功能电刺激器研制及刺激伪迹滤除研究

摘要

依据电极在皮肤内的位置，功能性电刺激可以分为三类:经皮表面电刺激、皮下电刺激和完全植入式电刺激。经皮表面功能性电刺激的明显优势在于非入侵式治疗，基本上无副作用，患者在康复训练中的效果也比较明显，而且此疗法使用起来极为简便，因此患者的普遍接受程度比较高。
　　本次设计完成了每个通道刺激参数均可调节的4通道恒流源输出的低频脉冲功能性刺激器的设计与实现，所研制的刺激器为促进血液循环和纠正足下垂的两种方式可选的刺激器。刺激器的设计是基于C8051F121单片机进行开发的，采用按键和足底压力两种方式来对功能性电刺激器进行开启与关闭的控制，利用MPC1652芯片对Boost升压电路进行了设计，并结合了双向压控恒流技术，得到了在临床中广泛应用的正负相完全对称的双极性刺激波形。刺激器采用了传统的按键和液晶显示相结合的人机交互方式，通过按键可以对刺激器的通道进行选择和各个通道的刺激信号的强度、频率和脉宽进行调节，通过液晶显示可以实时地观测到输出刺激信号的参数。刺激器的每个通道通过电极线与刺激电极相连接，4个刺激通道可以同时单独地进行工作。与以往传统的单通道以及其他的刺激器相比，使用起来比较灵活，在寻求患者的最优刺激参数之后，在进行治疗时可以自主地对电极数量进行选择，也可以分别地对4个通道的刺激参数进行设定。最后，利用了离散的小波变换对带有刺激伪迹的肌电信号进行了刺激伪迹的滤除，为将来以提取肌电信号特征作为反馈量的闭环刺激器研发提供了参考。
　　论文主要分为了六大部分，首先对目前功能性电刺激的国内外发展情况进行了分析与总结;然后通过介绍了相关的理论基础知识，确定了刺激器的输出波形以及参数的范围;基于C8051F121单片机，完成了刺激器的硬件的设计和正负相完全对称的双极性刺激波形的实现;之后，刺激器的软件设计采用了模块化的设计方式，并对软件和硬件系统进行了联机调试，实验结果表明可以对正负相完全对称的双极性刺激波形的强度、频率和脉宽进行调节，达到了本次设计的要求。最后，利用利用了离散的小波变换对带有刺激伪迹的肌电信号进行了刺激伪迹的滤除。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 功能性电刺激的研究背景及意义

1．1．1 功能性电刺激的分类及应用

1．1．2 足下垂的研究背景

1．1．3 功能性电刺激纠正足下垂的研究意义

1．2 功能性电刺激器的国内外研究现状

1．3 本文的研究意义

1．4 研究内容及章节安排

1．4．1 研究内容

1．4．2 章节安排

第2章 相关知识基础

2．1 功能性电刺激的基本理论

2．1．1 神经肌肉兴奋原理

2．1．2 功能性电刺激的刺激参数

2．1．3 功能性电刺激系统的功能模块

2．2 表面肌电信号

2．3 本章小结

第3章 低频脉冲刺激器的硬件设计

3．1 低频脉冲刺激器的总体结构设计

3．2 低频脉冲刺激器的硬件设计

3．2．1 C8051F121单片机简介

3．2．2 电源供电模块

3．2．3 恒流源输出模块

3．2．4 D／A转换模块

3．2．5 足底压力检测模块

3．2．6 显示模块

3．2．7 按键控制模块

3．3 本章小结

第4章 低频脉冲刺激器的软件设计及系统调试

4．1 软件开发平台及开发语言简介

4．1．1 软件开发平台

4．1．2 软件开发语言

4．2 PWM脉冲的软件设计

4．2．1 PWM波形与PCA原理

4．2．2 8位PWM波形的软件设计

4．3 D／A转换模块的软件设计

4．4 刺激器输出刺激参数的软件设计

4．4．1 输出刺激波形的软件设计

4．4．2 输出刺激信号脉宽的软件设计

4．4．3 输出刺激信号频率的软件设计

4．4．4 输出刺激信号强度的软件设计

4．5 人机接口的软件设计

4．5．1 LCD显示模块的软件设计

4．5．2 按键控制模块的软件设计

4．6 足底压力检测模块的软件设计

4．7 系统调试以及实验结果

4．8 本章小结

第5章 表面肌电信号的刺激伪迹滤除研究

5．1 小波变换与多尺度分析

5．2 腓骨长肌EMG的采集

5．3 功能性电刺激伪迹滤除算法

5．3．1 刺激伪迹的探测与定位

5．3．2 EMG信号的刺激伪迹滤除

5．4 实验结果

5．5 本章小结

第6章 结论与展望

6．1 工作总结

6．2 研究展望

参考文献

攻读学位期间获奖情况