本研究開發了一種用于大鼠運動訓練的實驗跑臺。由6個跑道組成, 其中2個常規平面跑道, 2個左右擺動跑道, 2個前后擺動跑道, 每個跑道的后端均安裝有電刺激裝置。通過6臺交流調速電機為跑道提供動力, 采用MSP430F149作為控制核心以調節跑道的擺動頻率和電刺激強度, 采用IAR for MSP430設計系統軟件; 實現了平面跑道速度在0～30 m/min范圍內獨立可調, 前后擺動跑道的擺動頻率為3～25次/min, 左右擺動跑道的擺動頻率為3～32次/min, 每個跑道具有強、中、弱三檔電擊強度。該數字化大鼠綜合訓練跑臺可實現大鼠不同跑步訓練的要求, 可為人類疾病的治療機制研究提供相關實驗數據。
引用本文： 徐秀林, 馬關坡, 趙俊, 胡秀枋. 數字化大鼠綜合訓練跑臺控制系統設計與測試. 生物醫學工程學雜志, 2015, 32(6): 1233-1238. doi: 10.7507/1001-5515.20150219 復制
0 引言
運動訓練能夠影響人體神經系統、骨骼、肌肉等組織和器官，然而其影響機制尚未得到完全闡明[1-3]，并且需要探尋最合理的訓練方式來指導臨床應用。人體試驗有方法學和倫理方面的限制，故通常采用動物實驗進行研究。由于大鼠與人類基因相似[4-5]，其在醫學實驗領域具有重要的替代作用，利用大鼠模擬人體狀態進行運動訓練實驗，以觀察訓練效果，探究合理的訓練手段，可為人類疾病治療技術的發展奠定良好的基礎。
然而，目前市場上的多跑道實驗動物跑臺，利用一個透明的塑料蓋將跑臺劃分成若干通道，跑道彼此之間不能獨立調節速度，只能進行單一的運動功能訓練[4]。如Robomedica公司生產的Rodent Robot3000減重療法的動物實驗裝置[5]、姜軍慶等[6]研制的多功能減重訓練跑臺，以及屠文展等[7]設計的大鼠水中跑臺，其側重點均在于設計減重狀態下大鼠運動訓練的裝置，卻不能將平衡-運動功能訓練集于一體。
因此，本研究開發了一臺數字大鼠綜合訓練跑臺，跑臺樣機如圖 1所示，用于大鼠實驗中的運動功能和平衡功能訓練。該跑臺分為6個彼此獨立的跑道，可以分別調節跑步速度以滿足不同實驗組的需要，6個跑道均能實現大鼠水平面內的跑步運動，其中2、5兩個跑道可以前后擺動以訓練大鼠的前后平衡功能，3、4跑道可以左右擺動以訓練大鼠的左右平衡功能，即該跑臺被設計為實現平衡-運動功能的一體化訓練。
圖1
數字大鼠綜合訓練跑臺
1、6：常規平面跑道；2、5：前后擺動跑道；3、4左右擺動跑道
Figure1. Digital comprehensive rehabilitation training treadmill for rats1, 6: conventional plane tracks; 2, 5: swinging back and forth tracks; 3, 4: swinging right and left tracks
1 控制系統設計
1.1 性能指標
為滿足大鼠訓練中靜態平衡-運動功能一體化訓練的要求，控制系統所要完成的性能指標如下：
(1) 6個跑道由6臺電動機分別提供動力，彼此獨立，各跑道速度分別可調。
(2) 根據不同的運動訓練量要求，跑道的速度在0~30 m/min范圍內無級可調。
(3) 為實現前后平衡功能訓練，2、5跑道可以分別前后擺動，擺動幅度為±15°，擺動頻率為3~25次/min分級可調。
(4) 為實現左右平衡功能訓練，3、4跑道可以左右擺動，擺動幅度為±10°，擺動頻率為3~32次/min分級可調。
(5) 為實現對不肯跑步的大鼠給予最合適的電刺激，電擊強度分強、中、弱三級可調。
(6) 為觀察每個跑道的工作狀態，控制系統設計有人機接口界面以觀察跑道速度、電擊強度、擺動頻率等參數。
1.2 控制系統總體結構設計
跑臺控制系統主要包括跑道速度、擺動頻率、電擊強度、顯示界面的控制。
為實現跑道速度的無級調節，采用交流電機調速器配以交流調速電機。跑道擺動頻率的調節采用微控制器配以驅動電路，當設定好擺動頻率后微控制器產生脈沖寬度調制(pulse width modulation, PWM)波加到步進電機驅動器，驅動步進電機轉動，測速模塊所測得的模擬信號經微控制器處理后自動調節PWM波的占空比，以使實際擺動頻率與設定擺動頻率相等，引入反饋以實現閉環調節機制，可以更精確地控制擺動的頻率；采用電感式接近傳感器以使跑道擺動停止后停在水平位置，當跑道轉軸接近傳感器時，傳感器發出信號給微控制器，微控制器對這一信號作出響應停止PWM波的產生。當設定好電擊強度后，微控制器根據所選擇的電擊強度自動調節。人機接口界面采用無紙記錄儀，該記錄儀同時具有采樣和顯示的功能，并可以設定每個通道輸入模擬量的范圍及其所對應的數字量以符合本系統的應用。控制系統總體結構框圖如圖 2所示。
圖2
控制系統總體框圖
Figure2.
Block diagram of the control system
2 關鍵參數的實現
2.1 跑道速度調節
6個跑道均采用松崗51K60RGN-CF交流調速電機作為動力源，采用交流調速器調節電機兩端的供給電壓，從而調節跑道的速度。交流調速器主要由電位器R、電容C、晶閘管等組成。
電容兩端任意時刻t的電壓Vt為：
| $ {{V}_{t}}=U*\left\lfloor 1-{{e}^{\left(-t/R*C \right)}} \right\rfloor $ |
可得：
| $ t=R*C*\ln \left[U/\left(U-{{V}_{t}} \right) \right] $ |
當電容兩端的電壓Vt達到晶閘管的導通電壓后，晶閘管將會導通，改變電位器R的值將會改變電容兩端的電壓達到晶閘管導通電壓所需的時間，從而改變晶閘管的導通角θ，負載所獲得的有效電壓U1與晶閘管兩端的電壓有效值U2以及晶閘管的導通角θ之間的關系為：
| $ {{U}_{1}}=0.9*{{U}_{2}}*\left[1+\cos \left(180-\theta \right) \right]/2 $ |
當交流調速電機所獲得的電壓在一定范圍內減小時其轉速將會降低，所獲得的電壓在一定范圍內增加時其轉速將會升高，從而達到無級調速的目的，并可以實現調速范圍為0~30 m/min。
2.2 擺動頻率調節
為能夠在不同的擺動頻率下對大鼠平衡功能進行訓練，要調節2、5跑道前后擺動及3、4跑道左右擺動的頻率。擺動頻率的調節以微控制器為核心配以步進電機提供動力，并輔以電感式傳感器以使跑道停止后停留在水平位置。系統實現的擺動頻率范圍為：前后方向3~25次/min，左右方向3~32次/min。
2.2.1 動力的選擇及控制
跑道擺動動力選擇86STA118-6008A型步進電機，它可以實現數字化控制，其將脈沖轉變成角位移，即給一個脈沖信號，步進電機就轉動一個步距角，故步進電機在額定負載下轉速只受所給脈沖的頻率影響[8]，且轉速易于精確控制以滿足對擺動頻率精確調節的需求。該步進電機是8線步進電機，采用兩相四線四拍整步運行機制，其步距角為：
| $ \theta=360/\left(50*4 \right)={{1.8}^{\circ }} $ |
步進電機線圈采用四線A+、A-、B+、B-接法，則步進電機驅動順序如表 1所示。
表1
步進電機驅動順序
Table1.
Drive sequence of step motor
重復以1、2、3、4拍的脈沖順序給步進電機以勵磁激勵，步進電機將會持續轉動，改變所加脈沖的頻率將會改變步進電機轉動的速度，從而能夠實現2、5跑道擺動頻率3~25次/min分級可調，3、4跑道擺動頻率3~32次/min分級可調，以滿足大鼠平衡功能訓練的需求。
2.2.2 跑道停在水平位置控制
平衡訓練結束后，擺動中的跑道需要停留在平衡位置以進入下一個訓練模式，需經電感式接近傳感器檢測的器件。接近式傳感器由振蕩器、檢波電路、放大電路、整形電路及輸出電路組成，如圖 3所示。
圖3
電感行接近傳感器工作原理框圖
Figure3.
Block diagram of inductive proximity sensors
平衡訓練結束后，當微控制器內置的ADC模塊檢測到Uout信號時，對這一信號作出處理，在合適的時間停止PWM的產生，以達到使跑道停在水平位置的目的。
2.2.3 微控制器及軟件設計
微控制器選用MSP430F149，它是一款由美國德州儀器生產的芯片，具有豐富的外設，是Flash型16Bit處理器，在1.8~3.6 V的電壓下都可以正常工作，內置了12位A/D模塊, 2個Timer模塊，數十個可以設置方向的I/O端口，能很好地滿足該控制系統的要求[9]。擺動頻率調節軟件編程采用IAR Embedded Workbench Evaluation for MSP430集成開發環境，該軟件程序的工作流程如圖 4所示。
圖4
軟件程序工作流程圖
Figure4.
Flowchart of software program
當進行平衡功能訓練時，通過人機接口界面設定擺動頻率，微控制器調整PWM波的頻率以調節步進電機的轉速，測速反饋模塊將所測得的模擬量傳送給微控制器ADC模塊，微控制器將實際擺動頻率和設定的擺動頻率進行比較，如果不一致則繼續調整PWM波的頻率直至一致；當停止跑道擺動之后，微控制器ADC模塊讀取電感式接近傳感器傳送來的信號, 用以判斷何時停止PWM波, 使擺動停止時跑道停在水平位置, 同時2、3、4、5跑道既能進行平衡功能訓練，也能進行水平運動功能訓練。
微控制器調整PWM波頻率的關鍵代碼如下：void ChangePwmFrequency()
{
if(!PwmInit)
{
P1DIR |=0x02;//???? P1.1 output
P1SEL |=0x02; //???? P1.1 option select
CCTL0=OUTMOD_4; // CCR0 toggle mode，用于產生方波
CCR0=0x00;
TACTL=TASSEL_2 + MC_1; // SMCLK, upmode
PwmInit=0x01;
}
while(ActualSpeed!=SetSpeed)
{
if(ActualSpeed＞SetSpeed) //實際速度大于設定速度
CCR0--; //減小PWM頻率以降低轉速
else if(ActualSpeed＜SetSpeed) //實際速度小于設定速度
CCR0++; //增加PWM頻率以增加轉速
else
CCR0=CCR0;
} //如果實際速度和設定速度不相等，則執行While循環以調節速度
return;
}
2.3 電刺激強度調節
每個跑道的后端設計有電刺激裝置，當實驗鼠拒絕跑步或者跑步速度低于實驗要求時，就會在傳送帶上退行而觸碰到后壁的電刺激裝置，較強的電刺激將迫使實驗鼠按照跑道的速度跑步，但是過多的刺激會引起其生理上的變化[3]，因此應當給予實驗鼠盡量少的刺激，故需要調節電刺激的強度。
本設計用高壓脈沖器產生放電電擊現象，通過微控制器MSP430F149配以外圍驅動電路來控制一個周期內高電平和低電平的時間，以控制高壓脈沖器的導通和斷開的時間。
高壓脈沖器導通時的電壓為U，一個周期的時間為T，高電平時間為t，則高壓脈沖器在一個周期內的有效電壓為U1，則
| $ {{U}_{1}}=U*\sqrt{\frac{t}{T}} $ |
當保持波形周期T不變的情況下，通過改變高電平的時間t，以改變高壓脈沖器作用在實驗鼠身上的電壓有效值，以使電刺激強度分為強、中、弱三級，分別對應電壓值110、155、190 V。
電刺激強度調節關鍵代碼如下：
void PwmSpace(unsigned int val)
{
????if(!PwmSpaceInit)
????{
????????P4SEL |=BIT1; ????// P4.1 option select
????????P4DIR |=BIT1; ????// P4.1 output
????????TBCCTL0 |=OUTMOD_3; ????// TBCCR1 set/reset mode, 用于調節輸出波形的占空比
????????TBCCR1=0; //初始化時占空比為0
????????TBCCR0=1000; //計數周期設定為1000
????????TBCTL=TASSEL_2 + MC_1; ????// SMCLK, upmode
P????????wmInit=0x01;
}
switch(val) //根據電刺激的等級調節PWM占空比，以調節電刺激的強度
{
???????? case 0x01:
????????????TBCCR1=250; //PWM波占空比為25%
????????????break;
????????case 0x02:
????????????TBCCR1=500; //PWM波占空比為50%
????????????break;
???????? case 0x03:
????????????TBCCR1=750; //PWM波的占空比為75%
????????????break;
????????default:
????????????TBCCR1=TBCCR1;
????????}
}
2.4 顯示界面設計
顯示界面采用ABGL8000無紙記錄儀，該無紙記錄儀可以采集模擬信號并轉換成數字信號進行顯示，本設計選用無紙記錄儀的1~16通道，1~6通道分別顯示每一個跑道的速度；7~10通道顯示2、3、4、5跑道的擺動頻率；11~16通道顯示每一個跑道電擊強度的等級。該無紙記錄儀的工作流程如圖 5所示。
圖5
無紙記錄儀工作流程
Figure5.
Workflow of paperless recoder
該人機接口界面能夠實時顯示跑道的速度、電刺激強度、擺動的頻率以方便實驗人員的觀察記錄。
3 系統可靠性測試
測試對象選擇健康大鼠3只，無疾病史，測試時測試環境明亮、通風，基本視為無環境影響因素，因6個水平跑道速度的控制原理相同，2、5跑道前后擺動控制原理相同，3、4跑道左右擺動控制原理相同，故選取1跑道進行大鼠運動訓練水平速度測試，數據如表 2所示，選取2跑道進行大鼠運動訓練前后擺動次數測試，數據如表 3所示，選取3跑道進行大鼠運動訓練左右擺動次數測試，數據如表 4所示。大鼠分別進行水平速度測試、前后擺動測試、左右擺動測試，每一設定參數下均測試10 min，以確保實驗的穩定性。三只大鼠均安全完成測試。
表2
1跑道水平速度測試數據
Table2.
Tested data of horizontal speed of first track
表3
2跑道前后擺動次數測試數據(次/min)
Table3.
Tested data of swinging back and forth of second track (time/min)
表4
3跑道左右擺動次數測試數據(次/min)
Table4.
Tested data of swinging right and left of third track (time/min)
將實驗數據導入SPSS數據統計分析軟件，得到跑道水平速度設定值和大鼠跑步速度的組內相關系數(ICC值)為0.999，同樣獲得前后搖擺跑道大鼠擺動次數組內相關系數為0.999，左右搖擺跑道大鼠擺動次數組內相關系數為0.999。以上數據組內相關系數均大于0.9，說明該系統具有很好的可靠性，能夠完成大鼠不同強度運動功能訓練、前后平衡功能訓練和左右平衡功能訓練。實驗過程中大鼠因懶惰而尾部觸碰到跑道后部電刺激裝置，電刺激作用于大鼠促使大鼠脫離電刺激裝置，從而使大鼠能夠順利完成實驗。
4 討論與展望
本研究的數字化大鼠綜合訓練跑臺實現了大鼠平面跑步、跑道前后擺動時跑步、跑道左右擺動時跑步等多種模式的訓練，跑步速度獨立可調，前后擺動跑道和左右擺動跑道的擺動頻率可調，且每個跑道具有強、中、弱三檔電擊強度的電刺激功能，該數字化大鼠綜合訓練跑臺可根據不同需求設定相應參數，實現大鼠不同跑步訓練的要求。
在康復醫學領域的研究中，腦卒中患者在術后常常伴有平衡功能、運動功能障礙，而這些功能障礙可以通過后期運動訓練進行康復。然而如何制定科學、合理的運動康復訓練方案是康復醫學工作者普遍關注的問題。利用大鼠進行跑步運動訓練是一種強化的非主動性運動方式，是國際上眾多研究者所認可的用于人類康復機制研究的方法[10]。曾貴剛等[11]將大鼠局灶性腦缺血(middle cerebral artery occlusion, MACO)模型用跑臺進行運動訓練，發現腦卒中后運動療法可使得正常中樞神經系統發生明顯的可塑性改變，增加腦損傷大鼠完整半球運動皮質的可塑性變化，加速大鼠腦卒中模型的康復速度和程度。何曼[12]對大鼠MACO模型用跑臺進行運動訓練研究發現，運動訓練能降低腦梗死概率。van der Borght等[13]研究發現運動訓練能促進小腦、紋狀體、海馬和皮質的血管再生，同時運動療法也上調了環磷腺苷效應元件結合蛋白(cAMP response element binding protein, CREB)等因子的表達，而這些因子和神經突觸可塑性密切相關[14]。因此，大鼠運動功能的研究可為人類腦卒中等神經系統疾病導致的運動-平衡功能障礙康復機制的研究提供相關實驗數據，有待于進一步深入探討。
此外，本研究的大鼠訓練跑臺控制系統的設計中，對跑道的速度及跑道的左右和前后擺動尚未設定定時停止功能模塊，該項功能的完善將有利于減少實驗人員人為控制訓練時間所帶來的誤差，同時有利于提高系統的綜合數據分析能力，使該實驗結果更為科學，該項功能將有待于進一步完善。
0 引言
運動訓練能夠影響人體神經系統、骨骼、肌肉等組織和器官，然而其影響機制尚未得到完全闡明[1-3]，并且需要探尋最合理的訓練方式來指導臨床應用。人體試驗有方法學和倫理方面的限制，故通常采用動物實驗進行研究。由于大鼠與人類基因相似[4-5]，其在醫學實驗領域具有重要的替代作用，利用大鼠模擬人體狀態進行運動訓練實驗，以觀察訓練效果，探究合理的訓練手段，可為人類疾病治療技術的發展奠定良好的基礎。
然而，目前市場上的多跑道實驗動物跑臺，利用一個透明的塑料蓋將跑臺劃分成若干通道，跑道彼此之間不能獨立調節速度，只能進行單一的運動功能訓練[4]。如Robomedica公司生產的Rodent Robot3000減重療法的動物實驗裝置[5]、姜軍慶等[6]研制的多功能減重訓練跑臺，以及屠文展等[7]設計的大鼠水中跑臺，其側重點均在于設計減重狀態下大鼠運動訓練的裝置，卻不能將平衡-運動功能訓練集于一體。
因此，本研究開發了一臺數字大鼠綜合訓練跑臺，跑臺樣機如圖 1所示，用于大鼠實驗中的運動功能和平衡功能訓練。該跑臺分為6個彼此獨立的跑道，可以分別調節跑步速度以滿足不同實驗組的需要，6個跑道均能實現大鼠水平面內的跑步運動，其中2、5兩個跑道可以前后擺動以訓練大鼠的前后平衡功能，3、4跑道可以左右擺動以訓練大鼠的左右平衡功能，即該跑臺被設計為實現平衡-運動功能的一體化訓練。
圖1
數字大鼠綜合訓練跑臺
1、6：常規平面跑道；2、5：前后擺動跑道；3、4左右擺動跑道
Figure1. Digital comprehensive rehabilitation training treadmill for rats1, 6: conventional plane tracks; 2, 5: swinging back and forth tracks; 3, 4: swinging right and left tracks
1 控制系統設計
1.1 性能指標
為滿足大鼠訓練中靜態平衡-運動功能一體化訓練的要求，控制系統所要完成的性能指標如下：
(1) 6個跑道由6臺電動機分別提供動力，彼此獨立，各跑道速度分別可調。
(2) 根據不同的運動訓練量要求，跑道的速度在0~30 m/min范圍內無級可調。
(3) 為實現前后平衡功能訓練，2、5跑道可以分別前后擺動，擺動幅度為±15°，擺動頻率為3~25次/min分級可調。
(4) 為實現左右平衡功能訓練，3、4跑道可以左右擺動，擺動幅度為±10°，擺動頻率為3~32次/min分級可調。
(5) 為實現對不肯跑步的大鼠給予最合適的電刺激，電擊強度分強、中、弱三級可調。
(6) 為觀察每個跑道的工作狀態，控制系統設計有人機接口界面以觀察跑道速度、電擊強度、擺動頻率等參數。
1.2 控制系統總體結構設計
跑臺控制系統主要包括跑道速度、擺動頻率、電擊強度、顯示界面的控制。
為實現跑道速度的無級調節，采用交流電機調速器配以交流調速電機。跑道擺動頻率的調節采用微控制器配以驅動電路，當設定好擺動頻率后微控制器產生脈沖寬度調制(pulse width modulation, PWM)波加到步進電機驅動器，驅動步進電機轉動，測速模塊所測得的模擬信號經微控制器處理后自動調節PWM波的占空比，以使實際擺動頻率與設定擺動頻率相等，引入反饋以實現閉環調節機制，可以更精確地控制擺動的頻率；采用電感式接近傳感器以使跑道擺動停止后停在水平位置，當跑道轉軸接近傳感器時，傳感器發出信號給微控制器，微控制器對這一信號作出響應停止PWM波的產生。當設定好電擊強度后，微控制器根據所選擇的電擊強度自動調節。人機接口界面采用無紙記錄儀，該記錄儀同時具有采樣和顯示的功能，并可以設定每個通道輸入模擬量的范圍及其所對應的數字量以符合本系統的應用。控制系統總體結構框圖如圖 2所示。
圖2
控制系統總體框圖
Figure2.
Block diagram of the control system
2 關鍵參數的實現
2.1 跑道速度調節
6個跑道均采用松崗51K60RGN-CF交流調速電機作為動力源，采用交流調速器調節電機兩端的供給電壓，從而調節跑道的速度。交流調速器主要由電位器R、電容C、晶閘管等組成。
電容兩端任意時刻t的電壓Vt為：
| $ {{V}_{t}}=U*\left\lfloor 1-{{e}^{\left(-t/R*C \right)}} \right\rfloor $ |
可得：
| $ t=R*C*\ln \left[U/\left(U-{{V}_{t}} \right) \right] $ |
當電容兩端的電壓Vt達到晶閘管的導通電壓后，晶閘管將會導通，改變電位器R的值將會改變電容兩端的電壓達到晶閘管導通電壓所需的時間，從而改變晶閘管的導通角θ，負載所獲得的有效電壓U1與晶閘管兩端的電壓有效值U2以及晶閘管的導通角θ之間的關系為：
| $ {{U}_{1}}=0.9*{{U}_{2}}*\left[1+\cos \left(180-\theta \right) \right]/2 $ |
當交流調速電機所獲得的電壓在一定范圍內減小時其轉速將會降低，所獲得的電壓在一定范圍內增加時其轉速將會升高，從而達到無級調速的目的，并可以實現調速范圍為0~30 m/min。
2.2 擺動頻率調節
為能夠在不同的擺動頻率下對大鼠平衡功能進行訓練，要調節2、5跑道前后擺動及3、4跑道左右擺動的頻率。擺動頻率的調節以微控制器為核心配以步進電機提供動力，并輔以電感式傳感器以使跑道停止后停留在水平位置。系統實現的擺動頻率范圍為：前后方向3~25次/min，左右方向3~32次/min。
2.2.1 動力的選擇及控制
跑道擺動動力選擇86STA118-6008A型步進電機，它可以實現數字化控制，其將脈沖轉變成角位移，即給一個脈沖信號，步進電機就轉動一個步距角，故步進電機在額定負載下轉速只受所給脈沖的頻率影響[8]，且轉速易于精確控制以滿足對擺動頻率精確調節的需求。該步進電機是8線步進電機，采用兩相四線四拍整步運行機制，其步距角為：
| $ \theta=360/\left(50*4 \right)={{1.8}^{\circ }} $ |
步進電機線圈采用四線A+、A-、B+、B-接法，則步進電機驅動順序如表 1所示。
表1
步進電機驅動順序
Table1.
Drive sequence of step motor
重復以1、2、3、4拍的脈沖順序給步進電機以勵磁激勵，步進電機將會持續轉動，改變所加脈沖的頻率將會改變步進電機轉動的速度，從而能夠實現2、5跑道擺動頻率3~25次/min分級可調，3、4跑道擺動頻率3~32次/min分級可調，以滿足大鼠平衡功能訓練的需求。
2.2.2 跑道停在水平位置控制
平衡訓練結束后，擺動中的跑道需要停留在平衡位置以進入下一個訓練模式，需經電感式接近傳感器檢測的器件。接近式傳感器由振蕩器、檢波電路、放大電路、整形電路及輸出電路組成，如圖 3所示。
圖3
電感行接近傳感器工作原理框圖
Figure3.
Block diagram of inductive proximity sensors
平衡訓練結束后，當微控制器內置的ADC模塊檢測到Uout信號時，對這一信號作出處理，在合適的時間停止PWM的產生，以達到使跑道停在水平位置的目的。
2.2.3 微控制器及軟件設計
微控制器選用MSP430F149，它是一款由美國德州儀器生產的芯片，具有豐富的外設，是Flash型16Bit處理器，在1.8~3.6 V的電壓下都可以正常工作，內置了12位A/D模塊, 2個Timer模塊，數十個可以設置方向的I/O端口，能很好地滿足該控制系統的要求[9]。擺動頻率調節軟件編程采用IAR Embedded Workbench Evaluation for MSP430集成開發環境，該軟件程序的工作流程如圖 4所示。
圖4
軟件程序工作流程圖
Figure4.
Flowchart of software program
當進行平衡功能訓練時，通過人機接口界面設定擺動頻率，微控制器調整PWM波的頻率以調節步進電機的轉速，測速反饋模塊將所測得的模擬量傳送給微控制器ADC模塊，微控制器將實際擺動頻率和設定的擺動頻率進行比較，如果不一致則繼續調整PWM波的頻率直至一致；當停止跑道擺動之后，微控制器ADC模塊讀取電感式接近傳感器傳送來的信號, 用以判斷何時停止PWM波, 使擺動停止時跑道停在水平位置, 同時2、3、4、5跑道既能進行平衡功能訓練，也能進行水平運動功能訓練。
微控制器調整PWM波頻率的關鍵代碼如下：void ChangePwmFrequency()
{
if(!PwmInit)
{
P1DIR |=0x02;//???? P1.1 output
P1SEL |=0x02; //???? P1.1 option select
CCTL0=OUTMOD_4; // CCR0 toggle mode，用于產生方波
CCR0=0x00;
TACTL=TASSEL_2 + MC_1; // SMCLK, upmode
PwmInit=0x01;
}
while(ActualSpeed!=SetSpeed)
{
if(ActualSpeed＞SetSpeed) //實際速度大于設定速度
CCR0--; //減小PWM頻率以降低轉速
else if(ActualSpeed＜SetSpeed) //實際速度小于設定速度
CCR0++; //增加PWM頻率以增加轉速
else
CCR0=CCR0;
} //如果實際速度和設定速度不相等，則執行While循環以調節速度
return;
}
2.3 電刺激強度調節
每個跑道的后端設計有電刺激裝置，當實驗鼠拒絕跑步或者跑步速度低于實驗要求時，就會在傳送帶上退行而觸碰到后壁的電刺激裝置，較強的電刺激將迫使實驗鼠按照跑道的速度跑步，但是過多的刺激會引起其生理上的變化[3]，因此應當給予實驗鼠盡量少的刺激，故需要調節電刺激的強度。
本設計用高壓脈沖器產生放電電擊現象，通過微控制器MSP430F149配以外圍驅動電路來控制一個周期內高電平和低電平的時間，以控制高壓脈沖器的導通和斷開的時間。
高壓脈沖器導通時的電壓為U，一個周期的時間為T，高電平時間為t，則高壓脈沖器在一個周期內的有效電壓為U1，則
| $ {{U}_{1}}=U*\sqrt{\frac{t}{T}} $ |
當保持波形周期T不變的情況下，通過改變高電平的時間t，以改變高壓脈沖器作用在實驗鼠身上的電壓有效值，以使電刺激強度分為強、中、弱三級，分別對應電壓值110、155、190 V。
電刺激強度調節關鍵代碼如下：
void PwmSpace(unsigned int val)
{
????if(!PwmSpaceInit)
????{
????????P4SEL |=BIT1; ????// P4.1 option select
????????P4DIR |=BIT1; ????// P4.1 output
????????TBCCTL0 |=OUTMOD_3; ????// TBCCR1 set/reset mode, 用于調節輸出波形的占空比
????????TBCCR1=0; //初始化時占空比為0
????????TBCCR0=1000; //計數周期設定為1000
????????TBCTL=TASSEL_2 + MC_1; ????// SMCLK, upmode
P????????wmInit=0x01;
}
switch(val) //根據電刺激的等級調節PWM占空比，以調節電刺激的強度
{
???????? case 0x01:
????????????TBCCR1=250; //PWM波占空比為25%
????????????break;
????????case 0x02:
????????????TBCCR1=500; //PWM波占空比為50%
????????????break;
???????? case 0x03:
????????????TBCCR1=750; //PWM波的占空比為75%
????????????break;
????????default:
????????????TBCCR1=TBCCR1;
????????}
}
2.4 顯示界面設計
顯示界面采用ABGL8000無紙記錄儀，該無紙記錄儀可以采集模擬信號并轉換成數字信號進行顯示，本設計選用無紙記錄儀的1~16通道，1~6通道分別顯示每一個跑道的速度；7~10通道顯示2、3、4、5跑道的擺動頻率；11~16通道顯示每一個跑道電擊強度的等級。該無紙記錄儀的工作流程如圖 5所示。
圖5
無紙記錄儀工作流程
Figure5.
Workflow of paperless recoder
該人機接口界面能夠實時顯示跑道的速度、電刺激強度、擺動的頻率以方便實驗人員的觀察記錄。
3 系統可靠性測試
測試對象選擇健康大鼠3只，無疾病史，測試時測試環境明亮、通風，基本視為無環境影響因素，因6個水平跑道速度的控制原理相同，2、5跑道前后擺動控制原理相同，3、4跑道左右擺動控制原理相同，故選取1跑道進行大鼠運動訓練水平速度測試，數據如表 2所示，選取2跑道進行大鼠運動訓練前后擺動次數測試，數據如表 3所示，選取3跑道進行大鼠運動訓練左右擺動次數測試，數據如表 4所示。大鼠分別進行水平速度測試、前后擺動測試、左右擺動測試，每一設定參數下均測試10 min，以確保實驗的穩定性。三只大鼠均安全完成測試。
表2
1跑道水平速度測試數據
Table2.
Tested data of horizontal speed of first track
表3
2跑道前后擺動次數測試數據(次/min)
Table3.
Tested data of swinging back and forth of second track (time/min)
表4
3跑道左右擺動次數測試數據(次/min)
Table4.
Tested data of swinging right and left of third track (time/min)
將實驗數據導入SPSS數據統計分析軟件，得到跑道水平速度設定值和大鼠跑步速度的組內相關系數(ICC值)為0.999，同樣獲得前后搖擺跑道大鼠擺動次數組內相關系數為0.999，左右搖擺跑道大鼠擺動次數組內相關系數為0.999。以上數據組內相關系數均大于0.9，說明該系統具有很好的可靠性，能夠完成大鼠不同強度運動功能訓練、前后平衡功能訓練和左右平衡功能訓練。實驗過程中大鼠因懶惰而尾部觸碰到跑道后部電刺激裝置，電刺激作用于大鼠促使大鼠脫離電刺激裝置，從而使大鼠能夠順利完成實驗。
4 討論與展望
本研究的數字化大鼠綜合訓練跑臺實現了大鼠平面跑步、跑道前后擺動時跑步、跑道左右擺動時跑步等多種模式的訓練，跑步速度獨立可調，前后擺動跑道和左右擺動跑道的擺動頻率可調，且每個跑道具有強、中、弱三檔電擊強度的電刺激功能，該數字化大鼠綜合訓練跑臺可根據不同需求設定相應參數，實現大鼠不同跑步訓練的要求。
在康復醫學領域的研究中，腦卒中患者在術后常常伴有平衡功能、運動功能障礙，而這些功能障礙可以通過后期運動訓練進行康復。然而如何制定科學、合理的運動康復訓練方案是康復醫學工作者普遍關注的問題。利用大鼠進行跑步運動訓練是一種強化的非主動性運動方式，是國際上眾多研究者所認可的用于人類康復機制研究的方法[10]。曾貴剛等[11]將大鼠局灶性腦缺血(middle cerebral artery occlusion, MACO)模型用跑臺進行運動訓練，發現腦卒中后運動療法可使得正常中樞神經系統發生明顯的可塑性改變，增加腦損傷大鼠完整半球運動皮質的可塑性變化，加速大鼠腦卒中模型的康復速度和程度。何曼[12]對大鼠MACO模型用跑臺進行運動訓練研究發現，運動訓練能降低腦梗死概率。van der Borght等[13]研究發現運動訓練能促進小腦、紋狀體、海馬和皮質的血管再生，同時運動療法也上調了環磷腺苷效應元件結合蛋白(cAMP response element binding protein, CREB)等因子的表達，而這些因子和神經突觸可塑性密切相關[14]。因此，大鼠運動功能的研究可為人類腦卒中等神經系統疾病導致的運動-平衡功能障礙康復機制的研究提供相關實驗數據，有待于進一步深入探討。
此外，本研究的大鼠訓練跑臺控制系統的設計中，對跑道的速度及跑道的左右和前后擺動尚未設定定時停止功能模塊，該項功能的完善將有利于減少實驗人員人為控制訓練時間所帶來的誤差，同時有利于提高系統的綜合數據分析能力，使該實驗結果更為科學，該項功能將有待于進一步完善。
