疼痛治療儀及移動端APP的設計及應用

摘 要：本文根據慢性疼痛的位置及特點，設計了一款基于TENS的疼痛治療儀，并對其外觀形狀、控制系統及鎮痛參數進行設計，同時基于Android Studio與Java設計開發了與治療儀配套的移動端APP，使用戶可通過手機直接對治療儀進行工作模式選擇及工作狀態控制。本文設計的治療儀外形小巧，功耗低，易于攜帶，可方便用戶實現口袋式疼痛治療。

關鍵詞：疼痛；治療儀；TENS；移動端；APP；3D建模

中圖分類號：TP317 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2024）04-0-03

DOI：10.16667/j.issn.2095-1302.2024.04.034

0 引 言

隨著工作、生活節奏的加快，久坐與缺少鍛煉往往容易導致人們患上慢性疼痛。根據新華社消息顯示，目前我國慢性疼痛患者超過3億人，且每年以1 000萬到2 000萬的速度增長，其中頭、肩、腰是慢性疼痛的主要部位[1]。物理療法和按摩療法是最常見的疼痛治療方法，文獻[2-3]提出了采用溫泉療養與物理療法聯合干預對慢性腰腿疼痛患者的養護。文獻[4]探討了穴位針刺聯合物理療法治療肩周炎的臨床療效及作用機制。文獻[5]探討了電針療法、經皮電刺激療法與穴位按摩法治療肩周炎的療效。文獻[6]探討了仿生物電技術結合按摩法對慢性盆腔痛患者的治療療效。

本文在現有研究的基礎上，應用經皮神經電刺激（簡稱TENS）無創止痛法，通過溫和微量的電流刺激人體疼痛部位的知覺神經去阻斷痛覺神經信號的傳遞，同時根據不同個體各部位的疼痛特性，通過移動端APP來調節電流刺激強度及頻率，從而為各類慢性疼痛人群帶來更好的止痛效果。

1 基于TENS的鎮痛參數設計

TENS輸出信號的波形、頻率、幅度、脈寬是影響鎮痛效果的4個重要因素[7]：

（1）波形：一方面方波具有消腫、鎮痛、鎮靜與催眠作用，另一方面采用無極性電刺激波形，可以減少肌肉組織損傷，避免人體產生電泳、電解等副作用；

（2）頻率：不同頻段對人體感覺神經具有不同的效果，頻段為50 Hz時，感覺神經震顫感明顯，而頻段為100 Hz時，可達到感覺神經止痛效果；

（3）幅度：TENS的電刺激強度主要通過電流體現，一般根據個體的疼痛特性，選取15～50 mA范圍的電流，主要以人體舒適為主；

（4）脈寬：TENS的脈沖電流需要達到一定寬度對神經肌肉的刺激才有反應，其脈寬通常為50～200 μs。

根據TENS不同的電流刺激能夠起到刺激肌肉、感覺神經或抑制疼痛等作用，本文采用無極性電刺激方波，選取100 Hz頻段，設計了治療模式與按摩模式2種工作方式。在參考現有研究的基礎上，本文設計了肌肉酸痛、炎癥治療、鎮痛、風濕治療等癥狀的治療波形；而按摩模式中輸出的電流波形主要仿造按摩的效果，本文設計了捶擊、揉捏、振動與按壓4種按摩效果。

2 外觀形狀設計

針對目前疼痛治療儀大多比較笨拙，不便于攜帶的現狀，本文從滿足控制系統硬件所占空間與外觀美觀性方面考慮，將治療儀中控端的外殼設計為一個扁平的四方體。整體采用SolidWorks進行3D建模，如圖1所示。再采用3D打印制造技術按上下兩面打印，上下兩面通過隱形卡扣安裝連接，如圖2所示。圖2中標號1為Type-C充電端口，標號2為

3.5 mm接口用于連接TENS電極貼片，如圖3所示，標號3為電源開關。

3 控制系統設計

治療儀控制系統方案設計框圖如圖4所示。采用STM32F103RCT6作為主控芯片，藍牙芯片使用CC2541[8]。手機APP數據通過手機藍牙發送到CC2541藍牙芯片，藍牙芯片將接收的數據轉發給主控芯片，主控芯片收到信息后向藍牙芯片發送一條確認指令，藍牙再把指令反饋給手機APP，通知手機APP控制成功，從而實現控制MCU的目的。

系統開始工作時，MCU首先控制升壓電路將輸出電壓提升到70 V，其次通過數模轉換輸出正弦波、方波、三角波等波形，波形通過電壓跟隨器輸出到雙極型變換電路，再輸出電壓幅值為正負70 V的電壓波形，然后電壓波形通過TENS電極貼片連接到人體對應穴位進行治療。同時，將該電壓波形儲存在MCU中，手機APP可通過發送數據選擇配置好的治療波形從而控制MCU輸出相對應波形進行

治療。

4 移動端APP設計

本APP是與治療儀配套使用的移動端控制APP，采用Android Studio開發環境，使用Java與XML編程語言開

發[9]，其主要由儀器控制、疼痛識別、歷史記錄和個人中心模塊組成。一方面，基于藍牙通信協議，儀器控制模塊通過藍牙4.0低功耗版本直接與治療儀的藍牙模塊連接，進行數據交互，實現治療儀啟動、關閉和治療模式的精確控制。治療儀通過藍牙RFCOMM通道實時發送狀態信息，儀器控制模塊接收到狀態信息后在界面上進行可視化顯示，同時通過RFCOMM通道向治療儀發送治療強度和治療模式等控制信息。另一方面，基于MQTT協議與遠服務器連接，從服務端獲取治療儀實時治療疼痛的數據和歷史數據，并在疼痛識別模塊界面上進行可視化顯示。治療儀疼痛信息經過服務端訓練好的深度學習模型處理后，產生能夠可視化的疼痛數據，再通過MQTT協議發送給APP，APP接收到疼痛反饋信息后將其可視化顯示[10]。

5 實驗結果與分析

（1）治療儀與移動APP連接

當用戶進入APP后會彈出如圖5所示的儀器控制初始界面，如果用戶手機未開啟藍牙，將請求用戶開啟手機藍牙。當點擊界面上的“連接”按鈕時，開始搜索指定設備，當搜索并成功連接到指定設備時，將進入儀器控制主界面，如

圖6所示。

（2）移動APP控制治療儀進行疼痛治療

手機APP與治療儀連接成功后，即可根據用戶需要選擇不同的功能。當點擊“開始治療”時，手機APP向治療儀發送開始治療指令FF 01 EE，治療儀在接收到指令后開始放電工作，如圖7所示。當點擊“暫停治療”時，將發送暫停治療指令FF 05 EE，治療儀接收到指令后將停止放電工作。當點擊“治療力度”面板的增加按鈕時，將向治療儀發送增加治療力度指令FF 03 EE，治療儀在接收到指令后將增大放電力度，如圖8所示。由于本文設計的治療儀放電強度有限，所以APP增加力度擋位上限為10，當力度達到10時，增加按鈕將不可點擊。通過點擊“切換模式”來切換治療模式，改變治療儀的放電頻率，如圖9所示。

（3）疼痛識別數據顯示

手機APP通過與MQTT服務端相連接，將用戶的疼痛數據進行可視化顯示，在界面中輸入正確的MQTT服務端地址并點擊“確定修改”時，APP將清空所有來自服務端的歷史記錄，并且初始化與該服務端的連接。當連接成功后，界面的“疼痛強度”和“疼痛位置”面板將會實時顯示相應的識別數據，每一組狀態將會使對應位置產生高亮，如圖10所示。

6 結 語

本文通過手機APP連接治療儀，采用經皮神經電刺激法對人體慢性疼痛進行治療。與傳統治療方法相比，本文設計的基于TENS和移動端APP的治療儀具有快速、精準、有效、無副作用等特點，能更好地緩解和治療疼痛癥狀，同時還能通過調節電療的頻率、幅度、時間等參數，為不同疼痛個體及不同疼痛部位帶來更好的治療效果。

注：本文通訊作者為伍馮潔。

參考文獻

[1]新華社. 我國慢性疼痛患者超3億 疼痛已成第三大健康問題[EB/OL].https：//www.360kuai.com/pc/97f9aee0aa3107a5c？cota=3amp;kuai_so=1amp;tj_url=so_vipamp;sign=360_57c3bbd1amp;refer_scene=so_1.

[2]裴金雪，龍玥，魏薇.個體化溫泉療養與物理療法聯用對慢性腰腿疼痛患者康復效果的影響[J].中國療養醫學，2020，29（8）：828-829.

[3]馬艷紅，馬陽，劉陽，等.森林浴結合物理療法對慢性腰腿疼痛患者疼痛情況與睡眠質量的影響[J].中國療養醫學，2021，30（4）：371-372.

[4]楊志軍，白瑞雪，王京，等.穴位針刺聯合物理療法治療肩周炎76例[J].安徽醫藥，2023，27（2）：285-287.

[5]趙月.電針療法、經皮電刺激療法與穴位按摩法治療肩周炎的療效對比[J].內蒙古醫學雜志，2020，52（6）：697-698.

[6]曹凌艷，焦墨芝，姚水蓮.仿生物電技術結合按摩法對慢性盆腔痛患者的治療療效[J].當代醫學，2020，26（30）：123-124.

[7]褚華清，鄭暉.經皮神經電刺激在疼痛診療中的應用及研究進展[J].中國疼痛醫學雜志，2021，27（9）：693-697.

[8]張凱.基于STM32的無線藍牙傳輸設計[J].物聯網技術，2020，10（3）：40-41.

[9]楚孟慧，吳姝瑤.基于Android Studio的APP頁面布局研究[J].電腦編程技巧與維護，2021，28（7）：72-73.

[10]蘇濤，何濤，駱淼，等.新型疼痛治療儀用支架設計及動力學研究[J].中國科技信息，2013，25（7）：121.

收稿日期：2023-03-30 修回日期：2023-05-09

基金項目：廣東省大學生創新創業訓練項目（S202111078097）；廣東省大學生創新創業訓練項目（S202211078142）

作者簡介：吳元媛（2002—），女，廣東惠州人，本科生，物理學（師范）專業，主要從事計算機測控技術。

吳思虹（2002—），女，廣東茂名人，本科生，教育技術學（師范）專業，主要從事產品外觀與信息化教育

教學設計。

伍馮潔（1979—），女，廣東陽江人，碩士，高級實驗師，從事物聯網、儀器儀表技術開發及實踐教學。

陳曉斌（2000—），男，廣東揭陽人，本科生，物聯網工程專業，主要從事物聯網方向的技術開發。

巫穎怡（2002—），女，廣東河源人，本科生，物理學（師范）專業，主要從事數據收集與處理。

何 演（2001—），男，中國香港人，本科生，通信工程專業，主要從事移動互聯網應用程序的設計與開發。