干扰电治疗仪的模拟电路实现

Realization of the Interferential Current Therapeutic Instrument Based on Analog Circuitry

董铭祥1　申庆丰2　苏建坡1　马凤英1

(郑州大学物理工程学院1，河南 郑州　450001；翔宇医疗设备有限责任公司2，河南 安阳　456300)



干扰电治疗仪的模拟电路实现

Realization of the Interferential Current Therapeutic Instrument Based on Analog Circuitry

董铭祥1申庆丰2苏建坡1马凤英1

(郑州大学物理工程学院1，河南 郑州450001；翔宇医疗设备有限责任公司2，河南 安阳456300)

摘要：针对当前干扰电治疗仪普遍存在功能单一、成本较高的问题，提出了一种基于模拟电路的系统方案。系统以Atmega128为主控制器，设计了干扰电系统的硬件电路和软件程序。利用直接数字频率合成(DDS)芯片AD9835生成调制波；利用单片机自带的脉冲宽度调制(PWM)产生载波；利用数字电位器实现调制度的控制,最终输出两路调制频率、调制度和差频频率独立可调的干扰电治疗波形。临床试验证明该治疗仪工作稳定，治疗效果良好。

关键词：电治疗仪模拟电路数字电位器调制信号频率人机交互载波滤波器

Abstract：To against the shortcomings of existing interferential current therapeutic instruments, e.g., unitary functions and higher cost, etc., the system scheme based on analog circuitry is proposed. In the system, Atmegal 128 is used as the main controller; the hardware circuits and software program of the interferential current system are designed. The modulation wave is generated by adopting direct digital frequency synthesis (DDS) chip AD9835; while the carrier is produced by the single chip computer built-in pulse width modulation (PWM), the control of modulation index is implemented by using digital potentiometer. Finally, two of the interferential current therapeutic waveforms are output of which the modulation frequency, modulation degree and offset frequency are adjustable independently. The clinical trials verify that the therapeutic instrument features stable operation and excellent therapeutic effects.

Keywords:Electrical therapeutic apparatusAnalog circuitDigital potentiometerModulation signalFrequency

Human-machine interactionCarrierFilter

0引言

随着人们生活压力的不断增大，疾病也越来越多，理疗因其具有安全性和有效性的特点而受到越来越多的关注。干扰电疗法作为理疗的一种，是指同时将两组或三组不同频率的中频正弦电流交叉输入人体，在体内产生干扰电场以治疗疾病的方法。该疗法对神经痛、关节炎、胃下垂、腰椎病等均有较好的疗效[1]。常见的干扰电治疗仪有些是基于FPGA技术，开发难度大、周期长；还有些设计过于简单，不能有效治疗疾病。本文设计了一种基于DDS和数字电位器的干扰电治疗仪，不仅降低了硬件成本和开发难度，而且取得了很好的治疗效果。

1治疗仪系统设计概述

本文设计的干扰电治疗仪的系统框图如图1所示，由电源供应模块、人机交互模块、单片机、调制波电路、载波电路及乘法器电路等部分组成。

图1　系统框图

单片机Atmega128是进程控制和任务调度的核心。系统上电后，用户通过人机交互模块进行治疗处方和参数设置，单片机对指令进行解析，控制输出两路干扰电波形。调制波电路由DDS芯片AD9835和数字电位器X9315构成，载波电路由数字电位器X9315和低通滤波器构成。乘法器MC1496对载波和调制波进行运算，输出调制频率、差频频率和调制度可控的干扰波形。设载波信号为μc(t)=Ucmcosωct，调制信号为μΩ(t)=UΩmcosωΩt，则调制后的信号μAM(t)可表示为：

μAM(t)=[Ucm+μΩ(t)]cosωct=

(Ucm+UΩmcosωΩt)cosωct=

Ucm(1+macosωΩt)cosωct

(1)

2治疗仪硬件设计

2.1电源设计

系统需要4种不同的电压，分别是5 V、-8 V、+12 V和-12 V。电源模块电路均采用直流开关电源[3]供电，并由电容滤波电路处理输出。5 V输出给单片机、DDS芯片和数字电位器供电，-8 V输出给乘法器做参考电压，±12 V输出给运放供电。

2.2 人机交互设计

系统采用迪文科技公司的10英寸(1英寸=25.4 mm)工业串口屏DMT80600实现人机交互，分辨率为800 px×600 px[4]。启动前通过触摸屏可以进行治疗处方选择和自编处方参数设置;启动后可以实时显示治疗状态。治疗处方共有6种，其中固定处方5个，参数已经设定好，直接启动即可；自编处方1个，可以选择不同模式和参数。点击启动按钮，触摸屏将选择好的处方和参数以指定的协议格式发送给单片机，运行时屏幕实时显示治疗剩余时间和状态信息。

2.3调制波电路设计

该电路采用DDS芯片和数字电位器组合设计，输出频率和幅度可控的低频调制波，电路如图2所示。

图2　调制波电路图

DDS芯片采用的是AD9835,它是一款高性能可编程的波形发生器[5]，可以很方便地产生正弦波形。单片机与AD9835的接口如图2所示，MCLK是数字时钟输入端，由外部24 MHz晶振提供；SData是16 bit串行数据输入端；FSYNC是数据同步信号输入端；SCLK是串行时钟输入端;IOUT为波形输出端。当FSYNC为低电平时，在每个SCLK时钟下降沿，单片机通过SData引脚向AD9835写入频率控制字。输出正弦波的频率fout可以由下式确定：

(2)

式中：M为单片机输出的频率控制字；fMCLK为数字时钟频率；N为相位累加器的字长。

DDS输出信号VDDS由数字电位器的VH端输入，VW端输出VL~VDDS可调信号[6]。X9315的功能图如图3所示，其中CS是片选端，U/D是方向选择端，INC是计数控制端。当CS为低电平时， 在每个INC端口电平下降沿，对5位计数器进行递增或递减运算(取决于U/D端状态)。计数器输出解码后用于选择滑动片接通电阻阵列32个开关中的位置，则VW可表示为：

(3)

式中：D为5位计数器的值，控制输出信号幅度的变化。最后经过运算放大器NE5532进行滤波放大处理，输出频率和幅度可控的正弦调制波。

图3　X9315功能图

2.4载波电路设计

载波利用单片机自带的PWM功能产生[7]，同样利用数字电位器实现幅度控制，电路如图4所示。

Atmega128有4个定时计数器，选择16位定时计数器1。设置其工作于快速PWM模式，TOP值为寄存器OCR1A的值，匹配时电平取反，则在OC1A引脚可以输出占空比50%的方波信号。输出的PWM频率由下式得出：

(4)

式中:N为分频因子，未分频时等于1；fclk为系统时钟，等于18.432 MHz。初始化时设置OCR1A=1 843，得到fPWM=5 kHz。

系统工作时，单片机根据处方和参数的设置情况，调节OCR1A的值，从而改变载波信号频率。PWM信号经由数字电位器X9315实现幅度控制。这里采用具有低通幅度函数的巴特沃斯滤波器[8]，定义阶巴特沃斯低通滤波器的幅度函数为：

(5)

通常情况下滤波器阶数越高，性能越优。但增加阶数伴随而来的是电路复杂，成本增高。在满足给定技术指标的前提下，选取滤波器的最低阶数。设给定容许的最大通带衰减α1(dB)和最小阻带衰减α2(dB)、过渡带下限频率ω1(rad/s)、截止频率ω2(rad/s)以及容许的最大过渡带TW，令:

TW=ω1-ωc

(6)

对于巴特沃斯滤波器，n值的推导公式为：

(7)

利用式(6)，可以写成：

(8)

系统要求，α1=3 dB，α2=20 dB，ωc=5 000 Hz，过渡带TW不超过1 700 Hz，由式(8)得出:

(9)

代入式(7)，得出满足上述要求的巴特沃斯滤波器的最低阶数为：

(10)

阶数n必须取整数，故得n=8。

图4　载波电路

3软件设计

图5所示为软件流程图。

图5　软件流程图

软件主要包括主程序、串口中断程序、定时器中断程序、处方配置程序和模式配置程序。其中，主程序完成初始化和配置函数调用；串口中断程序完成指令接收并解析；定时器中断程序实现载波差频输出。

4临床验证与结果分析

临床试验在河南省中医药研究院附属医院脑血管科进行，选择明确诊断为由腰椎间盘突出等引起的疼痛的患者60例，并随机分为验证组30例，对照组30例，主要从临床应用的安全性、有效性两个方面进行评价。评价标准如下。

(1) 安全性评价。在正常使用条件下，通过受试者实际使用，判定有无不良反应和副作用发生。

(2) 疗效评价方法。疼痛评定指标，采用疼痛视觉模拟量表(visual analogue scale,VAS)对病人疼痛程度进行自评。方法是在白纸上画一条10 cm的直线，一端表示无疼痛，一端表示难以忍受的剧烈疼痛，患者根据自己的感受，在直线上画一点，医师用直尺测量从起点到患者确定痛点的距离，用测量的数字表示疼痛强

度。治疗前、中、后分别测量。运用尼莫地平法对病人的疗效进行判定,即采用VAS加权计算法[9]。疼痛减轻的百分数=(A-B)/A×100，其中A为用药前VAS评分，B为用药后VAS评分。

① 临床痊愈：(A-B)/A×100≥75%；

② 显效：(A-B)/A×100≥50%~75%；

③ 有效：(A-B)/A×100≥25%~50%；

④ 无效：(A-B)/A×100<25%。

表1所示为两组疗效判定情况比较。验证组的疾病疗效分析有效率90%，对照组有效率93.3%，两组差异没有统计学意义[10]，说明该干扰电治疗仪的疗效与对照组干扰电治疗仪相当。安全性评价显示：两组均无不良反应发生，说明该设计临床应用是安全的。

表1　两组疗效判定情况比较

5结束语

本文基于DDS和数字电位器设计的干扰电治疗

仪，电路结构清晰，功能完善。创新点有：使用多电压供电，避免了复杂的电压转换电路，电路更稳定；直接利用数字电位器实现调制波和载波的幅度控制，减小了软件开发难度；利用8阶巴特沃斯滤波器对方波进行滤波，输出正弦载波，降低了硬件成本。

参考文献

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[3] 王文成,王玉梅.几种实用的直流开关电源保护电路[J].电源世界,2006(6):9-11.

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[5] 李耀民,周正.基于DDS芯片AD9835信号发生器设计[J].电子测量技术,2003(4):53-57.

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[7] 李长林.AVR单片机应用设计[M].北京:电子工业出版社,2005:327-336.

[8] 约翰逊 D E.有源滤波器精确设计手册[M].李国荣,译.北京:电子工业出版社,1984:9-21.

[9] 中华医学会.临床诊疗指南疼痛学分册[M].北京:人民卫生出版社，2007:15-25.

[10]李光伟.统计学意义与临床意义距离有多远?[J].中华内分泌代谢杂志，2006,22(1):1-3.

中图分类号：TH789;TP273

文献标志码：A

DOI:10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201602022

通讯作者马凤英(1975-)，女， 博士、副教授；主要从事光学和医疗电子开发方面的研究。E-mail：mafy@zzu.edu.cn。

修改稿收到日期：2015-05-20 。

第一作者董铭祥(1988-)，男，现为郑州大学光学工程专业在读硕士研究生；主要从事电路设计与嵌入式系统开发的研究。