多功能脈沖治療儀電路設計

孫少華

（山西大同大學 機電工程學院，山西 大同 037009）

0 引 言

隨著社會的飛速發展，人們的生活水平雖然一直在提高，但迫于日漸激烈的社會競爭，人們將更多的時間用于工作，缺少了生活中必要的一些鍛煉與外界的交流，漸漸被沉重的精神壓力困擾[1]。目前，電子醫療是一種比較流行的治療形式。由于哺乳動物在1 000 Hz以下的低頻脈沖作用下都會引起一次神經運動的反應，所以電脈沖治療儀選擇低頻，通過自身產生的脈沖波形與人體對低頻電脈沖反應的特性相配合，實現了在無痛條件下產生治療的作用，而受到微弱電脈沖刺激的神經細胞會產生興奮，促使人體自身調節系統進行自我調節。

1 脈沖治療儀的總體設計

1.1 硬件總體設計

硬件電路模塊構成如圖1所示，其中核心部件是單片機系統、顯示器模塊、示波器、時鐘電路和2個通道橡膠電極。

該多功能脈沖治療儀有五大特點：

（1）抗干擾能力強，能很好地適應電磁應用極廣的現代社會；

（2）體積小、成本較低、能隨身攜帶，極大地方便了廣大患者；

（3）可靠性高，準確性強，能針對性地治療患者；

（4）由于該脈沖治療儀由單片機來控制，因此其運行速度較快，邏輯控制能力強；

（5）可通過設置指令使引腳功能復用，以解決當單片機由于引腳不足而無法解決較多功能的缺陷。

總體設計框圖如圖1所示。

圖1 硬件框圖

1.2 設計目標和預期效果

本文采用單片機設計，多功能脈沖治療儀設計目標主要有以下幾點：

（1）低頻可調脈沖；

（2）工作電壓+5 V；

（3）根據波形模擬不同程度的針灸治療效果；

（4）雙通道輸出。

預期效果主要有以下幾點：

（1）較大程度上緩解了患者的壓力，電耗費小；

（2）雙通道輸出，能同時治療兩個部位或者雙人同時使用；

（3）促進治療部位的血液循環，加快代謝，增強免疫力，一定程度上達到強身健體的功效；

（4）能根據不同頻率波形模擬針灸治療中的捻入、飛入、彈入、插入、速刺、緩刺、提插和捻轉等不同程度的治療效果[2]。

1.3 硬件電路的選用和設計

1.3.1 鍵盤接口電路設計

人機對話功能在現實操作中起著不可或缺的作用，而單片機就具備這種功能。因此，鍵盤的使用逐漸成為這種功能的一種橋梁。鍵盤不僅能使CPU識別有鍵位按下，還應該能使其識別是哪一個鍵位按下。常用鍵盤有：①全編碼鍵盤：其功能較為精細，需要特定的硬件電路，造價稍高，不適用于電脈沖治療儀的設計；②非編碼鍵盤：分為矩陣式鍵盤和獨立鍵盤，雖然結構稍顯簡單，但是完全能滿足電脈沖治療儀的設計需求。事實上，按鍵的功能相當于開關電路，按下時會使電路處于閉合狀態，通過接口電路將按鍵的信息輸入到單片機中，單片機在獲取到信息時會寫入相應的指令完成功能程序，然后恢復初始狀態。

1.3.2 數碼顯示

常見的顯示器LED和LCD的共同點是結構比較簡單，省電且耐用。LED本身可以發光，能很好地應用于黑暗條件。它的功耗稍高，壽命較LCD長，反應更靈敏。每個LED顯示器只能顯示一個字符或一個字段。而液晶顯示器的功耗低得多，壽命稍短，反應稍長，且交流驅動結構也較LED復雜。LCD本身不能發光，黑暗條件下需要借助背光，但每個LCD顯示器可以同時顯示多個字符甚至復雜的圖形，并且有較高的清晰度。

根據本設計的需求，本著從簡、節約的原則設計，選擇LED顯示器。

1.3.3 電源供電選擇

考慮到電脈沖治療儀所需電壓較小，需要穩定的可持續電壓，且需要具備易于攜帶的特點，設計的電脈沖治療儀選擇鋰離子電池來完成電脈沖治療儀的供電工作。鋰離子電池的核心是鋰。鋰是最輕的金屬元素且可實現多次充放電功能。基于它的耗電低、安全可靠、壽命長、便于攜帶、工作環境要求較低且能適應多種工作場所的優點，它完全能夠滿足電脈沖治療儀的設計[3]。

1.3.4 雙通道輸出的選取

常用的導電橡膠是將一些金屬顆粒均勻添加到硅橡膠中，當導電橡膠受到外力作用時，橡膠中的微小顆粒會在外力作用下互相接觸，形成導通的線路。導電硅膠有一定的可塑性，可以模壓或擠壓成某些特定形狀，生產成片裝或其他的一些有規律的特定沖切形狀。導電橡膠的原理如下：①當導電橡膠中的導電顆粒比重較大時，外界給與壓力后，導電顆粒會相互接觸形成互連狀態，從而可以導通外部的電流作用于人體；②根據能量守恒定律，當外電流經過導電橡膠時，微小導電顆粒自身的電阻會產生一定的熱量，具有一定的舒緩病痛的效果。

在選取橡膠導電極板時，為了方便患者的使用，通常選取具有粘附性的導電電極。它具有一定的按壓吸附性，可以達到一定的輔助治療效果。

2 系統的軟件設計

2.1 主流程設計

主程序的運行流程為：開始→初始化程序→輸入可調工作頻率→輸入工作時間T→開始計時，時間設為Ti→設置輸入單片機的波形→判斷是否達到設定時間→結束。

設計采用單片機實現頻率可調、方波輸出，以達到模擬針灸治療的效果。開機后可以先設置工作頻率，不同的患者可以根據自身的感覺來確定工作頻率。不同頻率能達到不同程度的電刺激，從而滿足患者的不同需求。使用人還可根據自己的需要設置工作時間，系統自身判斷是否達到工作時間。未達到工作時間，就會繼續工作；當工作時間達到預定工作設置時，系統會自動結束工作。系統使用的波形為特定方波脈沖，頻率為1～8 Hz，故設計的電脈沖治療儀具有針灸的一些效果，而不同頻率的效果不同[4]。

2.2 子程序的設計

子程序運行流程為：開始→輸入工作時間T→調用顯示時間子程序→計數器計時Ti→掃描鍵盤工作方式n→調用產生工作方式n的方波子程序→判斷是否達到設定時間→結束。

單片機輸出的方波信號經過各種頻率的改變，使得方波信號能模擬不同程度的針灸效果。隨著工作時間的進行，在患者機體逐漸適應的情況下，患者可以逐漸加強工作頻率，以達到更強的治療效果。

3 仿真設計

如圖2所示，仿真采用的是Proteus軟件。圖2中有8個按鍵代表不同的8種頻率，即S1～S8分別代表1～8 Hz，每隔1 Hz一個頻率檔，根據輸出的不同頻率模擬不同程度的針灸效果。輸出的波形通過雙通道輸出作用于患者不同部位，也可以同時治療2位患者。

當輸入頻率為1 Hz時，代表的模擬針灸效果程度較為微弱；頻率逐漸增加，波形越來越密，代表模擬針灸效果程度加強。實際中，患者可根據自身感覺設定工作頻率。隨著工作時間的增加，患者也可相應增加頻率達到更有效的治療。

4 結 論

電脈沖治療儀以安全、環保、節約的特性帶動細胞恢復活力，達到機體的健康狀態。電脈沖治療儀特有的模擬針灸功能可以對病變部位進行深入刺激，模擬正常的神經刺激產生沖動，使病變細胞接受并反向傳輸形成反射弧，提高人體免疫力，促進新陳代謝的平衡。本文設計的系統每隔1 Hz設置一個頻率檔位，根據輸出的不同頻率來模擬不同程度的針灸效果。通過設置的雙通道可以實現將信號輸出到同一患者的不同部位或者是兩位患者身上。當頻率逐漸增加，波形越來越密，代表模擬針灸效果程度加強。患者可根據自身感覺設定合適的工作頻率，實現更有效的治療，具有一定的使用價值。

圖2 系統仿真電路