★ 汪燦華（江西中醫(yī)藥大學計算機學院 南昌330004）

基于ARM的電針治療儀設計*

★ 汪燦華**（江西中醫(yī)藥大學計算機學院 南昌330004）

針對目前現(xiàn)有電針治療儀的不足，提出基于A R M微處理器和u C/O S-II實時操作系統(tǒng)的電療儀設計方案。該方案利用A R M產(chǎn)出P W M波，然后通過低通濾波、電壓放大以及電壓電流轉換，最終以輸出恒定電流作用于人體，有效地克服了人體穴位電刺激適應現(xiàn)象，且參數(shù)調(diào)節(jié)精準，操作界面友好，樣機運行穩(wěn)定。

電針；嵌入式；微處理器；脈寬調(diào)制

1 引言

電療儀器雖然屬于醫(yī)療電子儀器的一個小分支，但是對人類的貢獻也是很大的。目前，對于神經(jīng)類的疾?。ㄈ珙^痛、腰、肩、腿痛）的治療，主要還是借助于電療儀進行的，這是因為電療的基本治療作用是調(diào)節(jié)神經(jīng)和肌肉的興奮性，改善血液循環(huán)和物質(zhì)代謝，具有鎮(zhèn)痛、消腫、消炎等功效。然而，現(xiàn)今的電針治療儀還存在很多缺陷，比如：存在穴位電刺激適應現(xiàn)象、調(diào)節(jié)參數(shù)不精確、保護措施不到位、人機界面不友好等[1]。作為應用于臨床的醫(yī)療儀器，設計一種基于ARM的高精度、高性能的儀器,對臨床醫(yī)療和針灸推廣非常必要，也很有意義。

2 系統(tǒng)工作原理

本電療儀采用ARM7微處理器LPC2290芯片為核心，由LPC2290產(chǎn)生PWM波（脈寬調(diào)制波形）[2]，該波形經(jīng)過二階RC低通濾波網(wǎng)絡后輸出直流電壓信號，然后經(jīng)過電壓放大，最后經(jīng)過電壓電流轉換電路輸出電流信號作用于人體。整個電療儀系統(tǒng)框圖如圖1所示：由于人體接收的是穩(wěn)定的電流信號，非線性變化的人體穴位電阻不能改變電療儀的輸出，從而可以克服穴位電刺激適應現(xiàn)象。另外，為了保證電療儀的安全性。一方面，采用過流信號采集電路控制微處理器的最大輸出信號，從而防止人體電擊傷。另一方面，考慮到電荷的積累會使人體神經(jīng)組織產(chǎn)生永久性損傷[3]，本系統(tǒng)輸出雙極性脈沖以使人體神經(jīng)組織所獲得的總電荷為零。

圖1 電療儀系統(tǒng)組成框圖

3 電療信號處理電路設計

3.1 應用PWM產(chǎn)生電療信號理論分析 PWM波是一種具有一定周期，占空比可調(diào)的方波信號。如圖2所示。

圖2 典型PWM波形

該PWM波的高低電平分別為Vh和Vt，可以表達為[4]：

其中，T是ARM脈沖的基本周期，即ARM每隔T時間計數(shù)一次，N是PWM波一個周期的計數(shù)脈沖個數(shù)，n是PWM波一個周期中高電平脈沖的個數(shù)，k是諧波次數(shù)，t為時間。由于任意滿足Dirichlet條件的周期函數(shù)都可以展開成傅立葉級數(shù)，所以上式的函數(shù)展開成傅立葉級數(shù)，得到式：

從上式中可以看出，式中第一項為為直流分量，第二項為1次諧波分量，第三項為大于1次諧波分量。式中的直流分量與n成線性關系，并隨著n從0變到N，直流分量相應的從V1變化到Vh。因此，只要濾掉除直流分量之外的諧波，并且調(diào)整占空比，就可得到各種所需的電療信號。

3.2 濾波與電平調(diào)整電路設計 該電路由三級構成，第一級是RC二階低通濾波器，第二級是由TC1029構成的電壓跟隨器，第三級是TC1029構成的電平調(diào)整電路，如圖3所示：

圖3 濾波與電平調(diào)整電路

3.3 電壓放大與電壓電流轉換電路設計

經(jīng)過調(diào)整電路后的電壓信號輸出峰峰值為3.3V。還需要進一步處理，即電壓放大，和電壓電流轉換。電路如圖4所示：

圖4 電壓放大與電壓電流轉換電路

圖4電路采用LM6211運放芯片，其中，U4構成電壓放大電路，U5和U6構成電壓電流轉換電路。同樣根據(jù)虛短、虛斷可計算出：

因而，V5的峰峰值為80V;

因而，電療儀最終的輸出電流I0峰峰值為1mA。

3.4 過流信號采集電路設計 采樣信號從電療儀的電極輸出端經(jīng)過電平轉換直接連接至ARM輸入口，然后把采集的電流信號反饋給ADC（數(shù)模轉換）處理，得到相應的數(shù)字數(shù)據(jù)，當采樣的數(shù)據(jù)超過設定的電流時，CPU產(chǎn)生中斷結束治療。

4 軟件設計

本電療儀軟件系統(tǒng)以uC/OS-II實時操作系統(tǒng)為平臺，采用UCGUI圖形界面，通過創(chuàng)建多任務以及多任務間通信等機制，實現(xiàn)電療波形的控制輸出。軟件系統(tǒng)框架如圖5所示：

圖5 電療儀軟件系統(tǒng)框架圖

圖6 系統(tǒng)運行主界面

其中，主任務負責其他任務的創(chuàng)建，并且響應開始治療按鈕；波形選擇任務響應波形選擇按鈕進行輸出波形的選擇；人體電流采集任務用來不斷的采集人體電信號，如果超過規(guī)定值，則停止電療信號的輸出；屏幕掃描任務不斷地進行屏幕掃描，一旦有觸摸，就會觸發(fā)相應的操作；治療停止任務響應停止治療按鈕，停止電療信號的輸出。軟件系統(tǒng)運行界面如圖6、圖7所示：

圖7 電針輸出波形

5 結語

本電療儀采用ARM微處理器和uC/OS-II實時操作系統(tǒng)為平臺,外接簡潔的信號調(diào)理電路就能產(chǎn)生各種所需的電療波形。系統(tǒng)性能強、功耗低、體積?。卉浖僮鹘缑嬗押?、波形調(diào)節(jié)精度高、安全性較好、并且能有效克服人體穴位電刺激現(xiàn)象，值得向醫(yī)療機構以及針灸愛好者推薦使用。

［1］楊育霞，雍明超.電針治療儀安全性問題及對策[J].中國針灸，2009，29（4）：339-341.

［2］周立功.ARM嵌入式系統(tǒng)基礎教程[M].北京：北京航空航天大學出版社，2008：317-331.

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［4］王兆安.電力電子技術 [M].北京：機械工業(yè)出版社，2001：150-165.

［5］康華光.電子技術基礎（模擬部分）[M].北京：高等教育出版社，2005：29-30.

The Design of Electro-acupuncture Instrument Based on ARM

WANG Can-Hua
Computer College of JiangxiUniversity of TCM,Nanchang 330004,China.

In view of the current deficiency of electro-acupuncture instrument,a new design was work out based on ARM and uC/ OS-II.First of all,PWM waveform was generated by the ARM microprocessor.Secondly,the PWM waveswas processed through the low pass filter,a voltage amplifier and voltage to current conversion circuit.Lastly,a constant currentwas output to the human body. The prototype designed in this paper is not only friendly,stable and adjustabe easierly,but also can overcome the electric stimulation adaptation of the human body acupointeffectively.

Electro-acupuncture；Embeded；MCU；PWM

T P 301

A

2014-06-06）編輯：薛鐵瑛

江西中醫(yī)藥大學校級科研課題（2012Z R007）；江西省科技支撐計劃項目（20133BBG70087）。

**作者簡介：汪燦華（1978-），男，碩士，講師。研究方向：醫(yī)療電子教學與科研。E-m a il：390921890@qq.co m。