基于行走模式功能性电刺激治疗仪的实现

摘要

目前，脑卒中后遗留的偏瘫肢体功能障碍，尤其是下肢运动功能障碍严重阻碍了患者回归家庭，参与社会活动，这给患者本人和家庭带来了很大的负担。神经科学家和康复医学家经过长期的探索和临床实践，发现通过科学的康复训练可显著提升偏瘫患者肢体功能恢复的速度和程度。属于物理治疗学范畴的功能性电刺激治疗方案现已常见于临床用于偏瘫患者下肢运动功能障碍的训练治疗上。然而目前国内常见三甲康复医院所用相关设备存在着刺激通道少、治疗模式相对简单、输出刺激脉冲形式相对固定，针对性不强等问题，很难达到令人满意的治疗效果。针对以上问题，本文采用模拟人体行走动作的设计理念，实现一种更适合下肢瘫痪病人恢复行走功能的电刺激治疗仪。
　　为了解决不同个体在行走运动过程中步态时相差异很大，下肢偏瘫患者的步态时相则差异更大的问题。在给患者进行康复治疗前，该设备首先采集患者健肢做出行走动作过程中四组参与运动的主要肌群表面肌电信号，输出表面肌电数据上传PC机。使用Matlab平台对数据进行可视化输出表面肌电图，医生通过分析其提供的迈步动作不同阶段各个肌群收缩时序，设置该设备四个输出通道电脉冲的频率、幅度、脉宽等参数，输出四路非同步电刺激脉冲作用于患者的患肢对应肌肉，对患肢进行康复训练，促进患者行走功能的恢复。该设备采用以Arm(R)Cortex(R)-M4为内核的STM32F417VGT6作为主控，使用信号调理电路处理电极拾取的表面肌电信号。采用主控单片机内部12位ADC进行数据采集。采用USB接口实现和PC机的数据传输。多路电刺激脉冲信号发生电路能够输出双极性脉冲。脉冲参数的设置使用指令形式，增加了控制灵活性，甚至可以对单个脉冲的刺激强度进行控制。
　　经过临床检测，本文所实现的原型机达到了康复治疗的要求，不仅可用于偏瘫患者下肢功能障碍的康复训练，也能应用于患者康复治疗效果的评定，对治疗方案进行适时调整。本文设计的电刺激脉冲治疗仪具有较好的推广价值。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题的研究背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 功能性电刺激治疗的国内外研究现状

1．2．2 电刺激治疗设备的研究现状

1．3 本课题主要研究内容及章节安排

第二章 肌电治疗的理论基础

2．1 正常行走模式分析

2．2 表面肌电信号技术

2．2．1 表面肌电信号的概念及应用

2．2．2 表面肌电信号的产生及采集

2．3 设计方案

第三章 电刺激脉冲治疗仪硬件设计

3．1 主控及其外围电路

3．1．1 主控简介

3．1．2 主控外围电路介绍

3．2 表面肌电信号采集硬件实现

3．2．1 按键接口电路

3．2．2 信号调理电路

3．3 脉冲信号发生电路

3．4 数据通信硬件接口电路

3．4．1 异步串行通信接口电路

3．4．2 USB2．0通信接口

3．5 电源电路设计

3．6 下位机PCB设计

第四章 电刺激脉冲治疗仪软件程序设计

4．1 软件开发工具选择

4．2 下位机软件结构

4．3 系统初始化

4．4 表面肌电信号的采集

4．4．1 按键检测程序设计

4．4．2 模数转换器与直接存储器访问控制器配置

4．4．3 数据处理程序

4．5 低频电刺激脉冲的构造

4．5．1 数字电位器与串行外设接口配置

4．5．2 通信协议设计

4．5．3 定时器配置

4．6 数据传输

4．6．1 串口接收实现

4．6．2 USB传输实现

第五章 系统调试与测试

5．1 电路模块测试

5．1．1 滤波电路频率特性

5．1．2 测试USB设计

5．1．3 四通道数据采集测试

5．2 整体系统功能测试

第六章 总结与展望

6．1 工作总结

6．2 工作展望

参考文献

致谢