一種新型智能電刺激治療儀的研究*

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備已廣泛應用于臨床，并取得較好的效果。通過對神經或肌肉組織的電刺激產生肌肉收縮、神經沖動及促進某些物質的釋放等以達到治療的目的[1-3]。目前電刺激儀還處于發展階段，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一步研究。如一些電刺激儀波形單一，脈沖參數的設置模糊、隨意，可調性差，難于定量調節；輸出脈沖多為單向脈沖或者雙向不對稱脈沖，易產生組織極化現象；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監測和控制的新型智能電刺激治療儀，設計了完善的工作方式，脈沖波形和相關參數均定量可調；采用正負對稱脈沖，可避免產生組織極化現象；并提供恒流輸出模式，刺激均勻穩定。刺激儀結構緊湊，體積小，攜帶方便。適合不同的醫學基礎研究與臨床電刺激應用。

2 刺激脈沖模式設計

本研究方案設計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，由系統設定，可直接選擇某一模式進行刺激治療。可編程模式可通過參數設置，輸出所需要的、不同波形組合的治療脈沖或脈沖串。可進行脈沖參數的精確設置和定量調節，以滿足不同的應用要求。

本文的固定模式是在分析和總結不同刺激器技術性能和應用需求的基礎上，歸納、設計的三種常用脈沖波形，參數固定，使用時直接選擇model1，model2或model3，操作簡單，應用方便。三種模式的參數設置如下：model1是頻率為100 Hz的連續波；model2為疏密波，在一個周期內疏波和密波交替輸出。疏波頻率5 Hz，密波頻率30 Hz。疏波和密波的持續時間各為10 s；model3是斷續波，在一個周期內，頻率為100 Hz的脈沖持續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合的思想，通過設置一個循環周期內的脈沖串個數，串中脈沖的頻率、脈寬以及串間延時等參數，可實現多種脈沖串的組合輸出。我們設計的是一種低頻電療儀[3-6]，主要用于刺激神經或肌肉組織，在對同類產品技術分析的基礎上，結合人體的電生理特性以及刺激過程中的舒適感要求等，輸出波形的參數設置范圍如下：①總治療時間(Treat time)：0～99 min；②刺激強度(Amplitude)：0～5 mA；③串間延時(Delay)：0～9999 ms；④一個循環周期內的脈沖串種類(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(Pulse No)：0～9999。

注：(Train-2、Train-3、Train-4的參數同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 硬件設計

為實現刺激器的智能化工作，本研究以ADμC831為核心器件完成硬件設計。ADμC831把AD公司多年生產的A/D、D/A轉換器和Intel成熟的51單片機技術結合在一起[7-8]，且提供串行下載和調試模式，提供了一種方便、快捷、廉價的控制系統設計方式。圖3為本文電刺激治療儀的原理圖。其中單片機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設置脈寬調制器(PWM)的專用寄存器，輸出不同的波形；④設置各種定時，如治療時間、延時等；⑤D/A、A/ D轉換。

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，由單片機端口產生的兩個不同時刻的脈沖信號經過同步放大以后，分別控制變壓器B原邊一側工作，從而在變壓器副邊產生正負對稱的輸出脈沖，以消除電極極化現象。另外，為避免窄脈沖在經變壓器耦合時出現脈沖失真，我們在電路中添加了調制電路以及整流、濾波電路。

恒流輸出模式的實現是通過互感電路對輸出電流取樣，經信號調理和A/D轉換后，調節D/A輸出的模擬信號，以穩定輸出電流。本研究通過閉環反饋實現恒流電刺激，使刺激電流不受人體阻抗變化的影響，刺激均勻穩定，治療效果更好。

4 軟件設計

ADμC831帶有串口下載功能，可通過串口將程序下載到單片機中，調試起來非常方便。軟件設計采用模塊化編程，主要有系統復位初始化、鍵盤按鍵的查詢與處理、字符型液晶的初始化、菜單的建立、脈沖波形發生、D/A和A/D轉換、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行操作，方便用戶使用，同時也可以減少系統的按鍵數量。在C語言環境下，基于單片機的多級菜單的設計方法非常多，我們采用的是“以函數指針”為結構元素，把整個菜單結構拉伸成一個結構數組的方法[9-10]。每一個結構數組中有7個結構元素(6個字符型和1個指針變量），前6個字符型變量分別為當前及各個按鍵的索引號，也即操作的狀態號，最后1個指針變量指向需執行函數。在結構數組里為每一個菜單項編制一個函數，并根據菜單的嵌套順序排好本菜單項的索引號，以及本級菜單項的上、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)：本菜單中的光標上移(下移)一行或者數據增加(減少)；Enter：根據當前菜單的光標位置，進入相應選項的下級菜單，或選中某個功能選項；Left(Right)：本菜單中的光標左移(右移)。

脈沖波形發生模塊借助ADμC831的PWM脈寬調制器來實現。ADμC831片內集成的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和數據寄存器PWM1/0H、PWM1/0L)靈活地設置，生成具有可調占空比和頻率的可編程脈沖信號。PWM結構框圖(如圖5所示)：

圖5 PWM組成結構圖

5 結果與討論

本文以ADμC831單片機系統為設計核心，實現了電刺激器波形組合與參數變化調節的智能化，可獲得適合不同醫學基礎研究與臨床應用的電刺激波形輸出(如圖6所示)。刺激器工作方式完善，脈沖波形和相關參數定量可調。本文的正負對稱脈沖設計可避免產生組織極化現象。刺激器提供恒流輸出，刺激強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。目前研究工作已初步完成，待完善保護、聲音提示和報警等部分后，將用于動物與人體，進行相關實驗與應用測試。

圖6 數字信號波形

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