郝會玲 沙 洪** 任超世

1 引言

目前，電子針灸儀、疼痛治療儀等電刺激治療設(shè)備已廣泛應(yīng)用于臨床，并取得較好的效果。通過對神經(jīng)或肌肉組織的電刺激產(chǎn)生肌肉收縮、神經(jīng)沖動及促進(jìn)某些物質(zhì)的釋放等以達(dá)到治療的目的[1-3]。目前電刺激儀還處于發(fā)展階段，市售的電刺激儀種類繁多，功能各異，同時也存在許多問題有待于進(jìn)一步研究。如一些電刺激儀波形單一，脈沖參數(shù)的設(shè)置模糊、隨意，可調(diào)性差，難于定量調(diào)節(jié)；輸出脈沖多為單向脈沖或者雙向不對稱脈沖，易產(chǎn)生組織極化現(xiàn)象；輸出方式多為恒壓模式，刺激電流易受人體阻抗變化的影響等。本文研究了一種基于單片機(jī)監(jiān)測和控制的新型智能電刺激治療儀，設(shè)計(jì)了完善的工作方式，脈沖波形和相關(guān)參數(shù)均定量可調(diào)；采用正負(fù)對稱脈沖，可避免產(chǎn)生組織極化現(xiàn)象；并提供恒流輸出模式，刺激均勻穩(wěn)定。刺激儀結(jié)構(gòu)緊湊，體積小，攜帶方便。適合不同的醫(yī)學(xué)基礎(chǔ)研究與臨床電刺激應(yīng)用。

2 刺激脈沖模式設(shè)計(jì)

本研究方案設(shè)計(jì)了兩種刺激脈沖模式：固定模式和可編程模式。固定模式包括model1，model2和model3，由系統(tǒng)設(shè)定，可直接選擇某一模式進(jìn)行刺激治療?？删幊棠Ｊ娇赏ㄟ^參數(shù)設(shè)置，輸出所需要的、不同波形組合的治療脈沖或脈沖串?？蛇M(jìn)行脈沖參數(shù)的精確設(shè)置和定量調(diào)節(jié)，以滿足不同的應(yīng)用要求。

本文的固定模式是在分析和總結(jié)不同刺激器技術(shù)性能和應(yīng)用需求的基礎(chǔ)上，歸納、設(shè)計(jì)的三種常用脈沖波形，參數(shù)固定，使用時直接選擇model1，model2或model3，操作簡單，應(yīng)用方便。三種模式的參數(shù)設(shè)置如下：model1是頻率為100 Hz的連續(xù)波；model2為疏密波，在一個周期內(nèi)疏波和密波交替輸出。疏波頻率5 Hz，密波頻率30 Hz。疏波和密波的持續(xù)時間各為10 s；model3是斷續(xù)波，在一個周期內(nèi)，頻率為100 Hz的脈沖持續(xù)10 s，然后中斷10 s。

以上三種模式的總治療時間（Treat time）均為30 min，刺激強(qiáng)度（Amplitude）為3 mA，單個脈沖的寬度（Duration）為0.5 ms(如圖1所示)。

圖1 固定模式下的3種刺激波形

可編程模式中，采用串刺激與周期刺激相結(jié)合的思想，通過設(shè)置一個循環(huán)周期內(nèi)的脈沖串個數(shù)，串中脈沖的頻率、脈寬以及串間延時等參數(shù)，可實(shí)現(xiàn)多種脈沖串的組合輸出。我們設(shè)計(jì)的是一種低頻電療儀[3-6]，主要用于刺激神經(jīng)或肌肉組織，在對同類產(chǎn)品技術(shù)分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合人體的電生理特性以及刺激過程中的舒適感要求等，輸出波形的參數(shù)設(shè)置范圍如下：①總治療時間(Treat time)：0～99 min；②刺激強(qiáng)度(Amplitude)：0～5 mA；③串間延時(Delay)：0～9999 ms；④一個循環(huán)周期內(nèi)的脈沖串種類(Trains No)：0～4；⑤Train-1：1#脈沖串的頻率(Frequency)：0～199 Hz、1#脈沖串的脈寬(Duration)：0.1～0.9 ms、1#脈沖串中脈沖個數(shù)(Pulse No)：0～9999。

注：(Train-2、Train-3、Train-4的參數(shù)同Train-1)

圖2為兩種刺激波形的組合示例。

圖2 組合波形示例

3 硬件設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)刺激器的智能化工作，本研究以ADμC831為核心器件完成硬件設(shè)計(jì)。ADμC831把AD公司多年生產(chǎn)的A/D、D/A轉(zhuǎn)換器和Intel成熟的51單片機(jī)技術(shù)結(jié)合在一起[7-8]，且提供串行下載和調(diào)試模式，提供了一種方便、快捷、廉價(jià)的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方式。圖3為本文電刺激治療儀的原理圖。其中單片機(jī)ADμC831的主要功能包括：①建立菜單并刷新LCD上的顯示；②按鍵掃描和控制；③設(shè)置脈寬調(diào)制器(PWM)的專用寄存器，輸出不同的波形；④設(shè)置各種定時，如治療時間、延時等；⑤D/A、A/ D轉(zhuǎn)換。

圖3 電刺激器的原理圖

輸出電路主要完成雙向脈沖的合成、功率放大及隔離等任務(wù)，由單片機(jī)端口產(chǎn)生的兩個不同時刻的脈沖信號經(jīng)過同步放大以后，分別控制變壓器B原邊一側(cè)工作，從而在變壓器副邊產(chǎn)生正負(fù)對稱的輸出脈沖，以消除電極極化現(xiàn)象。另外，為避免窄脈沖在經(jīng)變壓器耦合時出現(xiàn)脈沖失真，我們在電路中添加了調(diào)制電路以及整流、濾波電路。

恒流輸出模式的實(shí)現(xiàn)是通過互感電路對輸出電流取樣，經(jīng)信號調(diào)理和A/D轉(zhuǎn)換后，調(diào)節(jié)D/A輸出的模擬信號，以穩(wěn)定輸出電流。本研究通過閉環(huán)反饋實(shí)現(xiàn)恒流電刺激，使刺激電流不受人體阻抗變化的影響，刺激均勻穩(wěn)定，治療效果更好。

4 軟件設(shè)計(jì)

ADμC831帶有串口下載功能，可通過串口將程序下載到單片機(jī)中，調(diào)試起來非常方便。軟件設(shè)計(jì)采用模塊化編程，主要有系統(tǒng)復(fù)位初始化、鍵盤按鍵的查詢與處理、字符型液晶的初始化、菜單的建立、脈沖波形發(fā)生、D/A和A/D轉(zhuǎn)換、定時等模塊。程序流程(如圖4所示)。

圖4 程序流程圖

菜單是一種很好的人機(jī)交互用戶界面，可通過刺激器的按鍵直接對屏幕上的對象進(jìn)行操作，方便用戶使用，同時也可以減少系統(tǒng)的按鍵數(shù)量。在C語言環(huán)境下，基于單片機(jī)的多級菜單的設(shè)計(jì)方法非常多，我們采用的是“以函數(shù)指針”為結(jié)構(gòu)元素，把整個菜單結(jié)構(gòu)拉伸成一個結(jié)構(gòu)數(shù)組的方法[9-10]。每一個結(jié)構(gòu)數(shù)組中有7個結(jié)構(gòu)元素(6個字符型和1個指針變量），前6個字符型變量分別為當(dāng)前及各個按鍵的索引號，也即操作的狀態(tài)號，最后1個指針變量指向需執(zhí)行函數(shù)。在結(jié)構(gòu)數(shù)組里為每一個菜單項(xiàng)編制一個函數(shù)，并根據(jù)菜單的嵌套順序排好本菜單項(xiàng)的索引號，以及本級菜單項(xiàng)的上、下滾動的索引號和上、下級菜單的索引號。用戶對菜單的操作只需操作以下5個按鍵：Up(Down)：本菜單中的光標(biāo)上移(下移)一行或者數(shù)據(jù)增加(減少)；Enter：根據(jù)當(dāng)前菜單的光標(biāo)位置，進(jìn)入相應(yīng)選項(xiàng)的下級菜單，或選中某個功能選項(xiàng)；Left(Right)：本菜單中的光標(biāo)左移(右移)。

脈沖波形發(fā)生模塊借助ADμC831的PWM脈寬調(diào)制器來實(shí)現(xiàn)。ADμC831片內(nèi)集成的PWM在時鐘頻率、分辨率和脈沖周期可以通過SFR(配置寄存器CFG831、PWM控制寄存器PWMCON和數(shù)據(jù)寄存器PWM1/0H、PWM1/0L)靈活地設(shè)置，生成具有可調(diào)占空比和頻率的可編程脈沖信號。PWM結(jié)構(gòu)框圖(如圖5所示)：

圖5 PWM組成結(jié)構(gòu)圖

5 結(jié)果與討論

本文以ADμC831單片機(jī)系統(tǒng)為設(shè)計(jì)核心，實(shí)現(xiàn)了電刺激器波形組合與參數(shù)變化調(diào)節(jié)的智能化，可獲得適合不同醫(yī)學(xué)基礎(chǔ)研究與臨床應(yīng)用的電刺激波形輸出(如圖6所示)。刺激器工作方式完善，脈沖波形和相關(guān)參數(shù)定量可調(diào)。本文的正負(fù)對稱脈沖設(shè)計(jì)可避免產(chǎn)生組織極化現(xiàn)象。刺激器提供恒流輸出，刺激強(qiáng)度不受人體阻抗變化的影響，具有體積小、重量輕、易于操作且便于攜帶等特點(diǎn)。目前研究工作已初步完成，待完善保護(hù)、聲音提示和報(bào)警等部分后，將用于動物與人體，進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)與應(yīng)用測試。

圖6 數(shù)字信號波形

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