Design and implementation of microprocessor-controlled single channel functional electrical stimulator

Abstract

MİKROİŞLEMCİ KONTROLLÜ TEK KANALLI FONKSİYONEL ELEKTRİKSEL STİMÜLATÖRÜN TASARIM VE GERÇEKLEŞTİRİLMESİ ÖZET Fonksiyonel elektriksel stimülasyon (FES) normal fonksiyonlarını kaybetmiş felçli ekstremite ve organlara uyanlabilir dokuların elektriksel stimülasyonu ile eski fonksiyonelliklerini kazandırmaya yönelik geniş bir teknik olarak ifade edilebilir. Bu çalışmanın amacı mikroişlemci kontrollü, tek kanallı bir fonksiyonel elektriksel stimülatörün (FES) tasarımı ve yarıiletken devre elemanları ile gerçekleştirilmesidir. Bu amaca yönelik olarak PIC16C84 mikrokontroleri işlemci olarak seçilmiştir, çünkü mikrokontrolerlerin mikroişlemcilere göre taşıdıkları bazı üstünlükler vardır. Bunlar, sahip oldukları tümleşik yapı ve sınırlandırılmış komut sayılandır. Bu tümleşik yapıda işlemci, ROM, RAM ve arayüz aynı entegre içinde bulunmaktadır. Bu da tasarım ve programlama açısından etkinlik ve kolaylık sağlamaktadır. Devre tasarımında mikrokontroler ve entegre devre kullanımının sağladığı bazı avantajlar vardır. Bunlar daha küçük devre boyutları ve düşük güç tüketimidir. Genel olarak cihaz iki alt başlık altında incelenebilir. Sırasıyla, işaretlerin üretildiği ve kontrol edildiği dijital kısım ve bu işaretlerin kuvvetlendirilip sürüldükleri analog kısım. Üretilen sinyaller seçilebilir ve bunların parametreleri PIC16C84 vasıtası ile kontrol edilir. Tasarlanan donanıma yönelik olarak Assembly Programlama Dilinde yazılım programı geliştirilmiştir. Hasta izolasyonunu sağlamak ve sürülen işaretleri kuvvetlendirmek için de bir transformatör kullanılmıştır. Klinik uygulamalar sırasında, üretilen çok sayıda farklı terapik akım test edilmiş ve bu uygulamalar sırasında karbon elektrotlar kullanılmıştır. Uzun süreli klinik deneyler yapılamamış olmasma rağmen, elektriksel yeterlilik ve güvenlik açısından ilk izlenimler olumludur. Anahtar Kelimeler: FES, mikrokontroler, tasarım, Assembly Dili, elektrot.

IV DESIGN AND IMPLEMENTATION OF MICROPROCESSOR- CONTROLLED SINGLE CHANNEL FUNCTIONAL ELECTRICAL STIMULATOR ABSTRACT Functional electrical stimulation (FES) refers to a wide collection of techniques for restoring the lost functions of the paralysed limbs and organs by electrical stimulation of the excitable tissues. The aim of this study is to design a microprocessor controlled single channel functional electrical stimulator and to implement it with semiconductor circuit components. For this purpose, PIC16C84 microcontroller has been chosen as a processor tool, because microcontrollers have some superiorities upon microprocessors. These are integrated structure which includes processor, ROM, RAM and interface, and having restricted instruction number. This suggests efficiency and comfort in design and programming considerations. In hardware design, the usage of microcontroller and IC technology also provided some improvements. These are smaller circuit dimensions and low power consumption. In general, the device can be searched under two main sections. The first section which generates and controls the signals is digital one and the other which amplifies and drives them is analogue, respectively. The generated signals can be selected and parameters of them are controlled by PIC16C84. A software programme developed for the designed hardware in Assembly Language. A transformer is also used to amplify the driven signals and to handle patient isolation requirements. During the clinical applications, many different types of therapeutic signals were tested with carbonised electrodes. Although long-lasting clinical experiments couldn't be done, primary indications could be stated as positive from electrical capability and safety points of view. Keywords: FES, microcontroller, design, Assembly Language, electrode.