传到波形存储器中，每个波形存储一个周期，选3 2 个点。由上位机控制刺激波形选 择，频率，时间等参数，下位机接受上位机传来的参数命令，来读取波形存储器中的刺 激波形3 2 个点发送到d a 的数据端，输出的波形通过d a 转换成模拟信号，经过功率 放大和隔离变压器输出给刺激电极，保证了人体的安全，并在电路中采用阻抗检测电路， 当刺激电极脱落时，及时降低输出幅度，防止电击，进一步保证人体的安全。 3 1 肌电信号采集部分 3 1 1 电极选择 生物医学电极按工作性质可分为检测电极和刺激电极两大类。检测电极是个敏感元 件，把生物体电化学活动而产生的离子电位转换成电子测量系统的电位，起到换能作用， 是一种传感器，专门用于测定生物电位。常用的检测电极包括表面电极、针电极和微电 极等。刺激电极是对生物体施加电流所用的电极，是个执行元件，主要用于研究可兴奋 组织的传导和反应的规律；向生物体内施加电流以达到治疗某种疾病的目的；控制或替 代生物体的某些功能。两种电极设计方法相同，区别在于刺激电极的电极电解质溶液界 面上通过的电流较大，是毫安级电流。在电极放置的位置作适当的处理，表面电极能记 录一个信号的幅度和频率，能接近同心针电极的质量嘲1 。相对于针电极肌电信号，表面 肌电信号的研究具有无创伤、操作简单的特性，它的应用已经深入到临床医学、运动医 学、生物医学与工程等诸多领域“1 。本设计中检测电极采用a g c l 表面电极，它的极化 电压小，而且能很快的稳定下来，利于肌电信号的检测。刺激电极使用表面贴片刺激电 极，临床中应用广泛。为了抑制无用的信号，肌电反馈仪的三个电极与皮肤接触形成的 等效电阻应该是基本平衡的，也就是说两个记录电极与一个参考电极所形成的阻抗应该 基本相等，两个电位电极中心距以2 - 3 c m 最佳“，一般两个记录电极距离比较近，采用 参考电极远离记录电极的接法，可收到较好的效果忉1 。 基丁：虚拟仪器技术的肌电反馈仪研究 3 1 2 前置放大 ( 1 ) 人体皮肤表面的肌电信号很微弱，容易受到其它信号的干扰，因此需用放大器 和滤波器对输入信号进行滤波、放大才能得到有效且可识别的信号。表面肌电信号一般 只有微伏级电压，信号中往往夹带着低频( 接近直流) 和高频的干扰信号，真正有用的 肌电信号大致在1 0 h z - 5 0 0 h z 之间。除此之外，5 0 h z 的工频信号也是一个重要的干扰源， 如果不去除可能会掩盖表面肌电信号。根据这些特殊要求，滤波器必须具有隔直、放大、 滤波功能，并且要求具有高共模抑制比和好的抗干扰性。根据肌电信号的特点，在选择 设计放大器时，必须考虑以下几个参数： 1 ) 高输入阻抗 生物信号源本身是高内阻的微弱信号源，通过电极提取又呈现不稳定的高内阻源性 质。源阻抗的不稳定性将使放大器电压增益不稳定嘲1 。再者，理论上源阻抗是信号频率 的函数，电极阻抗也是频率的函数，变化规律都是随频率的增加而下降。如果放大器输 入阻抗不足够高( 与源阻杭相比) ，则造成信号的低频分量的幅度减小，产生低频失真。 2 ) 高共模抑制比 为了抑制人体所携带的工频干扰以及所测量的参数外的其它生理作用的干扰，需选 用差动放大形式，因此c m r r 值是放大器的主要指标。生物电放大器的c m i 汛值一般 要求6 0 d b 一8 0 d b ，高性能放大器的c m r r 达1 0 0 d b ”。值得注意的是放大器的实际共模 抑制能力受到放大器前边电极系统的影响。通过两个电极提取生物电位时，两端等效源 阻抗一般不完全相等，其数值大小与人体汗腺分泌情况、皮肤清洁程度有关。各个电极 处的皮肤接触电阻是不平衡的，而且因人而异，加之两个电极本身的物理状态不可能完 全对称，这样使得与差动放大器两个输入端相连的源阻杭实际变得十分复杂。不平衡是 绝对的，这种不平衡造成的危害是共模干扰向差模干扰的转化，从而造成共模干扰输出。 提高放大器的输入阻杭，则会减小这一转化。 3 ) 低噪声、低漂移 相对于幅度仅在微伏、毫伏数量级的低频生物电信号而占，放大器前置级的这一项 要求是重要的。高阻抗源本身就带来相当可观的热噪声，使输入信号的质量很差。所以， 为了获得一定信噪比的输出信号，对放大器的低噪声性能有严格的要求。理想的生物电 沈阳工业大学硕士学位论文 放大器，能够抑制外界干扰使其减弱到和放大器的固有噪声为同一数量级。这样，放大 器的内部噪声实际上使放大器能够放大的信号具有一个下限，也就是说放大器的噪声电 平成为放大器设计的限制性条件。我们知道，放大的低噪声性能主要取决于前置级，正 确设计放大器的增益分配，在前置级的噪声系数较小时，可以获得良好的低噪声性能。 因此，为了确保第一级高增益放大的低失调电压、低失调电压漂移、低噪声的要求， 我们选用a d 6 2 0 进行第一级放大。a d 6 2 0 具有高输入电阻、低输入偏置电流、低输入 失调电流、低噪声、低功耗、少体积等特点，另外其增益g 的调节直接由一个外部电阻 控制。其主要枝术指标如下： 低电源电流：5 0 u a ； 输入失调电压：1 2 5 u v ； 输入失调电流：o 3 n a ； 输入偏置电流：o 5 n a ； 最小共模抑制比：9 3 d b ( g = - 1 0 ) ； 等效输入噪声电压：9 n v ( h z ) m ； 等效输入噪声电流：0 1 v ( h z ) ； 高输入电阻：1 0 g f ! ； 功耗：最大：6 5 0 m w 。 ( 2 ) 具体设计电路如下： 1 ) 隔直放大。从表面电极检测出的信号首先需进行隔直处理，然后才能进行放大。 前置放大部分电路如图3 2 所示。 基于虚拟仪器技术的肌电反馈仪研究 图3 2 前置放大电路 f i g 3 2p r e a m p l i f i e rc i r c u i t 在检测电极和人体接触部分会有极化电压，极化电压的存在是因为在测量电极和生 物组织之间构成了化学半电池而产生直流电压，一般几十毫伏，最大达3 0 0 m v ，为了消 除极化电压，前端用隔直处理。其中c 1 ，r 1 ，c 2 ，r 2 分别对两个输入信号其隔直滤波 作用，对于c 1 = 0 1 u f ，r i = 1 0 m _ q ，其时间常数t = r 1 c i = l s ，其截止频率为： f o2 j 蒜2 0 肌h 2( 3 1 ) 另外，由于人体的复杂性和特殊性，等效信号源输出阻抗一般很大，可有几十千欧， 这就要求输入阻抗很大。本设计中选用了低功耗、高精度、低噪声放大器a d 6 2 0 。其增 益计算公式为： o 一半“ ( 3 2 ) r 。 、。 其中r g 为管脚1 和管脚8 之间g 的电阻，g 为增益值。由于表面肌电信号是微弱 信号，为了避免其它信号的干扰，增益值要足够大；但另一方面，增益值如果太大， 可能在第一级就出现饱和，并且放大电路的噪声性能随前置级增益的提高而明显变差， 沈刚i ：业大学硕士学位论文 因此r g 的值要选择适当，以获得适当的增益。本设计中选择放大1 0 倍左右，取r g = 5 6 k ，据公式( 3 2 ) 计算得到g = 9 8 6 。 为了进一步提高共模抑制比，本设计中还采用了共模反馈消除法。由u 3 3 a 、c 3 、 r 3 、r 4 、r 5 、r 6 、r 7 、r 8 构成共模反馈电路，人体输入的共模电压被阻值相等的电阻 r 5 、r 6 、r 7 、r 8 检测出来，经过u 3 3 a 将其倒相并反馈到人体上，使其共模电压降低 乃至抵消，从而减小了共模电压的拾取。 2 ) 隔离信号。放大器的前置部分跟人体接触，为了检测安全，后级采用隔离放大 电路进行隔离，且该级的电源电压采用隔离电源模块进行提供，以达到电源及信号的完 全隔离。隔离电路图3 3 所示。 图3 3 隔离放大电路 f i g 3 3i s o l a t i o na m p l i f i c a t i o nc i r c u i t 其中+ 1 5 d c ，1 5 d c 由d c d c 隔离电源提供，+ 1 5 ，1 5 由士1 5 v 稳压电源电路提 供，隔离放大器选用高精度的i s 0 1 2