面向術(shù)前焦慮癥的低頻理療儀研制

程希為，倪奕，徐遠(yuǎn)，程曉，房銀芳，武帥，匡紹龍

1.蘇州大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，江蘇 蘇州 215000；2.蘇州市中醫(yī)醫(yī)院 綜合保障科，江蘇 蘇州 215000；3.蘇州市吳中人民醫(yī)院 手術(shù)室，江蘇 蘇州 215000

引言

術(shù)前焦慮癥是患者在接受手術(shù)治療之前由于害怕承受痛楚、患上后遺癥而導(dǎo)致的極度焦慮緊張的不良心理狀態(tài)。由其引發(fā)的不良癥狀將影響醫(yī)生對麻醉劑量的判斷[1]，并會在術(shù)后提升患者對鎮(zhèn)痛泵的依賴程度[2]，延長出院時間。相關(guān)研究及實(shí)驗(yàn)證實(shí)[3-7]，使用穴位按摩與音樂療法，可使患者的焦慮情緒得到調(diào)整。按摩的本質(zhì)是一種特殊的生物電療法，而從電療的角度看，頻率低于1000 Hz的低頻脈沖電刺激可以調(diào)節(jié)人體內(nèi)部的生物電，達(dá)到鎮(zhèn)靜鎮(zhèn)痛、舒緩肌肉、放松神經(jīng)等作用[8-9]，從而緩解術(shù)前焦慮，與穴位按摩緩解焦慮有異曲同工之效。因此，設(shè)計(jì)一種低頻脈沖理療儀，利用低頻脈沖電的鎮(zhèn)靜作用，輔以音樂療法強(qiáng)大的調(diào)節(jié)病人情緒的能力，并選擇合適的穴位施展具有模擬按摩錘擊等效果的經(jīng)皮穴位電刺激療法（Transcutaneous Electrical Acupoint Stimulation，TEAS）可以用來緩解術(shù)前焦慮癥，達(dá)到治療目的。

基于此，本文研制了一臺面向術(shù)前焦慮癥的智能音樂低頻脈沖理療儀。該理療儀將有可能減輕醫(yī)護(hù)人員的工作壓力，節(jié)省醫(yī)療資源，緩解患者的術(shù)前焦慮情緒，幫助其早日康復(fù)出院。

1 設(shè)計(jì)材料與方法

1.1 醫(yī)學(xué)機(jī)理研究

TEAS療法主要依靠其鎮(zhèn)靜作用使術(shù)前焦慮癥患者的緊張焦慮情緒得到緩解。其醫(yī)學(xué)機(jī)理主要有以下4點(diǎn)：

（1）通過TEAS療法生成的四種阿片肽類物質(zhì)除了能鎮(zhèn)痛外，還具有鎮(zhèn)靜作用。啡肽物質(zhì)還能對去甲腎上腺素能、乙酰膽堿能等遞質(zhì)系統(tǒng)功能亢進(jìn)的狀態(tài)進(jìn)行修復(fù)[10]。另外，在頭部施展TEAS療法，可提升受損腦組織的被修復(fù)速度，促進(jìn)5-羥胺和脊椎內(nèi)去甲腎上腺素能的大量釋放，幫助恢復(fù)神經(jīng)系統(tǒng)的情緒調(diào)整功能[11]。

（2）TEAS療法可以增強(qiáng)迷走神經(jīng)和副交感神經(jīng)的活躍度，使人感到放松，產(chǎn)生鎮(zhèn)靜效應(yīng)。

（3）通過耳穴施加TEAS療法，能誘導(dǎo)患者的腦電波從激動或焦慮狀態(tài)下的β波轉(zhuǎn)為平靜狀態(tài)下的α波[11]，從而調(diào)整其緊張、焦慮和抑郁的情緒。

（4）焦慮癥患者排名前3位的中醫(yī)證型是：心脾兩虛、心血瘀阻、陰虛火旺[12]。選取刺激后有寧心安神功效的耳神門穴、耳心穴等施加TEAS療法，能補(bǔ)益心脾、調(diào)神醒腦，產(chǎn)生等同于鎮(zhèn)靜的療效。

因此，將TEAS療法應(yīng)用于術(shù)前焦慮患者上，可以產(chǎn)生鎮(zhèn)靜作用，放松其焦慮緊張的情緒狀態(tài)，達(dá)到治療術(shù)前焦慮癥的目的。

1.2 需求分析與設(shè)計(jì)思路

1.2.1 波形選擇

由于α腦波是一種類似正弦波的波形，為了保證低頻理療α化腦波的效果，本設(shè)計(jì)選取正弦波作為主要治療波形。另外，根據(jù)公式(1)：

可以看出，頻率越低的電激勵導(dǎo)致的特征阻抗Z越小[13]，通電時間相同時，低頻電刺激的電荷積累將比高頻更大。當(dāng)電荷量隨著時間的推移積累超過承受閾值時，將出現(xiàn)組織極化現(xiàn)象，對患者造成傷害。為了避免這種現(xiàn)象的產(chǎn)生，本設(shè)計(jì)的輸出波形均為對稱雙極性脈沖波形。同時，為保證輸出波形不失真，設(shè)計(jì)中添加了低通濾波器濾除SPWM信號中的高次諧波。

1.2.2 頻率選擇

本設(shè)計(jì)的輸出頻率設(shè)定為10、40、100 Hz循環(huán)交替。其中10 Hz低頻輸出與100 Hz高頻輸出的結(jié)合可以提升血液中阿片肽類物質(zhì)的濃度，且10 Hz非常貼近α腦波的頻率（8～14 Hz）[14]。為了增加輸出的平滑性，兩者間添加了40 Hz的輸出頻率。

為了實(shí)現(xiàn)TEAS療法與音樂療法的聯(lián)合治療，設(shè)計(jì)了音頻輸出接口，可以播放節(jié)奏輕柔的抗焦慮音樂。輸出電壓將被升壓至100 V左右，以保證實(shí)際加載在患者穴位處的電壓達(dá)到80 V以上[15]，形成有效導(dǎo)通電流。電流大小從0.5～5 mA分為10檔調(diào)節(jié)，并設(shè)計(jì)限流電路將輸出電流限制在5 mA以下，嚴(yán)格保證電氣安全。

1.3 硬件設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)儀器的多種功能，本文采用模塊化理念對儀器進(jìn)行設(shè)計(jì)，將硬件電路劃分為刺激主電路、電源電路、音樂播放、低通濾波器、外圍電路5個模塊。本設(shè)計(jì)使用微處理器ATmega128作為主控核心芯片，控制外圍各芯片及電路完成任務(wù)[16]。刺激主電路模塊是硬件部分的核心，該模塊能產(chǎn)生符合需求的輸出，由主控芯片、H橋電路、限流電路組成。硬件設(shè)計(jì)框架圖，見圖1。

圖1 硬件電路框架圖

本文選擇UC3843作為升壓芯片設(shè)計(jì)開關(guān)電源電路。在外部12 V電池供電的條件下通過BOOST升壓斬波電路獲得100 V輸出電壓。電路中設(shè)計(jì)了兩個閉環(huán)反饋以保證輸出電壓的穩(wěn)定，將反饋的電壓和電流與基準(zhǔn)值進(jìn)行比較，通過得到的誤差控制輸出信號的占空比，從而調(diào)整輸出電壓（圖2）。

刺激主電路使用H橋電路（圖3），保證SPWM輸出波形在通過該電路后成為正負(fù)對稱的雙極性脈沖波形。各橋臂的通斷借助與門芯片74LS08完成。為了防止開關(guān)管被擊穿時與門芯片與100 V高壓直連，本設(shè)計(jì)選用光耦元器件KP1210驅(qū)動H橋電路。

圖2 BOOST升壓模塊電路圖

限流電路的設(shè)計(jì)利用了運(yùn)放的虛短原理。運(yùn)放芯片選擇LM358，與三極管、電阻等元件構(gòu)成電壓串聯(lián)負(fù)反饋限流電路。輸入電壓來源為DA芯片TLC5615引腳DAOUT的輸出電壓，調(diào)節(jié)其輸出范圍為0.5～5 V，限流電阻取值1 kΩ即可限制輸出電流大小為0.5～5 mA，使得儀器輸出電流的大小只由輸入電壓和限流電阻的比值決定，減小了儀器工作狀態(tài)的不穩(wěn)定性，同時保障了使用安全。

圖3 刺激主電路H橋電路圖

音頻解碼電路配備了獨(dú)立的編解碼芯片VS1003，在電療的同時播放抗焦慮音樂給患者聽。為了保證各種格式的音頻文件能被播放，電路中配置了一個12 MHz的外部晶振來提供較高的時鐘頻率。

為了濾除SPWM輸出信號中的高次諧波，本設(shè)計(jì)進(jìn)行了低通濾波器的設(shè)計(jì)。使用歸一化法作為LPF的參數(shù)計(jì)算方法[17]，設(shè)置角頻率為10/3，損耗X為20 dB，代入公式：

得到n=1.908。n代表需要的電抗元件的個數(shù)[18]，所以由單電感和單電容組成的二階LC濾波器可以滿足設(shè)計(jì)的需求。借助Saber仿真軟件對濾波效果進(jìn)行仿真，結(jié)果見圖4。最終確定濾波器參數(shù)，電感取值100 mH，電容取值2.2 μF。

圖4 40 Hz正弦波仿真結(jié)果圖

1.4 軟件設(shè)計(jì)

軟件部分采用模塊化設(shè)計(jì)，依據(jù)硬件設(shè)計(jì)和功能需求將固件程序劃分為SPWM波形輸出、DA轉(zhuǎn)換限流、液晶顯示、音頻解碼等多個程序模塊[19]。軟件部分的整體設(shè)計(jì)流程圖，見圖5。

SPWM波形輸出模塊輸出的PWM波形的占空比具有正弦變化規(guī)律。中斷方式采用匹配中斷，PWM中斷流程，見圖6。當(dāng)按鍵被按下后，治療模式被改變，中斷程序依據(jù)標(biāo)志位進(jìn)入對應(yīng)的程序分支，改變輸出的占空比并輸出具有模擬按摩、針灸、錘擊效果的波形。由于不需要輸出高頻率的SPWM波，本設(shè)計(jì)選擇了相位修正PWM模式。受光耦導(dǎo)通時間的影響，最終分頻系數(shù)取值為8，得到PWM頻率為2 kHz。全波采樣點(diǎn)個數(shù)依據(jù)PWM頻率和輸出頻率計(jì)算獲得。對于10 Hz以上的正弦波，只需在正半波中設(shè)置N/2個采樣點(diǎn)，即可得到雙極性對稱波形的所有數(shù)據(jù)。對于10 Hz以下的正弦波，編程時僅采集了1/4個波形周期內(nèi)的數(shù)據(jù)，其余數(shù)據(jù)將通過程序轉(zhuǎn)換獲得，以避免龐大的數(shù)據(jù)存儲量。程序使用取余命令實(shí)現(xiàn)周期性控制，當(dāng)正半波開始時導(dǎo)通1、3光耦并保持開啟；當(dāng)負(fù)半波開始時導(dǎo)通2、4光耦并保持至結(jié)束，在保證輸出波形具有雙極性的同時可以避免由于引腳電平頻繁改變而增加的功耗。

圖5 軟件程序流程圖

圖6 PWM中斷程序流程圖

在音頻解碼請求發(fā)出時，VS1003通過SDI串行數(shù)據(jù)總線接收各種格式的音樂數(shù)據(jù)并進(jìn)行解碼。若AIADDR的值不為零，則把該寄存器指向的地址作為起點(diǎn)開始執(zhí)行。BASS的值將決定重低音和高音的提升程度。數(shù)據(jù)流進(jìn)入音量控制寄存器后，音頻FIFO 鎖存數(shù)據(jù)并將其輸入采樣率變換器與DAC。外部晶振能使DAC工作在6 MHz的頻率上，輸出立體聲。被采樣的音頻信號經(jīng)低通濾波后送往耳機(jī)放大器輸出。

2 測試結(jié)果

2.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

本研究所設(shè)計(jì)的儀器樣機(jī)，見圖7。

圖7 理療儀電路實(shí)物圖和樣機(jī)圖

按摩模式下，輸出波形為正弦波與梯形波的結(jié)合，為患者模擬出中醫(yī)按摩“按而留之”的感覺；針灸模式下輸出波形為三角波與正弦波的結(jié)合，以模擬針灸手法中“補(bǔ)泄”的效果；錘擊模式則使用方波輸出。通過仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，儀器輸出波形平緩，頻率變化銜接良好并可以便捷地調(diào)整幅度。按摩模式下的波形輸出，見圖8。

圖8 按摩模式下10 Hz波形圖及整體輸出波形圖

2.2 臨床觀察

使用該儀器對接受擇期婦科腹腔鏡手術(shù)的40例患者進(jìn)行臨床使用觀察。40例患者被分為4組，每組各10人。對四組患者的年齡、體重、身高、Zung式焦慮自評量表評分等基本情況進(jìn)行比較，差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＞0.05），見表1。

表1 四組患者基本情況的比較（±s）

表1 四組患者基本情況的比較（±s）

項(xiàng)目 A組 B組 C組 D組年齡 (歲) 33±4 34±4 33±5 34±3體重 (kg) 55.6±6.9 55.7±7.2 56.2±6.7 56.3±7.1身高 (cm) 160.1±6.5158.8±7.1159.7±6.7159.4±6.9 SAS評分 40.6±3.3 40.7±3.1 40.3±2.9 40.5±3.2手術(shù)類型卵巢囊腫剝除術(shù) [n (%)] 5 (50) 4 (40) 6 (60) 5 (50)子宮肌瘤剜除術(shù) [n (%)] 5 (50) 6 (60) 4 (40) 5 (50)

A組為參考組，實(shí)驗(yàn)中不進(jìn)行任何干預(yù)；B組為脈沖組，僅使用理療儀的按摩功能對其進(jìn)行電療；C組為音樂組，僅使用理療儀播放抗焦慮音樂給患者聽；D組為控制組，使用理療儀的按摩功能結(jié)合音樂播放功能對患者進(jìn)行抗焦慮治療。選取耳心穴（穴位代碼：CO15）施加電療，所有小組的干預(yù)時間統(tǒng)一為30 min。將患者進(jìn)入手術(shù)室的時間節(jié)點(diǎn)記為T0，施加30 min治療后的時間節(jié)點(diǎn)記為T1，手術(shù)結(jié)束蘇醒后的時間節(jié)點(diǎn)記為T2。在各時間節(jié)點(diǎn)使用飛利浦MP 20多參數(shù)監(jiān)護(hù)儀監(jiān)測患者的心率，同時利用Remsay鎮(zhèn)靜評分量表評估患者的鎮(zhèn)靜程度。記錄結(jié)果使用SPSS 17.0統(tǒng)計(jì)學(xué)軟件進(jìn)行分析處理，結(jié)果使用±s來表示，并利用χ2檢驗(yàn)。若P＜0.05則說明組間差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

四組患者在各個時間節(jié)點(diǎn)的心率、Ramsay鎮(zhèn)靜評分統(tǒng)計(jì)結(jié)果，見表2。

表2 四組患者鎮(zhèn)靜評分、心率情況的比較（±s）

表2 四組患者鎮(zhèn)靜評分、心率情況的比較（±s）

項(xiàng)目 組別 T0 T1 T2 Ramsay 鎮(zhèn)靜評分 (分) A組 1.2±0.4 1.7±0.5 2.2±0.7 B組 1.3±0.3 2.2±0.4 2.6±0.5 C組 1.1±0.4 2.0±0.5 2.4±0.6 D組 1.2±0.3 2.4±0.4 2.9±0.6 HR (bmp) A組 83±13 78±11 75±11 B組 82±13 75±11 73±9 C組 83±12 76±10 73±11 D組 84±14 73±11 71±10

初步的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，與A組比較，B、C組患者的Ramsay鎮(zhèn)靜評分升高程度及心率下降程度有一定差異，而A組與D組患者鎮(zhèn)靜評分升高與心率下降最為明顯，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.05），在一定程度上證明了本文研制的理療儀可產(chǎn)生明顯的緩解焦慮的療效。但該結(jié)果是以40名患者為樣本產(chǎn)生的，數(shù)量較少，未來需選擇更多的病人進(jìn)行實(shí)驗(yàn)以更好地驗(yàn)證本研究的有效性。

3 討論

本文參照TEAS療法的鎮(zhèn)靜醫(yī)學(xué)機(jī)理進(jìn)行了需求分析，使用Saber，Alutim Designer，ICC AVR等軟件進(jìn)行了軟硬件設(shè)計(jì)，完成了SPWM波形輸出，音樂播放，D/A轉(zhuǎn)換限流，溫度監(jiān)測等功能，研制了一款治療術(shù)前焦慮癥的智能音樂低頻脈沖理療儀。該儀器體積小，功耗低，使用方便，在幫助患者恢復(fù)健康的同時減輕了醫(yī)務(wù)人員的工作壓力，節(jié)省了醫(yī)療資源。

盡管本設(shè)計(jì)能有效地治療患者的術(shù)前焦慮癥，但仍存在不足之處。由于外部存儲空間小，歌曲存放數(shù)量有限。在未來的研究中，可以添加藍(lán)牙接收模塊，通過手機(jī)完成音樂的播放與選取。另外，可以設(shè)計(jì)采集卡和上位機(jī)，做到通過采集音樂強(qiáng)度來改變脈沖幅度，使音樂療法與TEAS療法更好地結(jié)合。

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