中低频电刺激治疗仪设计分析

杜胜利，安玳宁，吴少帅

（河北省药品医疗器械检验研究院，河北 石家庄 050000）

目前，在神经肌肉电刺激治疗中，对治疗仪的要求较高，需要根据患者肢体部位，实时调整仪器参数，并要求对输出端信息进行采集，及时作出反馈，使得电刺激治疗过程安全有效。为实现上述目标，做好中低频电刺激治疗仪器的设计研究尤为关键。

1 设计方案说明

为预防人体阻抗对仪器输出电流影响，将治疗仪的输出方案设计为恒流源输出，根据治疗具体情况，对功率进行调整。在电刺激模块框架设计过程中，有关人员也应关注MCU、调制波形，确保设计效果达到预期，提升治疗仪的使用可靠性。在设计中，选取MCU中的DAC1输出作为调制波的波形，波形主要是正弦波与方形波。在仪器的具体使用中，相关人员只需对定时器进行调节，便可实现变更调制波形目的。为获取调制波与方波两种波形，要求设计人员关注电压跟随器的带载能力，将DAC1输出控制在0～1V，而DAC2输出则变换到-1～1V，在AD835乘法器干预下，完成对波形的调制输出。在设计过程中，也需要关注上机位的操作显示界面，确保各通道电刺激参数能够显示出来。

在中低频电刺激治疗仪的设计过程中，要求仪器参数满足以下标准：电流输出幅值为0～50mA，低频为0～150Hz，中频为1～10kHz、方波占空比满足0～150%，电流调节1mA，其中低频步长为1Hz，中频步长为100Hz。

2 硬件部分设计要点

2.1 设计思路

电刺激治疗仪的硬件部分包括MCU控制模块、电源模块、波形调制模块、恒流源功率放大模块、电流反馈模块。具体设计思路如下：利用MCU对可调节波形进行输出，并设计波形调节电路，充分利用数字电位器，对波形进行控制。经过恒流源功率实现放大处理，确保电流稳定输出。同时做好主控板设计，调整各通道参数，将设计值以串口的方式发送到上位机。利用开关电源对交流电进行调节，确保电压在15V，为功率放大电路提供稳定电源。随后，利用DC-DV转换芯片调整电压，将电压降低到5V，对运放设备进行供电；最后采取LDO设备将电压转换为3V，作为MCU供电方案。

2.2 波形调制模块设计

分析中低频电刺激治疗仪的性质可知，改变刺激波形能够达到不同的刺激效果。鉴于此，做好波形调制模块设计十分重要。为确保设计方案简化，使用MCU模块，对不同波形进行区分设计，并利用反向电路原理与放大器装置，对硬件设备中的波形电压进行调整，确保波形电压能够满足仪器使用要求。要求调制波形频率范围在0～150Hz，载波频率范围满足1～10kHz。在AD835芯片乘法器的协助下，对后续电流输出值进行控制。并使用数字电位器对调制波形电压进行调整，确保波形输出值准确、具有参考价值。

2.3 恒流源功率放大模块设计

在电刺激治疗仪器设计中，相关人员需要关注双运放恒流源设计效果，掌握模型参数，对刺激电流的大小进行控制。其中电流值应满足以下表达式：

对上述公式进行整理可得到：

式中，Id为流过人体电流，Rload代表人体阻抗电流，Uin为输入波形，VDD为设备中功率放大电路电源。在Uin满足±1V情况下，Rset值一般在100Ω内。当需要输出双极波形时，应将Rset值调整到0。为确保治疗仪器硬件设计合理，也需要在放大电路与人体负载之间设计变压器装置。在具体应用中，变压器能够起到隔离电路板的作用，由此满足阻抗变换要求。根据最新设计理念，也将负载一侧较大阻抗变换为小阻抗，确保在功耗条件不变下，输出较小电流值，促使中低频电刺激治疗仪设计科学合理。

在本次研究中，将供电电源U1设计为15V，变压器副极匝数设定为20，此时经过实际测量，最大不失真电压为300V。后期可根据测得的阻抗值，对电源电压进行调整，确保功率输出稳定。

2.4 电流反馈模块设计实现

针对中低频电刺激治疗仪而言，设计人员应对电流反馈模块进行设计，将负载前串联的高精度小电阻两端作为主要观察对象，并作为差分放大器AD629的两个输入值，实现对电流大小的有效检测。在设计过程中，也将采集的模拟信号发送到STM32内置的ADC中。在做好模数转换后，当检测电流超过设计的电流阈值后，STM32会将信号发送到指定单元，实现对功率输出端继电器的快速断开，使得输出装置断开，确保电刺激治疗中人员安全性。以上设计方案应用后，也能够检测过载电流，当电流输出值增加后，电流反馈模块迅速起到保护装置，使得功率端运行状况良好。

3 软件部分设计要求

3.1 设计思路

在低频电刺激治疗仪器设计中，要求设计人员对仪器软件部分进行优化，使得设备操作便捷。在设计中，选择使用上位机、下位机功能分开设计方案，其中下位机部分主要负责电刺激波形数据的生成，并对各类参数进行实时调整，确保仪器软件功能实现。而上位机部分则借助串口连接方式，实现与下位机之间通信，并接收来自下位机各通道的信息数据，并根据实际要求，做好显示与保存。

3.2 下位机设计要点

在下位机系统设计中，选择Keil环境运行程序，完成操作部分的编写，并在其中搭载了嵌入式RTOS系统，开展多线程控制任务。下位机系统的主要任务是借助内置的STM32发送正弦波与方波，并完成对各按键部分的连续检测，通过不同按键响应，发送波形、通道、频率与电流大小指令，确保数据能够经过串口发送到上位机。在具体操作中，首先需要接通电源，随后选择输出的波形、通道与电流值，同时明确频率数与脉宽等关键参数。在设计中，也需要根据操作要求，对下位机的输出参数进行调整，以满足最新设计标准，使得波形输出到电极端。

3.3 上位机设计

在上位机设计中，使用QT编写方案，完成界面显示简洁化设计，并选择正确的串口，通过对串口数据的调取与使用，获取电刺激参数。当确认串口数据正确后，可点击系统控件，实现对频率、电流强度、脉宽等数据参数整理。在设计过程中，为确保显示界面清晰度可靠，需要调整屏幕分辨率，并对显示数据进行记录分析，为后期调取与应用提供支持。此外，以上部分的数据也可存储在文件夹中，后续操作人员可通过Excel文件形式，打开数据表格，对不同时间段上位机显示界面参数进行统计。

4 设计结果分析

为确保设计结果可靠，提升电刺激治疗仪在脑卒中治疗中应用价值，需要对设计结果进行分析，并做好参数纠正。本次研究选取模拟电阻与人体作为参数，基于研究结果搭建测试平台，用于检测波形效果、电流强度对电流刺激效果带来的影响。在检测中，使用QT上位机对各通道数据进行获取，并完成数据真实性检测，了解参数设计值与实际值之间差异，使得输出误差降低。

4.1 阻抗测试

在阻抗测试中，设计人员对不同阻抗值进行测试研究，将4组不同阻抗值的电阻接入电刺激仪器设备中，并对输出端、串口线与PC端的连接效果进行测试，了解电源供应是否具有可靠性。在测试过程中，也对波形进行调整，调整项目包括波形频率与电流大小。测试结果表明，硬件样机能够满足各样机参数调整要求。在具体测试阶段，为获得中低频调制波形、阻抗效果等关键信息，对测试电流输出值进行控制，四组电流值分别控制在5mA、10mA、15mA、20mA，得到的波形频率分别为1kHz、100Hz，阻抗测试与设计标准一致。

通过对测试结果的分析可知，各通道电流实际输出值与设计值之间差异较小，可满足电刺激治疗仪恒流输出要求。对设计方案进行分析可知，随着设计电流值的增加，电流值开始低于标准值。造成上述问题出现的主要原因如下：（1）测试电阻精度未能达到设计要求，部分电阻设计值与实际值之间的差异较大；（2）数据记录存在误差；（3）在具体测试中，软件环境未能达到行业最新标准，软件模块落后，使得电刺激治疗仪的使用标准与设计要求不匹配。在测试中，为检测各波形的显示效果，设计人员选择1kΩ的电阻作为模拟电阻，并将其置于模块按键中，了解波形发生的具体变化。经过测试可知，载波调制波的频率为1kHz，调制波的频率为100Hz，方波频率1kHz，正弦波频率为1kHz，电流幅度为2mA，与设计要求一致。

4.2 人体实验

在电刺激治疗仪的使用中，以人体实验的方式进行测试。在测试过程中，选取上臂不同部位作为测试点，在测试电极片粘贴前，预先使用酒精棉对测试人员皮肤表面进行擦拭。当皮肤贴上电极片后，应连接串口线，随后接入电源。在具体测试环节，为确保电刺激治疗仪使用安全性，将初始电流幅度值控制在0mA，随后不断增加电流值，直到测试人员感受到刺痛感后停止。

为检测电刺激治疗仪设计是否可靠，在具体测试环节，需要调节不同测试位置，并设计差异化的波形调节，以确保电刺激治疗仪能够在不同场景下使用。在本次测试中，了解到人体相同部位刺激感受最佳值存在差异，分析原因是不同人体的肌肉群损伤程度不同。鉴于此，在电刺激治疗仪使用前，设计人员应考虑以上因素造成的影响，对设计参数进行调整与优化，为临床治疗提供技术支持。在开展人体测试时，使用相同的刺激参数对上臂进行测试，得到的测波形更加准确。与模拟电阻实验比较后，发现人体实验中方波出现变化，以近似微分波形的方式显示出来。造成上述差异的主要原因是人体阻抗影响，能够对电阻与电容形成全阻抗。

4.3 结果说明

对设计结果进行分析可知，中低频治疗仪的电刺激效果理想，将其应用在脑卒中患者预后神经功能恢复中，能够达到较深部位，并缓解对神经根造成的刺激与压迫，对促进血液循环、加快新陈代谢产生深远影响。鉴于此，需要特别关注神经肌肉电刺激治疗仪的设计效果，做好最新设计方案应用，确保电刺激治疗仪在患者康复中发挥重要辅助作用。

5 结语

综上所述，对中低频电刺激治疗仪设计相关内容进行分析，在具体研究中，首先明确治疗仪设计方案，在此基础上，完成对硬件部分与软件部分设计，通过做好波形调制、恒流源功率放大、电流反馈模块设计，使得设备硬件部分设计效果达标。在软件部分设计中，重点讲解下位机、上位机设计思路，并对治疗仪的设计成果进行分析。研究取得预期成果，不仅满足参数与波形多样化要求，而且为临床治疗提供最新技术方案。