功能性电刺激治疗系统的研制

摘要

功能性电刺激（Functional Electrical Stimulation，FES）在神经功能失调治疗和神经损伤康复中具有重要的作用。它是利用神经细胞对电刺激的响应来传递外加的人工控制信号，通过外电流的作用使神经细胞能产生一个与自然激发引起的动作电位完全一样的神经冲动，使其支配的肌肉纤维产生收缩，从而获得运动的效果。随着微电子技术、微纳技术和生物技术等的发展，FES在康复医学中的应用越来越广，目前，FES已经在治疗控制癫痫、慢性疼痛、尿失禁、听视觉障碍等多个方面取得较大进展，而且，在上下肢助动、治疗脊柱侧弯、协助呼吸等方面也有着诱人的前景。 本课题针对FES在上下肢助动方面的应用，提出用提取到的机体健侧相应部位的表面肌电信号代替电脉冲信号做刺激源的方法，并且开发研制刺激系统，将刺激源复原放大后再作用于受损机体。表面肌电信号是从皮肤表面通过电极引导、记录下来的神经肌肉系统活动时的生物电信号，它与肌肉的活动状态和功能状态之间有着不同程度的关联性，因此在一定程度上反映了神经肌肉的活动。人体的表面肌电信号复杂多变，传统电刺激治疗仪中用到的形式为连续波、簇形波和疏密波的脉冲波形与之存在很大差别。 本课题的研究中，提取机体健侧相应部位的表面肌电信号，经过matlab处理后存储起来作为系统的刺激源，结合中医里面经络现象，选取合适的穴位进行电刺激。本文在介绍肌电信号、肌电信号处理方法和FES的研究情况之后，详细介绍了系统的软硬件设计。整个系统设计包括单片机控制系统及其外围电路，DA转换电路以及信号放大电路三个大的模块。将处理后的肌电信号经过数字到模拟信号的转换，然后放大至对人体有刺激感应的强度，最后将得到的模拟信号作用于人体进行刺激治疗。

目录

文摘

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致谢

第一章 绪论

1.1 课题研究背景及意义

1.2 传统偏瘫的疗法

1.3 本课题的研究内容

1.4 本章小结

第二章 肌电信号的产生机理及其分析方法

2.1 肌电信号

2.2 肌电信号的采集

2.2.1 方案设计

2.2.2 实验设备

2.2.3 肌电信号采集过程

2.3 肌电信号的分析方法

2.4 本章小结

第三章 功能性电刺激的作用、应用及进展

3.1 功能性电刺激的作用

3.2 功能性电刺激的应用

3.3 功能性电刺激的研究进展

3.4 本章小结

第四章 系统的硬件设计

4.1 整体设计框图

4.2 单片机控制系统及外围电路

4.2.1 单片机控制系统

4.2.2 单片机实现的功能

4.3 DA转换模块

4.3.1 DA转换芯片AD5311

4.3.2 I2 C总线通信

4.4 信号放大电路

4.5 印刷电路板设计

4.5.1 PCB设计流程

4.5.2 PCB设计技巧

4.5.3电路板

4.6 本章小结

第五章 系统的软件设计

5.1 软件环境

5.2 刺激信号的提取和数据转换

5.2.1 刺激信号的处理

5.2.2 DA数据格式转换

5.3 系统软件功能模块

5.3.1 按键处理模块

5.3.2 I2C通信模块

5.4 本章小结

第六章 系统的稳定性评价

6.1 噪声及系统噪声来源

6.2 系统抗噪声设计

6.3 系统性能测试

第七章 总结与展望

7.1 总结

7.2 展望

参考文献

作者简历