余凌，李威，孫傳堂

中國礦業(yè)大學(xué) 機電工程學(xué)院，江蘇徐州 221008

威森波產(chǎn)后康復(fù)治療儀關(guān)鍵技術(shù)的實現(xiàn)及實驗研究

余凌，李威，孫傳堂

中國礦業(yè)大學(xué) 機電工程學(xué)院，江蘇徐州 221008

Abstract: System design of postpartum rehabilitation therapeutic equipment was discussed in this paper.Composition principle and function were briefly introduced,detailed description of software and hardware was given,and further introduced the correlative components.Experimental results showed that the system achieved corresponding functions and could stably run under preset parameters.On this basis,upper computer software was developed to make visual operation easy and running state could be real-time monitored.

Key words: postpartum rehabilitation system; postpartum physiotherapy;PC-controlling

本文主要闡述了醫(yī)用產(chǎn)后康復(fù)綜合治療儀的系統(tǒng)設(shè)計。介紹了治療儀的組成原理及功能，并詳細描述了該系統(tǒng)的軟、硬件設(shè)計內(nèi)容，同時對涉及到的一些組成部件進行了相應(yīng)的介紹。通過實驗驗證了系統(tǒng)的功能，結(jié)果表明系統(tǒng)可在設(shè)定的參數(shù)下穩(wěn)定運行。在此基礎(chǔ)上，開發(fā)了上位機軟件，方便在操作系統(tǒng)上進行可視化操作和對系統(tǒng)的運行狀態(tài)進行實時監(jiān)測。

產(chǎn)后康復(fù)治療儀；產(chǎn)后理療；微機控制

臨床醫(yī)學(xué)中，孕婦在產(chǎn)后受到的創(chuàng)傷較大，以致在短時間內(nèi)機體不能恢復(fù)，導(dǎo)致產(chǎn)后乳汁分泌和子宮復(fù)原受到一定的影響[1]。改善途徑除恢復(fù)性調(diào)理外[2]，還可以借助相關(guān)的醫(yī)療設(shè)備促進產(chǎn)婦的身體復(fù)原。產(chǎn)后康復(fù)治療儀是一種新的治療手段[3,8-10]，主要實現(xiàn)途徑可以是電磁方式、微波治療、低頻電脈沖理療等。

本文所設(shè)計的治療儀具有以下特點：① 控制系統(tǒng)在硬件上使用了過載/欠載保護，軟件設(shè)計中采用了冗余技術(shù)和復(fù)位監(jiān)測技術(shù)，確?？煽啃?；② 使用了增強功能的微控制器和專用的外圍接口集成電路，系統(tǒng)集成度提高；③ 通過對程序結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，增強了脈沖調(diào)制波形的幅頻穩(wěn)定性。本儀器采用多種調(diào)制波組合方式以達到治療目的，取單詞variety的諧音，稱為威森波治療儀。

1 低頻電脈沖治療機理

離子數(shù)量和膜的通透性，破壞膜的極化狀態(tài)，產(chǎn)生除極化樣沖動，使血管擴張，激活脊髓后角的閘門控制系統(tǒng)，使疼痛沖動不能上傳。

在治療過程中，通過電極片的振動和按摩調(diào)節(jié)乳母神經(jīng)內(nèi)分泌功能，由于其吸吮力相當(dāng)于嬰兒吸吮力的5~10倍，在振動和吸吮共同作用下乳頭的神經(jīng)末梢得到刺激，再通過信息反饋促進泌乳。產(chǎn)生的縮宮素還可促進乳汁從腺泡通過導(dǎo)管排至乳竇[4]。這屬于純物理治療方式，易于被大多數(shù)女性所接受。

威森波治療儀主要有以下幾大生理效應(yīng)：① 興奮神經(jīng)組織細胞；② 促進局部血液循環(huán)；③ 鎮(zhèn)痛效應(yīng)；④ 消炎作用。通過專用治療片對人體特定部位進行低頻電脈沖刺激，可以起到疏通乳腺管、促進乳汁分泌、緩解術(shù)后疼痛等臨床治療效果。

微控制器控制產(chǎn)生基波頻率為833Hz、占空比恒定為33.3%的脈沖調(diào)制波。低頻脈沖電流作用人體后可以改變

2 系統(tǒng)組成及原理框圖

儀器主要由線性穩(wěn)壓電源、微控制器、過載/欠載保護電路、人機接口集成控制單元、脈沖產(chǎn)生及增益環(huán)節(jié)、開關(guān)變壓器脈沖變換模塊等組成。儀器由市電220V供電，經(jīng)板載線性穩(wěn)壓電路為系統(tǒng)提供穩(wěn)定的低壓直流。微控制器采用增強型具備單時鐘工作能力的STC12C5410，結(jié)合片內(nèi)集成的脈沖計數(shù)陣列(PCA)可實現(xiàn)定時器擴展[5]，它控制脈沖波形的產(chǎn)生及系統(tǒng)運行時的狀態(tài)監(jiān)測與流程控制。過/欠載保護電路實時監(jiān)測各功能模塊的電壓，在狀況發(fā)生時向微控制器提供系統(tǒng)復(fù)位信號。按鍵與顯示電路提供了方便的人機接口，方便用戶設(shè)定治療參數(shù)及觀察運行狀態(tài)。脈沖產(chǎn)生與變換電路，將低頻電脈沖變換成具有一定增益特定周期的調(diào)制波形，作為最終輸出的治療信號。

在誤操作出現(xiàn)或程序運行達到關(guān)鍵節(jié)點時，控制器控制蜂鳴器發(fā)出聲音警告與提示，伴以LED指示可讓用戶更直觀地判定儀器的運行狀態(tài)。上位機軟件可用于程序運行參數(shù)的設(shè)定及系統(tǒng)固件程序的維護更新。當(dāng)然，儀器本體也具備參數(shù)設(shè)定功能。

威森波產(chǎn)后康復(fù)治療儀的系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。

圖 1 治療儀組成原理圖

3 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)是整個治療儀的核心，它負責(zé)發(fā)出所有的控制指令，對治療信號的產(chǎn)生及系統(tǒng)運行流程的控制起到主導(dǎo)作用。所以，控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性設(shè)計對儀器性能具有關(guān)鍵意義。

為了增強電脈沖刺激的頻率穩(wěn)定性，選用了高精度的石英晶體，在軟件設(shè)計階段通過多次反饋校正得到最佳頻率控制參數(shù)。抗干擾設(shè)計方面，采用了按鍵去抖動電路和軟件延時去抖結(jié)合的方法，看門狗監(jiān)測程序運行狀態(tài)，低壓/過壓監(jiān)測電路，系統(tǒng)各功能模塊的供電電路中添加了平滑濾波電容，針對前后級電路的阻抗匹配及去耦合干擾設(shè)計也作了必要的考慮。目的是為了減小工作時非軌對軌器件產(chǎn)生的邊界失真和干擾引起的頻率失穩(wěn)。

3.1 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

按照儀器的功能要求，控制系統(tǒng)主要分為以下幾部分：微控制器STC12C5410負責(zé)數(shù)據(jù)處理和流程控制；10位D/A芯片TLC5615完成脈沖輸出；按鍵狀態(tài)檢測及顯示驅(qū)動由CH452控制；LM336為D/A轉(zhuǎn)換提供精確的參考電壓；DAC輸出的前級脈沖經(jīng)放大變換得到指定強度等級的調(diào)制脈沖波形；ICL232雙路異步收發(fā)器負責(zé)將RS232的負邏輯電平與單片機UART的TTL電平進行轉(zhuǎn)換，為PC機和治療儀通信提供鏈路條件。

控制系統(tǒng)的硬件組成框圖如圖2所示：

圖 2 控制系統(tǒng)硬件組成框圖

3.1.1 電源和人機交互電路

系統(tǒng)由線性穩(wěn)壓電源供電，避免了開關(guān)式穩(wěn)壓電源可能帶來的高頻噪聲干擾。+5V供給控制電路和保護電路，+12V接開關(guān)變壓器初級繞組。DAC需要的1.25V精準參考電壓，由LM336穩(wěn)壓獲得。

CH452是WCH公司推出的產(chǎn)品，兼具8位數(shù)碼管顯示驅(qū)動和鍵盤掃描功能，非常適合系統(tǒng)的集成與小型化。治療儀的人機接口包括5個獨立按鍵和7位七段數(shù)碼管顯示。CH452接受MCU的串行控制信號，負責(zé)產(chǎn)生按鍵中斷和驅(qū)動數(shù)碼管顯示。

3.1.2 脈沖發(fā)生與轉(zhuǎn)換電路

DAC采用10位轉(zhuǎn)換分辨率的TLC5615，建立時間12.5μs。DAC輸出的脈沖首先經(jīng)過幅值放大，再經(jīng)過后級射極跟隨器進行電流放大，再耦合至后級共射電路，集電極輸出至開關(guān)變壓器初級繞組，集電極輸出信號是和DAC輸出脈沖同步的電流放大信號，最后經(jīng)過升壓便得治療儀最終輸出波形。幅值放大級和電流放大級采用級間阻容耦合方式，阻止直流躥擾并為高頻信號提供通路。電容的充放電會使波形上升沿、下降沿出現(xiàn)尖峰，變壓器退磁使波形出現(xiàn)負脈沖。波形調(diào)制電路如圖3所示。

圖 3 波形調(diào)制電路原理圖

圖 4 某種組合的調(diào)制波形

調(diào)制波形基本參數(shù)為：

基波頻率833Hz，脈沖寬度0.4ms，允許誤差±10%；

組合波周期33s；

輸出電壓范圍0~33V；

按照治療方案的不同，共有12種基本波形，進而組合成16種治療項目。圖4所示為某種組合的調(diào)制波形輸出。3.1.3 保護電路與通訊電路

當(dāng)出現(xiàn)電源欠壓/過壓時，保護電路動作，向MCU發(fā)出復(fù)位信號。如圖5所示，開關(guān)采用CD4066，它具有4路模擬開關(guān)，可通過MCU的I/O控制。保護電路動作時，T3導(dǎo)通，KA1受電常閉觸點分開，停止輸出波形。儀器正常運行時，如果出現(xiàn)誤操作，聲光報警電路動作通知操作人員。通訊電路主要負責(zé)本儀器與上位機之間的數(shù)據(jù)通訊，可以將程序運行狀態(tài)信息上傳至計算機，也可以接收計算機發(fā)送的控制命令。

圖 5 保護電路原理圖

3.2 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

本系統(tǒng)軟件包括上位機和儀器軟件兩部分。上位機軟件使用Borland C++ Builder編寫，主要記錄治療的信息和設(shè)定治療參數(shù)。另外，上位機還兼具對下位機軟件維護與更新的功能。微控制器部分采用KEIL μVISION 3編寫，KEIL出色的編輯、編譯和調(diào)試功能可以大大加快軟件開發(fā)的效率。系統(tǒng)軟件采用自頂向下的結(jié)構(gòu)化編程模式，從任務(wù)分析、模塊劃分到底層源代碼實現(xiàn)，使編寫的代碼具有重用性。

程序流程圖如圖6所示。

圖 6 程序流程圖

MCU控制脈沖產(chǎn)生有定時和中斷兩種方式，為了不對治療儀運行快速性產(chǎn)生影響，利用中斷快速檢測外部按鍵狀態(tài)，更新治療參數(shù)，而將脈沖發(fā)生程序嵌入主程序中。提高了系統(tǒng)的可靠性與快速響應(yīng)能力，并且使輸出更加平穩(wěn)。

脈沖調(diào)制原理如圖7所示，其中up、high、down、low為波形包絡(luò)控制參數(shù)，scope為幅值變量。

圖 7 波形調(diào)制原理

4 結(jié)束語

本文以產(chǎn)后康復(fù)治療為背景，設(shè)計并完成了威森波治療儀的關(guān)鍵技術(shù)。對治療原理、系統(tǒng)組成、控制系統(tǒng)方面作了闡述。通過合理設(shè)計硬件電路提高了系統(tǒng)的集成度與可靠性，優(yōu)化軟件結(jié)構(gòu)增強了刺激脈沖的頻率穩(wěn)定性及平穩(wěn)性。實驗結(jié)果表明，脈沖調(diào)制波形及系統(tǒng)響應(yīng)的各項指標均在儀器要求規(guī)定的范圍以內(nèi)。為臨床使用及進一步推廣打下了良好的基礎(chǔ)。

[1] 龔寶珍.剖宮產(chǎn)術(shù)對乳汁分泌的影響[J].河北醫(yī)學(xué),1999,10(5):43-44.

[2] 晏詠梅,等.產(chǎn)后康復(fù)治療儀在產(chǎn)后康復(fù)中的療效觀察[J].西南軍醫(yī),2009(5):909.

[3] 譚曉燕,譚玲,陶成珊,等.產(chǎn)后恢復(fù)治療儀改善產(chǎn)后哺乳困難癥的臨床療效觀察[J].中國婦幼保健,2006,21(3):330-332.

[4] 張紅翠,任國橋,汪永蘭.剖宮產(chǎn)術(shù)后康復(fù)綜合治療儀催乳療效觀察[J].現(xiàn)代中西醫(yī)結(jié)合雜志,2007,16(27):3817.

[5] 張宏建,蒙建波.自動檢測技術(shù)與裝置[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2004.

[6] 朱更軍,彭永供,項安,等.串行10位D/A轉(zhuǎn)換器TLC5615原理及與DSP的接口[J].電子質(zhì)量,2003(10):12-13.

[7] 南登昆.實用物理治療手冊[K].北京:人民軍醫(yī)出版社,2001.

[8] 唐慶玉,冉凡英.康復(fù)儀器的現(xiàn)狀與發(fā)展[J].中國醫(yī)療器械信息,2001,7(2):44-48.

[9] 黃菊英,等.足穴治療儀的設(shè)計及應(yīng)用[J].醫(yī)療設(shè)備信息,2007(11):13-15.

[10] 石建國,陳永海,王麗娟,等.多功能理療保健儀的研制[J].現(xiàn)代醫(yī)學(xué)儀器與應(yīng)用,2008,20(3):7-10.

Realization of Key Technology of Postpartum Rehabilitation Therapeutic Equipment and Experimental Study

YU Ling,LI Wei,SUN Chuan-tang
College of Mechanical and Electrical Engineering,China University of Mining &Technology,Xuzhou Jiangsu 221008,China

TH789

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2010.08.006

1674-1633(2010)08-0018-03

2010-01-04

2010-03-17

本文作者：余凌，碩士研究生，研究方向為“智能化儀器儀表”。

作者郵箱：yuling@cumt.edu.cn