基于ARM的電針治療儀設計*

★ 汪燦華（江西中醫藥大學計算機學院 南昌330004）

基于ARM的電針治療儀設計*

★ 汪燦華**（江西中醫藥大學計算機學院 南昌330004）

針對目前現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實時操作系統的電療儀設計方案。該方案利用A R M產出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象，且參數調節精準，操作界面友好，樣機運行穩定。

電針；嵌入式；微處理器；脈寬調制

1 引言

電療儀器雖然屬于醫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，對于神經類的疾病（如頭痛、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節神經和肌肉的興奮性，改善血液循環和物質代謝，具有鎮痛、消腫、消炎等功效。然而，現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象、調節參數不精確、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療儀器，設計一種基于ARM的高精度、高性能的儀器,對臨床醫療和針灸推廣非常必要，也很有意義。

2 系統工作原理

本電療儀采用ARM7微處理器LPC2290芯片為核心，由LPC2290產生PWM波（脈寬調制波形）[2]，該波形經過二階RC低通濾波網絡后輸出直流電壓信號，然后經過電壓放大，最后經過電壓電流轉換電路輸出電流信號作用于人體。整個電療儀系統框圖如圖1所示：由于人體接收的是穩定的電流信號，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組織產生永久性損傷[3]，本系統輸出雙極性脈沖以使人體神經組織所獲得的總電荷為零。

圖1 電療儀系統組成框圖

3 電療信號處理電路設計

3.1 應用PWM產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時間計數一次，N是PWM波一個周期的計數脈沖個數，n是PWM波一個周期中高電平脈沖的個數，k是諧波次數，t為時間。由于任意滿足Dirichlet條件的周期函數都可以展開成傅立葉級數，所以上式的函數展開成傅立葉級數，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構成的電平調整電路，如圖3所示：

圖3 濾波與電平調整電路

3.3 電壓放大與電壓電流轉換電路設計

經過調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（數模轉換）處理，得到相應的數字數據，當采樣的數據超過設定的電流時，CPU產生中斷結束治療。

4 軟件設計

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

圖5 電療儀軟件系統框架圖

圖6 系統運行主界面

其中，主任務負責其他任務的創建，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實時操作系統為平臺,外接簡潔的信號調理電路就能產生各種所需的電療波形。系統性能強、功耗低、體積小；軟件操作界面友好、波形調節精度高、安全性較好、并且能有效克服人體穴位電刺激現象，值得向醫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嵌入式系統基礎教程[M].北京：北京航空航天大學出版社，2008：317-331.

［3］Tehovnik E J.Electrical stimulation of neural tissue to evoke behavior responses[J].Journal of Neuroscience Methods,1996,65 (1)：1-17.

［4］王兆安.電力電子技術 [M].北京：機械工業出版社，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：醫療電子教學與科研。E-m a il：390921890@qq.co m。