杜勝利，安玳寧，吳少帥

（河北省藥品醫(yī)療器械檢驗(yàn)研究院，河北 石家莊 050000）

目前，在神經(jīng)肌肉電刺激治療中，對(duì)治療儀的要求較高，需要根據(jù)患者肢體部位，實(shí)時(shí)調(diào)整儀器參數(shù)，并要求對(duì)輸出端信息進(jìn)行采集，及時(shí)作出反饋，使得電刺激治療過(guò)程安全有效。為實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，做好中低頻電刺激治療儀器的設(shè)計(jì)研究尤為關(guān)鍵。

1 設(shè)計(jì)方案說(shuō)明

為預(yù)防人體阻抗對(duì)儀器輸出電流影響，將治療儀的輸出方案設(shè)計(jì)為恒流源輸出，根據(jù)治療具體情況，對(duì)功率進(jìn)行調(diào)整。在電刺激模塊框架設(shè)計(jì)過(guò)程中，有關(guān)人員也應(yīng)關(guān)注MCU、調(diào)制波形，確保設(shè)計(jì)效果達(dá)到預(yù)期，提升治療儀的使用可靠性。在設(shè)計(jì)中，選取MCU中的DAC1輸出作為調(diào)制波的波形，波形主要是正弦波與方形波。在儀器的具體使用中，相關(guān)人員只需對(duì)定時(shí)器進(jìn)行調(diào)節(jié)，便可實(shí)現(xiàn)變更調(diào)制波形目的。為獲取調(diào)制波與方波兩種波形，要求設(shè)計(jì)人員關(guān)注電壓跟隨器的帶載能力，將DAC1輸出控制在0～1V，而DAC2輸出則變換到-1～1V，在AD835乘法器干預(yù)下，完成對(duì)波形的調(diào)制輸出。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，也需要關(guān)注上機(jī)位的操作顯示界面，確保各通道電刺激參數(shù)能夠顯示出來(lái)。

在中低頻電刺激治療儀的設(shè)計(jì)過(guò)程中，要求儀器參數(shù)滿足以下標(biāo)準(zhǔn)：電流輸出幅值為0～50mA，低頻為0～150Hz，中頻為1～10kHz、方波占空比滿足0～150%，電流調(diào)節(jié)1mA，其中低頻步長(zhǎng)為1Hz，中頻步長(zhǎng)為100Hz。

2 硬件部分設(shè)計(jì)要點(diǎn)

2.1 設(shè)計(jì)思路

電刺激治療儀的硬件部分包括MCU控制模塊、電源模塊、波形調(diào)制模塊、恒流源功率放大模塊、電流反饋模塊。具體設(shè)計(jì)思路如下：利用MCU對(duì)可調(diào)節(jié)波形進(jìn)行輸出，并設(shè)計(jì)波形調(diào)節(jié)電路，充分利用數(shù)字電位器，對(duì)波形進(jìn)行控制。經(jīng)過(guò)恒流源功率實(shí)現(xiàn)放大處理，確保電流穩(wěn)定輸出。同時(shí)做好主控板設(shè)計(jì)，調(diào)整各通道參數(shù)，將設(shè)計(jì)值以串口的方式發(fā)送到上位機(jī)。利用開(kāi)關(guān)電源對(duì)交流電進(jìn)行調(diào)節(jié)，確保電壓在15V，為功率放大電路提供穩(wěn)定電源。隨后，利用DC-DV轉(zhuǎn)換芯片調(diào)整電壓，將電壓降低到5V，對(duì)運(yùn)放設(shè)備進(jìn)行供電；最后采取LDO設(shè)備將電壓轉(zhuǎn)換為3V，作為MCU供電方案。

2.2 波形調(diào)制模塊設(shè)計(jì)

分析中低頻電刺激治療儀的性質(zhì)可知，改變刺激波形能夠達(dá)到不同的刺激效果。鑒于此，做好波形調(diào)制模塊設(shè)計(jì)十分重要。為確保設(shè)計(jì)方案簡(jiǎn)化，使用MCU模塊，對(duì)不同波形進(jìn)行區(qū)分設(shè)計(jì)，并利用反向電路原理與放大器裝置，對(duì)硬件設(shè)備中的波形電壓進(jìn)行調(diào)整，確保波形電壓能夠滿足儀器使用要求。要求調(diào)制波形頻率范圍在0～150Hz，載波頻率范圍滿足1～10kHz。在AD835芯片乘法器的協(xié)助下，對(duì)后續(xù)電流輸出值進(jìn)行控制。并使用數(shù)字電位器對(duì)調(diào)制波形電壓進(jìn)行調(diào)整，確保波形輸出值準(zhǔn)確、具有參考價(jià)值。

2.3 恒流源功率放大模塊設(shè)計(jì)

在電刺激治療儀器設(shè)計(jì)中，相關(guān)人員需要關(guān)注雙運(yùn)放恒流源設(shè)計(jì)效果，掌握模型參數(shù)，對(duì)刺激電流的大小進(jìn)行控制。其中電流值應(yīng)滿足以下表達(dá)式：

對(duì)上述公式進(jìn)行整理可得到：

式中，Id為流過(guò)人體電流，Rload代表人體阻抗電流，Uin為輸入波形，VDD為設(shè)備中功率放大電路電源。在Uin滿足±1V情況下，Rset值一般在100Ω內(nèi)。當(dāng)需要輸出雙極波形時(shí)，應(yīng)將Rset值調(diào)整到0。為確保治療儀器硬件設(shè)計(jì)合理，也需要在放大電路與人體負(fù)載之間設(shè)計(jì)變壓器裝置。在具體應(yīng)用中，變壓器能夠起到隔離電路板的作用，由此滿足阻抗變換要求。根據(jù)最新設(shè)計(jì)理念，也將負(fù)載一側(cè)較大阻抗變換為小阻抗，確保在功耗條件不變下，輸出較小電流值，促使中低頻電刺激治療儀設(shè)計(jì)科學(xué)合理。

在本次研究中，將供電電源U1設(shè)計(jì)為15V，變壓器副極匝數(shù)設(shè)定為20，此時(shí)經(jīng)過(guò)實(shí)際測(cè)量，最大不失真電壓為300V。后期可根據(jù)測(cè)得的阻抗值，對(duì)電源電壓進(jìn)行調(diào)整，確保功率輸出穩(wěn)定。

2.4 電流反饋模塊設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

針對(duì)中低頻電刺激治療儀而言，設(shè)計(jì)人員應(yīng)對(duì)電流反饋模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)，將負(fù)載前串聯(lián)的高精度小電阻兩端作為主要觀察對(duì)象，并作為差分放大器AD629的兩個(gè)輸入值，實(shí)現(xiàn)對(duì)電流大小的有效檢測(cè)。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，也將采集的模擬信號(hào)發(fā)送到STM32內(nèi)置的ADC中。在做好模數(shù)轉(zhuǎn)換后，當(dāng)檢測(cè)電流超過(guò)設(shè)計(jì)的電流閾值后，STM32會(huì)將信號(hào)發(fā)送到指定單元，實(shí)現(xiàn)對(duì)功率輸出端繼電器的快速斷開(kāi)，使得輸出裝置斷開(kāi)，確保電刺激治療中人員安全性。以上設(shè)計(jì)方案應(yīng)用后，也能夠檢測(cè)過(guò)載電流，當(dāng)電流輸出值增加后，電流反饋模塊迅速起到保護(hù)裝置，使得功率端運(yùn)行狀況良好。

3 軟件部分設(shè)計(jì)要求

3.1 設(shè)計(jì)思路

在低頻電刺激治療儀器設(shè)計(jì)中，要求設(shè)計(jì)人員對(duì)儀器軟件部分進(jìn)行優(yōu)化，使得設(shè)備操作便捷。在設(shè)計(jì)中，選擇使用上位機(jī)、下位機(jī)功能分開(kāi)設(shè)計(jì)方案，其中下位機(jī)部分主要負(fù)責(zé)電刺激波形數(shù)據(jù)的生成，并對(duì)各類參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整，確保儀器軟件功能實(shí)現(xiàn)。而上位機(jī)部分則借助串口連接方式，實(shí)現(xiàn)與下位機(jī)之間通信，并接收來(lái)自下位機(jī)各通道的信息數(shù)據(jù)，并根據(jù)實(shí)際要求，做好顯示與保存。

3.2 下位機(jī)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

在下位機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，選擇Keil環(huán)境運(yùn)行程序，完成操作部分的編寫(xiě)，并在其中搭載了嵌入式RTOS系統(tǒng)，開(kāi)展多線程控制任務(wù)。下位機(jī)系統(tǒng)的主要任務(wù)是借助內(nèi)置的STM32發(fā)送正弦波與方波，并完成對(duì)各按鍵部分的連續(xù)檢測(cè)，通過(guò)不同按鍵響應(yīng)，發(fā)送波形、通道、頻率與電流大小指令，確保數(shù)據(jù)能夠經(jīng)過(guò)串口發(fā)送到上位機(jī)。在具體操作中，首先需要接通電源，隨后選擇輸出的波形、通道與電流值，同時(shí)明確頻率數(shù)與脈寬等關(guān)鍵參數(shù)。在設(shè)計(jì)中，也需要根據(jù)操作要求，對(duì)下位機(jī)的輸出參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，以滿足最新設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，使得波形輸出到電極端。

3.3 上位機(jī)設(shè)計(jì)

在上位機(jī)設(shè)計(jì)中，使用QT編寫(xiě)方案，完成界面顯示簡(jiǎn)潔化設(shè)計(jì)，并選擇正確的串口，通過(guò)對(duì)串口數(shù)據(jù)的調(diào)取與使用，獲取電刺激參數(shù)。當(dāng)確認(rèn)串口數(shù)據(jù)正確后，可點(diǎn)擊系統(tǒng)控件，實(shí)現(xiàn)對(duì)頻率、電流強(qiáng)度、脈寬等數(shù)據(jù)參數(shù)整理。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，為確保顯示界面清晰度可靠，需要調(diào)整屏幕分辨率，并對(duì)顯示數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄分析，為后期調(diào)取與應(yīng)用提供支持。此外，以上部分的數(shù)據(jù)也可存儲(chǔ)在文件夾中，后續(xù)操作人員可通過(guò)Excel文件形式，打開(kāi)數(shù)據(jù)表格，對(duì)不同時(shí)間段上位機(jī)顯示界面參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。

4 設(shè)計(jì)結(jié)果分析

為確保設(shè)計(jì)結(jié)果可靠，提升電刺激治療儀在腦卒中治療中應(yīng)用價(jià)值，需要對(duì)設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行分析，并做好參數(shù)糾正。本次研究選取模擬電阻與人體作為參數(shù)，基于研究結(jié)果搭建測(cè)試平臺(tái)，用于檢測(cè)波形效果、電流強(qiáng)度對(duì)電流刺激效果帶來(lái)的影響。在檢測(cè)中，使用QT上位機(jī)對(duì)各通道數(shù)據(jù)進(jìn)行獲取，并完成數(shù)據(jù)真實(shí)性檢測(cè)，了解參數(shù)設(shè)計(jì)值與實(shí)際值之間差異，使得輸出誤差降低。

4.1 阻抗測(cè)試

在阻抗測(cè)試中，設(shè)計(jì)人員對(duì)不同阻抗值進(jìn)行測(cè)試研究，將4組不同阻抗值的電阻接入電刺激儀器設(shè)備中，并對(duì)輸出端、串口線與PC端的連接效果進(jìn)行測(cè)試，了解電源供應(yīng)是否具有可靠性。在測(cè)試過(guò)程中，也對(duì)波形進(jìn)行調(diào)整，調(diào)整項(xiàng)目包括波形頻率與電流大小。測(cè)試結(jié)果表明，硬件樣機(jī)能夠滿足各樣機(jī)參數(shù)調(diào)整要求。在具體測(cè)試階段，為獲得中低頻調(diào)制波形、阻抗效果等關(guān)鍵信息，對(duì)測(cè)試電流輸出值進(jìn)行控制，四組電流值分別控制在5mA、10mA、15mA、20mA，得到的波形頻率分別為1kHz、100Hz，阻抗測(cè)試與設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)一致。

通過(guò)對(duì)測(cè)試結(jié)果的分析可知，各通道電流實(shí)際輸出值與設(shè)計(jì)值之間差異較小，可滿足電刺激治療儀恒流輸出要求。對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行分析可知，隨著設(shè)計(jì)電流值的增加，電流值開(kāi)始低于標(biāo)準(zhǔn)值。造成上述問(wèn)題出現(xiàn)的主要原因如下：（1）測(cè)試電阻精度未能達(dá)到設(shè)計(jì)要求，部分電阻設(shè)計(jì)值與實(shí)際值之間的差異較大；（2）數(shù)據(jù)記錄存在誤差；（3）在具體測(cè)試中，軟件環(huán)境未能達(dá)到行業(yè)最新標(biāo)準(zhǔn)，軟件模塊落后，使得電刺激治療儀的使用標(biāo)準(zhǔn)與設(shè)計(jì)要求不匹配。在測(cè)試中，為檢測(cè)各波形的顯示效果，設(shè)計(jì)人員選擇1kΩ的電阻作為模擬電阻，并將其置于模塊按鍵中，了解波形發(fā)生的具體變化。經(jīng)過(guò)測(cè)試可知，載波調(diào)制波的頻率為1kHz，調(diào)制波的頻率為100Hz，方波頻率1kHz，正弦波頻率為1kHz，電流幅度為2mA，與設(shè)計(jì)要求一致。

4.2 人體實(shí)驗(yàn)

在電刺激治療儀的使用中，以人體實(shí)驗(yàn)的方式進(jìn)行測(cè)試。在測(cè)試過(guò)程中，選取上臂不同部位作為測(cè)試點(diǎn)，在測(cè)試電極片粘貼前，預(yù)先使用酒精棉對(duì)測(cè)試人員皮膚表面進(jìn)行擦拭。當(dāng)皮膚貼上電極片后，應(yīng)連接串口線，隨后接入電源。在具體測(cè)試環(huán)節(jié)，為確保電刺激治療儀使用安全性，將初始電流幅度值控制在0mA，隨后不斷增加電流值，直到測(cè)試人員感受到刺痛感后停止。

為檢測(cè)電刺激治療儀設(shè)計(jì)是否可靠，在具體測(cè)試環(huán)節(jié)，需要調(diào)節(jié)不同測(cè)試位置，并設(shè)計(jì)差異化的波形調(diào)節(jié)，以確保電刺激治療儀能夠在不同場(chǎng)景下使用。在本次測(cè)試中，了解到人體相同部位刺激感受最佳值存在差異，分析原因是不同人體的肌肉群損傷程度不同。鑒于此，在電刺激治療儀使用前，設(shè)計(jì)人員應(yīng)考慮以上因素造成的影響，對(duì)設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整與優(yōu)化，為臨床治療提供技術(shù)支持。在開(kāi)展人體測(cè)試時(shí)，使用相同的刺激參數(shù)對(duì)上臂進(jìn)行測(cè)試，得到的測(cè)波形更加準(zhǔn)確。與模擬電阻實(shí)驗(yàn)比較后，發(fā)現(xiàn)人體實(shí)驗(yàn)中方波出現(xiàn)變化，以近似微分波形的方式顯示出來(lái)。造成上述差異的主要原因是人體阻抗影響，能夠?qū)﹄娮枧c電容形成全阻抗。

4.3 結(jié)果說(shuō)明

對(duì)設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行分析可知，中低頻治療儀的電刺激效果理想，將其應(yīng)用在腦卒中患者預(yù)后神經(jīng)功能恢復(fù)中，能夠達(dá)到較深部位，并緩解對(duì)神經(jīng)根造成的刺激與壓迫，對(duì)促進(jìn)血液循環(huán)、加快新陳代謝產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。鑒于此，需要特別關(guān)注神經(jīng)肌肉電刺激治療儀的設(shè)計(jì)效果，做好最新設(shè)計(jì)方案應(yīng)用，確保電刺激治療儀在患者康復(fù)中發(fā)揮重要輔助作用。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，對(duì)中低頻電刺激治療儀設(shè)計(jì)相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行分析，在具體研究中，首先明確治療儀設(shè)計(jì)方案，在此基礎(chǔ)上，完成對(duì)硬件部分與軟件部分設(shè)計(jì)，通過(guò)做好波形調(diào)制、恒流源功率放大、電流反饋模塊設(shè)計(jì)，使得設(shè)備硬件部分設(shè)計(jì)效果達(dá)標(biāo)。在軟件部分設(shè)計(jì)中，重點(diǎn)講解下位機(jī)、上位機(jī)設(shè)計(jì)思路，并對(duì)治療儀的設(shè)計(jì)成果進(jìn)行分析。研究取得預(yù)期成果，不僅滿足參數(shù)與波形多樣化要求，而且為臨床治療提供最新技術(shù)方案。