基于Android的超声刺激器的控制系统设计与实现

张荥娟，郑 政，吴永亮

（上海理工大学医疗器械与食品学院，上海 200093）

基于Android的超声刺激器的控制系统设计与实现

张荥娟，郑 政，吴永亮

（上海理工大学医疗器械与食品学院，上海 200093）

超声刺激器是研究神经调制的必备工具，然而目前大多数的超声刺激器的软件控制部分皆由PC端完成，设备体积大且无法满足操作人员远距离进行控制的需求。基于此，本文设计了一款基于Android平台的超声刺激器控制系统，系统软件部分通过手机蓝牙端口与刺激器通信，可将手机端输入的参数信息发送至刺激器的现场可编程门阵列（Field－Programmable Gate Array，FPGA）进行编译处理。通过该系统向刺激器发送参数进行实验，经刺激器处理后在示波器上观察脑刺激所需的刺激信号，结果表明此控制系统参数传输准确，控制有效。同时此设备体积小、携带方便，设计界面简单易懂，便于操作，扩大了研究人员的操控范围，因此具有一定的实用价值。

生物医学工程，超声刺激器；控制设备；Android；蓝牙；刺激信号

0 引言

在神经科学领域，神经刺激不仅可用于神经性疾病的治疗，还为脑功能研究提供了强有力的手段。目前常用的脑刺激方法有电刺激、经颅磁刺激等。电刺激有着更高的靶向性，但是需要手术植入长期刺激电极，价格昂贵[1-2]。经颅磁刺激不需要手术，但是空间分辨率较低[3]。低强度聚焦超声刺激方法相比于上述等方法具有空间分辨率高、无损伤的突出优势[4]，因此目前获得广泛研究。超声刺激器是研究此项技术的必备工具。多数超声刺激器的控制端均接于 PC端，这造成操作人员的检测活动范围受限，不能满足远距离控制的要求。

基于此，本文设计了一种基于 Android的超声刺激器的控制系统。该控制系统为超声刺激器的一个外接控制设备。使用时，通过手机端自带的蓝牙接口与刺激器进行通信交互，控制刺激器根据实际需求利用内置的FPGA发出复杂的超声脉冲序列，通过改变人脑的刺激强度，获得所需的脑刺激信号，以满足不同的检测要求。

本文设计的基于 Android的超声刺激器的控制系统解决了在脑刺激技术过程中，常规的 PC控制端难以移动而导致的操作人员参数输入不便，以及设备体积过大占用实验平台面积的问题。本控制系统可扩大操作人员活动范围，简化检测流程，缩小控制设备体积，因此具有一定的实用价值。

1 系统设计

脑神经刺激器由外接的控制系统和超声刺激器电路两部分组成，由控制系统设置参数并通过串口与刺激器连通后传递数据，控制刺激器发出适用于脑刺激的超声信号。超声刺激过程中，参数需要人为输入，这是由于对于不同的实验所需的脑刺激信号不同，操作人员需根据具体的实验要求选择性输入相应的参数。常规的超声刺激器控制系统参数皆由PC端输入[5]，但PC端参数混杂，操作不便，故为了达到输入参数方便且便于移动控制检测的目的，本文设计了如框图1所示的刺激器控制系统。

本控制系统的整体控制流程如图1虚线框图里的流程所示。操作时，首先将移动设备，比如手机，通过蓝牙模块与刺激器连接；进而，在移动设备上通过键盘人为输入产生刺激波所需的各项参数，之后将设定好的参数通过蓝牙发送给FPGA串口模块进行编译处理。最后刺激器将数据处理后的输出应用于超声换能器产生需要的神经刺激信号。

2 硬件部分连接与设计

目前，移动设备与FGPA之间的近距离传输协议众多，常用的有USB串口通信、蓝牙、WiFi等[6]。超声刺激器对数据传输速率要求不高，现有的数据传输方法中，蓝牙通信作为一种抗干扰能力强、成本低、功耗小的无线通信方式被广泛运用。蓝牙传输可扩大超声刺激器控制系统的活动范围，满足通讯要求且成本低廉，因此本控制系统选取蓝牙传输作为本控制系统与刺激器之间的通信方式。

刺激器的蓝牙串口模块位于FPGA控制板上。所使用的蓝牙型号为HC-05，是一款高性能的蓝牙串口模块，可用于与各种带蓝牙功能的电脑、蓝牙主机、手机等智能终端配对。此模块波特率范围广泛，可为 4800 bits/s-1382400 bits/s。蓝牙模块与FPGA通信电路接线方式如下图2所示，其中TX为信号发送端，RX为信号接收端，GND为地，供电VCC为3.3V电源。

图1 系统设计框图Fig.1 System design block diagram

使用时的操作步骤为：1. FPGA开发板上电，蓝牙模块指示灯进入快闪状态，进入自动连接工作模式。2. 手机开蓝牙，即可搜到蓝牙模块，进行连接。3. 若连接成功，蓝牙模块指示灯进入双闪状态，准备发送数据。

3 软件设计

本控制系统软件设计采用了 Google 在 2013年推出的专为Android 应用开发设计的集成开发环境 Android Studio，它提供了集成的 Android 开发工具以用于开发和调试。

本软件设计共分为3部分。第一为信号通信，即蓝牙连接部分，其负责手机端与超声刺激器串口模块进行交互；第二为参数设置部分，其负责各类超声刺激信号的选择与常规参数的填写，通过Android提供的RadioGroup和RadioButton[7]结合使用，实现模式选择、刺激方式和重复频率的切换；第三为数据传送部分，其负责参数的发送，控制着刺激器信号的传输与停止。

根据系统需求，本系统软件设计流程如图3所示。

图3 软件流程图Fig.3 Softw are flow chart

以下针对各个部分进行详细介绍。

3.1 蓝牙连接

蓝牙连接部分主要负责手机端与超声刺激器串口模块进行交互，因最终波形的产生皆由通过蓝牙发送给刺激器的数据决定，所以蓝牙连接模块是信号输出的实现基础。Android建立蓝牙连接的基本步骤如下[8]：程序利用 Android 提供的蓝牙相关 API完成蓝牙的打开、搜索；找到目标后，获得目标设备的MAC地址；通过Bluetoothsocket 类建立蓝牙套接字即与硬件部分蓝牙的连接点；向目标设备发送连接请求，第一次连接需要输入配对密钥，如若配对成功，则两端蓝牙自动进行连接。蓝牙连接流程图如图4所示。

3.2 参数输入

3.2.1 信号参数简介

参数设定决定着刺激器系统所输出的超声刺激信号，不同参数所产生的超声刺激信号也不同。在超声刺激系统研究中，单一波形的刺激无法满足实验研究的需要，因此需要产生多种刺激信号，也就需要不同的参数设定。刺激器支持连续刺激和脉冲刺激，前者是在刺激时长内输出连续超声波，后者则是刺激时长内输出一个猝发正弦脉冲串。与此同时，刺激器还支持窄脉冲输出模式，在必要的场合可用于超声生物测量以便于超声探头的定位。每种模式下输出既可以是单次的，也可以是重复的。由于刺激器通过匹配电路将矩形脉冲驱动转化成正弦波输出，因此超声强度控制可以通过改变超声周期内的驱动占空比实现。由此总结上述三种输出模式下的刺激信号及所需参数如图5所示。

3.2.2 参数分析

脑刺激信号的产生需要某些特定的参数控制，不同刺激信号所需的参数不同。总结所得，常用刺激信号所需参数为超声中心频率、声强、脉冲重复频率、刺激时长、刺激时间间隔、脉冲中的正弦个数、脉冲个数等 7个参数[9]，分别以 Ft、I，PRF、SD、SI、cpp、np表示。

研究表明，神经调制需要刺激器能适应频率从数百kHz到数MHz的换能器；超声强度需满足0.01到 79.02 W/cm2，并且 PRF从 0到数千赫兹，SD从数百毫秒到几分钟，PD从数十微秒到数百微秒，SI通常为若干秒，cpp和 np通常为数个到数千个数值[5,9]。因此本文设计的超声刺激器控制软件各参数范围如下：

Ft=100 KHz~2 MHz，I=0.7~26 W/cm2，PRF=10 Hz~2 KHz，SD=0.05 s~1 s，

cpp=0~5000个，np=0~2000个，Interval(SI)= 0.5 s~10 s

图4 蓝牙连接流程图Fig.4 Bluetooth connection flow chart

图5 刺激信号相应参数Fig.5 The corresponding parameters of the stimulus signal

3.3 数据发送

由于FPGA的时钟频率为50MHz，刺激波形的单个脉冲是根据时钟频率转换而来，再根据各项参数的调节范围，可得二进制转换关系公式和参数相应的位数如表1所示。

表1 参数转换Tab.1 Parameter conversion

此外，还需要输出开关、模式选择、连续或脉冲刺激选择、单次或重复刺激选择4个表示工作状态和模式的数据位。

ON_OFF（输出开关：输出关=0输出开=1，）；

F_mode（模式选择：刺激=0定位=1，）；

S_mode（连续或脉冲刺激选择：连续=0，脉冲=1，）

T_mode（单次或重复刺激选择：重复=0单次=1，）。

据此，对所有参数转换后的二进制位数求总和，可得共需传送145位数据，且这些数据已经能完全表示刺激器全部参数和状态。为了降低刺激器内置FPGA解码的复杂性，改变任何一个刺激参数，控制器软件都会重新下传所有控制位。

4 实验

4.1 系统界面

控制系统设计完成后，其系统界面如图6所示，图 6(a)所示界面主要功能为蓝牙型号的选择和连接，测试过程中选择与刺激器内置蓝牙模块型号一致的名称，就可以与刺激器建立通信联系，本系统设置多个蓝牙名称为方便调试之用。图 6(b)所示界面主要完成参数数据的设置与发送，根据刺激信号需求选择相应刺激方式、超声发射类型及设置相应的参数等，设置完毕后就可发送给刺激器译码。此外如图 6(c)所示，对于不合理的参数输入软件具有警告提示功能，提高了使用的安全性和准确性。

依据常规脑刺激实验经验，本系统的默认参数设置为：刺激、连续、重复，Ft=500 KHz，I=20 W/cm2，SD=0.1 s，interval=5 s。

控制系统基于 Android平台设计，整体体积相较于 PC控制端缩小了数倍，便于设备的移动和携带，且参数设置键较少，操作简单，并提供了错误警告功能，降低了出错率，对以后超声刺激的研究具有巨大的实用价值。

图6 控制系统界面Fig.6 Con trol system interface

4.2 刺激信号获取

为了验证控制系统的有效性，设计了超声脑刺激信号的实验，分别获取刺激模式下连续波、刺激模式下脉冲波、定位模式三种刺激信号。将手机软件和刺激器通过蓝牙进行通信，设置相应参数，当参数设置完毕且确定无误后，将数据发送给刺激器，硬件FPGA会根据接收到的参数产生对应的刺激信号。

三种不同的超声刺激信号参数设置如下：

1. 刺激模式-连续波参数设置：Ft=500 KHz，I=20 W/cm2，SD=0.25 s，单次刺激。

2. 刺激模式-脉冲波参数设置：Ft=500 KHz，I=20 W/cm2，PRF=2000 Hz，cpp=100 个，np=200个，单次刺激。

3. 定位模式参数设置：Ft=500KHz，I=20 W/cm2，PRF=2000 Hz。

为了便于观察输出的刺激信号，在输出端接一台500 MHz的示波器以便显示，三种实际超声刺激信号如下图7所示。

图7 实际刺激信号超声波Fig.7 Actual stimulus signal for ultrasound

由此可以得出结论，本控制系统发射的参数信息完整有效，且准确的生成了相应的脑刺激超声信号。实验过程中，为了验证控制系统蓝牙传输的有效范围，使控制设备逐渐远离刺激器，观察传输情况，测试得出在刺激器周围20平米内，数据传输稳定，蓝牙连接有效，这极大的增加了控制系统的活动范围。

5 结论

本文设计并实现了基于 Android平台的超声脑刺激器的控制系统，其控制界面的参数根据所需超声刺激信号来设计，参数简单易懂，其命名和意义和多数文献所用的保持一致，且系统参数设置键较少，操作简单，可以有效节约时间，提高操作效率。同时，控制系统整体体积小，携带方便，通过蓝牙与刺激器无线通信，扩大了控制设备移动范围，因此控制设备可以放置在任何方便的位置，几乎不占用实验平台面积。实验证实应用此控制系统控制超声刺激器，实现了超声脑刺激信号的设定与获取。

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Design and Implementation of the Control System for Ultrasonic Stimulator Based on Android

ZHANG Ying-juan, ZHENG Zheng, WU Yong-liang
(School of Medical Instrument and Food Engineering, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093, China)

The ultrasonic stimulator is a necessary tool for the study of neural modulation. However, most of the software control parts of the ultrasonic stimulator are completed by PC at present, and the equipment is large and cannot meet operators’ needs of remote control. For that, an ultrasonic stimulator control system based on the Android platform was designed. The software section of this system could be communicated to the stimulator through the mobile phone Bluetooth port. The information input from the mobile terminal could be sent from the section to the field-programmable gate array (FPGA) of the stimulator to compile and process. An experiment was conducted that parameters were sent to the stimulator through the system and processed with the stimulator. Then the stimulation signal needed by brain stimulation was observed on the oscilloscope. The results have shown the accurate transmission of parameters and effective control of the system. Meanwhile, the device, with small size and simple design interface, is easy to carry and operate. It also expand the operating range of researchers. Thus the device is of practical value to a certain extent.

Ultrasonic stimulator; Control equipment; Android; Bluetooth; FPGA; Stimulus signal

R318.04

A

10.3969/j.issn.1003-6970.2017.11.028

本文著录格式：张荥娟，郑政，吴永亮. 基于Android的超声刺激器的控制系统设计与实现[J]. 软件，2017，38（11）：142-146

张荥娟(1992-），女，硕士研究生，研究方向：医学超声；郑政(1961-），男，博士，研究员，研究生导师，研究方向：超声影像、超声神经调制、神经生物学；吴永亮(1994-），男，硕士研究生，研究方向：医学超声。