基于電磁場技術的周圍神經損傷康復治療儀的設計

王祖銘，嚴郁（通信作者），季倩云，曲振宇，肖富男

1 南京中醫藥大學附屬醫院設備處 （江蘇南京 210029）；2 常州市第一人民醫院醫學裝備科 （江蘇常州 213003）

周圍神經損傷是臨床常見、多發疾病，我國大約有2 000萬人正在遭受周圍神經損傷帶來的肢體麻木、疼痛甚至畸形、殘疾的困擾，并且每年增長約200萬人次[1]。雖然顯微外科手術技術的發展為損傷神經修復及功能恢復提供了良好的基礎，但是顯微外科手術后周圍神經再生是不完整的，而且比較緩慢，短時間內無法恢復。即使在經過足夠長的神經再生時間之后，許多患者仍表現出感覺異常的癥狀。在接受神經損傷修復后，只有不足50%患者的運動和感覺功能恢復能達到滿意的效果[1-2]。因此，如何促進神經再生，改善再生神經功能，恢復肢體功能，是周圍神經損傷患者康復領域的一大難題。本研究介紹了一種新型周圍神經損傷康復治療儀， 該治療儀將周圍神經損傷再生的基礎理論研究成果與傳統中醫康復治療理論相結合，可利用外加電勢的方法來促進損傷的周圍神經加速生長。以期為周圍神經損傷患者的全面康復提供一種全新的治療方法和治療平臺。

1 醫學機制與參數設計

當發生周圍神經損傷后，損傷的神經斷端回縮，遠端軸突、髓鞘發生Waller變性，雪旺細胞分裂增殖，斷端回縮球表面長出軸突支芽（生長錐），在雪旺細胞的引導下，以每天2～4 mm的速度向靶器官方向生長，直至終末器官恢復功能。因此，周圍神經修復后，要經過變性、再生，穿越修復處瘢痕及終末端器官生長成熟等過程，生長周期長，功能恢復慢[1-4]。

現代康復醫學研究表明，通過適當的康復治療可以促進神經修復，加快患者的康復速度[5-16]。目前臨床上主要采用針刺、物理治療、功能性電刺激等傳統中醫康復治療方法促進神經修復。這3種康復治療方法都能有效地促進損傷神經的修復，減輕患者的痛苦[5-6，9-12]。

現代醫學生理學研究表明，直流電場存在于所有發育和再生的動物組織中，其存在對組織修復和發育具有很大的潛在影響[6，11-14]。國內外長期研究證明，人體周圍神經由于外傷等原因損傷被切斷后，其神經纖維可以再生[11-14]。在再生神經斷口前端生長錐處會聚集大量正離子，帶有很強的正電荷，即在再生神經近端會產生正向電位[14]。如果在其生長方向的遠端加載一定量的反向電荷及負向電位，則會加快神經的生長速度，從而促進神經功能恢復，可極大地縮短患者的康復周期，并減輕其痛苦[14-16]。

根據上述基礎理論研究成果，并結合傳統中醫康復治療手段，本治療儀的設計采用電磁場技術，在人體損傷部位施加相對神經生長遠端的負向電位，以提高損傷神經的生長速度。本設計的核心技術在于精確確定對神經生長遠端施加負電荷以形成的電位差值范圍，這將直接關系到所施加負電荷是否能加快神經生長速度。同時，為保證電壓輸出誤差控制在±10%以內，本設計利用極板間的電容值判定極板間距，通過微處理器及數據庫比對值輸出相應的治療電壓值；通過采用帶寬120 M的高速運算放大器構成的高精度可調伺服直流電源，微處理器控制，輸出電壓精度以20 mV遞增或遞減，輸出端電壓近乎零波動，從而保證輸出電場的穩定性；另外，本設計采用多級濾波、隔離與屏蔽等多種手段，阻斷網電源及其他外來干擾，以保證設備工作的穩定性。

2 硬件設計

周圍神經損傷康復治療儀的硬件設計如圖1所示，包括電源模塊、單片機中心控制模塊、電場發生模塊、電場強度設置模塊和顯示模塊。220 V交流電通過隔離濾波單元為電源模塊供電，然后通過單片機中心控制模塊控制電場強度設置模塊，為電場發生器模塊提供輸出電場參數，再通過治療電極輸出特定治療電場。液晶顯示模塊顯示當前治療信息。

單片機中心控制模塊控制處理器采用STC12C5A60S2單片機。STC12C5A60S2是8051系列單片機，該處理器具有處理速度快、功耗低、抗干擾能力強、控制精度高、通用性好等優點。電源模塊采用ESP-15-36，有短路保護、過載保護和過電壓保護。電壓模塊采用LM2596，具有完善的保護電路、電流限制、熱關斷電路等功能，LM2596系列開關電壓調節器是降壓型電源管理單片集成電路，具有很好的線性和負載調節特性，只要添加少量的外部元件就可以使用該電壓調節器，其可調輸出電壓范圍為1.2～37.0 V。該調節器內部集成有頻率補償和固定頻率發生器，開關頻率為150 kHz，與低頻開關調節器相比較，可以使用更小規格的濾波元件。另外該調節器在特定的輸入電壓和輸出負載條件下，輸出電壓的誤差可以保證在±4%范圍，振蕩頻率誤差在±15%范圍，完全符合誤差控制在±10%的設計技術要求。顯示模塊采用LCM12864J圖形點陣液晶顯示器，此顯示器的連接十分可靠，采用6位控制總線和8位并行數據總線輸入輸出，適配M6800系列時序，可實現全屏幕點陣，能夠顯示治療模式選擇、治療強度選擇、治療時間設定，控制簡單方便。

圖1 周圍神經損傷康復治療儀硬件設計

該治療儀包括關機、待機和治療3種狀態。關機狀態下，只有電源控制轉換芯片處于關斷休眠模式，其他部分完全斷電，整機功耗極低；待機狀態指治療儀已經通電，用戶可以選擇治療模式、治療強度、治療時間等；當治療儀處于治療狀態時，患者會明顯感到脈沖電流的刺激，并可調整治療強度、治療時間，并可選擇終止治療。

該治療儀通過電極片在人體四肢及軀干損傷部位產生相對神經生長端正向電位的負向電位，電極片包括人體四肢用和軀干用，分為全纏繞型和粘貼型等不同型號，以針對不同患者的治療需要。

3 軟件設計

周圍神經損傷康復治療儀的軟件設計如圖2所示，主要包括鍵處理程序、電場電壓調節程序、顯示屏驅動程序、電極脫落檢測程序和治療模式控制程序。

圖2 周圍神經損傷康復治療儀軟件設計

鍵處理程序主要包括治療模式選擇、治療強度調節、治療時間設定、鍵盤鎖定、開始/結束、緊急停止等相關治療設置。治療模式選擇鍵可以對連續波、脈沖波、混合波等3種治療模式進行選擇；治療強度調節鍵可以根據臨床治療需要調節不同的治療強度，通過微處理器控制電場發生模塊產生相應的治療電壓值；時間設定鍵可以設定所需治療時間；鍵盤鎖定鍵可以鎖定鍵盤防止誤觸，在鎖定狀態時按下鍵盤上除了此鍵外的任何鍵，治療儀均無反應，再次按下此鍵時將會解鎖鍵盤；開始/結束鍵分別代表治療的開始和結束；緊急停止鍵可以將當前治療緊急停止，防止因意外對治療部位產生損傷。

治療電壓調節程序主要調節治療儀的電場電壓，以確保治療儀更加精確地產生促使神經生長的電位場，設計要求電位差值范圍為100～250 mV/mm。如果需要調節治療電壓，就進入電壓調節程序流程，確認當前參數，啟動治療。

顯示屏驅動程序是針對所選128×64 點陣圖形液晶控制器進行編程，可顯示治療模式選擇、治療強度選擇、治療時間設定，為治療儀提供良好的人機交互界面。

電極脫落檢測程序用來檢測電極是否脫落，其是利用微處理器IO 端口中斷功能，在10 s內如果IO上沒有輸入脈沖引起的中斷，則可判斷電極脫落，此時治療儀內部會發出警報聲，提醒醫護人員重新調整電極位置。

治療模式控制程序是治療儀的核心功能模塊，主要用于控制主機的3種工作模式，包括連續波、脈沖波和混合波。其原理是通過對微控制器的節拍定時器、16位定時器進行編程操作，設置定時器寄存器不同參數，就能夠產生頻率、占空比可調的脈沖輸出。治療時，輸出功率5～100 mW連續可調，可任意設置，誤差＜±5%。

該治療儀的工作流程如圖3所示。按開機鍵，治療儀首先進行微控制器初始化、LCD初始化，選擇治療模式，確定治療強度，調節治療時間，啟動治療。治療開始后，治療儀電極脫落檢測程序每10秒檢測1次，如果發生脫落則停止治療，并報警提醒醫護人員重新安裝電極，再按開始鍵，治療繼續。

圖3 周圍神經損傷康復治療儀軟件流程

4 小結

周圍神經損傷康復治療儀是利用外加電勢的方法來促進損傷的周圍神經加速生長，可大大提高神經生長速度，使神經生長速度達到正常恢復的幾倍以上。應用此方法對周圍神經損傷患者進行康復治療，可以大大提高神經再生速度，加快神經損傷修復進程，縮短愈合期，增強愈合效果，從而極大地提高患者的生命質量。該康復治療儀結合中西醫基礎理論和實驗研究成果而設計，具有明確的理論依據和作用機制，開創性地解決了傳統中醫理療不能解決的神經損傷修復進程緩慢、愈后效果不佳、作用機制不明的問題。目前該設備的硬件設計與軟件設計已完成，但設備安全性和有效性尚需臨床研究進一步證實。