电场侵入式理疗仪的设计与实现*

郭银景，李玉翠，司动丽，刘晓玲，邹 慧

(山东科技大学 信息与电气工程学院，山东 青岛266590)

在这个快节奏的社会中，康复理疗受到了人们的高度重视，同时国内外专家和学者在该研究领域也一直做着不懈的努力。在国外，早在19世纪初Louis Berlioz就提出了利用电治疗疾病的构想，后人在其基础上取得了一定的成果[1]。在国内，电疗起始于与中医针灸按摩相结合并研制了各种功能的理疗仪，例如胡鸿志等人研制的一种模拟针灸和按摩的电刺激类中低频理疗仪[2]，该理疗仪能够缓解疼痛，引起正常神经的兴奋，但对术后麻痹无明显的作用；史钦文等人研制了一种超声波理疗仪[3]，采用高低频信号混合的方式产生特定能量的超声波，可以加速伤口愈合，但是智能化程度低，难以在家庭中推广。邹海军等人[4]利用磁、振、热三种物理因子对单一因子理疗仪进行了改善，但是物理因子仅能作用于皮肤表面，对深层病灶无作用。综上所述：理疗仪存在如下两方面的不足：(1)因为输出功率小，作用范围广，对深层病灶无明显效果；(2)价格较高，智能化程度较低，难以在家庭中推广和普及。基于以上不足之处,本文设计了一款术后康复理疗仪，以生物安全型高频信号源为理疗信号，工作频率约 290 kHz，功率最高可以达到60 W，采用侵入式高频理疗，作用范围集中，能够改善局部新陈代谢，加速疼痛物质的代谢并改善植物神经系统功能，从而阻断疼痛的恶性循环，加速术后伤口炎症的消除和伤口愈合，缩短康复时间。另外采用嵌入式系统提高理疗仪智能化程度，体积小，操作简单，造价低，适于家庭中推广使用。

1 系统组成及结构

该系统由4个主要模块组成：电源、嵌入式微控制器、高频生物安全型信号源和电极，基本的系统结构框图如图1所示。

图1 系统结构框图

该理疗仪采用220 V交流直接供电，简单方便，然后利用开关电源得到12 V、5 V直流电给风扇、微控制器等模块供电；嵌入式微控制器是系统的核心，控制理疗信号产生的强度和时间，用户可以通过触摸屏或按键进行功能选择；高频生物安全型信号源的主要功能是产生理疗所需的高频信号,设计中采用IR2153作为驱动芯片,经过放大和变压器转换后即可输出理疗信号；该理疗信号通过专用电极作用于理疗部位，电极由手柄和极板组成，手柄有多种形状，可根据理疗部位的不同进行选择，极板需要与患者的皮肤直接接触，以达到侵入式能量置换。

2 硬件设计

该理疗仪硬件电路设计主要由嵌入式微控制器及其外围电路和高频生物信号源产生电路两部分组成。

2.1 微控制器外围电路设计

鉴于该理疗仪智能化程度的要求，本系统采用三星公司的ARM9开发板作为硬件资源。该开发板是以16/32位精简指令集(RISC)处理器S3C2440A为控制器[5]，具有良好的稳定性和独立性。该硬件电路设计把开发板硬件资源与设计需求相结合，对板载资源进行了最大限度的利用。

利用S3C2440A内部集成的具有脉冲宽度调制(PWM)功能的定时器1产生所需的PWM波。首先在底层驱动程序中对计数缓冲寄存器(TCNTB1)和比较缓冲寄存器(TCMPB1)进行初始化；然后在应用程序中采用分级式脉冲宽度调制算法对治疗强度进行精确的控制。

系统中的LED指示灯由开发板提供给用户的I/O口(端口F)进行控制。程序设计中分别置端口F相应的位为高电平或低电平来控制LED灯的亮与灭，以便给用户提供直观的指示。

按键电路是利用开发板提供的按键接口来实现强度和时间的控制功能。按键驱动程序设计中通过将按键操作映射为WINCE环境下的通用键盘事件KEY UP和KEY DOWN，使得应用程序能够响应底层按键操作。

报警电路是利用定时器0的PWM功能进行控制。报警电路的作用是当用户设定的治疗时间开始及结束时，分别给予不同的警示。

显示电路是利用板载资源中已有的触摸屏接口，外接5.2英寸触摸显示屏，给用户提供生动活泼、操作方便、人性化的交互界面。

2.2 高频生物安全型信号源的电路设计

高频信号源产生以IR2153作为驱动芯片，这是一种高压、高速、自震荡、带有高低端驱动的半桥驱动器，可驱动N沟道功率MOSFET。高端和低端驱动输出有内部自带互锁电路，防止高端和低端同时导通而引起半桥电路短路[6]。本文中设计了一种频率和占空比均可调节的前级电路，通过调节前级电路可在IR2153的HO和LO引脚输出频率相同、高低电平互补的驱动波形，以驱动电路中的MOSFET。高频信号源产生电路如图2所示。

图2 高频信号源产生电路

其中振荡周期由电路中的R2、R3和C1确定,具体公式为：

调节电路中的滑动变阻器R2可改变其振荡频率，D3导通时C1充电，D2导通时C1放电，可见通过调节滑动变阻器R3即可调节输出波的占空比。

IR2153高低端产生的波形要通过电路中的MOSFET管和变压器放大到要求的治疗强度。该变压器采用具有中心抽头的推挽式逆变器[7]，中心抽头接12 V直流电源，初级输入电路由参数相同的MOSFET管构成，采用两只MOSFET管并联的方式以增强驱动电流。这是一种完全对称的结构形式，且MOSFET管具有驱动方便、不必进行隔离的优点。电路中MOSFET管以推挽方式工作，各负责正负半周的波形放大任务，电路工作时Q2、Q3与Q4、Q5为 180°互补导通， 当 Q2、Q3导通时，+12 V电源电压加在变压器初级绕组W11上，在W11中感应出与12 V相等的电动势；当Q4、Q5导通时，+12 V电源电压加在变压器初级绕组W12上，在W12中感应出电动势，其中W11=W12=2匝，故在变压器的次级绕组W2中感应出对应正负半轴的电动势EW2=(W2/W1)×12 V。变压器采用的磁芯为EC42，输入电压12 V,输出电压450 V,初级匝数为2 T,次级匝数为80 T,MOSFET管开关频率为290 kHz。经过MOSFET管和变压器放大的信号即可通过陶瓷手柄作用于人体进行理疗。

3 软件设计

本系统的软件设计主要包括两大部分：(1)底层驱动程序开发，包括I/O口驱动、PWM驱动、键盘驱动和触摸屏驱动等；(2)嵌入式应用程序开发，包括响应键盘事件、对I/O口进行控制等。该系统主程序流程图如图3所示。

(1)驱动程序开发

在WinCE6.0系统下应用程序无法对物理地址进行直接的操作，但可以在内核中添加驱动程序实现地址虚拟映射，以达到操作硬件的目的。该系统的驱动程序编写采用流驱动程序，流驱动程序由设备管理器统一加载、管理和卸载[8]。应用程序使用Windows CE操作系统的文件API函数和流接口进行通信,从而实现相应的功能。

本系统所需要的驱动程序包括LED驱动、蜂鸣器驱动、PWM波驱动、键盘驱动、触摸屏驱动等。完成所需流驱动程序编写后，将其加入到内核重新编译生成内核文件NK.bin和NK.nb0再下载到NandFlash中即可使用。

(2)应用程序的开发

本系统应用程序开发主要包括界面设计和功能设计，系统配有5.2英寸液晶显示屏，界面设计以显示直观、界面友好、操作方便、人性化为目标；功能设计中采用分级式脉宽调制算法实现不同强度理疗信号输出，即通过更改PWM占空比和频率，实时改变理疗波形强度，以最低强度 (强度1)为例，PWM波如图4(a)所示，经PWM波调制的理疗波形如图4(b)所示，该理疗仪采用五级分级制度输出理疗波形供用户选择，强度1为最低强度，强度5为最高强度。

图3 系统主程序流程图

图4 分级式脉宽调制算法示例

该应用软件采用VS2005进行开发，VS2005是微软为小型设备量身打造的方便使用的软件，支持VC++、VB、C#等语言，此次采用了C#语言进行应用程序的开发。在应用程序中通过调用WinCE的API函数CteatFile打开设备，然后用DeviceIOControl与驱动程序进行通信，包括读和写两种操作，操作完毕后用CloseHandle关闭设备。

4 测试与分析

本文研制的术后康复理疗仪在常温下以实验室人员为实验对象，以强度1为例测得电极输出的波形如图5所示。该输出波形是经强度1的PWM调制的正弦波，正弦波输出频率为287 kHz左右。经长时间测试结果显示，该理疗仪符合设计标准，且电磁兼容性好，安全性高，理疗效果明显。

图5 理疗状态下，强度1的电极输出波形

[1]BIRGIT A L,LVERSEN H K,IBSEN P.Preclinical validation of electrochemotherapy as an effeetive treatment for brain tumors[J].Cancel Res June，2011,71(11):3753-3762.

[2]胡鸿志.新型低频电脉冲理疗仪的研制[J].电子测量技术,2011,34(7):5-7,23.

[3]史钦文,祝忠明,刘再东,等.基于 AT89C2051单片机的超声波理疗仪设计[J].电子元器件应用,2010,12(11):11-14.

[4]邹海军,齐海兵,潘正中.磁热按摩理疗仪的制作[J].湖北理工学院学报,2012,28(5):15-17,26.

[5]张强,忻尚芝,邢斌.基于S3C2440A的无创血氧检测系统设计[J].电子技术应用,2013,39(6):67-69,73.

[6]李明.利用IR2153自振荡MOS驱动器实现变频驱动[J].今日电子,1999(2):15-16.

[7]王东宏.晶体管推挽式逆变器设计及其应用[J].电气自动化,1998(3):26-27.

[8]关珊珊,管强.基于ARM的电热炉温度采集与控制系统[J].微型机与应用,2013,32(10):69-72,76.