基于DSP Builder的脈沖治療儀的波形設計

王永周

（河北大學 電子信息工程學院，河北 保定071000）

傳統的脈沖治療儀采用模擬分立元件或向ROM中填寫大量的波形數據來產生波形，波形的種類和樣式受到電路硬件或ROM中數據的限制，靈活性和穩定性相對較差[1]。采用FPGA器件用DSP Builder模塊實現脈沖治療儀的波形，具有設計簡單靈活、外圍電路少、可靠性高、現場可編程等優點。

1 脈沖治療儀

1.1 脈沖治療儀的原理

脈沖治療儀采用頻率、相位和振幅可調的各種波形的電脈沖來實現對相應疾病的治療，治療時隨著電脈沖信號的變化患部肌肉會產生不斷抽動，從而改善人體鎮痛、調整內臟功能、提高機能狀態，臨床運用廣泛，副作用較小。

脈沖治療儀的臨床治療機制是[2]：人體組織是由水分、無機鹽和帶電的膠體組成的復雜電解質導電體，當脈沖電作用于機體時，使帶電的離子定向運動，消除細胞膜的極化現象，使離子的濃度及分布發生顯著變化，從而使組織的生理代謝發生改變；另一方面，通過作用于淋巴管壁和血管壁的神經感受器，經植物神經中樞反射到局部，促使毛細血管擴張，血管壁的滲透性增加，改善了供給和營養，提高了組織細胞的活力，再生過程得到加強。因而，不同的脈沖波形、頻率變換和刺激強度具有不同的治療作用。

1.2 脈沖治療儀輸出波形的特點

脈沖治療儀主要是基于電療法原理來設計的，通常情況下，電療法大致有低頻療法(1 Hz～999 Hz)、中頻療法(1 000 Hz～9 999 Hz)、高頻療法(10 000 Hz以上)3種。3種療法相比較，低頻波的療效好而滲透力較差，高頻波的滲透力好，但單純使用則治療效果不理想，會使肌體產生抗電耐受性。為彌補各種波的不足往往將低、中、高頻波組合起來，使作用的深度和治療的效果均獲得明顯的提高[3]。

輸出波形大多為不同頻率和幅度的正弦波、方波、矩形波、鋸齒波、指數波等。臨床治療實踐表明[3-4]，尖波多用于治療癱瘓，方波常用于治療痛癥、痙攣和炎癥，正弦波多用于治療神經痛、神經炎、肌炎和肌萎縮。不同的疏波、密波和不同的間斷波組合成不同的脈沖組，使之產生不同的治療效果。為消除電刺激產生的極化現象，輸出波形應為正、負交替，正負向完全對稱，直流分量完全為零，這樣可以達到最佳的治療效果。

2 直接數字頻率合成技術

直接數字頻率合成DDS(Direct Digital Frequency Synthesis)是從相位概念出發直接合成所需波形的一種頻率合成技術[5]，具有頻率轉換快、分辨率高、頻率合成范圍寬、相位噪聲低且相位可控制等優點。其基本原理如圖1所示。

圖1 直接數字頻率合成原理

若頻率控制字為K，相位累加器為N位，參考時鐘頻率為 fclk，則輸出頻率為 fout=(fclk/2N)×K，當 K=1時，DDS為最小頻率輸出，因此DDS的最小頻率分辨率（或稱步長）為Δfmin=fclk/2N。根據奈奎斯特抽樣定律，DDS的輸出上限頻率為時鐘頻率的1/2，即 fout≤fclk/2，由于實際輸出低通濾波器的非理想特性，工程上可實現的頻率上限為。DDS的輸出波形由波形查找表中的數據來決定。

3 基于DSP Builder的波形設計

3.1 基本波形的設計

利用DSP Builder模塊構建基于DDS技術的各種頻率、相位、幅度可調的基本波形[6]，如圖2所示。

圖2中，端口Input1為頻率控制字輸入端，端口Input為相位控制字輸入端，端口Input2為波形選擇控制端，端口Input3為振幅控制端，端口Output為波形輸出端，LUT為查找表模塊，通過相應的設置可產生各種波形。該系統模塊可以實現基本波形的輸出，并且可以調整基本波形的頻率、相位和振幅。

設定時鐘頻率為fclk，輸出脈沖波形的最低頻率為fout，具體的波形設計如下：

(1)產生矩形波的LUT模塊的Matlab array可設置為：

(2)產生正弦波的LUT模塊的Matlab array可設置為：

(3)產生三角波形的LUT模塊的Matlab array可設置為：

(4)產生指數波的LUT模塊的Matlab array可設置為：

(5)產生鋸齒波的LUT模塊的Matlab array 可設置為：

(6)產生梯形波的LUT模塊的Matlab array可設置為：

圖2 基本波形的DSP Builder系統模塊

依據以上設置得到無極性的矩形波、正弦波、三角波、指數波、鋸齒波、梯形波的Modelsim仿真波形，如圖3所示。

3.2 組合波形的設計

在波形輸出上采用幾種基本波形交替輸出、疏密波組合輸出以及具有間歇的動態輸出，可以削弱人體的適應性。通過VHDL編程實現了多種波形相互交叉輸出而且可以對每一種基本波形進行頻率、振幅、相位和輸出時間的設定。圖4是產生組合波形的流程圖，圖5是正弦波、三角波、指數波、梯形波、矩形波的交互輸出的Modelsim仿真波形效果。

3.3 利用DSP Builder模塊構建調制波

三組基于DDS技術的DSP Builder模塊相互嵌套組成了對任何一種基本波形進行頻率和幅度調制的系統，可以實現可設定頻率與幅度的任意基本波形對另一種基本波形進行頻率和幅度調制。通過對相關參數的設置，可以得到各種調制波形的輸出[7-8]。系統模塊設計如圖6所示。

臨床證明[2]，中頻電波中，2 kHz左右的電波對腹瀉等疾病有很好的療效，而6 kHz～8 kHz的電波又具有按摩作用，為了同時達到這兩種效果，可以通過一定頻率的正弦波對指數波進行幅度調制來實現。系統模塊的參數設置如下：

(1)產生波形的時鐘頻率為0.5 MHz；

(2)載波指數波的波形設計LUT3模塊的Matlab array為：

圖3 基本波形的Modelsim仿真

圖4 組合波形的產生流程

圖5 組合波形的Modelsim仿真

(3)載波指數波的相位控制字即模塊Constant6的值為0；

(4)載波指數波的頻率控制字即模塊Constant4的值為5；

(5)調幅波正弦波的波形設計LUT4模塊的Matlab array為：

511×sin([0:2×pi/2?15:2×pi])

(6)調幅波正弦波的相位控制字即模塊Constant7的值為 0；

(7)調幅波正弦波的頻率控制字即模塊Constant8的值為 9；

(8)調幅波正弦波的振幅控制字即模塊Constant10的值為 0.001 5。

圖6 產生調制波形的DSP Builder系統模塊

用輸出的正弦波對指數波進行幅度調制，調制波形的Modelsim仿真及頻譜如圖7所示，輸出波的頻譜同樣包含 2 kHz～3 kHz和 7 kHz～8 kHz兩個頻段。

圖7 調制波形的Modelsim仿真及頻譜

脈沖電療法屬康復醫學中的物理治療學領域，可用于眾多疾病的治療和康復，因此在臨床理療和家庭護理中得到廣泛應用。隨著電療法研究的深入，對電子治療儀的輸出波形提出了更加復雜的要求。本文給出了基于DSP Builder的脈沖波形設計方法，采用此方法對參數進行設置可以產生滿足各種醫療需求的電脈沖，從而使治療儀達到最佳治療效果，而且可以方便靈活地實現對產品的優化升級。

[1]鄧親愷.現代醫學儀器設計原理[M].北京：科學出版社，2009.

[2]喬志恒.理療學[M].北京：華夏出版社，2013.

[3]金榮疆，張宏.物理治療學[M].北京：人民衛生出版社，2012.

[4]李剛，張旭.生物醫學電子學[M].北京：電子工業出版社，2008.

[5]白居憲.直接數字頻率合成[M].西安：西安交通大學出版社，2007.

[6]王康佳，劉詩偉，孫番典.基于 Matlab/DSP Builder任意波形信號發生器的兩種設計[J].現代電子技術，2011，34(3)：179-181.

[7]肖炎根.基于DSP Builder的AM信號發生器的設計[J].電子技術，2010，47(3)：37-40.

[8]雷國偉，林興元，舒強，等.基于 DSP Builder的通用調制信號發生器設計[J].電視技術，2009，33(2)：18-19.