基于稳态视觉诱发电位肌肉电刺激仪的研究

摘要

肢体运动功能障碍是偏瘫患者和其他肌肉萎缩及失神经病人最常见的临床表现之一,肢体运动功能的恢复程度是病人愈后治疗效果的重要标志.脑机接口(brain-computer interface,BCI)是在人脑和计算机或其他电子设备之间建立的一种不依赖于常规大脑信息输出通路的、全新的对外信息交流和控制技术.稳态视觉电位(SSVEP)是脑机接口技术中一种重要的研究方法.作为BCI的输入信号,SSVEP由于具有高信息传输率、短训练时间及无损伤性等优点,具有广泛的应用前景和应用价值；功能电刺激能够支配废用性萎缩和增强肌力,利用刺激过程产生的系统弥散外周神经感觉信息不断传入中枢,从根本上促进了偏瘫患者受损中枢的修复,加快了运动功能恢复进程从而提高病人的生活质量. 本文提出了一种将脑机接口技术与功能电刺激原理相结合的方法.在研制针对偏瘫患者等失神经病人运动功能恢复的电刺激治疗仪的基础上,配合脑电实验,把稳态视觉诱发电位产生的控制信号引入电刺激仪,设计了一种由偏瘫患者通过脑电控制刺激治疗过程的系统,使传统的功能电刺激仪成为一个智能化的治疗系统,在一定程度上实现了脑机接口.本电刺激仪采用AT89C58单片机和CPLD作为控制核心,实现了参数设定、操作界面液晶显示、多通道独立时序输出控制.输出的刺激脉冲为双向矩形波,利用4×4矩阵键盘可以改变其刺激脉冲参数.这些参数包括输出刺激脉冲的频率、宽度和不同极性脉冲之间的间隙,相邻通道输出刺激脉冲的间隔、治疗时间等.通过设计上位机通讯的串口电路,可以使带有特定模式的脑电信号经过上位机处理可以和单片机进行通讯,控制刺激治疗；使用40导脑电放大器采集受试者在闪光刺激时产生的脑电信号,提取稳态视觉诱发电位,并进行功率谱分析；结果显示利用稳态视觉诱发电位控制技术可以提供上位机和低频电刺激仪通讯所需要的特征信号. 利用设计的电刺激装置对正常人做了刺激实验,并记录了所选刺激点和刺激参数,刺激效果由实验对象口述.实验结果显示本电刺激仪安全可靠,其输出电流能引起人体肌肉强直收缩,达到了设计目的.上位机和刺激仪之间的通讯实验也说明本设计具有高正确率,易实现等特点.但由于人体组织的复杂性,进一步的实验和临床研究有待深入.

目录

文摘

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第一章绪论

1.1引言

1.2国内外研究现状

1.3本文的主要工作

第二章理论基础及设计依据

2.1电刺激基本原理

2.1.1电刺激法介绍

2.1.2低频脉冲电刺激基本性质

2.1.3电刺激治疗机理

2.2人体组织的影响及其模型分析

2.2.1皮肤和肌肉的组织结构

2.2.2刺激点间组织等效电路模型

2.2.3刺激点组织内电场和电流密度分布的模拟

2.3脑机接口技术与稳态视觉诱发电位的应用

2.3.1脑机接口技术

2.3.2稳态视觉诱发电位

2.4基于SSVEP的智能电刺激治疗仪的系统设计

2.4.1 BCI部分的功能构成

2.4.2电刺激仪的构成

2.5总结

第三章电刺激仪硬件设计

3.1引言

3.2整体设计框图

3.3 AT89C58单片机及外围电路

3.3.1键盘驱动电路

3.3.2液晶模块接口电路

3.3.3串行接口电路

3.4占空比调整和通道选择调制脉冲单元

3.5电源与升压电路

3.5.1电源的设计思路

3.5.2升压电路的设计

3.6输出控制阵列

3.7总结

第四章系统软件设计

4.1引言

4.2主程序流程

4.3主要模块的软件设计

4.3.1 SPI串行接口软件设计

4.3.2液晶模块的软件设计

4.3.3 AT89C58的软件设计

4.4总结

第五章系统的实验研究

5.1引言

5.2电刺激仪性能实验

5.2.1刺激脉冲输出与负载关系实验

5.2.2不同刺激点的有感阈值实验

5.2.3不同电极面积与刺激有感阈值关系实验

5.3稳态视觉诱发电位(SSVEP)的实验研究

5.3.1 SSVEP的特点与采集实验的参数选择

5.3.2 SSVEP采集实验设计

5.3.3 SSVEP采集实验结果及其频谱分析

5.3.4 SSVEP的频谱分析用作脑机接口的特征信号

5.4上位机控制电刺激仪实验

5.5总结

第六章总结与展望

6.1全文总结

6.2展望

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢