一种新型智能电刺激治疗仪的研究*

郝会玲 沙 洪** 任超世

1 引言

目前，电子针灸仪、疼痛治疗仪等电刺激治疗设备已广泛应用于临床，并取得较好的效果。通过对神经或肌肉组织的电刺激产生肌肉收缩、神经冲动及促进某些物质的释放等以达到治疗的目的[1-3]。目前电刺激仪还处于发展阶段，市售的电刺激仪种类繁多，功能各异，同时也存在许多问题有待于进一步研究。如一些电刺激仪波形单一，脉冲参数的设置模糊、随意，可调性差，难于定量调节；输出脉冲多为单向脉冲或者双向不对称脉冲，易产生组织极化现象；输出方式多为恒压模式，刺激电流易受人体阻抗变化的影响等。本文研究了一种基于单片机监测和控制的新型智能电刺激治疗仪，设计了完善的工作方式，脉冲波形和相关参数均定量可调；采用正负对称脉冲，可避免产生组织极化现象；并提供恒流输出模式，刺激均匀稳定。刺激仪结构紧凑，体积小，携带方便。适合不同的医学基础研究与临床电刺激应用。

2 刺激脉冲模式设计

本研究方案设计了两种刺激脉冲模式：固定模式和可编程模式。固定模式包括model1，model2和model3，由系统设定，可直接选择某一模式进行刺激治疗。可编程模式可通过参数设置，输出所需要的、不同波形组合的治疗脉冲或脉冲串。可进行脉冲参数的精确设置和定量调节，以满足不同的应用要求。

本文的固定模式是在分析和总结不同刺激器技术性能和应用需求的基础上，归纳、设计的三种常用脉冲波形，参数固定，使用时直接选择model1，model2或model3，操作简单，应用方便。三种模式的参数设置如下：model1是频率为100 Hz的连续波；model2为疏密波，在一个周期内疏波和密波交替输出。疏波频率5 Hz，密波频率30 Hz。疏波和密波的持续时间各为10 s；model3是断续波，在一个周期内，频率为100 Hz的脉冲持续10 s，然后中断10 s。

以上三种模式的总治疗时间（Treat time）均为30 min，刺激强度（Amplitude）为3 mA，单个脉冲的宽度（Duration）为0.5 ms(如图1所示)。

图1 固定模式下的3种刺激波形

可编程模式中，采用串刺激与周期刺激相结合的思想，通过设置一个循环周期内的脉冲串个数，串中脉冲的频率、脉宽以及串间延时等参数，可实现多种脉冲串的组合输出。我们设计的是一种低频电疗仪[3-6]，主要用于刺激神经或肌肉组织，在对同类产品技术分析的基础上，结合人体的电生理特性以及刺激过程中的舒适感要求等，输出波形的参数设置范围如下：①总治疗时间(Treat time)：0～99 min；②刺激强度(Amplitude)：0～5 mA；③串间延时(Delay)：0～9999 ms；④一个循环周期内的脉冲串种类(Trains No)：0～4；⑤Train-1：1#脉冲串的频率(Frequency)：0～199 Hz、1#脉冲串的脉宽(Duration)：0.1～0.9 ms、1#脉冲串中脉冲个数(Pulse No)：0～9999。

注：(Train-2、Train-3、Train-4的参数同Train-1)

图2为两种刺激波形的组合示例。

图2 组合波形示例

3 硬件设计

为实现刺激器的智能化工作，本研究以ADµC831为核心器件完成硬件设计。ADµC831把AD公司多年生产的A/D、D/A转换器和Intel成熟的51单片机技术结合在一起[7-8]，且提供串行下载和调试模式，提供了一种方便、快捷、廉价的控制系统设计方式。图3为本文电刺激治疗仪的原理图。其中单片机ADµC831的主要功能包括：①建立菜单并刷新LCD上的显示；②按键扫描和控制；③设置脉宽调制器(PWM)的专用寄存器，输出不同的波形；④设置各种定时，如治疗时间、延时等；⑤D/A、A/ D转换。

图3 电刺激器的原理图

输出电路主要完成双向脉冲的合成、功率放大及隔离等任务，由单片机端口产生的两个不同时刻的脉冲信号经过同步放大以后，分别控制变压器B原边一侧工作，从而在变压器副边产生正负对称的输出脉冲，以消除电极极化现象。另外，为避免窄脉冲在经变压器耦合时出现脉冲失真，我们在电路中添加了调制电路以及整流、滤波电路。

恒流输出模式的实现是通过互感电路对输出电流取样，经信号调理和A/D转换后，调节D/A输出的模拟信号，以稳定输出电流。本研究通过闭环反馈实现恒流电刺激，使刺激电流不受人体阻抗变化的影响，刺激均匀稳定，治疗效果更好。

4 软件设计

ADµC831带有串口下载功能，可通过串口将程序下载到单片机中，调试起来非常方便。软件设计采用模块化编程，主要有系统复位初始化、键盘按键的查询与处理、字符型液晶的初始化、菜单的建立、脉冲波形发生、D/A和A/D转换、定时等模块。程序流程(如图4所示)。

图4 程序流程图

菜单是一种很好的人机交互用户界面，可通过刺激器的按键直接对屏幕上的对象进行操作，方便用户使用，同时也可以减少系统的按键数量。在C语言环境下，基于单片机的多级菜单的设计方法非常多，我们采用的是“以函数指针”为结构元素，把整个菜单结构拉伸成一个结构数组的方法[9-10]。每一个结构数组中有7个结构元素(6个字符型和1个指针变量），前6个字符型变量分别为当前及各个按键的索引号，也即操作的状态号，最后1个指针变量指向需执行函数。在结构数组里为每一个菜单项编制一个函数，并根据菜单的嵌套顺序排好本菜单项的索引号，以及本级菜单项的上、下滚动的索引号和上、下级菜单的索引号。用户对菜单的操作只需操作以下5个按键：Up(Down)：本菜单中的光标上移(下移)一行或者数据增加(减少)；Enter：根据当前菜单的光标位置，进入相应选项的下级菜单，或选中某个功能选项；Left(Right)：本菜单中的光标左移(右移)。

脉冲波形发生模块借助ADµC831的PWM脉宽调制器来实现。ADµC831片内集成的PWM在时钟频率、分辨率和脉冲周期可以通过SFR(配置寄存器CFG831、PWM控制寄存器PWMCON和数据寄存器PWM1/0H、PWM1/0L)灵活地设置，生成具有可调占空比和频率的可编程脉冲信号。PWM结构框图(如图5所示)：

图5 PWM组成结构图

5 结果与讨论

本文以ADµC831单片机系统为设计核心，实现了电刺激器波形组合与参数变化调节的智能化，可获得适合不同医学基础研究与临床应用的电刺激波形输出(如图6所示)。刺激器工作方式完善，脉冲波形和相关参数定量可调。本文的正负对称脉冲设计可避免产生组织极化现象。刺激器提供恒流输出，刺激强度不受人体阻抗变化的影响，具有体积小、重量轻、易于操作且便于携带等特点。目前研究工作已初步完成，待完善保护、声音提示和报警等部分后，将用于动物与人体，进行相关实验与应用测试。

图6 数字信号波形

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