基于MSP430的多功能乳腺理療儀的設計研究

趙曙，牛金海，郭佳卉，李紅

1. 上海交通大學 生物醫學工程學院，上海 200240；2. 中國福利會國際和平婦幼保健院，上海 200030

引言

WHO經過全面綜合研究及專家協商后提出，嬰幼兒出生后的最初6個月應進行純母乳喂養，以實現最佳生長和發育[1]。大多數的婦女和家庭都知道母乳喂養的好處，大量的科學研究也證實了母乳喂養可以促進嬰兒的生長發育和智力發育[2-5]，讓母代和子代受益一生。但是現實情況是母乳喂養狀況不容樂觀，根據對上海14所二級以上醫院產科的母乳喂養及健康教育狀況調查顯示，70.6%的產婦孕期即決定純母乳喂養，但產后純母乳喂養率僅為24.8%。在喂哺過程中常常碰到諸多問題，其中乳房腫脹、乳汁淤積居問題之首[6]。另外產褥期乳腺炎也是產后哺乳期婦女的常見病，以初產婦多見，常常繼發于乳頭皸裂、乳房過度充盈和乳腺管阻塞[7]。93.4%的受訪產婦希望獲得幫助，85.6%的產婦需要幫助緩解乳房不適[6]。這些數據表明，哺乳人群普遍都有得到支持措施的強烈需求。本研究擬設計一個便攜式的乳腺理療儀，建立早期干預和預防措施，幫助產婦堅持母乳喂養。

1 現狀調研

冷敷、熱敷、低頻電刺激作為物理康復手段可有效緩解乳房腫脹、疼痛及乳汁淤積癥狀，可預防乳腺炎的發生[7-10]，是臨床較常用的物理治療手段。其中，低頻電脈沖療法是基于低頻脈沖電流的生理作用和治療作用，其主要表現為興奮神經細胞組織、鎮痛和促進局部血液循環[11]。這是由于人體所有細胞在某種程度上都具有興奮能力，當頻率低于1 kHz且波形、頻率不斷變換的低頻電脈沖作用于人體時，組織中的離子會發生定向運動，消除細胞膜極化狀態，使離子濃度和分布發生顯著變化，從而影響人體組織功能。有文獻表明，低頻脈沖療法具有促進圍繞乳腺腺泡的肌細胞收縮和疏通乳腺管的作用，改善充血及局部腫脹，從而預防產后乳汁淤積[12-15]。

根據約翰·霍普金斯婦產科手冊（第4版）所述，產后2～4天通常為乳房腫脹期，需要冷敷。當乳管阻塞時（乳房有壓痛的腫脹，不伴有全身癥狀或發熱）可通過熱敷和按摩乳房緩解（有炎癥時禁用）[8]。然而，目前市場上具有《醫療器械注冊證》資質的理療儀功能單一，通常是電刺激功能與恒溫冷、熱敷功能三取其一，而且設備體積一般都較大，需要在醫療機構中床旁進行，同時設備成本高昂，動輒幾萬元的費用。家庭中也有采取較簡單的物理冷敷袋或熱敷袋，缺點是無法控制溫度（可能導致凍傷或灼傷）及保證溫度的恒定。

本研究的創新在于將產后哺乳人群作為關注對象，從實際問題出發，結合臨床診療方案，研發專用于哺乳期的乳腺理療儀，集低頻電刺激與冷熱敷功能于一體，掌式便攜帶，成本低。既可在婦產科醫院作為輔助診療手段，也方便個人在家庭使用，減少在哺乳期往返醫院治療的痛苦。

2 總體設計方案

乳腺理療儀的設計目標主要是小型化、家庭化，因此首選使用電池供電（1.5～9.0 V）。與線路供電治療儀相比，缺點是輸出的峰值幅值比較低；優點是體積小、便攜，允許患者在刺激過程中移動。其性能取決于電池壽命[16]。從外形設計上，要使產品方便手持，保證使用時的個人化、私密化；從硬件設計上，要注意低能耗、高效的數據處理，人機接口的布局盡可能地通過外在視覺形態使內部結構功能明確化[17]；從軟件上，要實現友好的人機互動，簡單易使用。為了實現上述設計目標，本設計選取TI公司的MSP430單片機作為微處理器。該微處理器是一種超低功耗的混合信號處理器，常常被用于電池供電的儀器儀表中。

本系統主要由電源模塊、單片機控制模塊、人機接口模塊、電刺激輸出模塊和溫度控制模塊構成。其中電源模塊為內置鋰電池電源電路，輸出電壓3.7 V；微控制器采用MSP430FG437芯片，是一種16位超低功耗MCU，32 KB閃存、1 KB RAM、12位ADC、雙DAC、DMA、3個OPAMP和128段LCD微控制器，其具有超低功耗、高性能、實時控制等特點；人機接口模塊包括鍵盤輸入電路和64×128分辨率OLED顯示屏；電刺激輸出模塊包括升壓電路和交流電輸出模塊；溫度控制模塊包括整流穩壓濾波電路、溫度傳感器和TEC驅動電路。其系統結構如圖1所示。

2.1 低頻脈沖電刺激模塊

電源采用鋰電池3.7 V輸出，通過穩壓電路和隔離電路升壓至40 V（設計值）。升壓電路采用TPS61170-Q1單片高壓開關穩壓器，采用2 mm×2 mm QFN 封裝的1.2 A開關和高壓升壓轉換器。FB引腳可調節為基準電壓1.229 V，最高輸出電壓約為38 V。

圖1 整體硬件結構

單片機根據從鍵盤輸入的低頻電脈沖模式，調取軟件代碼生成特定算法，自動計算并設置片內定時器模塊的控制寄存器，由單片機的相應I/O口輸出預設的幾種不同脈沖波形。通過與人體接觸的乳腺專用電極片，輸出到需要進行低頻理療的部位。本項目中用以電刺激典型脈沖波形如圖2所示，脈沖寬度范圍為5～300 μs，這個區間范圍鎮痛效果較好；頻率范圍為50～100 Hz，即脈沖周期為10～20 ms可調。軟件預設了不同參數的脈沖寬度及周期分別命名為模式A、模式B，模式C，電流刺激強度默認為0.5 mA。

圖2 典型脈沖波形圖

根據人對低頻電刺激的耐受程度不同，輸出的電流強度可在治療前及治療中隨時調節。低頻電流通過電極片向人體輸出，電極片采用圓形開口形狀（圖3），可以很好地包裹刺激部位；硅膠材料具有導電性能良好、柔韌、安全可靠、可重復使用等特點，適用于家用低頻理療儀器。

圖3 乳腺電極片

2.2 恒溫控制模塊

溫度輸出的核心部件是低功耗直流半導體制冷片（Thermo Electric Cooler，TEC），利用帕爾帖效應達到加熱及制冷的效果。帕爾帖效應是指當有電流通過不同的導體組成的回路時，除產生不可逆的焦耳熱外，在不同導體的接頭處隨著電流方向的不同會分別出現吸熱、放熱現象。當電流從TEC元件的N型半導體材料流向P型半導體材料時會吸收熱量，這一個端面為冷面；當電流從P型材料流向N型材料時會放出熱量，這一端面為熱面。帕爾貼效應示意圖，見圖4。

圖4 帕爾貼效應示意圖

通電之后，接觸面的附近在單位時間放出或者吸收的熱量（珀爾帖熱Qp）與電流強度成正比[18]，即：

π為帕爾貼系數，與溫差電勢率有關：

式中，αp、αn為P和N型半導體材料的溫差電動勢，αp為正，αn為負；T對應接頭上的絕對溫度。

本系統采用的TEC元件工作溫度為-40℃～85℃，滿足系統所需的溫度設定范圍，且無振動、無噪音。半導體制冷片在工作時，加熱的一面需要散熱才能維持TEC的長期穩定使用。本研究的散熱材料采用石墨降溫散熱片，其特點是柔軟輕薄易剪裁、熱阻低、耐高溫、遠優于金屬的超高導熱性能。

溫度控制模塊通過在脈沖輸出口外接電路實現，輸出波形經過橋式整流電路、穩壓電路、低通濾波器變換為5 V直流電壓，加載到繼電器及半導體制冷片。接溫度探頭1個，用于反饋冷熱敷材料實際表面溫度。在熱敷模式下，當表面溫度小于設定溫度，繼電器吸合，半導體制冷片正常工作；表面溫度大于等于設定溫度時，半導體制冷片的供電被切斷；在冷敷模式下則反之。

2.3 軟件設計

本軟件系統設計采用Code Composer Studio IDE V6作為集成開發環境，簡稱CCS V6，是Texas Instruments公司開發的專用于TI微控制器和嵌入式處理器產品的開發環境，包含一整套用于開發和調試嵌入式應用的工具。它提供了高效的C編譯器、源碼編輯器、項目構建環境、調試器、跟蹤和分析等其他多種功能。其主要組件構成包括TMS320C54x集成代碼產生工具、CCS集成開發環境、DSP/BIOS實時內核插件及其應用程序接口API、實時數據交換的RTDX插件以及相應的程序接口API、由TI公司以外的第三方提供的各種應用模塊插件。軟件流程圖如圖5所示。

3 開機測試

本項目已完成PCB電路板制版以及單片機程序燒錄，由鋰電池供電，并外接電極片或TEC制冷片（兩者不能同時使用）。經開機測試初步達到設計效果，實物圖如圖6所示。

圖5 軟件流程圖

圖6 電路制板實物圖

由于目前尚處于實驗室測試階段，不能進入臨床進行性能及功能驗證，以下測試均在實驗室完成。開機測試的OLED顯示界面如圖7所示。

圖7 OLED屏顯示

進入電刺激治療模式后，用1 K電阻模擬人體負載，用示波器對模式A、模式B、模式C的電刺激波形CH1、CH2分別進行記錄，A=0.5 mA。示波器波形如圖8所示。

圖8 波形輸出測試

在熱敷模式下，將溫度設定至38℃，在系統穩定后對冷熱敷材料的表面溫度每隔30 s進行一次采樣記錄，并描記出溫度曲線，如圖9所示。

圖9 溫度輸出測試

4 討論

本系統的冷熱敷功能部分采用的是采樣、繼電器控制的方式來實現恒溫控制，實驗室里的溫度測試曲線存在1℃的上下波動，因此并未實現真正意義上的恒溫。原因分析如下：① 繼電器控制方式存在一定熱慣性；② 測溫使用的溫度傳感器精度僅為0.5℃；③ 由于所購買溫度傳感器的形狀為圓柱形，與冷熱面的貼合通過膠粘帶固定，接觸面積小，不利于溫度的快速感應。基于以上分析，本系統在后期改進中，可采用PID模糊控制來優化溫度的穩定，并選擇高精度微型化的探頭。

低頻電脈沖理療儀是家庭醫療保健的常用儀器，可穿戴化、智能化、高可靠性是未來的發展趨勢[19]。本文設計的基于MSP430的低頻電脈沖理療儀，可以按照設定輸出電刺激波形，掌式便攜，體積較目前醫療機構在用的立式或臺式低頻電刺激治療儀大大縮小，且無需連接交流電，使用更輕松便捷。不同于其他功能單一的低頻電刺激理療儀，本項目初步研制的設備集低頻電刺激與冷熱敷功能于一體，并能設定溫度，較家庭粗放的冷/熱敷模式邁進一步。本研究在設計上尚有許多不足，亟待進一步的改進。