便攜式智能電療儀的設計

1 引言

據(jù)世界衛(wèi)生組織統(tǒng)計顯示：“全世界死亡的病人中，約有三分之一的患者系死于用藥不當”。主要原因在于受多種極其復雜因素的影響，致使人體在患病時選藥和用藥量方面都難以把握到恰到好處。尋求新的安全有效的治療途徑，已成為當代醫(yī)藥工作者的重要課題。這種新的治療途徑即不用常規(guī)的內(nèi)服或注射藥物來治愈疾病的方法。電療就是符合這種要求一種治療方法。它是利用不同類型電流和電磁場來治療疾病的。低頻電療是理療康復中的一種極其重要的手段，其療效獲得一致的認同。但是大多數(shù)低頻康復治療儀器，仍未達到電腦化、程序化、處方化，尤其是功能強的綜合性儀器，仍停留在低水平、低層次上，主要表現(xiàn)為：功能單一，操作繁瑣；技術老化，參數(shù)誤差大；可靠性差，安全系數(shù)低。低頻康復治療設備的這些問題使其很難在人們的日常生活中得到推廣使用。因此設計一臺便攜式的智能電療儀具有很重要的現(xiàn)實意義。

2 治療原理

醫(yī)學上把頻率1000Hz以下的脈沖電流稱作低頻電流，或低頻脈沖電流。應用低頻脈沖電流來治療疾病的方法稱為低頻電療法 。治療機理：低頻電流是一種物理能，它作用于治療部位時，引起體內(nèi)電子和離子發(fā)生變化，主要是在神經(jīng)末梢產(chǎn)生理化反應，從而引起局部生理效應。這種生理效應可激活脊髓突觸前抑制，阻滯上行傳導，激活下行痛覺抑制系統(tǒng)，引起內(nèi)非肽以及其它一些血管性肽增加，從而起到鎮(zhèn)痛、消炎、促經(jīng)局部血液循環(huán)等作用；低頻脈沖電流的動力作用，直接刺激神經(jīng)細胞，達到鍛煉、恢復功能的作用 [3]。低頻電流的生理和治療作用包括 ：興奮神經(jīng)肌肉組織；促進局部血液循環(huán)；消炎；鎮(zhèn)痛；促進傷口愈合；促進骨折愈合等。

基于低頻電療理論知識，結(jié)合當前女性在產(chǎn)后出現(xiàn)的一些生理狀況，采用功能性電療法，按照醫(yī)療器械設計的一些技術指標要求，設計一臺具有產(chǎn)后催乳、乳腺管導通、子宮復舊、促產(chǎn)后排尿、產(chǎn)后恢復等功能的便攜式智能電療治療儀。該電療儀要在一定程度上實現(xiàn)處方化，允許使用者對治療方案和治療波形參數(shù)進行動態(tài)干預，操作簡單，最高輸出強度為33V,安全可靠。本機是把833Hz的低頻脈沖電流調(diào)制成治療所需要的三角波和梯形波，再把這些波形進行一定的組合，從而獲得所需的12種治療波形。

3 技術方案

為實現(xiàn)上述目的，本設計采取以下設計方案：電路部分選用Philips公司的P89LPC935單片機為控制核心，具有鍵盤掃描、治療時間及治療強度顯示、D/A轉(zhuǎn)換和兩路波形信號放大輸出等功能。該電療儀的12種不同的治療波形通過對頻率為833Hz的脈沖進行調(diào)制獲得。治療時間由用戶在治療前自行設定，范圍為0～40分鐘。在治療過程中，治療電信號的強度由用戶根據(jù)自身的反應情況進行相應的調(diào)節(jié)，范圍為0～250檔。該電療儀的電刺激信號通過兩個外接配件作用于人體，外接配件為治療專用電極。

4 便攜式智能電療治療儀的硬件電路及軟件設計

4.1 硬件電路設計

儀器的電路部分主要由電源電路、CPU、數(shù)模轉(zhuǎn)換電路、鍵盤掃描及顯示驅(qū)動電路、信號放大電路及報警電路等部分組成。圖1為便攜式智能電療儀的原理圖。

圖1便攜式智能電療儀的原理圖

鑒于便攜式儀器簡潔化、易操作、優(yōu)化軟件、減小體積等設計原則，綜合考慮系統(tǒng)的特點、技術指標、技術難度、經(jīng)濟成本等因素，選用Philips公司的微控制器芯片P89LPC935作為控制核心。 P89LPC935包含了2個8位、4路逐步逼近式模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊,雙DA轉(zhuǎn)換通道，通過對其功能寄存器合理配置可直接輸出模擬量。
鍵盤掃描及顯示驅(qū)動電路選用一個整合了數(shù)碼管顯示驅(qū)動和鍵盤掃描控制以及μP 監(jiān)控的多功能外圍芯片：CH451。CH451具有上電復位和看門狗等監(jiān)控功能，它通過高速的4 線串行接口與單片機相連。CH451有18條操作命令，單片機對CH451進行控制是通過操作命令來實現(xiàn)的。單片機通過CH451讀取用戶設定的治療參數(shù)，治療強度和治療時間通過CH451由7個數(shù)碼管顯示。

信號放大電路將單片機輸出的波形放大到要求的治療強度，其核心器件是脈沖變壓器。波形在通過變壓器提升幅度的同時，變壓器還可以將病人與市電加以隔離，從而起到安全保護的作用。經(jīng)過放大后的治療波形可通過專業(yè)治療電極，直接作用于人體。

報警電路的作用是當用戶設定的治療時間結(jié)束時，蜂鳴器發(fā)聲，用戶即可關閉儀器，結(jié)束治療。

其工作過程為：用戶接通電源后，設定治療時間，根據(jù)需要按下功能鍵確定治療項目，作為控制核心的單片機P89LPC935通過鍵盤顯示接口芯片CH451掃描用戶的設定的信息。P89LPC935的P1.7、P0.1、P1.6和外部中斷0分別與CH451的DIN、DCLK、LOAD、DOUT引腳相連，作為單片機與鍵盤顯示接口芯片的信息傳輸線。單片機根據(jù)掃描到的功能鍵的鍵值調(diào)用相應的治療波形函數(shù)。治療波形函數(shù)的功能是將頻率為833Hz的脈沖調(diào)制為幅值和周期都隨用戶設定的強度變化的三角波或梯形波，該波形通過單片機的DAC0口輸出。治療波形經(jīng)過后續(xù)的放大電路后通過專用治療電極作用于人體。當按下開始鍵后，顯示治療時間逐秒減少，用戶所設定的治療時間結(jié)束時，單片機的P0.0輸出高電平，由報警電路發(fā)出報警信號，通知用戶治療己經(jīng)結(jié)束，用戶即可關閉電源。

4.2 軟件設計

波形調(diào)制原理：

被調(diào)制波形

調(diào)制波形

圖2 波形調(diào)制原理

參數(shù)說明：

在治療的過程，電壓輸出是躍變的，130mV為一個檔次，所以每一次出現(xiàn)一個新的階梯時，電壓都會躍變130mV的倍數(shù)。

scope為幅值變量，此值等于治療儀治療時的強度（單位：mV）；
up為上升階段每個階梯中包含的同一幅值的基波的個數(shù)；high為幅值達到最大值且維持不變時的基波的個數(shù)；
down為下降階段相鄰階梯電壓相差幾個130mv的電壓檔（單位：個）；low為幅值為0的長度（單位：ms）。
通過對這4個參數(shù)進行設定，即可得到16種基本波形，把這16種基本波形按一定的順序進行組合，就可得到12種具有特定功能的治療波形。主程序流程如圖3所示。

圖3 主程序流程

5便攜式智能電療治療儀的主要技術指標

（1） 脈沖頻率 833Hz，允差±10％。
脈沖寬度 0.4ms，允差±10％。
輸出幅度的調(diào)節(jié)連續(xù)均勻，每個增量為130mV，變化率＜3％。
單脈沖電量 輸出幅度最大時大于7μC。
單脈沖能量 最大輸出能量不超過300mJ
（2）治療波形寬度：由輸入的治療強度決定：強度大，則脈沖群寬度大；強度小，則脈沖群寬度也小。
（3）調(diào)幅：用梯形波和三角波，上升時間和下降時間也與輸入強度有關。
（4）12個功能鍵，可按治療項目選擇相應的治療處方。12種治療方案：基波一、基波二、基波三、基波四、治療項目Ⅰ、治療項目Ⅱ、產(chǎn)后催乳、乳汁分泌少、乳腺管不通、子宮復舊、促產(chǎn)后排尿、產(chǎn)后恢復。
（5）幅值范圍：原始波形幅值范圍為0～2.56V,經(jīng)放大電路放大后的幅值范圍為0～33V。
（6）治療時間：0～40min；治療強度；0～250檔。

6結(jié)束語

本文作者創(chuàng)新點：該電療儀克服了傳統(tǒng)電療設備的缺陷，在一定程度上實現(xiàn)了智能化。采用單片機控制，可靠性強，安全系數(shù)高，治療功能實現(xiàn)了處方化，功能性強。該治療儀功耗低，體積小，重量輕，適用廣泛，不僅適用與各級醫(yī)療機構(gòu)，還可廣泛應用于家庭作為治療和保健。