假肢手多通道电触觉系统设计与开发

作     者：王瀚 

作者单位：上海交通大学 

学位级别：硕士

导师姓名：丁汉

授予年度：2021年

学科分类：1004[医学-公共卫生与预防医学(可授医学、理学学位)] 10[医学] 

主      题：假肢手 感知功能重建 多通道小型电刺激器 电触觉编码 

摘      要：缺少感知反馈是神经假肢手弃用率高的主要原因之一,电触觉反馈由于刺激参数解耦、电极排布灵活等优点在感知反馈领域中具有广泛的应用。电触觉反馈可以实现人机闭环控制,提升假肢手的控制性能,增强对假肢手的拥属感并降低弃用率。然而,迄今为止,还没有商用假肢手可以为截肢者提供有效的电触觉反馈来完成控制闭环。除了电触觉反馈策略外,缺乏小型电刺激器也是目前电触觉反馈走向应用的重要障碍之一。本论文聚焦于假肢手的多通道小型电触觉刺激器的设计开发与电触觉反馈研究。首先,设计了两版多通道小型电触觉刺激器。两版电刺激器均采用电池供电,具有较小的体积,可以集成进假肢手的接受腔中;均可以输出多通道、参数可调的刺激,从而提供长期、丰富的电触觉反馈。Stimulator MO电刺激器基于MOSFET和运算放大器构成的电流源设计,具有6通道同时输出的能力,最大输出电流为±10 m A@±80 V,电流输出误差低于0.075 m A,4通道同时输出时功耗仅为500m W左右。Stimulator IH电刺激器基于改进荷兰泵电流源设计,具有8通道同时输出能力,最大输出电流为±10 m A@±87 V,虽然功耗较高,但体积更小,输出波形的动态性能较好,且具有实时电压电流监测以及低功耗蓝牙通信的功能。其次,针对电触觉反馈系统,设计了综合性的软件平台。软件系统由刺激控制程序,传感器数据采集程序、蓝牙通信程序以及上位机用户界面四部分构成,可以实现电刺激器多通道输出控制、传感器数据采集分析以及反馈策略设置等多种功能。针对不同硬件平台之间的通信问题,设计了多种数据的编码规范以及基于CAN的通讯协议和基于低功耗蓝牙的通讯协议。针对皮肤阻抗变化导致的刺激感知强度波动的问题,设计了皮肤阻抗测量系统并实现了相应的恒定刺激强度控制器。基于Stimulator IH电刺激器设计了电刺激系统的皮肤阻抗测量方案,可以实现在刺激的同时进行连续阻抗测量,并利用定值电阻验证了测量的准确性。基于文献研究实现了变阻抗恒定刺激强度控制器,并通过电位器模拟实验以及皮肤电极剥落实验,验证了所设计的控制器可以在阻抗变化时,动态调整刺激参数从而维持感知的刺激强度相对恒定。最后,针对多通道电触觉刺激器的集成应用,搭建了假肢手闭环反馈系统。利用压力传感器和角度传感器搭建了假肢手传感系统,并设计了相应的传感器模拟前端电路来对传感器信号进行采集和处理。设计了多传感信息的同步反馈策略,并分别通过脆弱物体抓取实验以及多尺寸,多柔软度的物体辨识实验,综合验证了所搭建的假肢手闭环反馈系统以及电触觉反馈策略的可行性和有效性。