基于移動醫(yī)療的電刺激經(jīng)絡(luò)導(dǎo)通儀的設(shè)計

劉虔鋮

摘 要：該文以中醫(yī)針灸理論和電刺激治療機理為基礎(chǔ)，利用現(xiàn)代智能手機和移動醫(yī)用APP等技術(shù)，設(shè)計了一種新型的基于電刺激的經(jīng)絡(luò)導(dǎo)通儀。系統(tǒng)包括主機和移動終端兩個部分，并通過藍牙進行無線通訊。主機包括嵌入式ARM處理器、電刺激產(chǎn)生電路、肌電檢測電路、運動狀態(tài)檢測電路、藍牙通信模塊五大功能電路組成。移動終端基于Android平臺而開發(fā)的應(yīng)用程序，實現(xiàn)了與主機的藍牙通信、參數(shù)設(shè)置等功能?；谝苿俞t(yī)療的電刺激經(jīng)絡(luò)導(dǎo)通儀具有高效、低成本、用戶界面友好、操作方便、人性化等特點，為風濕、關(guān)節(jié)炎、頸腰椎疾病，以及神經(jīng)肌肉疾病等多種病癥等臨床應(yīng)用及研究搭建了良好的應(yīng)用平臺。

關(guān)鍵詞：移動醫(yī)療 Android 經(jīng)絡(luò)導(dǎo)通 電刺激

中圖分類號：G64 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）07（a）-0101-02

經(jīng)絡(luò)“內(nèi)屬臟腑，外絡(luò)肢節(jié)”，是中醫(yī)學說的重要組成部分。經(jīng)絡(luò)聯(lián)系肢節(jié)與臟腑，腧穴分布于經(jīng)絡(luò)之上，針灸療法就是依照腧穴-經(jīng)絡(luò)-臟腑間的辯證關(guān)系進行的。針灸療法，源遠流長，已被廣泛用來治療腦血管疾病引起的偏癱、風濕、關(guān)節(jié)炎、頸腰椎疾病，以及神經(jīng)肌肉疾病等多種病癥。經(jīng)絡(luò)導(dǎo)通療法[1-2]從理論上說就是調(diào)理整個經(jīng)絡(luò)的能量狀態(tài)，使能量運行恢復(fù)平衡。其促進康復(fù)機制尚不清楚，但作為電刺激治療方法的一種，經(jīng)絡(luò)導(dǎo)通刺激延緩肌肉失神經(jīng)支配廢用性萎縮和增強肌力的作用是明顯的；另外，從現(xiàn)在對經(jīng)絡(luò)研究的成果來看，經(jīng)絡(luò)導(dǎo)通刺激過程產(chǎn)生的系統(tǒng)的彌散的外周神經(jīng)感覺信息不斷傳入中樞也從根本上促進中風患者受損中樞的修復(fù)，加快康復(fù)進程和提高康復(fù)質(zhì)量。

隨著移動4G網(wǎng)絡(luò)和智能手機的普及，移動醫(yī)療正在改變了過去傳統(tǒng)的醫(yī)療方式，使得病人無論是在醫(yī)院還是家里，都能隨時獲取醫(yī)療咨詢，及時與醫(yī)護人員溝通等。將移動醫(yī)療技術(shù)與傳統(tǒng)中醫(yī)結(jié)合將使的傳統(tǒng)中醫(yī)診療換發(fā)出新的活力。

作者以傳統(tǒng)中醫(yī)理論和現(xiàn)代電刺激療法為基礎(chǔ)，依托現(xiàn)代電子工程技術(shù)手段，介紹一種基于移動醫(yī)療的電刺激經(jīng)絡(luò)導(dǎo)通儀，該儀器具有刺激經(jīng)穴和電刺激治療的雙重作用，能夠?qū)ζc、風濕、關(guān)節(jié)炎等疾病進行有效的物理治療。該電刺激經(jīng)絡(luò)導(dǎo)通儀通過藍牙與智能手機連接，能夠連接醫(yī)療中心，接受醫(yī)生的指導(dǎo)信心；智能手機上的應(yīng)用軟件（APP）能夠控制經(jīng)絡(luò)導(dǎo)通儀的工作，為患者提供各種反饋信息的視聽感受。本文主要從硬件電路設(shè)計和軟件程序兩方面入手，介紹了儀器的設(shè)計組成。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

系統(tǒng)包括主機和移動終端兩個部分，并通過藍牙進行無線通訊。主機采用嵌入式設(shè)計，能夠通過傳感器采集表面肌電信號和患者的運動狀態(tài)，還能夠產(chǎn)生各種經(jīng)絡(luò)電刺激信號，通過陣列式電刺激電極作用于患者。移動終端控制主機工作，為患者提供各種反饋信息的視聽感受，并通過移動通信網(wǎng)絡(luò)與醫(yī)療中心連接。移動終端基于Android平臺而開發(fā)的應(yīng)用程序。

電刺激經(jīng)絡(luò)導(dǎo)通儀的治療電極由一組12×12矩陣排列的電極觸點組成，且正負極電極針間隔排列，從而形成正負電極列陣，用于輸出電刺激信號能量。通過電極上144個均勻布置的電極點，可以覆蓋相應(yīng)穴位的皮膚表面，電極的能量的大小、能量持續(xù)時間、電極作用方式等參數(shù)都可以通過移動終端上的醫(yī)用軟件調(diào)節(jié)，方便用戶操作使用。

電刺激經(jīng)絡(luò)導(dǎo)通儀的主機包括嵌入式ARM處理器、電刺激產(chǎn)生電路、肌電檢測電路、運動狀態(tài)檢測電路、藍牙通信模塊五大功能電路組成。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖見圖1。

用戶通過移動終端上的APP選擇治療的穴位，設(shè)定治療參數(shù)，移動終端將治療參數(shù)通過藍牙發(fā)送到主機，電刺激電路產(chǎn)生PWM信號，經(jīng)推挽放大、功率放大后隔離輸出到電極，刺激相應(yīng)穴位產(chǎn)生治療效果。治療過程中的肌電狀態(tài)、病人運動狀態(tài)等反饋給ARM控制器，并通過藍牙發(fā)送到移動終端，顯示給用戶。

2 硬件設(shè)計

2.1 ARM控制系統(tǒng)

系統(tǒng)采用STM32F103處理器作為控制器，該處理器由意法半導(dǎo)體公司出品，基于ARM公司的Cortex-M3內(nèi)核，是32位標準RISC（精簡指令集）處理器，最高72MHz工作頻率，高達512K字節(jié)的Flash存儲器，最大64K字節(jié)的SRAM，具有豐富的通用I/O端口，自帶USB2.0接口，在多種領(lǐng)域如電機驅(qū)動、醫(yī)療、手持設(shè)備、編程控制器（PLC）等方面具有廣泛的應(yīng)用[3-4]。該ARM處理具有低成本、高性能、片上資源豐富的特點，能夠勝任本系統(tǒng)各功能電路的控制和上下位機數(shù)據(jù)傳輸要求。

2.2 電刺激模塊電路

本系統(tǒng)采用調(diào)制的方波或正弦波信號作為電刺激信號，系統(tǒng)采用直接數(shù)字頻率合成器（DDS）AD9834來產(chǎn)生所需波形。AD9834是一款最高75MHz、低功耗DDS器件，能夠產(chǎn)生高性能的調(diào)制波輸出[5]。AD9834提供相位調(diào)制和頻率調(diào)制功能，頻率寄存器為28位，時鐘頻率為1 MHz時，AD9834可以實現(xiàn)0.004 Hz的分辨率。主控芯片STM32F103通過串行外設(shè)接口（SPI）與AD9834通訊。

AD9834產(chǎn)生系統(tǒng)所需的波形，先由第一級放大器初步放大，再經(jīng)功率放大器后輸出給電極產(chǎn)生電刺激。

本系統(tǒng)的功放電路選用了集成功放芯片TDA8920CTH，TDA8920CTH是飛利浦公司生產(chǎn)的一種高效、低功耗的雙通道D類音頻功率放大器，供電范圍為±12.5 V至±32.5V。本系統(tǒng)對TDA8920CTH采用±30V供電，單個通道輸出功率為110W，若用橋接負載的方式者輸出功率達到220W。功放電路如圖3所示。

2.3 肌電檢測電路

肌電采集電路用于檢測和采集患者的體表肌電信號，電路主要包括了前置放大、高通濾波、低通濾波、隔離放大、工頻陷波、增益控制電路。該部分電路將采集到的體表肌電根據(jù)體統(tǒng)要求放大1250～10000倍。增益控制電路由STM32F103的GPIO來控制，將壓力轉(zhuǎn)換成0至5V的電壓輸出，然后由AD7607完成模數(shù)轉(zhuǎn)換。AD7607是一款完全集成的多通道數(shù)據(jù)采集解決方案，采用5V單電源供電，可實現(xiàn)16位無失碼性能，在高噪聲電源條件下也能保持這一性能。

3 軟件設(shè)計

移動醫(yī)療應(yīng)用軟件基于Android系統(tǒng)[6]，移動醫(yī)療應(yīng)用軟件架構(gòu)摒棄傳統(tǒng)的二層C/S與B/S架構(gòu)[7]，而是采用Android App、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器C/S、應(yīng)用服務(wù)器的三層架構(gòu)[8]模式來構(gòu)建，形成拉動式服務(wù)平臺，Android App[9]不直接訪問數(shù)據(jù)庫，而是加入了REST[9]接口（Representational State Transfer，表述性狀態(tài)轉(zhuǎn)移），實現(xiàn)分布式處理數(shù)據(jù)，增強軟件功能的伸縮性，降低軟件架構(gòu)的耦合度，對數(shù)據(jù)庫服務(wù)器的負載能力要求也相應(yīng)降低。

從模塊結(jié)構(gòu)來看，軟件系統(tǒng)由數(shù)據(jù)層、通信網(wǎng)絡(luò)層、業(yè)務(wù)邏輯層及Android App構(gòu)成。其中，Android App屬于應(yīng)用端，主要實現(xiàn)人機交互，實現(xiàn)用戶對設(shè)備的操作，反饋設(shè)備狀態(tài)，讓用戶得到較好的使用體驗。

本系統(tǒng)Android App采用了模塊化的設(shè)計思想，把整個軟件系統(tǒng)劃分為系統(tǒng)自檢模塊、參數(shù)設(shè)置模塊、實時處理模塊、顯示模塊和刺激模塊，功能模塊圖如圖3所示。

操作系統(tǒng)加載程序完畢后，系統(tǒng)自檢藍牙模塊，并與主機進行通信配對測試；設(shè)備通信配對成功后，按用戶選定的治療部位、治療疾病等給出治療處方，對主機進行參數(shù)初始化，等待治療的開始。治療之前或治療過程中，用戶可以在參數(shù)設(shè)置模塊中修改治療參數(shù)。治療過程中，在治療過程中，用戶可以根據(jù)患者的實際情況修改治療模式、強度、治療時間、刺激方式等參數(shù)以達到最佳的治療效果。

4 結(jié)語

該文介紹一種基于Android智能手機平臺設(shè)計的電刺激經(jīng)絡(luò)導(dǎo)通儀，能夠通過智能手機的應(yīng)用軟件，以無線的方式控制可穿戴的電針刺激模塊，提供各種反饋信息的視聽感受，并通過網(wǎng)絡(luò)分享治療效果和感受。主機部分采用嵌入式ARM為核心設(shè)計，智能手機應(yīng)用軟件基于Android APP的模塊化設(shè)計，針對不同疾病存儲了多種治療處方，具有高效、低成本、用戶界面友好、操作方便、人性化等特點，為風濕、關(guān)節(jié)炎、頸腰椎疾病，以及神經(jīng)肌肉疾病等多種病癥等臨床應(yīng)用及研究搭建了良好的應(yīng)用平臺，具有較大的實際意義和應(yīng)用前景。

參考文獻

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