CN104307101B - 用于产生驱动胃肠起搏系统的刺激电流的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于产生驱动胃肠起搏系统的刺激电流的方法及装置，本发明通过体表电极实时提取人体的胃电信息，利用提取的胃电信号与音乐信号通过信号调理算法进行处理，使音乐信号与胃电信号达到最优化叠加，获得复合信号，通过本方法及装置产生的复合信号能够自主式驱动胃肠起搏点产生跟随-谐振效应，且该刺激电流不产生适应性，与胃肠基波同步变化，并有—定的选择性的自主式数字化音乐电起搏电流，旨在临床上实现个体化、特异性的有效治疗。

Description

用于产生驱动胃肠起搏系统的刺激电流的方法及装置

技术领域

本发明涉及医疗技术领域，特别涉及一种用于产生驱动胃肠起搏系统的刺激电流的方法及装置。

背景技术

功能性胃肠病(FunctionalGastrointestinalDisorder,FGID)是指具有慢性和复发性的消化道症状，但缺乏解剖、生化和病理学变化证据的临床症候群。胃肠动力障碍性疾病(DisordersofGastrointestinalMotility，DGIM)是指以胃肠运动功能异常为主要原因的一类疾病。FGID/DGIM是临床常见病、多发病，其人群患病率为10％～30％，就诊病人占消化科专科门诊的40％～60％。但迄今为止，FGID/DGIM尚无特效治疗方法，其治疗方法主要依赖促胃肠动力、抑酸药、调节内脏感觉、抗焦虑抑郁的药物及心理认知治疗等，但有的药物副作用大，有的不能获得满意的疗效，且停药后易复发，疗效易受其他因素的影响。

不同的音乐可以对人的生理产生不同的反应，如心率和脉搏的速度、血压、皮肤电位反应、肌肉电位和运动反应、内分泌和体内生化物质(肾上腺素、去甲肾上腺素、内啡肽、免疫球蛋白)以及脑电波等等。音乐的节奏可以明显地影响人的行为节奏和生理节奏，例如呼吸速度、胃肠运动速度节奏、心率。另外，不同的音乐可以引起各种非常不同的情绪反应。同时音乐也是一种独特的交流形式，对于音乐而言，最重要的交流意义是非语言的。音乐的这一交流特点对于临床治疗来说是关键的重要因素，特别是当语言的努力归于失败时，音乐可以帮助建立起良好的医患关系，而这一关系正是治疗成功的基本动力。另外，由于音乐是一种存在于时间里和由物理结构(空气分子的震动)形成的一种现实存在，因此音乐可以成为一个有效的媒介来帮助那些从现实和社会中退缩出来的病人从新回到现实世界中，建立起与外部现实世界的联系。总之，音乐的运用一是能多方面刺激大脑皮层，使病人对外界的感觉减弱；二是能唤起病人的愉快的思想联系和情感，暂时忘却置身的环境；三是音乐对中枢神经有直接的抑制作用。另外，音乐的魅力和愉悦性也会吸引那些社会性退缩的人们参与到音乐的社会活动中去，从而改变其自我封闭状态。

目前，北美、南美、欧洲、澳大利亚及近年亚洲的一些国家都开展了各种形式的音乐治疗。近年来，随着电子技术以及计算机控制技术的发展，新型音乐电治疗仪不断推出。法国爱夫尔国际有限公司现在音乐电疗仪器研制方面走在了世界的前列，其公司主打产品音乐美胸护理仪融合当代音乐治疗学、心理干预技术、中西医学、电子工程学、自动化控制等多种边缘学科最新科研成果，在国际上，首次将音乐的心理作用及声场生理作用、音乐电的独特物理治疗作用等治疗方法，综合应用于女性乳房的保健、护理。在我国，音乐治疗作为现代的学科是以音乐电疗法的创立为标志的，研制了海神99-A音乐电治疗仪、YP-I音乐电治疗仪、音电同步理疗机等。我国医务工作者还将音乐疗法、电刺激疗法与我国传统经络理论相结合，创造了“音乐电疗法”，使祖国的传统医学又向前发展了一步。音乐电疗虽有几十年的历史，音乐电疗与音乐电针疗法广泛地应用于肌肉扭损伤、坐骨神经痛、面神经麻痹、神经衰弱、初期高血压、脑中风后遗症、肾结石的碎石等，但均为单纯的物理疗法或音乐调制。胃肠起搏领域的研究首先起源于国外，最初以经皮内窥镜粘膜吸附电极或腹腔镜浆膜置入电极短暂脉冲刺激急性实验为主，起搏方向有逆向起搏和正向起搏，并探索它对胃肠动力的影响。这些实验研究证明了胃肠起搏系统的存在。随后开展的临床应用研究也证明胃肠起搏刺激对糖尿病胃轻瘫、胃食管反流病、功能性消化不良、胃下垂及外科术后胃肠功能恢复均有明显疗效。目前国外胃肠起搏的焦点集中在“起搏的最佳参数”及“起搏方式”的研究。但国外研究以植入式胃肠起搏方案为主，强调直接作用于胃起搏区。尽管它具有定位准确的优点，但创伤大，电极容易脱落，非常不便于临床和家庭使用。

国内有关胃肠起搏的研究较晚，目前国内相关领域的研究主要是探讨体外胃肠起搏和电针治疗胃肠动力紊乱性疾病的作用及其机制，已经取得了一定进展。与国外相比，国内胃肠起搏治疗方案主要立足于体表电刺激起搏和针刺穴位，避免了外科手术的介入，大大降低使用风险，更有可能适合临床和家庭的长时间使用。但其缺点是胃肠起搏电流波形及频率单一、起搏参数相对固定，选择性刺激作用较弱，易产生适应性，起搏的疗效单一且不持久，不能满足临床个体化精细治疗的需要。故探索一种有效的、不产生适应性、与胃肠基波同步变化的并有—定的选择性的自主式数字化音乐电起搏装置有十分重要的意义，旨在临床上实现个体化、特异性的有效治疗。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于产生驱动胃肠起搏系统的刺激电流的方法及装置，通过本方法及装置产生的刺激电流能够自主式驱动胃肠起搏点产生跟随-谐振效应，且该刺激电流不产生适应性，与胃肠基波同步变化，并有—定的选择性的自主式数字化音乐电起搏电流，旨在临床上实现个体化、特异性的有效治疗。

具体的技术方案是：一种用于产生驱动胃肠起搏系统的刺激电流的方法，包括以下步骤：

1)将体表电极提取的实时胃电信号进行放大、过滤后传递给单片机控制系统，将获取的实时音乐信号进行放大后传递给单片机控制系统；

2)单片机控制系统分别接受经过放大处理后的音乐信号和胃电信号，经过A/D转换变成数字信号，通过信号调理算法进行处理，将两路数字信号合成一路复合信号输出，输出的复合信号经过D/A转换为模拟复合信号即为用于驱动胃肠起搏点的刺激电流。

步骤2)中所述信号调理算法的实现步骤为：

1)对胃电数字信号进行平滑滤波；

2)对平滑后的胃电数字信号进行基线漂移校正；

3)采用基于形态特征识别算法对基线漂移校正后的波形进行波峰提取，智能搜索全局峰值点；

4)以搜索到的全局峰值点为中心截取实时音乐信号，音乐信号截取的时间长度为Le，再将截取的音乐数字信号幅值与胃电数字信号相叠加获得复合信号。

通过将胃电数字信号进行快速傅立叶变换，将频率低于0.5cpm的信号滤除，实现胃电数字信号的基线漂移校正。

基于形态特征识别算法描述如下：

1)确定一个波峰检测窗口尺度N，在时间窗口内依次采样，i代表检测窗口内采集到的第i点，P_i代表第i点的实时斜率，A_i代表第i点的峰值；

2)峰值搜索：对每个采样点i的实时斜率P_i进行判断，当采样点i的实时斜率P_i为0时，则定义该采样点i为峰值点，当采样点i的实时斜率满足-a<P_i<a时，a为一个无限接近于0的常数，则定义该采样点i为峰值点，在检测窗口内搜索峰值点。

3)形态搜索：采用形态判断的方法来滤除步骤2)中搜索到的峰值点中的干扰峰值点，形态判断的方法描述为：以峰值点i为中心，通过判断该峰值点i前后n个采样点的斜率和幅值，依次计算A_i-A_i-1，A_i-1-A_i-2…A_i-n+1-A_i-n，并判断A_i-A_i-1，A_i-1-A_i-2…A_i-n+1-A_i-n中大于0的个数,定义为c1；再依次计算A_i-A_i+1，A_i+1-A_i+2…A_i+n-1-A_i+n,并判断A_i-A_i+1，A_i+1-A_i+2…A_i+n-1-A_i+n中大于0的个数,定义为c2；当满足c1、c2同时大于n-2时，保留该峰值点i，定义为局部峰值点i，否则作为干扰峰值点去除；

4)滤波搜索：将保留的局部峰值点进行依次滤波，将局部峰值点的幅值相加再取平均值得到将局部峰值点幅值依次与相比较，大于则保留，小于则去掉，保留的峰值点定义为全局峰值点。

所述实时胃电信号通过体表电极实时采集。

所述实时音乐信号通过音乐播放器产生。

一种用于产生驱动胃肠起搏系统的刺激电流的装置，该装置用于实现上述方法，该装置包括体表电极、信号提取模块、音频放大器、单片机控制系统、液晶模块、D/A转换器和功率放大器，所述音频放大器用于将接收的音乐信号放大后传递给单片机控制系统，所述体表电极用于将提取胃慢波信号传递给信号提取模块，所述信号提取模块用于将体表电极提取的胃慢波信号进行放大、滤波处理后传递给单片机控制系统，所述单片机控制系统与液晶模块电连接，所述单片机控制系统用于接收液晶模块的命令，将接受的胃慢波信号和音乐信号进行叠加后输出数字复合信号给D/A转换器，同时单片机控制系统用于将实时信号输出给液晶模块进行显示，所述D/A转换器用于将接收的数字复合信号转换为模拟复合信号后输出给功率放大器，所述功率放大器用于将接收的模拟复合信号进行功率放大后输出到用于作用于人体的电极片。

所述单片机控制系统采用型号为STM32F103VBT6的嵌入式芯片。

电生理研究证明，0.045-0.333Hz超低频类正弦电流可兴奋胃肠起搏点，100Hz以下的低频脉冲电流刺激神经，可引起肌肉运动。对感觉神经，50Hz脉冲电流，可引起肌肉明显的颤动，10-200Hz，尤其是100Hz左右的脉冲电流，可产生镇痛与镇静作用。对植物神经，4-20Hz的脉冲电流，可兴奋交感神经，100-250Hz脉冲电流，可抑制交感神经。对血管，50-100Hz可引起血管扩张。10-40Hz脉冲电流，可兴奋迷走神经。

本发明的有益效果：本发明通过体表电极实时提取人体的胃电信息，利用提取的胃电信号与音乐信号通过信号调理算法进行处理，使音乐信号与胃电信号达到最优化叠加，获得复合信号。当将通过本发明产生的复合信号通过体表电极反馈作用于胃起搏点区域时，可以触发胃电慢波,改善胃电参数,纠正异常胃电节律,改善胃肠动力及功能活动，从而达到治疗的效果。且利用胃电信号作为载波信号与音乐信号相叠加，结合了音乐电和胃起搏的优势。由于使用人体的实时胃电信号作为音乐数字信号的负载信号，产生复合信号，该复合信号可以适应每个人不同的胃肠基波频率，可以进行起搏参数的自适应调整，使得通过本发明产生的复合信号即刺激电流选择性刺激作用强，加上音乐本身的频率是变化的，不易产生适应性，疗效持久，治疗效果好。且通过本方法产生的刺激电流不仅能够自主式驱动胃肠起搏点产生跟随-谐振效应，且该刺激电流不产生适应性，与胃肠基波同步变化，并有—定的选择性的自主式数字化音乐电起搏电流，可以在临床上实现个体化、特异性的有效治疗。本装置通过体表电极的自主反馈可以进行适应调整参数。

通过本方法产生的复合信号即刺激电流能自主式驱动胃肠起搏点产生跟随-谐振效应，调控胃肠动力与内脏感觉及其相关穴位、胃肠神经的功能，并可通过视觉和听觉，作用于大脑边缘系统和中枢网状结构，并协调脑干网状结构与大脑皮质各部分功能间的关系，对内脏和躯体功能起到良好的调节作用，可改善神经、体液和内分泌功能，调控情绪状态，使胃肠各个细胞都在做微小和谐的振动，激发能量；并迫使胃肠起搏点跟随正常的蠕动规律，触发胃电慢波，恢复正常的胃电节律和波幅，达到恢复或协调胃肠动力功能活动。

附图说明

图1为本发明的原理框图；

图2为本发明的前置放大器模块的电路图；

图3为本发明的滤波器的电路图；

图4为本发明的跟随器模块的电路图；

图5为本发明的后级放大器模块的电路图；

图6为本发明的音频放大器的电路图；

图7为本发明的D/A转换器的电路图；

图8为本发明的功率放大器的电路图；

图9为本发明的单片机控制系统结构框图；

图10为本发明的复合信号合成流程图；

图11为本发明的复合信号合成仿真图。

具体实施方式

参见图1至图11，一种用于产生驱动胃肠起搏系统的刺激电流的方法，包括以下步骤：

1)将体表电极提取的实时胃电信号进行放大、过滤后传递给单片机控制系统，将获取的实时音乐信号进行放大后传递给单片机控制系统。所述实时音乐信号通过音乐播放器产生。

2)单片机控制系统分别接受经过放大处理后的音乐信号和胃电信号，经过A/D转换变成数字信号，通过信号调理算法进行处理，将两路数字信号合成一路复合信号输出，使音乐信号与胃电信号达到最优化叠加，达到最优化叠加后对自主式驱动胃肠起搏点产生跟随-谐振效应，且该刺激电流不产生适应性，与胃肠基波同步变化，并有—定的选择性的自主式数字化音乐电起搏电流，旨在临床上实现个体化、特异性的有效治疗。输出的复合信号经过D/A转换为模拟复合信号即为用于驱动胃肠起搏点的刺激电流。

使用人体的实时胃电信号作为音乐数字信号的负载信号，可以适应每个人不同的胃肠基波频率，可以进行起搏参数(起搏参数包括胃肠基波的主频和幅值、叠加音乐的时间长度和幅值、复合信号幅值)的自适应调整，选择性刺激作用强，不易产生适应性，疗效持久，治疗效果好。且通过本方法产生的刺激电流不仅能够自主式驱动胃肠起搏点产生跟随-谐振效应，且该刺激电流不产生适应性，与胃肠基波同步变化，并有—定的选择性的自主式数字化音乐电起搏电流，旨在临床上实现个体化、特异性的有效治疗。

参见图9至图11，所述信号调理算法的实现步骤为：

(1)对胃电数字信号进行平滑滤波。

考虑到数据在传输的过程中会收到一些干扰，如信道噪声，A/D量化误差等因素，在进行信号处理前需要将原始的胃电信号即慢波信号进行滤波处理，用中值平滑滤波方式实现一个低通滤波器，滤波器的通带宽度与滤波器的阶数选择有关，阶数越大，通带越窄，下面公式以n阶进行中值平滑滤波：

yy(i)＝(y(i-(n-1)/2)+…+y(i)+…+y(i+(n-1)/n))

y(i)代表第i点信号采样的幅值，yy(i)代表滤波以后的幅值。

(2)对平滑后的胃电数字信号进行基线漂移校正。

将数据滤波以后，需要对平滑后的波形进行波峰提取，波峰提取存在的问题在于：胃电波形漂移比较严重，漂移基线通常频率较低，通常小于1cpm，采用硬件的方法设计高通滤波器难以实现，所以采用了软件滤波实现，通过将采样的数字信号进行快速傅立叶变换，将频率低于0.5cpm的信号滤除，实现基线的漂移校正。

(3)采用基于形态特征识别算法对基线漂移校正后的慢波波形进行波峰提取，智能搜索全局峰值点。

基于形态特征识别算法描述如下：

①确定一个波峰检测窗口尺度N，通常设置为1分钟，在时间窗口内依次采样点，i代表检测窗口内采集到的第i点，P_i代表第i点的实时斜率，A_i代表第i点的峰值。

②峰值搜索：对于每个采样点的实时斜率进行判断，当斜率为0的时候，则代表检测到一个峰值点，由于采样的精度影响，可能峰值点的斜率为0附近的一个值，所以检测算法设置常数a为一个无限接近于0的常数，当实时斜率满足-a<P_i<a时，定义该点为局部峰值点，在检测窗口内会检测到多个局部峰值点。具体步骤描述如下：

对每个采样点i的实时斜率P_i进行判断，当采样点i的实时斜率P_i为0时，则定义该采样点i为峰值点，当采样点i的实时斜率满足-a<P_i<a时，a为一个无限接近于0的常数，则定义该采样点i为峰值点，在检测窗口内搜索峰值点。

③形态搜索：经过峰值搜索出的局部峰值点可能包含了多个非慢波峰值点，采用形态判断的方法来滤除干扰峰值点。由于慢波为类正弦波形态，所以，可以以峰值为中心，通过判断前后n个采样点的斜率和幅值的判断峰值波形的形态，从而去掉由于干扰信号而产生的局部峰值。本算法拟幅值判断为依据实现，依次计算m＝A_i-A_i-1，m＝A_i-1-A_i-2…m＝A_i-n+1-A_i-n,分别判断当m>0,则计数参数c加1，否则c保持不变；再计算m＝A_i-A_i+1，m＝A_i+1-A_i+2…m＝A_i+n-1-A_i+n,分别判断当m>0,则计数参数c加1，否则c保持不变；最后判断c>n-2(考虑到干扰可能会引起采样值误差，判断阈值点设置为n-2)，则局部峰值点i保留，否则作为干扰点去除。具体步骤描述如下：

采用形态判断的方法来滤除步骤2)中搜索到的峰值点中的干扰峰值点，形态判断的方法描述为：以峰值点i为中心，通过判断该峰值点i前后n个采样点的斜率和幅值，依次计算A_i-A_i-1，A_i-1-A_i-2…A_i-n+1-A_i-n，并判断A_i-A_i-1，A_i-1-A_i-2…A_i-n+1-A_i-n中大于0的个数,定义为c1；再依次计算A_i-A_i+1，A_i+1-A_i+2…A_i+n-1-A_i+n,并判断A_i-A_i+1，A_i+1-A_i+2…A_i+n-1-A_i+n中大于0的个数,定义为c2；判断c1、c2是否均大于n-2，若是则保留该峰值点i，定义为局部峰值点i，否则作为干扰峰值点去除。

④滤波搜索：为了进一步提高检测精度，将保留的局部峰值点进行依次滤波，将局部峰值点的幅值相加再取平均值得到将局部峰值点幅值依次与相比较，大于则保留，小于则去掉。保留的峰值点即可定义为全局峰值点，即慢波峰值点。具体步骤描述如下：

将保留的局部峰值点进行依次滤波，将局部峰值点的幅值相加再取平均值得到将局部峰值点幅值依次与相比较，大于则保留，小于则去掉，保留的峰值点定义为全局峰值点。

(4)以搜索到的全局峰值点为中心截取实时音乐信号，根据“胃肠起搏”和“驱动-跟随-谐振”效应调整音乐信号截取的时间长度Le，再将截取的音乐数字信号幅值与胃电数字信号相叠加获得复合信号。截取的时间长度Le可以通过与单片机控制系统相连的液晶显示器进行设置、调节。

参见图1至图8，一种用于产生驱动胃肠起搏系统的刺激电流的装置，该装置用于实现上述方法，该装置包括体表电极、信号提取模块、音频放大器、单片机控制系统、液晶模块、D/A转换器和功率放大器，所述音频放大器用于将接收的音乐信号放大后传递给单片机控制系统，所述体表电极用于将提取胃慢波信号传递给信号提取模块，所述信号提取模块用于将体表电极提取的胃慢波信号进行放大、滤波处理后传递给单片机控制系统，所述单片机控制系统与液晶模块电连接，所述单片机控制系统用于接收液晶模块的命令，将接受的胃慢波信号和音乐信号进行叠加后输出数字复合信号给D/A转换器，同时单片机控制系统用于将实时信号输出给液晶模块进行显示，所述D/A转换器用于将接收的数字复合信号转换为模拟复合信号后输出给功率放大器，所述功率放大器用于将接收的模拟复合信号进行功率放大后输出到用于作用于人体的电极片。所述信号提取模块包括生物放大器、低通滤波器。

体表电极选用非极性Ag/AgCl电极，体表电极起传感器的作用，将胃的生物电信号转化为电信号，体表电极为两个电极，其第一电极和第二电极，采用差分方式提取胃的生物电信号，送入生物信号放大器，差分方式提取信号能够有效地抑制干扰。治疗时电极放置在胃窦附近。

生物放大器是将体表电极提取的胃电信号放大，放大后的信号进入A/D转换器。由于胃电信号及其微弱，通常只是μV级，且很容易被其他生物电信号掩盖，且频率及低，所以生物放大器的设计需要综合考虑放大倍数和抗干扰能力。

低通滤波器将胃电慢波信号中叠加的高频干扰滤除，人体的的正常胃电信号频率较低，一般在2.4cpm-3.7cpm之间，所有设计截止频率较低的低通滤波器可以将大多数干扰信号滤除。

音频放大器用于实现外接音乐信号的放大，音乐信号由MP3产生，MP3产生的音乐信号送入音频放大器，音频放大器应该具有较高的输出功率，同时要保证输出音乐信号较低的失真度。音频放大器输出的信号通过两路输出，一路通过耳机输出，一路送入A/D转换器。

单片机控制系统由A/D转换电路、信号调理电路和D/A转换电路组成，其中A/D转换电路和信号调理电路集成在单片机中，通过单片机编程实现，A/D转换器将放大后的胃电模拟信号转换为单片机能够处理的数字信号，送入信号调理电路。A/D转换电路分为两路，分别接受经过放大处理后的音乐信号和胃电信号，经过A/D转换电路变成数字信号，信号调理电路同时接收两路A/D转换器送入的信号(胃电信号和音频信号)，通过信号调理算法将两路信号合成一路复合信号输出；输出的复合信号经过D/A转换器，转换为模拟复合信号。

单片机控制系统以意法半导体公司嵌入式芯片STM32F103VBT6为核心，对这个电路进行控制，具体完成功能如下：与液晶显示器实现通信，接受用户发送的指令，同时将实时数据发送给液晶显示；分别接受胃慢波信号和音乐信号，利用单片机内部自带A/D转换器将模拟信号转换成数字信号，再根据用户发送的指令实现胃慢波和音乐信号的叠加，生成复合信号以数字的方式输出。

功率放大器实现对于输出的复合信号的功率放大，由于D/A转换器输出的信号范围在-5V到+5V之间，输出功率较小，作用于人体不能达到人体的感知电流阈值，需要进行功率提升，功率放大器将复合信号功率放大以后，通过体表电极反馈作用于胃窦，对胃部进行电刺激，达到治疗的效果。

具体电路如下：所述信号提取模块包括前置放大器模块、滤波器、跟随器模块、后级放大器模块，所述前置放大器模块的输入端与体表电极电连接，前置放大器模块的输出端与滤波器的输入端电连接，滤波器的输出端与跟随器模块的输入端电连接，跟随器模块的输出端与后级放大器模块的输入端电连接，后级放大器模块的输出端与单片机控制系统的第一A/D输入端。

前置放大器模块使用了AD公司的AD623AN。AD623AN是一个集成单电源仪表放大器。AD623AN通过提供极好的随增益增大而增大的交流共模抑制比而保持最小的误差，线路噪声及谐波将由于共模抑制比在高达200Hz时仍保持恒定而受到抑制。由AD623AN构成的前置放大器模块如图2所示。

在图中，胃电慢波信号以差分方式进入到AD623AN的两个输入端，这样可以保证着整个放大器模块拥有较高的共模抑制比。前置放大器模块的增益可以用下面的公式来表示：

$G_1=1+\frac{100k\mathrm{\&Omega;}}{R_1}$

如图所示，这个电路中本设计取R₁＝2kΩ，因此这个前置放大器模块的增益G₁＝51。

前置放大器模块具体电路连接为：所述前置放大器模块包括型号为AD623AN的集成单电源仪表放大器U1以及第一电阻R1，集成单电源仪表放大器U1的第1、8引脚分别与第一电阻R1的两端连接，集成单电源仪表放大器U1的第2、3引脚分别与体表电极连接，集成单电源仪表放大器U1的第4引脚连接-5V电压，集成单电源仪表放大器U1的第7引脚连接+5V电压，集成单电源仪表放大器U1的第5引脚接地，集成单电源仪表放大器U1的第6引脚与滤波器的输入端连接。

由于胃电信号中掺杂了许多心电、呼吸等噪声，因此本设计需要用滤波器对其进行滤波。在滤波器部分中，本设计使用的是一个无源的高通滤波器和一个有源的低通滤波器组成的带通滤波器。

因为胃电信号在经过前置放大器模块后拥有较高的电平分量，因此，在滤波器模块中，先让胃电信号经过一个无源的高通滤波器，可以十分有效地去掉信号中的直流分量。而在后面部分的低通滤波器中，考虑到巴特沃斯滤波器在通频带中具有最平坦的幅频特性,因此在低通滤波器部分采用二阶巴特沃斯滤波器。图3为胃电慢波信号提取中的滤波器模块。

从图3中，可以计算高通和低通滤波器的截止频率、电压增益等参数。其中无源高通滤波器是由一个隔直电容和一个电阻构成的一阶滤波器，其截止频率f_L可以由下式表示：

$f_L=\frac{1}{2{\mathrm{\&pi;R}}_2{C}_1}$

而在低通滤波器中本设计采用了运放LM258AH和反馈电容C₃构成。如图3所示，LM258AH和电阻R₃、R₄以及电容C₂、C₃构成了二阶的巴特沃斯滤波器，它的截止频率f_H可以用下式来表示：

$f_H=\frac{1}{2\mathrm{\&pi;}\sqrt{R_3{C}_3{R}_4{C}_2}}$

根据胃电慢波信号的频率范围，且为了计算方便，本设计将取R₃＝R₄，C₂＝C₃，由图中R₂，R₃，R₄，C₁，C₂，C₃的值，得到f_L＝0.003Hz，f_H＝0.159Hz，在此通频带范围内，可以有效地消除心电和呼吸等其他噪声的影响。LM258AH的输出OUT3的电压可以用下式表示：

$OUT3=(1+\frac{R_8}{R_7})OUT2=(1+\frac{R_8}{R_7})(1+\frac{R_6}{R_5})OUT1$

因此滤波器模块的增益G₂可以用下式表示：

$G_2=\frac{OUT3}{OUT1}=(1+\frac{R_8}{R_7})(1+\frac{R_6}{R_5})$

由图所示，本设计取R₅＝R₆＝R₇＝R₈＝3kΩ,因此其增益G₂＝4。

整个胃电慢波提取电路的增益与前置放大器模块，滤波器模块和后级放大器模块的增益有关，其关系如下式：

$A_u=G_1\&CenterDot;G_2\&CenterDot;G_3=(1+\frac{100k\mathrm{\&Omega;}}{R_1})(1+\frac{R_6}{R_5})(1+\frac{R_8}{R_7})(1+\frac{R_{15}}{R_{14}})$

根据各个模块的数据，可以得到A_u＝4284。

滤波器具体电路连接为：所述滤波器包括型号为LM258AH的运放U1以及若干电阻、电容，第一电容C1的一端与前置放大器模块的输出端连接，第一电容C1的另一端分别与第二电阻R2的一端、第三电阻R3的一端连接，第二电阻R2的另一端接地，第三电阻R3的另一端分别与第三电容C3的一端、第四电阻R4的一端连接，第三电容C3的另一端与运放U1的第1引脚，第四电阻R4的另一端分别与第二电容C2的一端、运放U1的第3引脚连接，第二电容C2的另一端接地，运放U1的第2引脚分别与第五电阻R5的一端、第六电阻R6的一端连接，第五电阻R5的另一端接地，第六电阻R6的另一端与运放U1的第1引脚，运放U1的第1引脚与运放U1的第5引脚连接，运放U1的第6引脚分别于第七电阻R7的一端、第八电阻R8的一端连接，第七电阻R7的另一端接地，第八电阻R8的另一端与运放U1的第7引脚连接，运放U1的第7引脚与跟随器模块的输入端连接，运放U1的第8、4引脚分别与+16V、-16V电压连接。

由于在测试中后级放大器模块没有信号输出而在滤波器模块输出处有信号输出，因此本设计在滤波器和后级放大器模块中间设计了一个电压跟随器模块，可以有较大的能力驱动后级放大模块的其他负载。设计的跟随器电路图如图4所示：

所述跟随器模块采用型号为OPA690ID的运放U1，而OPA690ID对单位增益稳定有很大作用，电压反馈运放。电压跟随器起缓冲、隔离、提高带载能力的作用。共集电路的输入高阻抗，输出低阻抗的特性，使得它在电路中可以起到阻抗匹配的作用，能够使得后一级的放大电路更好的工作。

后级放大器模块输入为低通滤波器滤波后的胃电慢波信号，这时候信号中的噪声信号已经明显被滤波掉了。而后级放大器模块采用的是低飘逸高增益的OP07AH来构成放大电路。传感器的微弱信号等方面。后级放大器模块如图5所示：

在图中，R₁₂是匹配电阻，为了保证前后级之间的阻抗匹配，R₁₂必须满足下式：

R₁₂＝R₁₄//R₁₅

电阻R₁₃是一个电位器，可以通过对R₁₃的调节来对放大电路的输出电压进行调节。而后级放大器模块的增益由R₁₄和R₁₅共同决定，并且用下面的式子来表示：

$G_3=1+\frac{R_{15}}{R_{14}}$

如图所示，R₁₅＝2kΩ，R₁₄＝100Ω，因此后级放大器模块的增益为21。

后级放大器模块具体电路连接为：所述后级放大器模块包括电位器R13、运放U1以及若干电阻，运放U1的同相输入端与第十二电阻R12的一端连接，第十二电阻R12的另一端与跟随器模块的输出端连接，运放U1的反相输入端分别与电位器R13的一固定端、第十四电阻R14的一端、第十五电阻R15的一端连接，电位器R13的活动端、另一固定端均连接16V电压，第十四电阻R14的另一端接地，第十五电阻R15的另一端与运放U1的输出端连接。

参见图6，MP3信号处理：音乐信号处理比较简单，从输入接口直接通过运算放大器完成同相放大，选用通用集成运算放大器LM358芯片，2管脚为反向输入端，3管脚为同向输入端，1管脚为输出端，AP_M3L_GD为放大输出信号，音乐信号为MP3L_O_GD与电阻R4连接，连接输出管脚1和反向输入管脚2的反馈电阻选用了数字电位器ISL23711实现，它为双向供电，同时提供+5V和-5V电压，管脚1和管脚10为I2C通信管脚，分别与单片机连接，单片机通过I2C管脚实现对数字电位器阻值的控制。

单片机控制系统以意法半导体公司嵌入式芯片STM32F103VBT6为核心，对这个电路进行控制，具体完成功能如下：与液晶显示器实现通信，接受用户发送的指令，同时将实时数据发送给液晶显示；分别接受胃慢波信号和音乐信号，利用单片机内部自带A/D转换器将模拟信号转换成数字信号，再根据用户发送的指令实现胃慢波和音乐信号的叠加，生成复合信号以数字的方式输出。

参见图7，D/A转换器实现将数字化的复合信号转换为模拟信号，D/A转换器选用MAXIM公司的MX7224，这是一款8位D/A转换器：DB0-DB7为8位数字输入，连接到单片机的复合信号输出端；管脚2为模拟信号输出；采用双电源设计，18管脚连接到+5V，1管脚连接到-5V；3管脚为参考电压，连接到2.5V电压；15管脚做为读写控制端口连接到单片机。

参见图8，功率放大器实现对于输出的复合信号的功率放大，由于D/A转换器输出的信号范围在-5V到+5V之间，输出功率较小，作用于人体不能达到人体的感知电流阈值，需要进行功率提升，功率放大器将复合信号功率放大以后，通过体表电极反馈作用于胃窦，对胃部进行电刺激，达到治疗的效果。功率输出：复合信号最后一级需进行功率放大，采用功率放大器实现，选择功率放大芯片OPA445，这是一款高压集成运算放大器，采用双电源供电，7管脚连接+36V，4管脚连接-36V；2管脚为反相输入端，3管脚为同相输入端，6管脚为运放输出端；3管脚接受D/A输出的模拟信号，实现同相放大，6管脚输出放大后的复合信号；将此信号连接到电极片上，即可实现对人体的电刺激功能。

本发明利用体表电极提取的胃电信号作为载波信号与音乐信号相叠加，产生复合信号，该复合信号结合了音乐电和胃起搏的优势。本发明的装置通过体表电极的反馈进行自适应调整参数。

Claims (2)

1.一种用于产生驱动胃肠起搏系统的刺激电流的装置，其特征在于：包括体表电极、信号提取模块、音频放大器、单片机控制系统、液晶模块、D/A转换器和功率放大器，所述音频放大器用于将接收的音乐信号放大后传递给单片机控制系统，所述体表电极用于将提取胃慢波信号传递给信号提取模块，所述信号提取模块用于将体表电极提取的胃慢波信号进行放大、滤波处理后传递给单片机控制系统，所述单片机控制系统与液晶模块电连接，所述单片机控制系统用于接收液晶模块的命令，所述单片机控制系统分别接收经过放大处理后的音乐信号和胃电信号，经过A/D转换变成数字信号，单片机控制系统用于将胃电数字信号进行平滑滤波后，对平滑后的胃电数字信号波形进行波峰提取，以峰值点为中心截取实时音乐信号，再将截取的音乐数字信号幅值与胃电数字信号相叠加获得复合信号，输出数字复合信号给D/A转换器，同时单片机控制系统用于将实时信号输出给液晶模块进行显示，所述D/A转换器用于将接收的数字复合信号转换为模拟复合信号后输出给功率放大器，所述功率放大器用于将接收的模拟复合信号进行功率放大后输出到用于作用于人体的电极片。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述单片机控制系统采用型号为STM32F103VBT6的嵌入式芯片。