电针治疗仪校准装置的研制

王梓鉴,马东伟,蒋雪萍,颜迪新,胡佳成

(1.中国计量大学 计量测试工程学院,浙江 杭州 310018；2.杭州市质量技术监督检测院,浙江 杭州 310019)

电针治疗仪是结合电子仪器技术及中医灸疗法的一类设备,其在针灸的基础上加入低频(0～100 Hz)连续波脉冲信号,于针刺处产生接近人体生物电的毫安级电流,达到针刺和电流相结合治愈患者的效果[1]。电针治疗仪可代替中医针灸的人手行针,具有疏通经络、镇痛止痉、增强抗病能力的功效[2]。近年来,它在临床医学领域逐渐被医生和患者所接受。这种仪器中关键参数的准确性直接关系到患者的生命安全,因此对其进行定期校准具有十分重要的意义。

目前国内尚无可专用于电针治疗仪的校准装置[3],检测机构普遍采用外壳漏电流测量仪、万用表、示波器等仪器对电针治疗仪的单个测量参数进行校准[4-6],不能同时校准全部关键参数,因此无法评估电针治疗仪整体装置的准确性与可靠性。针对上述问题,研制一套专用于电针治疗仪关键参数校准的装置势在必行。为此,根据浙江省地方技术规范JJF1123—2015《电针治疗仪校准规范》,我们研制了能够同时对电压峰峰值、外壳漏电流、输出闭锁、直流分量、连续波频率进行检测的电针治疗仪校准装置。设计高精度的电压衰减、跟随、放大以及电平移位等电路对电针治疗仪关键参数进行处理,以保证硬件电路转换精度并得到电压值,其范围为0～3.3 V；使用STM32单片机内部的12位A/D采集电压值并将采集结果显示在LCD上。最后通过实验验证,本装置整体设计满足电针治疗仪校准装置的技术指标要求。

1 系统设计

1.1 校准原理

本校准装置的工作原理如图1。电针治疗仪输出非对称双向脉冲波,校准装置对波形进行处理并显示电压峰峰值、外壳漏电流、输出闭锁等关键参数测量值,判断是否满足浙江省地方技术规范JJF1123—2015《电针治疗仪校准规范》,以完成对其校准。

图1 电针治疗仪校准装置的工作原理Figure 1 Principle of electro-acupuncture instrument calibration device

1.2 技术指标

根据JJF(浙)1123—2015《电针治疗仪校准规范》,对电针治疗仪校准装置的技术指标要求如表1。

表1 电针治疗仪校准装置技术指标

Table 1 Technical specifications of electro-acupuncture instrument calibration device

检测参数 测量范围最大允许误差/%电压峰峰值/V0～10±1.0外壳漏电流/μA0～200±1.0输出闭锁/mV0～5±1.0直流分量/mV0～5±1.0连续波频率/Hz0～500±1.0

2 电针治疗仪校准装置整体方案

2.1 装置的机械设计

对电针治疗仪校准装置整体进行便携式、轻量化等设计。在实现校准功能的基础上,完成装置各模块电路的接口设计,简化装置结构、提高可操作性,其实物如图2。设计手柄1方便装置携带,装置通过EN+接口3与EN-接口4检测电针治疗仪输出的微弱差分信号,电针治疗仪的外壳漏电流信号通过AC+接口5与AC-接口6被装置检测,最后经LCD2显示检测值。

1—手柄;2—LCD;3—EN+接口;4—EN-接口;5—AC+接口;6—AC-接口图2 电针治疗仪校准装置实物图Figure 2 Physical map of the electroacupuncture instrument calibration device

2.2 装置的硬件电路设计

硬件电路采用模块化设计,分别为电源模块、功能选择模块、信号处理模块以及STM32最小系统模[7-8]。其中,电源模块通过LM2596、LM7905以及LM1117等芯片将12 V电压转换成信号处理芯片及STM32单片机所需的±5 V、3.3 V电压；功能选择模块通过控制继电器导通与断开,对不同参数测量自动切换；信号处理模块将测量参数转换成对应的电压值；STM32最小系统模块对电压信号进行采集、处理并显示。其硬件系统如图3。由于STM32最小系统模块及电源模块已经非常成熟,以下不赘述。

图3 硬件系统流程框图Figure 3 Block diagram of the hardware system

2.2.1 功能选择模块

功能选择模块由两个继电器模块和两个译码器组成,其模块流程如图4。

图4 功能选择模块流程框图Figure 4 Block diagram of the function selection module

由于电针治疗仪输出的信号为差分信号,因此需要两路分别输出。在图4中,输出端out1对应输出端out5；输出端out2对应输出端out6,以此类推。不同的输出端对应不同的处理电路,因此,当电针治疗仪校准装置校准不同测量参数时,需通过译码器输出高低电平来控制继电器的通断,使得待校准量进入相对应的处理电路。

2.2.2 信号处理模块

信号处理模块是本校准装置的核心模块,具体包括外壳漏电流校准模块、直流分量校准模块、输出闭锁校准模块、连续波频率校准模块、电压峰峰值校准模块。由于在信号测量过程中,电针治疗仪发出的连续波频率与电压峰峰值信号的幅值较大,因此在所有信号进行放大处理之前,首先需对上述两类信号进行幅值衰减处理。信号经过放大之后,采用二阶巴特沃斯滤波器对其进行降噪滤波。连续波频率信号经过滤波后,进入推挽输出比较电路输出高低电平信号；其他信号经过滤波后,均进入电压放大及电平移位电路输出0～3.3 V的电压信号[9-11]。其信号处理模块转换电路如图5。图5中:a为幅值衰减电路,对电针治疗仪输出的信号进行电压峰峰值衰减；b为仪表放大电路,采用AD620芯片保证输出信号精准放大；c为滤波电路,采用OP07芯片对信号进行二阶巴特沃斯滤波,滤除大于500 Hz的信号；d为电压放大电路,对滤波后的有效信号进行放大；e为电平移位电路,采用AD8065芯片对信号进行1.5 V电压值抬高；f为推挽输出比较电路,采用LMV7235M5芯片实现输出高低电平信号。

图5 信号处理模块转换电路图Figure 5 Circuit diagram of signal processing module

2.3 装置的软件程序设计

软件采用模块化设计,主要包括四个部分:系统初始化模块；测量参数校准界面模块；界面显示模块；实时更新模块。其程序流程如图6。

图6 软件流程图Figure 6 Software flow diagram

首先,系统进行初始化,具体包括LCD显示界面以及微处理器的初始化。其次判断icon_id(定义的界面识别参数)的值,进入不同的测量参数校准界面。然后进入界面显示模块,最后实时更新显示界面数值。

3 实验及数据处理

针对其内部信号处理部分的各个测量参数校准模块设计溯源实验,得到实验数据。对各个测量参数溯源实验数据进行处理和分析,判断其是否符合校准规范要求。采用研制的电针治疗仪校准装置对电针治疗仪输出的测量参数进行检测,评价仪器功能。

3.1 电针治疗仪校准装置溯源实验

电针治疗仪校准装置的电压峰峰值、外壳漏电流、输出闭锁、直流分量、连续波频率测量参数均已经过广州广电计量检测股份有限公司检测,得到以下测试结果数据,并对其进行分析。

3.1.1 电压峰峰值校准模块溯源实验

针对电针治疗仪校准装置中电压峰峰值校准模块,选取DG1062信号发生器设计溯源实验。信号发生器的电压峰峰值输出精度为0.1级,范围为0～10 V。采用标准交流电压峰峰值为2.0 V、4.0 V、6.0 V、8.0 V、10.0 V,频率为40 Hz,正弦波信号进行实验,通过校准装置中的输出闭锁校准模块获得实际测量值,将两者进行对比,分析得到结果如表2。

表2 电压峰峰值溯源测试实验结果

Table 2 Experimental results of voltage peak-to-peak traceability test

设定标准值/V实际测量值/V相对误差/%2.01.9920.404.04.009-0.236.05.9890.188.07.9560.5510.010.051-0.51

从表2中可知,电针治疗仪校准装置中电压峰峰值校准模块的最大相对误差为0.55%,不大于1.0%,符合校准装置的技术指标要求。

3.1.2 外壳漏电流校准模块溯源实验

针对电针治疗仪校准装置中外壳漏电流校准模块,选取DG1062信号发生器和无感电阻设计溯源实验。信号发生器的交流电压输出精度为0.1级,范围为0～AC20 V,无感电阻精度为0.1级。采用标准交流电压值为10.0 mV、50.0 mV、80.0 mV、100.0 mV、150.0 mV、200.0 mV,频率为40 Hz,占空比为50%的脉冲信号串联1 K无感电阻进行实验。其输出标准交流电流值为10 μA、50 μA、80 μA、100 μA、150 μA、200 μA,通过校准装置中的外壳漏电流校准模块获得实际测量值,将两者进行对比,分析得到结果如表3。

表3 外壳漏电流溯源测试实验结果

Table 3 Experimental results of shell leakage current traceability test

设定标准值/μA实际测量值/μA相对误差/%10.09.9910.9050.049.6000.0880.079.7920.26100.099.4500.55150.0149.4300.38200.0199.3200.34

从表3中可知,电针治疗仪校准装置中的外壳漏电流校准模块的最大相对误差为0.90%,不大于1.0%,符合校准装置的技术指标要求。

3.1.3 输出闭锁校准模块溯源实验

针对电针治疗仪校准装置中输出闭锁校准模块,选取DG1062信号发生器设计溯源实验。信号发生器的交流电压输出精度为0.1级,范围为0～AC20 V。采用标准交流电压值为1.0 mV、2.0 mV、3.0 mV、4.0 mV、5.0 mV,频率为40 Hz,占空比为50%的脉冲信号作为标准信号进行实验,通过校准装置中的输出闭锁校准模块获得实际测量值,将两者进行对比,分析得到结果如表4。

表4 输出闭锁溯源测试实验结果

Table 4 Experimental results of output latching traceability test

设定标准值/mV实际测量值/mV相对误差/%1.00.9960.402.01.9950.253.02.9990.034.03.9990.025.04.9890.22

从表4中可知,电针治疗仪校准装置中的输出闭锁校准模块的最大相对误差为0.40%,不大于1.0%,符合校准装置的技术指标要求。

3.1.4 直流分量校准模块溯源实验

针对电针治疗仪校准装置中直流分量校准模块,选取DG1062信号发生器设计溯源实验。信号发生器的直流电压输出精度为0.1级,范围为0～20 V。采用标准直流电压值为1.0 mV、2.0 mV、3.0 mV、4.0 mV、5.0 mV,频率为0.1 μHz,占空比为100%的脉冲信号进行实验,通过校准装置中的直流分量校准模块获得实际测量值,将两者进行对比,分析得到结果如表5。

表5 直流分量溯源测试实验结果

Table 5 Experimental results of DC component traceability test

设定标准值/mV实际测量值/mV相对误差/%1.00.9920.802.01.9850.753.02.9960.134.03.9960.105.04.9970.06

从表5中可知,电针治疗仪校准装置中的直流分量校准模块的最大相对误差为0.80%,不大于1.0%,符合校准装置的技术指标要求。

3.1.5 连续波频率校准模块溯源实验

针对电针治疗仪校准装置中连续波频率校准模块,选取DS4052示波器设计溯源实验。示波器的精度为0.1级,范围为0～500 MHz。采用标准频率为10 Hz、50 Hz、100 Hz、200 Hz、300 Hz、400 Hz、500 Hz的正弦波信号进行实验,通过校准装置中的连续波频率校准模块获得实际测量值,将两者进行对比,分析得到结果如表6。

表6 连续波频率溯源测试实验结果

Table 6 Experimental results of continuous wave frequency traceability test

设定标准值/Hz实际测量值/Hz相对误差/%10.010.012-0.1250.050.200-0.04100.0100.060-0.06200.0200.280-0.14300.0300.150-0.05400.0400.320-0.08500.0500.200-0.04

从表6中可知,电针治疗仪校准装置中的连续波频率校准模块的最大相对误差为-0.14%,不大于1.0%,符合校准装置的技术指标要求。

3.2 电针治疗仪性能测试实验

为验证电针治疗仪校准装置的功能和性能,采用该校准装置对苏州华佗医疗器械有限公司SDZ-II型电针治疗仪(250 Ω负载下)进行校准测试,结果如表7。

表7 SDZ-II型电针治疗仪关键参数测试数据与分析表

Table 7 Test data and analysis table of key parameters of SDZ-II electro-acupuncture treatment instrument

检测参数测量值JJF(浙)1123-2015《电针治疗仪校准规范》最大电压峰峰值/V9.963≤10(误差:≤±30%)外壳漏电流/μA47.694≤100(误差:≤±10%)输出闭锁/mV2.316≤2.5(误差:≤±10%)直流分量/mV0.0000(误差:≤±10%)连续波频率/Hz100.041≤100(误差:≤±30%)

测试结果表明SDZ-II型电针治疗仪性能符合JJF(浙)1123—2015《电针治疗仪校准规范》要求,本文研制的电针治疗仪校准装置功能可行。

4 结 论

本文根据浙江省地方技术规范JJF1123—2015《电针治疗仪校准规范》,针对电针治疗仪的关键参数研制电针治疗仪校准装置。通过实验证明,本电针治疗仪校准装置的电压峰峰值、外壳漏电流、输出闭锁、直流分量、连续波频率的最大相对误差分别为0.55%、0.90%、0.40%、0.80%、-0.14%,均可满足校准装置的技术指标要求,并且其性能可靠。因此,本文研制的电针治疗仪校准装置可用于三甲及以上医院对电针治疗仪进行检测,并为电针治疗仪参数的准确性和安全诊疗提供测试保障。