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。     

基于ARM7的新型开放式多功能医用信号仪的研制

目的现有的常用信号发生器或生理信号发生器不能同时输出常用信号和模拟生理信号,本文提出一种新型开放式多功能医用信号仪,用于检测各种生理信号,听取不同频率、不同信号的声音及输出常用信号等。方法该仪器以STM32F103RF和高性能集成芯片MAX038为核心。此医用信号仪包括硬件和软件两部分,其中硬件含有ARM7单片机控制单元、按钮组输入单元、数据存储单元等12个单元,软件用C语言编写,并采用keil C进行编译。结果该仪器不仅能输出常用的正弦、方波、三角波、锯齿、矩形信号,还能输出医学中常用的多种生理信号如心电、脉搏波等,且信号波形频率、幅度、类型、波形均采用直观的LCD液晶显示。此外,该仪器具有一个高驱动能力的接口,可直接驱动耳机等,以方便对人耳频率特性和人体阻抗特性的研究和教学。同时,为了便于使用一般示波器能观察各种生理信号,对同一种生理信号可输出不同的频率。结论本仪器使用方便,可广泛应用于科研、教学、测试和仪器维修等。     

多参数可调经颅微电流刺激仪的研制和基于脑电的效果评测

经颅微电流刺激已被广泛用于改善和治疗焦虑、抑郁和失眠等不适应症。研制一种波形、脉宽、重复频率和强度等多参数可调的经颅微电流刺激仪。在设备开发中,为避免个体头部阻抗差异导致的刺激电流强度变化,利用恒流模块实现相同强度的脑部刺激电流。为评估刺激效果,招募20个志愿者进行实际测试。通过脑电频谱分析和双因素重复方差分析方法,对不同刺激波形在刺激前后的脑电α频段频谱含量进行评估。评估结果表明,α频段频谱含量在刺激参数和刺激前后两个因素的交互作用显著 (P<0.01),4种波形（方波、三角波、锯齿波、正弦波）均能在不同程度上有效提升α频段频谱含量,且正弦波刺激能显著提高EEGα频段的频谱含量（功率谱占比提高20%以上）,由此证明设备的有效性。     

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。     

基于混沌信号的经皮神经电刺激仪的设计

传统的电刺激仪器都是采用三角波、方波与非对称波等信号作为刺激信号源,或是将一些特定的信号先进行存储、然后再输出作为信号源,这些信号都呈现出周期性,作用于人体时容易使人产生适应性,随着刺激次数的增多而使效果逐渐变差,论文设计了一个基于混沌模型的非周期信号的电刺激系统。首先是在MATLAB软件的Simulink平台下构建出混沌模型,然后借助于DSP Builder软件将混沌模型转换为FPGA的工程文件,通过Simulink平台的模型仿真及Modelsim软件的行为级仿真,仿真无误后将工程文件在Altera公司的开发平台Quartus软件下进行编译、综合,最后生成可执行文件,下载到FPGA芯片即产生了混沌信号;将信号进行电压放大,功率放大,接入电极,实现了基于混沌信号的电刺激系统。所设计的系统获得了新型的电刺激效果,通过改变混沌方程的参数以及改变信号的输出频率,可以改变刺激时的直观感觉,由于人体的生物信号本身具有复杂的混沌特性,用它作用于人体所具有的更深层次的生物效应还需更多的探索研究。     

基于STM32和USB接口的开放式高性能新型医用信号仪的研制

为满足研究各种细胞、组织等的电生物效应所需的高精度特殊刺激信号,以及科研、教学和医学仪器的调试和维修等需求,研制以内带D/A转换、A/D转换、USB引擎的高性价比、32位单片机STM32F103RD和高性能单频信号发生芯片AD9833为核心的开放式高性能医用信号仪。该仪器能同时输出两路生理信号(如心电波、脉搏波、呼吸波)和特殊波形信号、高频率精度和位相差精度的常用信号(如正弦、三角波和方波)或一路特殊信号和一路常用信号,输出电压幅度可达10 V,电流最大可达350 mA,最高频率可达12 MHz。该仪器具有开放性好、体积小、性能稳定、操作简便,显示直观等优点,可广泛用于电生物效应和医学其它科研、实验教学和医学仪器的调试和维修等。     

基于肌电特征提取的智能电刺激仪

为了改善常规电刺激仪的刺激参数不准确、缺少主动治疗模式等缺陷,设计开发了生物反馈式智能电刺激仪。将肌电反馈控制与电刺激相结合,对患者运动肌群的电信号进行无创测量和特征值提取,以肌电特征值作为反馈量控制电刺激仪的输出。创新地实现了基于Delta-sigma技术的肌电信号特征提取及肌电反馈控制,可准确获取肌电特征值,实现了电刺激治疗的智能化,促使患者主动参与训练和治疗;采用刺激电流双向检测技术和可编程式触摸屏人机交互,使刺激参数准确量化。经实验可知:仪器已达到设计要求,实现了既定的功能。     

电子镇痛仪电信号传导机制模型建立与分析

目的:分析电子镇痛仪电流信号在手臂肌肉内的信号传导情况,为电刺激镇痛提供理论依据。方法:结合人体解剖学与组织结构学,在COMSOL Multiphysics 5.5有限元仿真软件中,利用圆台、圆柱、椭球为几何实体,建立电子镇痛仪数值仿真有限元模型。在频域环境下,通过注入载波信号分别为100 kHz、1 MHz、10 MHz,幅度为±20 mA的电流信号,以此分析信号在手臂中的传播机制。结果:随着载波频率的不断增加,集肤效应越来越明显,信号在电极接触处皮肤部分越来越集中,容积导体内部的扩散性也将失去一致性。在100 kHz时,随着离电极中心的通信距离逐渐增加,信号在手臂内部信号扩散变得越来越均匀。结论:在电子镇痛仪实施肌肉酸痛治疗过程中,通信频率越高,信号越难以进入机体内部,信号一致性越差。因此,在实施电流镇痛过程中,信号电极应尽量布置在镇痛靶向区域附近。     

基于ARM7的多功能离子导入治疗仪的设计

目的：设计一种频率可调的新型多功能离子导入治疗仪,使之能够克服目前国内大部分离子导入仪输出频率单一,或者仅仅局限于某一频段的缺点,可实现不同种类药物离子的导入,最大限度地发挥药物的疗效。方法：采用以ARM7为内核的LPC2138作为主控芯片,使用基于DDS技术的AD9834作为波形信号产生芯片,经过功率放大器LF347放大后,系统可实现独立调节的四通道输出。使用LCD TFT真彩屏作为显示器件,API8108A作为语音芯片,具有动态显示和语音同步告知等功能。结果：系统输出波形表明,该系统实现了多种频率和多种波形输出,且输出幅值和频率可调,并且通过选择治疗模式可以实现电离子导入疗法和干扰电疗法两种治疗功能。结论：整个系统具有电路结构简单、成本低、安全可靠、性能稳定和精度高等优点。且人机交互能力强,操作简单,并且特别设计了电极脱落检测电路,可在系统整个工作的过程中自动检测电极是否与人体可靠接触,如果检测到电极脱落则自动语音提示用户进行检查,能够及时有效的保护患者的安全。     

极低频电磁场对大鼠成骨细胞的影响

极低频电磁场(Extremely low-frequency electromagnetic field,ELEF)特性可以影响成骨细胞的增殖与分化。为了寻找有效的刺激骨折愈合的方法,我们研制了一种可产生多种波形,波形频率、强度可调的极低频脉冲电磁场刺激仪(频率0~300 Hz,强度0~40 mT),使用该仪器研究了矩形、脉冲、三角及正弦等多种波形对新生大鼠颅骨成骨细胞的影响。结果表明,脉冲波与矩形波电磁场可以显著刺激细胞增殖(P<0.05),抑制细胞分化(P<0.05),而正弦波形可以刺激细胞分化(P<0.05),但却抑制细胞的增殖(P<0.05)。     

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。     

硬膜外脊髓电刺激仪的研制

临床实验证实硬脊膜外脊髓电刺激(ESCS)与减重步态疗法(PWBT)相结合,能明显提高患者脊髓损伤康复后的行走能力,对运动能量代谢产生显著影响,但相应的神经与生理机制目前尚不清楚.本研究开发研制一种小型低功耗的先进ESCS刺激仪,为ESCS机理的实验研究提供所需的刺激模式.基于印刷电路板工艺,采用聚酰亚胺对银电极触点进行绝缘封装,改进电极的设计.进行ESCS刺激仪性能的动物实验验证,改变电压幅值、频率和波宽等刺激参数,观察实验猫肌肉的抽搐情况.实验结果表明:所研制的小型低功耗ESCS刺激器能提供所需的多通道多模式刺激信号,电池供电和低功耗设计可提供使用安全性,ESCS电极满足柔韧性和生物兼容性要求,可为ESCS和PWBT组合疗法的机理研究提供先进实验手段.     

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。     

机械拉伸波形及频率对肺腺癌细胞增殖的影响

通过FX-4000柔性基底加载系统研究了不同波形及频率的周期性机械拉伸对人肺腺癌A 549细胞株增殖的影响,应用Im age-P ro图像处理软件对A 549细胞株在心形波、三角波及方波等拉伸应变下的增殖动力学变化进行了分析。实验表明:在co llagenⅠ基底膜上,应变0-25%,频率为20次/m in、40次/m in及60次/m in,加载时间为2 h时,与对照组比较,方波刺激组细胞生长明显受到抑制,三角波刺激组细胞增殖率无明显差异,心形波刺激组细胞增殖加快。研究表明:A 549细胞株对体外的生理应变作出响应时,方波与60次/m in频率的组合刺激抑制作用最佳,且加载时间越长抑制效果越好。可见,波形与频率的合理组合在抑制人肺腺癌细胞增殖的过程中起着重要作用。     

神经纤维电刺激的非线性模型研究

0　引言对神经纤维电刺激兴奋规律的研究 ,在神经科学、康复工程等许多学科领域都具有非常重要的意义。对神经纤维电刺激兴奋规律的研究 ,主要包括两大部分内容 ,一是对电刺激产生的电场分布规律的研究 ,另一部分工作是对神经纤维本身的建模。在前人的工作中 ,将更多的精力花在了对神经纤维本身的建模工作中 ,而对电刺激产生的电场分布问题则往往将其简化考虑 ,例如 :忽略刺激电极的大小、忽略神经纤维、结缔组织等对电场分布的影响等等。这样做 ,在我们更需要对神经纤维本身进行了解时是可以理解的 ,也是可行的。但是 ,当我们已经对神经纤…     

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。     

不同电极电刺激对有髓神经传导阻断影响的仿真研究

目的 比较双电极双向脉冲刺激和单电极双向脉冲刺激在神经纤维传导阻断中的阻断阈值以及对神经纤维的损伤,并通过该研究为电刺激促进脊髓损伤后下尿路功能重建的动物实验选择最优的刺激模式.方法 以有限长单根有髓神经为研究对象,以两栖动物的有髓神经纤维FrankenhaeuserHuxley（F-H）模型为仿真研究基础.结果 比较了单、双电极在双向对称方波以及双向间歇方波作用下的阻断阈值以及单双电极在同样的刺激条件下（包括刺激波形、频率以及电流强度）产生的离子电流强度大小.结论 双电极的阻断阈值大于单电极的阻断阈值.在相同的刺激条件下,双电极双向脉冲刺激对神经的损伤程度小于单电极双向脉冲刺激.     

基于有限元法的硬脑膜外视皮层电刺激仿真研究

经硬脑膜对视皮层电刺激是治疗失明的新思路。为从理论上认识其作用机制,首先建立视皮层区域的有限元仿真模型,分析脑组织内电场分布,并用激活函数和组织活化区来表征外加刺激的作用效果;随后逐次改变单相脉冲的幅值、脉宽和频率,通过基波作用下组织活化区的变化来探讨不同刺激参数对结果的影响。仿真结果显示,经硬脑膜可以实现对视皮层的有效刺激,只是所需刺激强度比直接皮层刺激约高30倍;多电极刺激模式下,只要电极间距超过5 mm,电极间的影响可忽略不计;降低幅值、脉宽和频率等参数,可以改善单相方波脉冲的刺激效果,其中幅值的减小对空间分辨率的提高效果最为显著。所得结论对实验具有一定指导意义。     

核素显像评价电刺激对健康青年人小肠运动功能影响的试验研究

目的利用放射性核素显像研究十二指肠电刺激对人小肠通过时间的影响。方法12例健康青年志愿者,男女各6例,年龄21～25岁,中位年龄23岁。在胃镜引导下留置导管至十二指肠水平部,并安置电极,将99mTc-DTPA(二乙撑三胺五乙酸)和乳果糖混合液注入导管,用单光子发射式计算机断层仪(SPECT)进行连续小肠显像。择日对受试者进行电刺激,刺激条件:频率13Hz、波宽300ms、刺激强度5mA的方波,采用上述方法进行显像。使用感兴趣区分析法,生成小肠时间-放射性曲线,计算出小肠半排时间(T50),比较刺激前后小肠半排时间的变化。结果电刺激前后小肠平均半排时间分别为(49.5±15.8)min和(29.6±10.9)min,刺激前后T50变化有统计学意义(P<0.01)。结论放射性核素显像能很好地反映小肠运动变化,十二指肠电刺激能明显加快小肠运动。     

肌电反馈磁场治疗仪的研制

目的：研制可用于神经损伤治疗的肌电反馈磁场治疗仪器。方法：采用自动控制理论和电磁场理论将肌电传感器采集磁场作用后的人体肌电信号作为反馈信号，利用单片机进行磁场强度以及波形的自动调整。结果：对所研制的肌电反馈式磁场治疗仪进行测试，可产生磁感应强度0～50mT、频率1—100Hz的正弦、方波和三角波；已经用于刺激动物神经的实验研究，得到了许多有意义的研究结果。结论：肌电反馈磁场治疗仪的研制将提供患者个体差异的自适应治疗，确保了最佳的临床治疗效果。