便攜式智能電療儀的設(shè)計(jì)

1 引言

據(jù)世界衛(wèi)生組織統(tǒng)計(jì)顯示：“全世界死亡的病人中，約有三分之一的患者系死于用藥不當(dāng)”。主要原因在于受多種極其復(fù)雜因素的影響，致使人體在患病時(shí)選藥和用藥量方面都難以把握到恰到好處。尋求新的安全有效的治療途徑，已成為當(dāng)代醫(yī)藥工作者的重要課題。這種新的治療途徑即不用常規(guī)的內(nèi)服或注射藥物來(lái)治愈疾病的方法。電療就是符合這種要求一種治療方法。它是利用不同類型電流和電磁場(chǎng)來(lái)治療疾病的。低頻電療是理療康復(fù)中的一種極其重要的手段，其療效獲得一致的認(rèn)同。但是大多數(shù)低頻康復(fù)治療儀器，仍未達(dá)到電腦化、程序化、處方化，尤其是功能強(qiáng)的綜合性儀器，仍停留在低水平、低層次上，主要表現(xiàn)為：功能單一，操作繁瑣；技術(shù)老化，參數(shù)誤差大；可靠性差，安全系數(shù)低。低頻康復(fù)治療設(shè)備的這些問題使其很難在人們的日常生活中得到推廣使用。因此設(shè)計(jì)一臺(tái)便攜式的智能電療儀具有很重要的現(xiàn)實(shí)意義。

2 治療原理

醫(yī)學(xué)上把頻率1000Hz以下的脈沖電流稱作低頻電流，或低頻脈沖電流。應(yīng)用低頻脈沖電流來(lái)治療疾病的方法稱為低頻電療法 。治療機(jī)理：低頻電流是一種物理能，它作用于治療部位時(shí)，引起體內(nèi)電子和離子發(fā)生變化，主要是在神經(jīng)末梢產(chǎn)生理化反應(yīng)，從而引起局部生理效應(yīng)。這種生理效應(yīng)可激活脊髓突觸前抑制，阻滯上行傳導(dǎo)，激活下行痛覺抑制系統(tǒng)，引起內(nèi)非肽以及其它一些血管性肽增加，從而起到鎮(zhèn)痛、消炎、促經(jīng)局部血液循環(huán)等作用；低頻脈沖電流的動(dòng)力作用，直接刺激神經(jīng)細(xì)胞，達(dá)到鍛煉、恢復(fù)功能的作用 [3]。低頻電流的生理和治療作用包括 ：興奮神經(jīng)肌肉組織；促進(jìn)局部血液循環(huán)；消炎；鎮(zhèn)痛；促進(jìn)傷口愈合；促進(jìn)骨折愈合等。

基于低頻電療理論知識(shí)，結(jié)合當(dāng)前女性在產(chǎn)后出現(xiàn)的一些生理狀況，采用功能性電療法，按照醫(yī)療器械設(shè)計(jì)的一些技術(shù)指標(biāo)要求，設(shè)計(jì)一臺(tái)具有產(chǎn)后催乳、乳腺管導(dǎo)通、子宮復(fù)舊、促產(chǎn)后排尿、產(chǎn)后恢復(fù)等功能的便攜式智能電療治療儀。該電療儀要在一定程度上實(shí)現(xiàn)處方化，允許使用者對(duì)治療方案和治療波形參數(shù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)干預(yù)，操作簡(jiǎn)單，最高輸出強(qiáng)度為33V,安全可靠。本機(jī)是把833Hz的低頻脈沖電流調(diào)制成治療所需要的三角波和梯形波，再把這些波形進(jìn)行一定的組合，從而獲得所需的12種治療波形。

3 技術(shù)方案

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本設(shè)計(jì)采取以下設(shè)計(jì)方案：電路部分選用Philips公司的P89LPC935單片機(jī)為控制核心，具有鍵盤掃描、治療時(shí)間及治療強(qiáng)度顯示、D/A轉(zhuǎn)換和兩路波形信號(hào)放大輸出等功能。該電療儀的12種不同的治療波形通過對(duì)頻率為833Hz的脈沖進(jìn)行調(diào)制獲得。治療時(shí)間由用戶在治療前自行設(shè)定，范圍為0～40分鐘。在治療過程中，治療電信號(hào)的強(qiáng)度由用戶根據(jù)自身的反應(yīng)情況進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)節(jié)，范圍為0～250檔。該電療儀的電刺激信號(hào)通過兩個(gè)外接配件作用于人體，外接配件為治療專用電極。

4 便攜式智能電療治療儀的硬件電路及軟件設(shè)計(jì)

4.1 硬件電路設(shè)計(jì)

儀器的電路部分主要由電源電路、CPU、數(shù)模轉(zhuǎn)換電路、鍵盤掃描及顯示驅(qū)動(dòng)電路、信號(hào)放大電路及報(bào)警電路等部分組成。圖1為便攜式智能電療儀的原理圖。

圖1便攜式智能電療儀的原理圖

鑒于便攜式儀器簡(jiǎn)潔化、易操作、優(yōu)化軟件、減小體積等設(shè)計(jì)原則，綜合考慮系統(tǒng)的特點(diǎn)、技術(shù)指標(biāo)、技術(shù)難度、經(jīng)濟(jì)成本等因素，選用Philips公司的微控制器芯片P89LPC935作為控制核心。 P89LPC935包含了2個(gè)8位、4路逐步逼近式模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊,雙DA轉(zhuǎn)換通道，通過對(duì)其功能寄存器合理配置可直接輸出模擬量。
鍵盤掃描及顯示驅(qū)動(dòng)電路選用一個(gè)整合了數(shù)碼管顯示驅(qū)動(dòng)和鍵盤掃描控制以及μP 監(jiān)控的多功能外圍芯片：CH451。CH451具有上電復(fù)位和看門狗等監(jiān)控功能，它通過高速的4 線串行接口與單片機(jī)相連。CH451有18條操作命令，單片機(jī)對(duì)CH451進(jìn)行控制是通過操作命令來(lái)實(shí)現(xiàn)的。單片機(jī)通過CH451讀取用戶設(shè)定的治療參數(shù)，治療強(qiáng)度和治療時(shí)間通過CH451由7個(gè)數(shù)碼管顯示。

信號(hào)放大電路將單片機(jī)輸出的波形放大到要求的治療強(qiáng)度，其核心器件是脈沖變壓器。波形在通過變壓器提升幅度的同時(shí)，變壓器還可以將病人與市電加以隔離，從而起到安全保護(hù)的作用。經(jīng)過放大后的治療波形可通過專業(yè)治療電極，直接作用于人體。

報(bào)警電路的作用是當(dāng)用戶設(shè)定的治療時(shí)間結(jié)束時(shí)，蜂鳴器發(fā)聲，用戶即可關(guān)閉儀器，結(jié)束治療。

其工作過程為：用戶接通電源后，設(shè)定治療時(shí)間，根據(jù)需要按下功能鍵確定治療項(xiàng)目，作為控制核心的單片機(jī)P89LPC935通過鍵盤顯示接口芯片CH451掃描用戶的設(shè)定的信息。P89LPC935的P1.7、P0.1、P1.6和外部中斷0分別與CH451的DIN、DCLK、LOAD、DOUT引腳相連，作為單片機(jī)與鍵盤顯示接口芯片的信息傳輸線。單片機(jī)根據(jù)掃描到的功能鍵的鍵值調(diào)用相應(yīng)的治療波形函數(shù)。治療波形函數(shù)的功能是將頻率為833Hz的脈沖調(diào)制為幅值和周期都隨用戶設(shè)定的強(qiáng)度變化的三角波或梯形波，該波形通過單片機(jī)的DAC0口輸出。治療波形經(jīng)過后續(xù)的放大電路后通過專用治療電極作用于人體。當(dāng)按下開始鍵后，顯示治療時(shí)間逐秒減少，用戶所設(shè)定的治療時(shí)間結(jié)束時(shí)，單片機(jī)的P0.0輸出高電平，由報(bào)警電路發(fā)出報(bào)警信號(hào)，通知用戶治療己經(jīng)結(jié)束，用戶即可關(guān)閉電源。

4.2 軟件設(shè)計(jì)

波形調(diào)制原理：

被調(diào)制波形                 

 調(diào)制波形

圖2 波形調(diào)制原理

參數(shù)說(shuō)明：

在治療的過程，電壓輸出是躍變的，130mV為一個(gè)檔次，所以每一次出現(xiàn)一個(gè)新的階梯時(shí)，電壓都會(huì)躍變130mV的倍數(shù)。

scope為幅值變量，此值等于治療儀治療時(shí)的強(qiáng)度（單位：mV）；
up為上升階段每個(gè)階梯中包含的同一幅值的基波的個(gè)數(shù)；high為幅值達(dá)到最大值且維持不變時(shí)的基波的個(gè)數(shù)；
down為下降階段相鄰階梯電壓相差幾個(gè)130mv的電壓檔（單位：個(gè)）；low為幅值為0的長(zhǎng)度（單位：ms）。
通過對(duì)這4個(gè)參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，即可得到16種基本波形，把這16種基本波形按一定的順序進(jìn)行組合，就可得到12種具有特定功能的治療波形。主程序流程如圖3所示。

圖3 主程序流程

5 便攜式智能電療治療儀的主要技術(shù)指標(biāo)

（1） 脈沖頻率  833Hz，允差±10％。
脈沖寬度  0.4ms，允差±10％。
輸出幅度的調(diào)節(jié)連續(xù)均勻，每個(gè)增量為130mV，變化率＜3％。
單脈沖電量  輸出幅度最大時(shí)大于7μC。
單脈沖能量  最大輸出能量不超過300mJ
（2）治療波形寬度：由輸入的治療強(qiáng)度決定：強(qiáng)度大，則脈沖群寬度大；強(qiáng)度小，則脈沖群寬度也小。
（3）調(diào)幅：用梯形波和三角波，上升時(shí)間和下降時(shí)間也與輸入強(qiáng)度有關(guān)。
（4）12個(gè)功能鍵，可按治療項(xiàng)目選擇相應(yīng)的治療處方。12種治療方案：基波一、基波二、基波三、基波四、治療項(xiàng)目Ⅰ、治療項(xiàng)目Ⅱ、產(chǎn)后催乳、乳汁分泌少、乳腺管不通、子宮復(fù)舊、促產(chǎn)后排尿、產(chǎn)后恢復(fù)。
（5）幅值范圍：原始波形幅值范圍為0～2.56V,經(jīng)放大電路放大后的幅值范圍為0～33V。
（6）治療時(shí)間：0～40min；治療強(qiáng)度；0～250檔。

6 結(jié)束語(yǔ)

本文作者創(chuàng)新點(diǎn)：該電療儀克服了傳統(tǒng)電療設(shè)備的缺陷，在一定程度上實(shí)現(xiàn)了智能化。采用單片機(jī)控制，可靠性強(qiáng)，安全系數(shù)高，治療功能實(shí)現(xiàn)了處方化，功能性強(qiáng)。該治療儀功耗低，體積小，重量輕，適用廣泛，不僅適用與各級(jí)醫(yī)療機(jī)構(gòu)，還可廣泛應(yīng)用于家庭作為治療和保健。