中低頻電刺激治療儀設(shè)計分析

杜勝利，安玳寧，吳少帥

（河北省藥品醫(yī)療器械檢驗研究院，河北 石家莊 050000）

目前，在神經(jīng)肌肉電刺激治療中，對治療儀的要求較高，需要根據(jù)患者肢體部位，實時調(diào)整儀器參數(shù)，并要求對輸出端信息進行采集，及時作出反饋，使得電刺激治療過程安全有效。為實現(xiàn)上述目標(biāo)，做好中低頻電刺激治療儀器的設(shè)計研究尤為關(guān)鍵。

1 設(shè)計方案說明

為預(yù)防人體阻抗對儀器輸出電流影響，將治療儀的輸出方案設(shè)計為恒流源輸出，根據(jù)治療具體情況，對功率進行調(diào)整。在電刺激模塊框架設(shè)計過程中，有關(guān)人員也應(yīng)關(guān)注MCU、調(diào)制波形，確保設(shè)計效果達到預(yù)期，提升治療儀的使用可靠性。在設(shè)計中，選取MCU中的DAC1輸出作為調(diào)制波的波形，波形主要是正弦波與方形波。在儀器的具體使用中，相關(guān)人員只需對定時器進行調(diào)節(jié)，便可實現(xiàn)變更調(diào)制波形目的。為獲取調(diào)制波與方波兩種波形，要求設(shè)計人員關(guān)注電壓跟隨器的帶載能力，將DAC1輸出控制在0～1V，而DAC2輸出則變換到-1～1V，在AD835乘法器干預(yù)下，完成對波形的調(diào)制輸出。在設(shè)計過程中，也需要關(guān)注上機位的操作顯示界面，確保各通道電刺激參數(shù)能夠顯示出來。

在中低頻電刺激治療儀的設(shè)計過程中，要求儀器參數(shù)滿足以下標(biāo)準(zhǔn)：電流輸出幅值為0～50mA，低頻為0～150Hz，中頻為1～10kHz、方波占空比滿足0～150%，電流調(diào)節(jié)1mA，其中低頻步長為1Hz，中頻步長為100Hz。

2 硬件部分設(shè)計要點

2.1 設(shè)計思路

電刺激治療儀的硬件部分包括MCU控制模塊、電源模塊、波形調(diào)制模塊、恒流源功率放大模塊、電流反饋模塊。具體設(shè)計思路如下：利用MCU對可調(diào)節(jié)波形進行輸出，并設(shè)計波形調(diào)節(jié)電路，充分利用數(shù)字電位器，對波形進行控制。經(jīng)過恒流源功率實現(xiàn)放大處理，確保電流穩(wěn)定輸出。同時做好主控板設(shè)計，調(diào)整各通道參數(shù)，將設(shè)計值以串口的方式發(fā)送到上位機。利用開關(guān)電源對交流電進行調(diào)節(jié)，確保電壓在15V，為功率放大電路提供穩(wěn)定電源。隨后，利用DC-DV轉(zhuǎn)換芯片調(diào)整電壓，將電壓降低到5V，對運放設(shè)備進行供電；最后采取LDO設(shè)備將電壓轉(zhuǎn)換為3V，作為MCU供電方案。

2.2 波形調(diào)制模塊設(shè)計

分析中低頻電刺激治療儀的性質(zhì)可知，改變刺激波形能夠達到不同的刺激效果。鑒于此，做好波形調(diào)制模塊設(shè)計十分重要。為確保設(shè)計方案簡化，使用MCU模塊，對不同波形進行區(qū)分設(shè)計，并利用反向電路原理與放大器裝置，對硬件設(shè)備中的波形電壓進行調(diào)整，確保波形電壓能夠滿足儀器使用要求。要求調(diào)制波形頻率范圍在0～150Hz，載波頻率范圍滿足1～10kHz。在AD835芯片乘法器的協(xié)助下，對后續(xù)電流輸出值進行控制。并使用數(shù)字電位器對調(diào)制波形電壓進行調(diào)整，確保波形輸出值準(zhǔn)確、具有參考價值。

2.3 恒流源功率放大模塊設(shè)計

在電刺激治療儀器設(shè)計中，相關(guān)人員需要關(guān)注雙運放恒流源設(shè)計效果，掌握模型參數(shù)，對刺激電流的大小進行控制。其中電流值應(yīng)滿足以下表達式：

對上述公式進行整理可得到：

式中，Id為流過人體電流，Rload代表人體阻抗電流，Uin為輸入波形，VDD為設(shè)備中功率放大電路電源。在Uin滿足±1V情況下，Rset值一般在100Ω內(nèi)。當(dāng)需要輸出雙極波形時，應(yīng)將Rset值調(diào)整到0。為確保治療儀器硬件設(shè)計合理，也需要在放大電路與人體負(fù)載之間設(shè)計變壓器裝置。在具體應(yīng)用中，變壓器能夠起到隔離電路板的作用，由此滿足阻抗變換要求。根據(jù)最新設(shè)計理念，也將負(fù)載一側(cè)較大阻抗變換為小阻抗，確保在功耗條件不變下，輸出較小電流值，促使中低頻電刺激治療儀設(shè)計科學(xué)合理。

在本次研究中，將供電電源U1設(shè)計為15V，變壓器副極匝數(shù)設(shè)定為20，此時經(jīng)過實際測量，最大不失真電壓為300V。后期可根據(jù)測得的阻抗值，對電源電壓進行調(diào)整，確保功率輸出穩(wěn)定。

2.4 電流反饋模塊設(shè)計實現(xiàn)

針對中低頻電刺激治療儀而言，設(shè)計人員應(yīng)對電流反饋模塊進行設(shè)計，將負(fù)載前串聯(lián)的高精度小電阻兩端作為主要觀察對象，并作為差分放大器AD629的兩個輸入值，實現(xiàn)對電流大小的有效檢測。在設(shè)計過程中，也將采集的模擬信號發(fā)送到STM32內(nèi)置的ADC中。在做好模數(shù)轉(zhuǎn)換后，當(dāng)檢測電流超過設(shè)計的電流閾值后，STM32會將信號發(fā)送到指定單元，實現(xiàn)對功率輸出端繼電器的快速斷開，使得輸出裝置斷開，確保電刺激治療中人員安全性。以上設(shè)計方案應(yīng)用后，也能夠檢測過載電流，當(dāng)電流輸出值增加后，電流反饋模塊迅速起到保護裝置，使得功率端運行狀況良好。

3 軟件部分設(shè)計要求

3.1 設(shè)計思路

在低頻電刺激治療儀器設(shè)計中，要求設(shè)計人員對儀器軟件部分進行優(yōu)化，使得設(shè)備操作便捷。在設(shè)計中，選擇使用上位機、下位機功能分開設(shè)計方案，其中下位機部分主要負(fù)責(zé)電刺激波形數(shù)據(jù)的生成，并對各類參數(shù)進行實時調(diào)整，確保儀器軟件功能實現(xiàn)。而上位機部分則借助串口連接方式，實現(xiàn)與下位機之間通信，并接收來自下位機各通道的信息數(shù)據(jù)，并根據(jù)實際要求，做好顯示與保存。

3.2 下位機設(shè)計要點

在下位機系統(tǒng)設(shè)計中，選擇Keil環(huán)境運行程序，完成操作部分的編寫，并在其中搭載了嵌入式RTOS系統(tǒng)，開展多線程控制任務(wù)。下位機系統(tǒng)的主要任務(wù)是借助內(nèi)置的STM32發(fā)送正弦波與方波，并完成對各按鍵部分的連續(xù)檢測，通過不同按鍵響應(yīng)，發(fā)送波形、通道、頻率與電流大小指令，確保數(shù)據(jù)能夠經(jīng)過串口發(fā)送到上位機。在具體操作中，首先需要接通電源，隨后選擇輸出的波形、通道與電流值，同時明確頻率數(shù)與脈寬等關(guān)鍵參數(shù)。在設(shè)計中，也需要根據(jù)操作要求，對下位機的輸出參數(shù)進行調(diào)整，以滿足最新設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，使得波形輸出到電極端。

3.3 上位機設(shè)計

在上位機設(shè)計中，使用QT編寫方案，完成界面顯示簡潔化設(shè)計，并選擇正確的串口，通過對串口數(shù)據(jù)的調(diào)取與使用，獲取電刺激參數(shù)。當(dāng)確認(rèn)串口數(shù)據(jù)正確后，可點擊系統(tǒng)控件，實現(xiàn)對頻率、電流強度、脈寬等數(shù)據(jù)參數(shù)整理。在設(shè)計過程中，為確保顯示界面清晰度可靠，需要調(diào)整屏幕分辨率，并對顯示數(shù)據(jù)進行記錄分析，為后期調(diào)取與應(yīng)用提供支持。此外，以上部分的數(shù)據(jù)也可存儲在文件夾中，后續(xù)操作人員可通過Excel文件形式，打開數(shù)據(jù)表格，對不同時間段上位機顯示界面參數(shù)進行統(tǒng)計。

4 設(shè)計結(jié)果分析

為確保設(shè)計結(jié)果可靠，提升電刺激治療儀在腦卒中治療中應(yīng)用價值，需要對設(shè)計結(jié)果進行分析，并做好參數(shù)糾正。本次研究選取模擬電阻與人體作為參數(shù)，基于研究結(jié)果搭建測試平臺，用于檢測波形效果、電流強度對電流刺激效果帶來的影響。在檢測中，使用QT上位機對各通道數(shù)據(jù)進行獲取，并完成數(shù)據(jù)真實性檢測，了解參數(shù)設(shè)計值與實際值之間差異，使得輸出誤差降低。

4.1 阻抗測試

在阻抗測試中，設(shè)計人員對不同阻抗值進行測試研究，將4組不同阻抗值的電阻接入電刺激儀器設(shè)備中，并對輸出端、串口線與PC端的連接效果進行測試，了解電源供應(yīng)是否具有可靠性。在測試過程中，也對波形進行調(diào)整，調(diào)整項目包括波形頻率與電流大小。測試結(jié)果表明，硬件樣機能夠滿足各樣機參數(shù)調(diào)整要求。在具體測試階段，為獲得中低頻調(diào)制波形、阻抗效果等關(guān)鍵信息，對測試電流輸出值進行控制，四組電流值分別控制在5mA、10mA、15mA、20mA，得到的波形頻率分別為1kHz、100Hz，阻抗測試與設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)一致。

通過對測試結(jié)果的分析可知，各通道電流實際輸出值與設(shè)計值之間差異較小，可滿足電刺激治療儀恒流輸出要求。對設(shè)計方案進行分析可知，隨著設(shè)計電流值的增加，電流值開始低于標(biāo)準(zhǔn)值。造成上述問題出現(xiàn)的主要原因如下：（1）測試電阻精度未能達到設(shè)計要求，部分電阻設(shè)計值與實際值之間的差異較大；（2）數(shù)據(jù)記錄存在誤差；（3）在具體測試中，軟件環(huán)境未能達到行業(yè)最新標(biāo)準(zhǔn)，軟件模塊落后，使得電刺激治療儀的使用標(biāo)準(zhǔn)與設(shè)計要求不匹配。在測試中，為檢測各波形的顯示效果，設(shè)計人員選擇1kΩ的電阻作為模擬電阻，并將其置于模塊按鍵中，了解波形發(fā)生的具體變化。經(jīng)過測試可知，載波調(diào)制波的頻率為1kHz，調(diào)制波的頻率為100Hz，方波頻率1kHz，正弦波頻率為1kHz，電流幅度為2mA，與設(shè)計要求一致。

4.2 人體實驗

在電刺激治療儀的使用中，以人體實驗的方式進行測試。在測試過程中，選取上臂不同部位作為測試點，在測試電極片粘貼前，預(yù)先使用酒精棉對測試人員皮膚表面進行擦拭。當(dāng)皮膚貼上電極片后，應(yīng)連接串口線，隨后接入電源。在具體測試環(huán)節(jié)，為確保電刺激治療儀使用安全性，將初始電流幅度值控制在0mA，隨后不斷增加電流值，直到測試人員感受到刺痛感后停止。

為檢測電刺激治療儀設(shè)計是否可靠，在具體測試環(huán)節(jié)，需要調(diào)節(jié)不同測試位置，并設(shè)計差異化的波形調(diào)節(jié)，以確保電刺激治療儀能夠在不同場景下使用。在本次測試中，了解到人體相同部位刺激感受最佳值存在差異，分析原因是不同人體的肌肉群損傷程度不同。鑒于此，在電刺激治療儀使用前，設(shè)計人員應(yīng)考慮以上因素造成的影響，對設(shè)計參數(shù)進行調(diào)整與優(yōu)化，為臨床治療提供技術(shù)支持。在開展人體測試時，使用相同的刺激參數(shù)對上臂進行測試，得到的測波形更加準(zhǔn)確。與模擬電阻實驗比較后，發(fā)現(xiàn)人體實驗中方波出現(xiàn)變化，以近似微分波形的方式顯示出來。造成上述差異的主要原因是人體阻抗影響，能夠?qū)﹄娮枧c電容形成全阻抗。

4.3 結(jié)果說明

對設(shè)計結(jié)果進行分析可知，中低頻治療儀的電刺激效果理想，將其應(yīng)用在腦卒中患者預(yù)后神經(jīng)功能恢復(fù)中，能夠達到較深部位，并緩解對神經(jīng)根造成的刺激與壓迫，對促進血液循環(huán)、加快新陳代謝產(chǎn)生深遠影響。鑒于此，需要特別關(guān)注神經(jīng)肌肉電刺激治療儀的設(shè)計效果，做好最新設(shè)計方案應(yīng)用，確保電刺激治療儀在患者康復(fù)中發(fā)揮重要輔助作用。

5 結(jié)語

綜上所述，對中低頻電刺激治療儀設(shè)計相關(guān)內(nèi)容進行分析，在具體研究中，首先明確治療儀設(shè)計方案，在此基礎(chǔ)上，完成對硬件部分與軟件部分設(shè)計，通過做好波形調(diào)制、恒流源功率放大、電流反饋模塊設(shè)計，使得設(shè)備硬件部分設(shè)計效果達標(biāo)。在軟件部分設(shè)計中，重點講解下位機、上位機設(shè)計思路，并對治療儀的設(shè)計成果進行分析。研究取得預(yù)期成果，不僅滿足參數(shù)與波形多樣化要求，而且為臨床治療提供最新技術(shù)方案。