变参数混沌信号应用于经皮神经电刺激的探索研究

为了降低人体适应性对电刺激效果的影响,介绍了一种基于混沌信号的电刺激系统设计方法。首先在PC机上采用MATLAB软件构建混沌模型,经迭代运算产生混沌信号。用NI公司的数据采集卡USB-6251将信号输出到外部设备,再用LM3886模块对信号进行功率放大。经粘贴或绑缚在人体皮肤上的电极,传入信号以刺激内部神经。通过改变混沌模型的参数可获得不同的刺激效果,从而降低了因生理电刺激适应性而导致的电刺激效果变差的影响。测试结果表明:混沌信号的随机性增加了电刺激波形的多样性;混沌信号的规则性保证了电刺激过程的舒适感,提出的方法为电刺激仪器的设计提供了一个新的方向。     

基于2^n伪随机复合频率信号的神经肌肉电刺激系统设计

目的：每一块肌肉都是由众多肌纤维组成，每一组肌纤维的固有频率不同，在对肌肉进行电刺激时，使用单一频率的电刺激不能满足同时对多组肌纤维进行刺激，不能达到最有效的电刺激作用，因此我们设计了一种基于伪随机信号的复合频率电刺激仪，能在一个刺激周期内实现多个频率的电刺激。方法：设计了一个以STC12C5410AD单片机为核心控制芯片的伪随机信号神经肌肉电刺激仪系统，采用串口实现上下位机的通讯，通过软件编程，上位机发送主频数、主频频率、间歇时间和刺激时间各项参数指令，由单片机控制输出两路伪随机脉冲信号，并通过逆变电路实现伪随机信号的输出，在逆变电路中加入电流监测电阻，实时监测输出信号的电流大小，将其控制在人体安全电流10mA以下，保证了用户的使用安全。结果：研制出的电刺激仪能产生1kHz以下多种主频信号的复合，根据主频数和主频频率的不同输出不同的复合频率信号，同时对输出电流的检测，验证了信号的安全性。结论：本文将伪随机复合频率信号运用于肌肉电刺激仪中，取代传统的单一频率电刺激仪，实现了技术上和理论上的创新，具有较高的临床实验和科研价值。     

多电极联合电刺激神经调控模型建立与分析

目的:分析电刺激信号在人体组织中的扩散情况，为多电极联合刺激提供理论依据。方法:采用以电磁仿真标准单层人体头部模型为研究对象的几何结构模型，假定模型中填充物为肌肉组织，建立具有肌肉特性的有限元模型。向模型注入20 mA的直流电信号，通过多物理场仿真软件COMSOL Multiphysics 5.5计算分析信号在简化头部模型中的信号传播机制。结果:信号主要集中在电极周围；多电极联合刺激时，在模型的几何中心处存在信号叠加，信号在该处存在增强的趋势；同时，通过xy截面分析发现，在均匀的肌肉组织中，信号衰减强度约为8 dB/cm。结论:在简化头部模型中，多电极联合刺激能够在头部截面几何中心形成信号增强的趋势。     

基于DSP的拟生物神经信号刺激器的研制

介绍一种用于研究生物体运动神经机理的在体拟生物信号电刺激装置。刺激器以DSP为计算核心,采用基于振动理论的神经元模型生成信号,输出模拟电压,通过微电极进行在体刺激。实验结果证实,刺激信号在形态上与生物信号基本吻合,并且刺激强度、频率等可调。此研究为后续研究生物机器人技术提供了硬件准备。     

多参数经皮神经肌肉电刺激仪的设计

目的：电刺激仪器是通过电流作用于目标组织，使目标组织产生相应的功能变化。刺激方式、刺激电流、波形等均会影响治疗效果。市面上现有的神经肌肉电刺激仪一般只有单一的治疗模式，局限性很大。为了有针对性地治疗不同肌肉疾病，我们设计了一个能够方便准确地控制刺激电流的多参数经皮神经肌肉电刺激仪系统：方法：设计了一个以STC12C5410AD单片机为核心控制芯片的多参数经皮神经肌肉电刺激仪系统，采用串口实现上下位机的通讯，通过软件编程，上位机发送波形、频率、脉宽、间隙时间、最大刺激电流等各项参数指令，由单片机控制D／A转换芯片DAC8532输出指定波形，经过高压开关保护电路加入恒流源电路，产生恒定的电流对目标组织进行刺激。系统加入多项安全控制措施，有效地避免了实际操作过程中的安全隐患；结果：通过对系统进行电阻测试，验证了系统为恒流型仪器，经过电阻的刺激电流由且仅由输入信号的各项参数确定，与电阻的大小无关。由临床试验证明了通过改变参数，可以改变刺激模式，并验证了该系统的安全性和有效性。结论：该系统能设置成临床上使用的经皮电神经刺激疗法的各种模式。安全有效，有利于临床实验和相关科研的开展。     

电刺激效应在血管新生中的作用

人体生命活动的不断延续,往往伴随着生物电现象的产生,一旦这种电生理环境发生改变,机体易于陷入疾病状态。那么基于这种电生理环境的改变以及电刺激技术的发展,借助电刺激技术改变疾病状态。从而修复机体结构和功能的治疗手段得到大量研究者的证实。血管新生是一个多因素参与、多步骤演变的过程。多种病变情况下如创伤愈合、组织再生修复和肿瘤生长、转移均牵涉到血管的新生,同时也伴随着生物电现象的变化。就近年来电刺激技术作用于血管新生的研究进展作一综述。     

多功能音乐电刺激治疗设备的研制及在失眠治疗方面的应用

研制一种用于康复治疗的多功能音乐电刺激治疗设备。利用C8051F340进行数据处理和系统控制,控制MP3芯片播放音乐处方信号和输出由这种音乐信号转换的同步或调制脉冲刺激电流,实现声和电两种物理因子同时作用于人体耳和经穴的一种非药物的自然疗法。对87例失眠症患者进行音乐电刺激治疗,治疗效果明显,可使睡眠总时间增加,入睡时间缩短,夜醒次数减少,睡眠深度明显加深,做梦情况减少,醒后感觉明显改善。优于西药治疗效果。     

基于R?ssler混沌模型的神经电刺激系统的设计与实验研究

基于R?ssler混沌模型的神经电刺激系统的实现方法,介绍了设计原理、实现过程及测试方案。混沌信号的规则性保证了电刺激的舒适感,混沌信号的内随机性保持了电刺激的多样性,并通过变化混沌方程中的参数,获得了丰富的电刺激效果。为了探索混沌电刺激的应用优势,设计了基于机器视觉的非接触测量系统,实验结果表明混沌电刺激能使青蛙腿部保持较大的幅度持续抖动,具有潜在应用优势,而连续波与疏密波的持续刺激使青蛙腿部的抖动幅度衰减更快,这可能是由于混沌电刺激延缓了耐受的产生或者是降低了电刺激的疲劳程度。混沌模型使得电刺激的规则性与多样性得到统一,可改善当前市售电针仪所存在的一些问题,其统一的数学模型为规范当前电刺激仪的设计提供了新的方向。     

电刺激骨骼肌产生收缩肌力的数学模型

神经肌肉电刺激是用脉冲电流来刺激骨骼肌收缩从而产生运动或增强肌力的康复或锻炼方法,为了精确地控制肌力输出,需要建立电刺激肌肉系统的数学模型。较为全面地阐述了近年来此类模型的原理、结构形式及预测收缩肌力的效果,并对今后如何改善肌力模型从而更好地优化电刺激模式提出了设想。     

下肢运动信息采集与运动仿真

目的 建立人体下肢3D模型与生物力学模型,进行运动学和动力学分析,搭建下肢控制平台为主动式下肢假肢和人体下肢助行器的控制研究提供理论依据。方法 利用VICON人体三维运动捕捉系统采集平地行走人体下肢髋、膝、踝运动信息。利用Solidworks建立人体下肢3D模型,进行下肢运动学分析。基于Matlab中Simulink的机械仿真模块（SimMechanics）建立人体下肢模型,进行动力学分析,产生运动信号。基于Quanser半实物仿真平台搭建控制模型,接收SimMechanics产生的运动控制信号,实现对双下肢运动平台的控制。结果 利用运动学分析得到各个关节的速度和加速度信号,利用动力学仿真得到各个关节的力矩信号,对建立的人体双下肢模型进行模拟仿真,通过仿真验证了模型的合理性,利用输出的信号对双下肢运动平台进行控制实现了平地行走功能。结论 建立的平台可以进行人体下肢运动学、动力学和控制方法的研究,为主动式假肢和人体下肢助行器的控制提供借鉴作用。     

TMS线圈与EEG电极线相对位置对TMS-EEG信号的影响

通过分析经颅磁刺激线圈放电时的电场分布,探索磁刺激输出脉冲对脑电采集帽产生的伪迹信号来源。我们通过建立八字线圈感应电场分布的半无界空间数学模型,获得八字线圈感应电场的分布特性,分析磁刺激影响脑电采集回路的两种影响因素,我们用matlab软件仿真刺激线圈与脑电极线成不同角度、不同距离时产生的伪迹信号的变化趋势,通过模型试验和人体实验验证这种趋势的准确性;结果显示,脑电导线重合于线圈长轴,产生脑电伪迹最小,当线圈转动其他角度或当线圈下移时伪迹会逐渐增大,最大伪迹幅值是最小伪迹幅值的约10倍。在TMS-EEG试验中,伪迹信号的幅值、持续时间与线圈摆放位置、角度有关。通过实验前合理排布脑电极线可降低伪迹信号幅值、持续时间等参数,提高磁刺激下脑电信号特征信号提取的准确性。     

多通道经颅交流电刺激仪的设计

目的:电信号不同,对生物进行电刺激产生的生物效应也不相同。医疗领域已经研究出了许多有效成熟的电刺激治疗模式,市场上已有很多具有简单模式的电刺激仪,它们一般都只有特定的治疗模式,功能比较单一。为了满足多模式联合治疗和医学实验的需要,我们研发了一款具有多种治疗模式的交流电刺激仪。方法:该交流经颅电刺激仪选用TI的低功耗MSP430F413单片机作为主控芯片,控制以MAX038作为信号发生芯片的波形发生电路。因为MAX038能够产生0.1 Hz-20 MHz可调的正弦波、方波、三角波,可以实现两个独立控制波形的耦合输出,因此能够形成多种刺激模式。通过软件编程,使该电刺激仪具有丰富的参数设置与显示功能。结果:研制出的电刺激仪具有内置多种常用治疗模式(其中有2个为多治疗模式定时自动转换的可循环模式),利用6个中断按键作为控制键,可以方便快捷地进行模式选择和参数设置。通过配备不同的电极,可以进行电流与电场治疗模式切换:导电电极用于电流治疗,绝缘电极用于电场治疗。结论:经过多次调试和验证,该电刺激仪的输出电压Vp-p为5 V,可按需要外接医用功率放大设备进行放大,输出频率可调范围为0.1 Hz-5 MHz,调节精度为±2%,可以输出噪声较低的方波,三角波,正弦波及其调制波形,具有良好的稳定性和可靠性,同时满足国际电工委员会颁布的医疗设备安全标准,达到了最初的设计要求。     

FNS肢体运动疲劳特性的实验研究

研究了功能电刺激作用下的人体神经肌肉的疲劳特性和生物反应,初步确定了适合于人体神经肌肉电刺激脉冲信号的基本特征,以正常男性成人的曲肘运动（右手）为研究对象,将表面电极置于右手肱二头肌肌腹处,在肘关系（右手）处安装一个微型角位移传感器,通过多功能神经肌肉电刺激肢体运动测控仪器,获取曲肘运动时的肘关节角位移变化曲线,结果表明,在任何一种刺激模式作用下,曲肘运动均呈现严重非线性时变特性;缓慢连续变化的刺激脉冲能有效地缓解肱二头肌的疲劳程度,最佳的功能电刺激脉冲频率为30Hz-50Hz。     

基于按摩的电刺激器的设计

目的设计一种基于中医按摩的电刺激仪器——将产生的电刺激信号通过中医的按摩手法给患者按摩。方法研究采用STC89C58RD+单片机作为控制器,采用LCD点阵液晶显示作为可视化的提示工具,采用4*4矩阵键盘作为输入控制接口,采用变压器作为电刺激信号升压器件。结果研究实现了预期目标,用户可通过LCD提示输入控制点刺激信号强度的按键,单片机处理后输出相应的脉冲波形,进而触发生成用于按摩的电刺激信号。结论对51单片机开发应用,实现了输入不同的频率信息,产生不同强度的电刺激信号,使人感觉不同程度的麻刺激,能够用于治疗和保健。     

电刺激器的双极性输出及保护电路设计

目的为设计一种能够输出较为复杂波形的电刺激仪的双极性输出和保护电路。方法以单向置数方式的DAC和运放电路结合,实现双极性输出;以比较器LM311进行电压判断生成单片机中断信号而实现过压保护,以齐纳二极管实现限压,以三极管、二极管和电阻组合实现限流。使用Muhisim仿真工具,以保护电路为例对电压判断、限流限压电路进行了仿真试验。结果仿真实验表明本设计中输出保护电路实现了限流限压功能,该仪器实现了波形可编程的带有输出保护功能的双极性电刺激功能。结论该设计可实现双极性输出电刺激信号。并具有电路安全保护功能,达到了预期的目标。     

基于虚拟仪器技术的时序功能电刺激系统

目的:开发可诱发肌肉运动或模拟正常的肌肉自主运动的的系统.方法:应用LabVIEW开发了一基于虚拟仪器技术的两通道功能性电刺激系统.结果:系统可输出各种刺激信号.结论:有关测试结果表明,系统具有良好的性能,达到了设计的各种技术指标,并具有开发方便的优点.     

用于外周神经的干涉电流刺激器设计

设计了一种用于外周神经电刺激的干涉电流刺激器。该刺激器为两路电流输出,可以产生4种波形,每种波形的频率、幅度等参数可在上位机进行设置,频率分辨率为0.2 Hz,幅度分辨率为0.01 mA,时间分辨率为0.1 μs。该刺激器的特点在于可在刺激强度一定的条件下连续改变电流比,或在电流比一定的情况下连续改变刺激强度。上位机采用LabVIEW开发,下位机采用FPGA对3片DAC进行控制,DAC产生的波形信号经过隔离恒流源电路后施加到负载。经过测试,刺激器能够准确产生4种波形,电流偏差在2.6%以内,恒流效果良好。该刺激器体积小,操作简单,产生波形稳定,可以用于无损选择电刺激研究。     

非侵入式盆底电刺激治疗仪的有效性与安全性研究

目的 通过与侵入式盆底电刺激治疗仪进行对比,研究非侵入式盆底电刺激治疗仪的有效性与安全性。方法 在COMSOL多物理场仿真软件中构建盆底部位的三维仿真模型,改变刺激电压的频率和幅值,进行多组电流密度分布仿真,结合离体组织实验进行有效性与安全性评价。结果和结论 非侵入式盆底电刺激能够通过增加刺激脉冲电压的幅值和频率达到与侵入式盆底电刺激治疗仪相近的盆底肌刺激效果,增加电极数量对刺激效果也具有提升作用。在电极刺激部位垫湿巾或涂导电膏能避免电烧伤并提升刺激效果。创新之处 关于非侵入式盆底电刺激治疗的有效性与安全性目前缺乏研究论证,该研究表明非侵入式盆底电刺激具有潜在的临床应用前景,可以为后续的临床研究提供参考。     

不同电刺激信号对大鼠雪旺细胞增殖的影响

目的研究不同的电刺激信号对大鼠雪旺细胞(RSC96)增殖的影响。方法实验使用RSC96细胞系(中国科学院典型培养物保藏委员会细胞库),经过2次传代培养,以1.25×10~4/孔的密度种植于24孔细胞培养板中,次日电刺激信号分别采用不同的电压(10、100、500、1 000、5 000、10 000 m V/cm)、不同的频率(0.1、1.0、100.0、1 000.0、10 000.0、1 000 000.0 Hz)、不同的脉冲占空比(5%、10%、30%、50%、70%、90%)及不同的波形(正脉冲波、矩形波、三角波、正弦波、杂波、直流波)对细胞进行电刺激,每组设置3个平行样,细胞每天刺激30 min,持续刺激4 d。采用四甲基偶氮唑盐(MTT)法检测细胞增殖率。结果当电刺激频率为100.0 Hz、脉冲占空比为50%、波形为矩形波时,电压500 m V/cm时对细胞的增殖具有抑制作用。当电刺激频率为100.0 Hz、脉冲占空比为50%、电压为500 m V/cm时,正脉冲波、正弦波、矩形波和三角波都能够促进细胞的增殖。当电刺激波形为矩形波、脉冲占空比为50%、电压为500 m V/cm时,频率100.0~1 000.0 Hz组细胞增殖率最高。当电刺激波形为矩形波、频率为100.0 Hz、电压为500 m V/cm时,不同的脉冲占空比对细胞增殖的影响不明显。结论不同的电刺激信号条件对细胞增殖的影响较大。电压≤500 m V/cm、有规律的脉冲波形、频率为100.0~1 000.0 Hz电刺激信号能够获得较好的RSC96增殖的效果。实验所获得的优化电刺激参数在外周神经修复中具有非常大的应用前景。     

功能电刺激腕关节运动的自适应控制技术研究

针对功能电刺激(FES)康复技术中肌肉的时变和高度非线性的特点,提出一种实时调整FES系统输出,实现康复患者自适应训练的方法。考虑到患者间和康复各阶段肌肉对电刺激响应能力的差异,利用神经网络良好的非线性逼近能力,采用神经网络辨识器辨识相关运动肌肉的FES模型,并在此基础上,利用神经网络控制器在线调节控制策略及刺激参数,提高FES系统的自适应能力。通过人体腕关节运动控制的FES实验,验证该方法具有较高的轨迹跟踪控制精度和较强的自适应能力。