李鎮(zhèn)洵，蔡有杰，遲 卓，王梓明，馮宇琛

（齊齊哈爾大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，黑龍江 齊齊哈爾 161000）

1 帕金森概述

帕金森（Idiopathic Parkinson’s Disease，PD）簡稱Parkinson病，也稱為震顫麻痹，是一種中老年人常見的神經(jīng)系統(tǒng)變性疾病，也是中老年人最常見的錐體外系疾病，慢性進(jìn)展性病程。該病癥狀主要表現(xiàn)為：靜止性震顫、動作遲緩及減少、姿勢不穩(wěn)、平衡障礙等，嚴(yán)重影響日常生活和工作[1-2]。

典型癥狀表現(xiàn)為“搓丸樣”震顫，震顫頻率在4～6 Hz左右，帕金森病病因尚不明確，無法根治，只能由藥物治療、運(yùn)動療法、手術(shù)治療、心理疏導(dǎo)及照料護(hù)理等治療手段盡量控制病情惡化[3-6]。

目前，帕金森癥尚無有效治愈的辦法，大多數(shù)患者只能采用藥物或物理治療延緩病癥，本實驗所設(shè)計的帕金森手部消顫電路，通過微小振動，可暫時性相對抵消手部顫動，使手部達(dá)到相對靜止的狀態(tài)而平穩(wěn)地活動，與以往化學(xué)治療的方式相比，它是通過物理治療的方法解決了帕金森患者手抖的問題，因此成效比藥物來得快而且極具安全性[7]。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計

該系統(tǒng)采用嵌入式技術(shù)，系統(tǒng)自主檢測患者手臂顫抖產(chǎn)生振動頻率和幅度，從而來調(diào)節(jié)微型振動馬達(dá)的頻率?？刂葡到y(tǒng)采用單片機(jī)89C52為核心，實時控制微型振動馬達(dá)振動狀態(tài)，使馬達(dá)的振動頻率與帕金森患者手抖頻率基本保持一致，控制系統(tǒng)采用閉環(huán)控制設(shè)計，從而使得手部的顫抖與馬達(dá)震動進(jìn)行協(xié)顫運(yùn)動，保持相對穩(wěn)定狀態(tài)。系統(tǒng)采用加速度傳感器檢測患者手部震顫頻率；手部震顫頻率屬于低頻信號，容易受外界干擾，設(shè)計低通濾波器對信號進(jìn)行濾波；選用8位ADC實現(xiàn)信號的數(shù)模轉(zhuǎn)換。系統(tǒng)整體設(shè)計如圖1所示。

3 震顫信號檢測電路設(shè)計

震顫信號頻率、幅度的檢測是該電路設(shè)計的關(guān)鍵，其頻率、幅度直接影響振動電機(jī)工作狀態(tài)。震顫信號可利用生物信號傳感器、光電信號傳感器和機(jī)械信號傳感器進(jìn)行檢測[8]。

帕金森典型癥狀表現(xiàn)為“搓丸樣”震顫，此震顫行為是較為復(fù)雜的運(yùn)動過程，震顫信號是一個疊加式的信號，其頻率一般在一定范圍內(nèi)變化，在 4～6 Hz 。本實驗所采用的震顫信號采集電路為角速度傳感器與陀螺儀組合的形式。加速度傳感器可以測量X，Y，Z 3個軸方向的加速度；陀螺儀可以測得角速度的相應(yīng)變化[9-10]。

為滿足上述功能，檢測電路采用JY901九軸陀螺儀模塊，該模塊集成了高精度的陀螺儀、角速度傳感器，姿態(tài)測量精度0.05度；具有優(yōu)越的數(shù)字濾波功能，起到低通濾波器的作用，有效降低檢測時的噪聲；具有4路擴(kuò)展端口，兩種輸入、兩種輸出，可根據(jù)功能需求配置不同模式：模擬量輸入、數(shù)字量輸入、數(shù)字量輸出、PWM輸出。本電路設(shè)計采用數(shù)字量輸出模式，與單片機(jī)采用I2C總線進(jìn)行連接，如圖2所示，I2C總線通過一個4.7 K的電阻上拉到VCC。

4 振動馬達(dá)驅(qū)動電路設(shè)計

為減小整體設(shè)備體積與質(zhì)量，采用微型振動馬達(dá)實現(xiàn)振動功能，此微型振動馬達(dá)屬于直流有刷電機(jī)。在振動馬達(dá)軸面上有一個偏心輪，當(dāng)馬達(dá)正常工作時，由于偏心輪圓心質(zhì)點未在電機(jī)專心上，所以馬達(dá)始終處于失衡狀態(tài)，從而產(chǎn)生震動?？刂葡到y(tǒng)不能直接驅(qū)動振動馬達(dá)，需要功率電路來擴(kuò)展輸出電流，用以滿足振動馬達(dá)正常工作。本文中采用由三極管（NPN型8050、PNP型8550）和二極管（1N4007）組成的H型PWM驅(qū)動電路，此驅(qū)動電路響應(yīng)時間短，調(diào)速范圍較廣，并且過載能力較強(qiáng)，如圖3所示，M1-DC和M2-DC分別與單片機(jī)I/O引腳P1.0、P1.1相連接，圖中“振動馬達(dá)”處為連接電機(jī)兩引腳。

圖2 JY901模塊與單片機(jī)連接圖

圖3 微型振動馬達(dá)驅(qū)動電路

5 調(diào)速控制

本設(shè)計調(diào)速方案是通過控制三極管導(dǎo)通狀態(tài)，從而調(diào)節(jié)驅(qū)動電壓脈沖寬度的方式進(jìn)行精確調(diào)整電動機(jī)轉(zhuǎn)速。PWM調(diào)速采用單極性工作方式，其電流波動較小，當(dāng)振動馬達(dá)正常工作時，使單片機(jī)P1.0引腳或P1.1引腳置低電平，另一引腳輸出PWM信號，通過控制兩引腳的輸出狀態(tài)，即控制占空比狀態(tài)，即可調(diào)節(jié)振動馬達(dá)的轉(zhuǎn)速。為提高精度，程序上采用定時器控制脈沖寬度，部分代碼為：

6 結(jié)語

本實驗通過查閱相關(guān)文獻(xiàn)、資料，分析帕金森患者手部震顫頻率等數(shù)據(jù)特點，結(jié)合嵌入式技術(shù)，設(shè)計了消顫電路，主要包括：震顫信號檢測電路和振動馬達(dá)驅(qū)動電路。電路設(shè)計結(jié)構(gòu)緊湊，能夠?qū)崿F(xiàn)震顫信號的高精度采集，電路采用閉環(huán)控制，驅(qū)動電路可以實時完成振動馬達(dá)的調(diào)速，用以對患者震顫的消除。