張?jiān)迄i,王計(jì)平,熊大曦,郭立泉

(中國(guó)科學(xué)院蘇州生物醫(yī)學(xué)工程技術(shù)研究所,江蘇 蘇州 215163)

0 引 言

生物體任何的細(xì)微活動(dòng)都與生物電有關(guān),利用生物電信號(hào)可以有效推知生理過程和機(jī)體問題[1,2],從而有針對(duì)性的治療和調(diào)節(jié)[3,4],因此生物電的獲取和反饋對(duì)于臨床和基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)研究具有非常重要的意義[5]。目前,研究中常用的生物電反饋實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)多用分立儀器搭建,造成成本高、體積大,難以便攜及移動(dòng)等問題,同時(shí)系統(tǒng)一般只能應(yīng)用于特定實(shí)驗(yàn)范式,無(wú)法滿足多類型生物電控制的需求[6,7]。

本文提出了一種可穿戴無(wú)線生物電反饋控制系統(tǒng),并給出了具體電路實(shí)現(xiàn)。實(shí)驗(yàn)和測(cè)試結(jié)果表明：系統(tǒng)可以準(zhǔn)確獲取全動(dòng)態(tài)范圍生物電信號(hào),并可根據(jù)算法反饋±5 V范圍內(nèi)的生物電脈沖刺激,實(shí)現(xiàn)生物電采集、控制和反饋的一體化實(shí)驗(yàn)需要。

1 系統(tǒng)基本原理

本文設(shè)計(jì)了一種便于攜帶、拆卸方便、靈活性和實(shí)用性強(qiáng)的無(wú)線生物電反饋控制系統(tǒng),該系統(tǒng)以可拆卸的方式穿戴在人體的腰間、胸前或任意附近身體上,也可應(yīng)用于靈長(zhǎng)類動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中,通過電極獲取指定位點(diǎn)的生物電信號(hào),及輸出生物電反饋至指定調(diào)節(jié)區(qū)域。計(jì)算機(jī)軟件中提供了數(shù)據(jù)及波形顯示界面及參數(shù)配置頁(yè),以及輸入可調(diào)節(jié)閾值控制閉環(huán)反饋過程。系統(tǒng)與軟件之間采用Wi-Fi協(xié)議透?jìng)鳌?/p>

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)框圖如圖1所示,主要包括通道選通電路、模擬前端電路、生物電反饋電路、安全保護(hù)電路以及數(shù)據(jù)采集與處理程序等幾個(gè)部分。其中無(wú)線網(wǎng)絡(luò)控制部分選用CC3200芯片設(shè)計(jì),該芯片特有一個(gè)Wi-Fi片上互聯(lián)網(wǎng),包含802.11 b/g/n 射頻、基帶和具有強(qiáng)大加密引擎的 MAC,以實(shí)現(xiàn)支持 256 位加密的快速、安全互聯(lián)網(wǎng)連接?？刂破鬟x用STM32F系列芯片,其采用Cortex M4內(nèi)核,新增硬件浮點(diǎn)單元(float point unit,FPU)單元以及數(shù)字信號(hào)(digital signal processing,DSP)指令,尤其適用于需要浮點(diǎn)運(yùn)算或DSP的應(yīng)用。

圖1 無(wú)線多重生物電反饋控制系統(tǒng)框圖

2.2 通道選通電路

由于本文中所采用電極為Medtronic醫(yī)用4觸點(diǎn)電極,考慮到信號(hào)采集過程中,相鄰兩個(gè)觸點(diǎn)并不常用,因此設(shè)計(jì)采集輸入為4種控制模式,即點(diǎn)位1和點(diǎn)位3,點(diǎn)位1和點(diǎn)位4,點(diǎn)位2和點(diǎn)位3,點(diǎn)位2和點(diǎn)位4。信號(hào)反饋過程中,任意兩個(gè)觸點(diǎn)可以作為生物電反饋回路通路,因此本文運(yùn)用三個(gè)高速模擬開關(guān)組成了通道選通電路,對(duì)生物電的獲取和反饋進(jìn)行切換,大大簡(jiǎn)化后續(xù)信號(hào)模擬前端調(diào)理電路的設(shè)計(jì)。通道選取電路如圖2所示。

圖2 通道選取電路

2.3 模擬前端電路

傳統(tǒng)設(shè)計(jì)通常由模擬抗混疊濾波器、多級(jí)放大電路和陷波電路等來(lái)提高信號(hào)的信噪比,這也是導(dǎo)致其體積大不利于實(shí)現(xiàn)便攜的主要原因。本文在通道選用電路之后使用2階阻容高低通濾波對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行初步過濾,控制輸入頻率范圍在2～80 Hz之間,然后采用TI公司的ADS1299為核心部件進(jìn)行信號(hào)調(diào)理和轉(zhuǎn)化,主要是考慮到該芯片專為微弱電信號(hào)采集而設(shè)計(jì),由STM32通過SPI接口控制,接收到數(shù)據(jù)后,ADS1299會(huì)通過DRDY引腳產(chǎn)生高低電平變化,進(jìn)而通過設(shè)置STM32引腳為外部中斷引腳,達(dá)到低功耗聯(lián)動(dòng)的目的。其電路圖如圖3所示。

圖3 模擬前端電路

ADS1299輸入端被配置為差分采集模式,并且每個(gè)輸入端都集成有EMI濾波器,能有效地抑制外部射頻干擾；具有靈活的路由交換器,可以將任何輸入連接到放大器的輸入端；集成有持續(xù)斷電檢測(cè)電路,可以隨時(shí)監(jiān)測(cè)電極是否斷開；內(nèi)部集成了8路并行的可編程增益放大器(programmable gain amplifier,PGA)和模數(shù)轉(zhuǎn)換器(analog to digital converter,ADC),可以提供很高的采集轉(zhuǎn)換精度；內(nèi)部還集成有偏置驅(qū)動(dòng)放大器,可以有效抑制共模干擾噪聲。

2.4 生物電反饋電路

生物電反饋電路采用16位高精度的高速DA芯片AD5761R進(jìn)行設(shè)計(jì),該芯片內(nèi)置2.5 V參考電壓,輸出電脈沖范圍正負(fù)5 V,通過STM32配置驅(qū)動(dòng)生物電反饋輸出單向、雙向?qū)ΨQ、雙向非對(duì)稱等脈沖群,并通過運(yùn)放跟隨電路增加驅(qū)動(dòng)能力,如圖4所示。

圖4 生物電反饋電路

同時(shí)考慮到生物電反饋?zhàn)饔糜谏矬w的安全性,本文選擇將輸出電流通過檢測(cè)放大電路放大20倍后,再將電壓抬升2.5 V,利用雙通道窗口比較器電路,將輸出電壓范圍限制在0.5～4.5 V之間,進(jìn)而將電流限制在10 mA以內(nèi),當(dāng)由于負(fù)載阻抗過低導(dǎo)致電流超過安全閾值后,安全保護(hù)模擬電路會(huì)自動(dòng)控制模擬開關(guān)斷開反饋通道。

2.5 系統(tǒng)上電自檢過程

系統(tǒng)上電后,STM32對(duì)時(shí)鐘和各類接口進(jìn)行初始化后,會(huì)啟動(dòng)上電自檢程序,自動(dòng)檢測(cè)各關(guān)鍵模塊功能是否正常,通過自帶AD采集電池電壓,與滿電電壓比較,判斷當(dāng)前電量并預(yù)估續(xù)航時(shí)間,當(dāng)電量和續(xù)航時(shí)間超過設(shè)定閾值時(shí)自檢完成,否則返回錯(cuò)誤代碼；通過設(shè)置模擬開關(guān)使得反饋端與采集端短接,反饋端輸出預(yù)先設(shè)置信號(hào),利用系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)并與原信號(hào)比較,判斷電極接口是否存在短路或斷路情況,以及驗(yàn)證通路選擇功能是否正常。驗(yàn)證完成后可向通過Wi-Fi向軟件端發(fā)送信息表示數(shù)據(jù)通路完好,此時(shí)上位機(jī)顯示上電自檢完成,同時(shí)通過LED指示燈狀態(tài)判斷系統(tǒng)自檢狀態(tài)。系統(tǒng)工作流程如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)工作流程

2.6 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

本文上位機(jī)軟件基于.NET環(huán)境設(shè)計(jì),采用C#語(yǔ)言編寫,分為兩部分設(shè)計(jì),首先將硬件裝置配置為網(wǎng)絡(luò)接入點(diǎn)模式,提供相應(yīng)的IP地址和端口號(hào),計(jì)算機(jī)通過TCP/IP協(xié)議在電腦端虛擬串口,然后選通串口并接收數(shù)據(jù)顯示及發(fā)送控制命令?？刂栖浖譃榻涌?、采集、刺激、數(shù)據(jù)、功能、顯示6個(gè)部分,如圖6所示。

圖6 軟件控制界面

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

在對(duì)比實(shí)驗(yàn)過程中,本文選擇了美國(guó)BIOPAC公司生產(chǎn)的MP150系列多導(dǎo)生理記錄儀作為對(duì)比設(shè)備,其具備電生理信號(hào)記錄功能,可以完成心電、腦電、肌電等生物電記錄,同時(shí)具備在線或離線數(shù)字濾波功能可對(duì)原始信號(hào)進(jìn)行抗干擾處理,可在放大器上選擇增益,采樣率可以自由設(shè)定。對(duì)比過程為同時(shí)利用對(duì)比設(shè)備和本文系統(tǒng)對(duì)生物電信號(hào)進(jìn)行采集,并對(duì)兩組原始信號(hào)分別進(jìn)行3～90 Hz帶通濾波處理,結(jié)果如圖7所示。

圖7 系統(tǒng)功能測(cè)試結(jié)果

從圖7可以看出,利用本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)與商用設(shè)備獲取的生物電信號(hào)基本一致。

在反饋測(cè)試實(shí)驗(yàn)中,通過信號(hào)發(fā)生器、燒杯及生理鹽水搭建環(huán)境模擬欲采集的微幅級(jí)生物電信號(hào),通過調(diào)節(jié)信號(hào)發(fā)生器幅度調(diào)節(jié)初始信號(hào)幅度,再加入文中裝置進(jìn)行信號(hào)采集。軟件中配置Close Loop模式,調(diào)節(jié)源信號(hào)幅值,示波器抓取刺激輸出信號(hào),記錄設(shè)備測(cè)試從調(diào)節(jié)幅值開始到刺激輸出的時(shí)間間隔,為閉環(huán)控制延遲,刺激輸出默認(rèn)為正負(fù)2 V,500 μs,100 Hz。

實(shí)驗(yàn)中通過信號(hào)發(fā)生器結(jié)合生理鹽水模擬人體組織參數(shù)的方法為基礎(chǔ)研究過程中的慣例方法,可以較好地用于信號(hào)采集測(cè)試。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)測(cè)試,生物電反饋滿足實(shí)時(shí)的要求,相關(guān)誤差都在允許范圍內(nèi)。

4 結(jié) 論

本文提出了一種多重生物電閉環(huán)反饋控制方法,并給出了具體電路實(shí)現(xiàn)和系統(tǒng)設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)對(duì)模擬微弱生物電信號(hào)進(jìn)行對(duì)比測(cè)試和反饋測(cè)試,結(jié)果顯示：本便攜式系統(tǒng)信號(hào)采集范圍在±2.5 V之間,精度可以達(dá)到0.5 μV,對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致；生物電反饋范圍±5 V之間,精度可以達(dá)到0.1 V；閾值反饋實(shí)驗(yàn)顯示本系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制反饋開關(guān)；系統(tǒng)體積14 cm× 6 cm×2 cm,重量292 g,可連續(xù)工作1周時(shí)間,其無(wú)線空曠控制距離45 m,滿足多類型生物電采集、無(wú)線可調(diào)電脈沖反饋,以及閉環(huán)實(shí)時(shí)控制的需要,為臨床及基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)研究提供了一套科研工具。