基于生物反馈的智能化神经康复治疗仪的研究

摘要

脑损伤和脑卒中是神经系统疾病中的常见病，目前大多数康复是通过物理疗法，病人都是被动的接受治疗，效果不是很理想，并且增加医护人员的负担。因此开发出新的治疗方法和医疗仪器，有效的恢复病人的运动功能，减轻业已产生的原发障碍，预防继发障碍的发生，提高病人的生活质量成为康复医学领域的一个重要目标。近年来，神经肌肉电刺激(Neuromuscular Electrical Stimulation，NMES)——利用低频电流对失去神经控制的肌肉进行刺激，使其收缩，以替代或矫正器官及肢体丧失的功能，在临床医学中己较为广泛地应用于神经康复治疗。 论文在此背景下展开研究。利用生物反馈(Biofeedback)技术和认知再学习疗法 (cognitive：Relearning)，研制了一种基于生物反馈的智能化神经康复治疗仪。采用 DSP(Digital Signal Processor)和CPLD(Complex Programmable Logic Device)技术，用一种全新的方式把将肌电信号和神经肌肉电刺激结合起来；通过大脑进行生物反馈控制，把对病人的物理治疗和心理治疗结合起来，进行生物反馈人工智能判断和调节、分析评估。康复仪采用上、下位机的结构模式，下位机以DSP为核心，协同完成微弱肌电信号检测反馈，刺激信号输出和数据传输等功能。使获得的脑卒中患者肢体残存的微弱电信号，经主机处理后，形成闭环生物反馈电刺激系统。神经康复治疗仪的下位机部分的设计主要包括： (i)微弱肌电信号检测放大器的设计； (ii)基于DSP的数据采集及传输控制器的设计； (iii)基于DSP和CPLD相结合的多参数复杂刺激波形的恒流源刺激器设计。 系统硬件部分采用DSP作为底层控制器件，利用CPLD芯片来代替常规刺激器的主要硬件电路的设计，实现了多种刺激波形、刺激频率、刺激脉宽和刺激幅度的数字式可调；并把DSP从繁复的工作中解放出来，专注于肌电采集、人工智能判断和阈值调整；通过键盘液晶显示刺激参数选择，提供友好的人机交互界面；扩展了与上位机的串口通信接口设计，为上位机软件的研究工作奠定了良好的基础。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：缩略语

声明

1绪论

1.1课题的提出与研究意义

1.2课题的医学原理

1.3课题的国内外相关研究进展

1.3.1肌电生物反馈技术

1.3.2神经肌肉电刺激技术

1.3.3国内外相关产品分析

1.4课题的主要研究内容及论文规划

1.4.1课题的主要研究内容

1.4.2论文规划

2肌电信号基础

2.1肌肉的解剖和生理

2.2肌电信号

2.3肌电信号的特征

2.4肌电采集技术及特征提取技术分析

2.4.1肌电采集技术分析

2.4.2肌电特征提取技术分析

2.5本章小结

3神经康复治疗仪的总体设计方案

3.1康复仪系统分析

3.1.1系统工作原理

3.1.2系统主要功能及技术指标

3.1.3系统整体结构设计

3.2系统的器件选型

3.2.1微处理器的选型

3.2.2可编程器件的选型

3.2.3其他器件的选型

3.3本章小结

4神经康复治疗仪的硬件设计

4.1微弱肌电信号检测放大器的设计

4.1.1肌电放大电路设计原理框图

4.1.2前置放大电路的设计

4.1.3滤波电路的设计

4.1.4增益选择电路的设计

4.1.5中间级放大电路及末级放大电路的设计

4.1.6肌电放大电路各级增益分配论证

4.2基于DSP的数据采集及传输控制器的设计

4.2.1数据采集及传输控制器的设计原理框图

4.2.2 DSP基础外围电路的设计

4.2.3 DSP与肌电信号检测放大器的接口设计

4.2.4 DSP与键盘液晶显示的接口电路设计

4.2.5 DSP与串口的接口电路设计

4.2.6 DSP与恒流源刺激器的接口设计

4.3基于DSP和CPLD相结合的多参数复杂刺激波形的恒流源刺激器的设计

4.3.1恒流源刺激器的设计原理框图

4.3.2基于CPLD的多参数刺激波形发生器的设计

4.3.3升压电路

4.3.4恒流刺激输出电路

4.4本章小结

5神经康复治疗仪的软件设计

5.1 DSP软件设计

5.1.1 TMS320C24xDSP的开发环境及C语言编程基础

5.1.2系统初始化软件设计

5.1.3键盘液晶显示模块的软件设计

5.1.4AD采集及处理模块的软件设计

5.2 CPLD软件设计

5.2.1 Altera开发平台简述及VHDL编程基础

5.2.2波形发生模块的软件实现

5.2.3脉冲调制模块的软件实现

5.2.4 DA并-串转换模块的软件实现

5.2.5刺激定时控制模块和间歇控制模块的软件实现

5.3本章小结

6 PCB板的设计与系统调试

6.1 PCB板的设计

6.2系统调试结果

6.2.1肌电放大部分调试结果分析

6.2.2数据采集及传输控制器部分调试结果分析

6.2.3多参数复杂刺激波形的恒流源刺激器部分调试结果分析

6.3本章小结

7总结与展望

致谢

参考文献

附录