威森波产后康复治疗仪关键技术的实现及实验研究

余凌，李威，孙传堂

中国矿业大学 机电工程学院，江苏徐州 221008

威森波产后康复治疗仪关键技术的实现及实验研究

余凌，李威，孙传堂

中国矿业大学 机电工程学院，江苏徐州 221008

Abstract: System design of postpartum rehabilitation therapeutic equipment was discussed in this paper.Composition principle and function were briefly introduced,detailed description of software and hardware was given,and further introduced the correlative components.Experimental results showed that the system achieved corresponding functions and could stably run under preset parameters.On this basis,upper computer software was developed to make visual operation easy and running state could be real-time monitored.

Key words: postpartum rehabilitation system; postpartum physiotherapy;PC-controlling

本文主要阐述了医用产后康复综合治疗仪的系统设计。介绍了治疗仪的组成原理及功能，并详细描述了该系统的软、硬件设计内容，同时对涉及到的一些组成部件进行了相应的介绍。通过实验验证了系统的功能，结果表明系统可在设定的参数下稳定运行。在此基础上，开发了上位机软件，方便在操作系统上进行可视化操作和对系统的运行状态进行实时监测。

产后康复治疗仪；产后理疗；微机控制

临床医学中，孕妇在产后受到的创伤较大，以致在短时间内机体不能恢复，导致产后乳汁分泌和子宫复原受到一定的影响[1]。改善途径除恢复性调理外[2]，还可以借助相关的医疗设备促进产妇的身体复原。产后康复治疗仪是一种新的治疗手段[3,8-10]，主要实现途径可以是电磁方式、微波治疗、低频电脉冲理疗等。

本文所设计的治疗仪具有以下特点：① 控制系统在硬件上使用了过载/欠载保护，软件设计中采用了冗余技术和复位监测技术，确保可靠性；② 使用了增强功能的微控制器和专用的外围接口集成电路，系统集成度提高；③ 通过对程序结构的优化，增强了脉冲调制波形的幅频稳定性。本仪器采用多种调制波组合方式以达到治疗目的，取单词variety的谐音，称为威森波治疗仪。

1 低频电脉冲治疗机理

离子数量和膜的通透性，破坏膜的极化状态，产生除极化样冲动，使血管扩张，激活脊髓后角的闸门控制系统，使疼痛冲动不能上传。

在治疗过程中，通过电极片的振动和按摩调节乳母神经内分泌功能，由于其吸吮力相当于婴儿吸吮力的5~10倍，在振动和吸吮共同作用下乳头的神经末梢得到刺激，再通过信息反馈促进泌乳。产生的缩宫素还可促进乳汁从腺泡通过导管排至乳窦[4]。这属于纯物理治疗方式，易于被大多数女性所接受。

威森波治疗仪主要有以下几大生理效应：① 兴奋神经组织细胞；② 促进局部血液循环；③ 镇痛效应；④ 消炎作用。通过专用治疗片对人体特定部位进行低频电脉冲刺激，可以起到疏通乳腺管、促进乳汁分泌、缓解术后疼痛等临床治疗效果。

微控制器控制产生基波频率为833Hz、占空比恒定为33.3%的脉冲调制波。低频脉冲电流作用人体后可以改变

2 系统组成及原理框图

仪器主要由线性稳压电源、微控制器、过载/欠载保护电路、人机接口集成控制单元、脉冲产生及增益环节、开关变压器脉冲变换模块等组成。仪器由市电220V供电，经板载线性稳压电路为系统提供稳定的低压直流。微控制器采用增强型具备单时钟工作能力的STC12C5410，结合片内集成的脉冲计数阵列(PCA)可实现定时器扩展[5]，它控制脉冲波形的产生及系统运行时的状态监测与流程控制。过/欠载保护电路实时监测各功能模块的电压，在状况发生时向微控制器提供系统复位信号。按键与显示电路提供了方便的人机接口，方便用户设定治疗参数及观察运行状态。脉冲产生与变换电路，将低频电脉冲变换成具有一定增益特定周期的调制波形，作为最终输出的治疗信号。

在误操作出现或程序运行达到关键节点时，控制器控制蜂鸣器发出声音警告与提示，伴以LED指示可让用户更直观地判定仪器的运行状态。上位机软件可用于程序运行参数的设定及系统固件程序的维护更新。当然，仪器本体也具备参数设定功能。

威森波产后康复治疗仪的系统原理框图如图1所示。

图 1 治疗仪组成原理图

3 控制系统

控制系统是整个治疗仪的核心，它负责发出所有的控制指令，对治疗信号的产生及系统运行流程的控制起到主导作用。所以，控制系统的稳定性、可靠性设计对仪器性能具有关键意义。

为了增强电脉冲刺激的频率稳定性，选用了高精度的石英晶体，在软件设计阶段通过多次反馈校正得到最佳频率控制参数。抗干扰设计方面，采用了按键去抖动电路和软件延时去抖结合的方法，看门狗监测程序运行状态，低压/过压监测电路，系统各功能模块的供电电路中添加了平滑滤波电容，针对前后级电路的阻抗匹配及去耦合干扰设计也作了必要的考虑。目的是为了减小工作时非轨对轨器件产生的边界失真和干扰引起的频率失稳。

3.1 控制系统硬件设计

按照仪器的功能要求，控制系统主要分为以下几部分：微控制器STC12C5410负责数据处理和流程控制；10位D/A芯片TLC5615完成脉冲输出；按键状态检测及显示驱动由CH452控制；LM336为D/A转换提供精确的参考电压；DAC输出的前级脉冲经放大变换得到指定强度等级的调制脉冲波形；ICL232双路异步收发器负责将RS232的负逻辑电平与单片机UART的TTL电平进行转换，为PC机和治疗仪通信提供链路条件。

控制系统的硬件组成框图如图2所示：

图 2 控制系统硬件组成框图

3.1.1 电源和人机交互电路

系统由线性稳压电源供电，避免了开关式稳压电源可能带来的高频噪声干扰。+5V供给控制电路和保护电路，+12V接开关变压器初级绕组。DAC需要的1.25V精准参考电压，由LM336稳压获得。

CH452是WCH公司推出的产品，兼具8位数码管显示驱动和键盘扫描功能，非常适合系统的集成与小型化。治疗仪的人机接口包括5个独立按键和7位七段数码管显示。CH452接受MCU的串行控制信号，负责产生按键中断和驱动数码管显示。

3.1.2 脉冲发生与转换电路

DAC采用10位转换分辨率的TLC5615，建立时间12.5μs。DAC输出的脉冲首先经过幅值放大，再经过后级射极跟随器进行电流放大，再耦合至后级共射电路，集电极输出至开关变压器初级绕组，集电极输出信号是和DAC输出脉冲同步的电流放大信号，最后经过升压便得治疗仪最终输出波形。幅值放大级和电流放大级采用级间阻容耦合方式，阻止直流蹿扰并为高频信号提供通路。电容的充放电会使波形上升沿、下降沿出现尖峰，变压器退磁使波形出现负脉冲。波形调制电路如图3所示。

图 3 波形调制电路原理图

图 4 某种组合的调制波形

调制波形基本参数为：

基波频率833Hz，脉冲宽度0.4ms，允许误差±10%；

组合波周期33s；

输出电压范围0~33V；

按照治疗方案的不同，共有12种基本波形，进而组合成16种治疗项目。图4所示为某种组合的调制波形输出。3.1.3 保护电路与通讯电路

当出现电源欠压/过压时，保护电路动作，向MCU发出复位信号。如图5所示，开关采用CD4066，它具有4路模拟开关，可通过MCU的I/O控制。保护电路动作时，T3导通，KA1受电常闭触点分开，停止输出波形。仪器正常运行时，如果出现误操作，声光报警电路动作通知操作人员。通讯电路主要负责本仪器与上位机之间的数据通讯，可以将程序运行状态信息上传至计算机，也可以接收计算机发送的控制命令。

图 5 保护电路原理图

3.2 控制系统软件设计

本系统软件包括上位机和仪器软件两部分。上位机软件使用Borland C++ Builder编写，主要记录治疗的信息和设定治疗参数。另外，上位机还兼具对下位机软件维护与更新的功能。微控制器部分采用KEIL μVISION 3编写，KEIL出色的编辑、编译和调试功能可以大大加快软件开发的效率。系统软件采用自顶向下的结构化编程模式，从任务分析、模块划分到底层源代码实现，使编写的代码具有重用性。

程序流程图如图6所示。

图 6 程序流程图

MCU控制脉冲产生有定时和中断两种方式，为了不对治疗仪运行快速性产生影响，利用中断快速检测外部按键状态，更新治疗参数，而将脉冲发生程序嵌入主程序中。提高了系统的可靠性与快速响应能力，并且使输出更加平稳。

脉冲调制原理如图7所示，其中up、high、down、low为波形包络控制参数，scope为幅值变量。

图 7 波形调制原理

4 结束语

本文以产后康复治疗为背景，设计并完成了威森波治疗仪的关键技术。对治疗原理、系统组成、控制系统方面作了阐述。通过合理设计硬件电路提高了系统的集成度与可靠性，优化软件结构增强了刺激脉冲的频率稳定性及平稳性。实验结果表明，脉冲调制波形及系统响应的各项指标均在仪器要求规定的范围以内。为临床使用及进一步推广打下了良好的基础。

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Realization of Key Technology of Postpartum Rehabilitation Therapeutic Equipment and Experimental Study

YU Ling,LI Wei,SUN Chuan-tang
College of Mechanical and Electrical Engineering,China University of Mining &Technology,Xuzhou Jiangsu 221008,China

TH789

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2010.08.006

1674-1633(2010)08-0018-03

2010-01-04

2010-03-17

本文作者：余凌，硕士研究生，研究方向为“智能化仪器仪表”。

作者邮箱：yuling@cumt.edu.cn