基于嵌入式的膀胱神經(jīng)和肌肉電刺激儀

作者 陳香 葉露林 朱麟 江蘇信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院(江蘇 無錫 214153)

　　陳香(1989-)，女，碩士，研究方向：單片機(jī)及數(shù)據(jù)處理。

摘要：研制一種柜機(jī)推車式醫(yī)用膀胱神經(jīng)和肌肉電刺激儀。該治療儀采用STM32系列芯片作為系統(tǒng)的控制核心，產(chǎn)生一組符合人體生理學(xué)的仿真生物波，對膀胱神經(jīng)和肌肉進(jìn)行刺激，最終達(dá)到緩解和治療尿失禁、膀胱殘余尿和尿潴留等疾病的目的。與已有的同類儀器相比，該治療儀具有模式多樣、外觀精美、操作方便以及成本低等特點(diǎn)，可以滿足不同患者的需求。

0 引言

　　作為內(nèi)分泌科的一類常見疾病，膀胱類的疾病主要表現(xiàn)為殘余尿增多、尿潴留及尿失禁等。膀胱類的發(fā)病原因各不相同，如生活不規(guī)律、酗酒、脊髓神經(jīng)受壓迫或損傷、藥物的副作用以及產(chǎn)后恢復(fù)不佳等，若不及時(shí)治療，則可能引發(fā)上尿路感染，進(jìn)而引起全身性感染和腎功能衰竭而導(dǎo)致患者死亡^[1]。傳統(tǒng)的治療方法可以通過手術(shù)植入刺激儀或者插導(dǎo)尿管，但手術(shù)中病人需要承受巨大的痛苦，并且術(shù)后的生活受到限制，生活質(zhì)量下降。

　　隨著信息技術(shù)的發(fā)展，醫(yī)療設(shè)備被廣泛應(yīng)用到臨床和治療中，膀胱神經(jīng)和肌肉電刺激儀也因需而生。該治療儀利用嵌入式系統(tǒng)低成本、低功耗、高性能等特點(diǎn)，產(chǎn)生一組仿真生物波，經(jīng)過放大和穩(wěn)定后，以低頻的方式多方位地刺激膀胱，使其產(chǎn)生緩慢的收縮和伸張運(yùn)動(dòng)，從而幫助患者鍛煉膀胱及括約肌功能^[2]，實(shí)現(xiàn)減緩?fù)纯嗪椭委煹哪康摹?/p>

1 治療儀硬件設(shè)計(jì)

　　膀胱神經(jīng)和肌肉電刺激儀要完成仿真生物波的產(chǎn)生和兩路輸出波形參數(shù)調(diào)節(jié)兩大主要功能。針對兩個(gè)功能需求進(jìn)行硬件的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)和外圍電路的設(shè)計(jì)。

　　1.1 治療儀硬件構(gòu)成

　　膀胱神經(jīng)和肌肉電刺激儀的硬件系統(tǒng)主要由電源轉(zhuǎn)換模塊、控制系統(tǒng)、觸摸屏和按鈕、信號隔離放大模塊以及繼電器控制輸出模塊組成，如圖1所示。當(dāng)接入220 V交流電壓后，經(jīng)過AC適配器將電壓轉(zhuǎn)換成直流電壓，并經(jīng)過電源轉(zhuǎn)換模塊將電壓分成3路，分別給后面的模塊提供穩(wěn)定的3.3 V、5 V和12 V電壓。嵌入式系統(tǒng)采用STM32[3-4]作為核心控制系統(tǒng)，主要用于仿真生物波的產(chǎn)生、觸摸屏的通訊、參數(shù)的設(shè)置和飛梭按鈕的設(shè)計(jì)。觸摸屏為用戶提供參數(shù)設(shè)置的可視化界面操作簡單易上手，飛梭按鈕作為觸摸屏失靈時(shí)的備用參數(shù)設(shè)置操作。信號隔離將控制系統(tǒng)產(chǎn)生的波形進(jìn)行兩路分流并分別送至對應(yīng)的波形放大模塊進(jìn)行放大。繼電器模塊根據(jù)設(shè)置的參數(shù)控制波形的持續(xù)時(shí)間以及不用模式電極信號輸出。

　　1.2 治療儀控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　膀胱神經(jīng)和肌肉電刺激儀的控制系統(tǒng)是整個(gè)硬件系統(tǒng)的核心部分，采用STM32F100系列芯片的強(qiáng)大功能來完成硬件編程，最終實(shí)現(xiàn)治療儀參數(shù)設(shè)置和治療，其控制系統(tǒng)的功能說明如圖2。

　　膀胱神經(jīng)和肌肉電刺激儀的控制系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)以下功能：仿真生物波的產(chǎn)生及頻率幅度的可調(diào)、治療模式選擇、系統(tǒng)與觸摸屏參數(shù)的通信、治療中時(shí)間的設(shè)置和飛梭按鈕的功能，并配合外圍電路使得電極中的波形具有治療的效果。

　　仿真生物波是有著特定規(guī)律的波形，需要電壓按照其線性的規(guī)律進(jìn)行幅值放縮和調(diào)節(jié)單個(gè)完整波形的頻率，該波形由引腳PA4采用TIM/CAD/DMA[3,5]相結(jié)合的方式來產(chǎn)生，其中CAD負(fù)責(zé)調(diào)節(jié)幅值，TIM負(fù)責(zé)調(diào)節(jié)頻率，再結(jié)合外圍電路對波形進(jìn)行分流和線性不失真的放大。飛梭按鈕由引腳PB12、PB13、PB14的外部中斷實(shí)現(xiàn)，分別對應(yīng)正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)和按下三個(gè)狀態(tài)。觸摸屏與控制系統(tǒng)之間采用MAX232的方式進(jìn)行通訊，將界面設(shè)置的參數(shù)和狀態(tài)傳輸給系統(tǒng)后進(jìn)行相應(yīng)的功能實(shí)現(xiàn)。定時(shí)器功能主要用于治療時(shí)間和持續(xù)時(shí)間的控制。模式選擇由引腳PA1和引腳PA2的I/O功能實(shí)現(xiàn)，其輸出電壓控制外圍電路繼電器的打開和閉合，分別命名為JK1和JK2，不同模式與兩個(gè)引腳邏輯值之間的關(guān)系見表1。

　　1.3 仿真波形的產(chǎn)生

　　膀胱神經(jīng)和肌肉電刺激儀主要是利用嵌入式系統(tǒng)的控制技術(shù)產(chǎn)生可控的有規(guī)律的仿真模擬生物電波來刺激膀胱壁的逼尿肌，時(shí)期有節(jié)奏地緩慢舒縮，恢復(fù)逼尿肌的收縮記憶，促進(jìn)損壞神經(jīng)的修復(fù)，幫助恢復(fù)逼尿肌的收縮功能。

　　膀胱神經(jīng)和肌肉電刺激儀的仿真波形由兩組仿真生物波的數(shù)值組成，其值范圍為0~4095，每組數(shù)據(jù)包含1200個(gè)數(shù)值，將其看成兩個(gè)數(shù)組sbit[1200]和sbit_1[1200]，數(shù)據(jù)量較大。為了提高數(shù)據(jù)傳輸速度，同時(shí)減輕CPU的負(fù)擔(dān)，采用DMA(直接存儲(chǔ)器存取)進(jìn)行快速的數(shù)據(jù)傳送。為了保證在任何治療頻率下都能輸出完整的仿真波形，還需要結(jié)合治療頻率可調(diào)的最大數(shù)值來計(jì)算DAC每次寫入數(shù)據(jù)的頻率，通過TIM來驅(qū)動(dòng)DAC的節(jié)奏，頻率與TIM需要配置的參數(shù)之間的關(guān)系為式(1)：

(1)

　　其中，治療頻率max為已知的最大治療頻率值，SYSCLK為系統(tǒng)時(shí)鐘，PreScaler為時(shí)鐘分頻數(shù)，Period為計(jì)數(shù)器值，由式(1)可以計(jì)算出需要配置參數(shù)的數(shù)值。

2 治療儀的軟件設(shè)計(jì)

　　膀胱神經(jīng)和肌肉電刺激儀采用的顯示屏為觸摸屏^[6]，加上系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的飛梭按鈕，可以通過兩種方式進(jìn)行輸出波形的調(diào)節(jié)和時(shí)間等參數(shù)的設(shè)置。既可以讓用戶根據(jù)自己的喜好選擇參數(shù)設(shè)置方式，又保證了系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性。

　　2.1 觸摸屏及飛梭按鈕

　　膀胱神經(jīng)和肌肉電刺激儀配備帶有觸摸屏的LCD顯示屏，可支持圖形人機(jī)界面。治療儀顯示屏界面基于VisualTFT圖形界面軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)，人機(jī)界面架構(gòu)圖如圖3所示，有三個(gè)子界面，分別為歡迎界面、選擇界面和主控界面。其中歡迎界面顯示該治療儀的名稱、型號、公司以及版本號的相關(guān)信息;選擇界面主要選擇不同的治療模式：同步治療和異步治療;主控界面分為參數(shù)設(shè)置和啟?？刂苾蓚€(gè)部分，其中參數(shù)設(shè)置包含治療時(shí)間、治療頻率、持續(xù)時(shí)間和治療強(qiáng)度四個(gè)參數(shù)，啟?？刂瓶蛇M(jìn)行治療儀的開始治療、暫停治療、停止和返回四種狀態(tài)的切換。

　　當(dāng)治療儀的觸摸屏失靈或者習(xí)慣旋鈕操作者，按一下按鍵啟用飛梭按鈕進(jìn)行操作。飛梭按鈕采用旋轉(zhuǎn)編碼開關(guān)^[7]進(jìn)行設(shè)計(jì)，通過旋轉(zhuǎn)編碼開關(guān)的左旋和右旋分別實(shí)現(xiàn)屏幕上參數(shù)和不同模式間的跳轉(zhuǎn)選擇和參數(shù)數(shù)值的設(shè)置，旋轉(zhuǎn)編碼開關(guān)按下來達(dá)到確認(rèn)參數(shù)修改以及治療儀啟停狀態(tài)的控制，提高了系統(tǒng)整體的穩(wěn)定性和可靠性。

　　2.2 治療儀整體流程

　　膀胱神經(jīng)和肌肉電刺激儀從上電開始到一個(gè)治療結(jié)束，參數(shù)設(shè)定都必須遵循著特定的規(guī)則，避免在治療過程中給患者帶來不適，甚至加重痛苦，治療中一共有四個(gè)啟?？刂茽顟B(tài)決定當(dāng)前參數(shù)能否設(shè)置和修改，主控界面上由兩個(gè)觸摸按鍵“開始治療”和“返回”進(jìn)行切換控制，“開始治療”和“暫停治療”交替切換，“停止”和“返回”交替切換，治療中、暫停治療和未治療(結(jié)束治療和治療前)三種不同狀態(tài)的界面顯示和相互之間的轉(zhuǎn)換控制以及與參數(shù)設(shè)置的關(guān)系如圖4所示。

　　膀胱神經(jīng)和肌肉電刺激儀可以設(shè)置的參數(shù)有四個(gè)，其中治療時(shí)間是治療儀產(chǎn)生波形輸出電極信號的總時(shí)間，只能在治療前進(jìn)行設(shè)置;治療頻率和持續(xù)時(shí)間用來控制產(chǎn)生波形的頻率和維持時(shí)間，可以在治療的任何狀態(tài)進(jìn)行調(diào)整;治療強(qiáng)度控制波形輸出的幅值，即電壓的大小，為防止開始的電壓太大給患者帶來不適，該參數(shù)只有在治療開始后才可以調(diào)節(jié)，暫?；蛲Ｖ怪委煏r(shí)該參數(shù)值立刻清零，每次調(diào)節(jié)都是從0開始并且要緩慢地遞增;治療儀自動(dòng)結(jié)束也會(huì)回到未治療的狀態(tài)。

3 治療儀的軟硬件測試

　　膀胱神經(jīng)和肌肉電刺激儀采用STM32系列芯片作為核心控制系統(tǒng)，并結(jié)合觸摸屏或者飛梭按鈕通過MAX232的串口傳輸參數(shù)來控制電極片波形輸出的頻率、幅值、持續(xù)時(shí)間等。每臺(tái)治療儀在進(jìn)行組裝形成一個(gè)完整的產(chǎn)品時(shí)，需要結(jié)合治療儀的技術(shù)參數(shù)和使用說明，分別對系統(tǒng)進(jìn)行了硬件測試和軟件測試，保證儀器整體性能的穩(wěn)定性和可靠性，為臨床使用提供安全可靠的治療效果。

　　3.1 硬件測試

　　膀胱神經(jīng)和肌肉電刺激儀采用PCB設(shè)計(jì)制作電路板，測試遵循先強(qiáng)電后弱電、電壓由高到低、范圍以MCU為中心由小到大向外擴(kuò)展的原則[8]。首先測試各模塊電源系統(tǒng)，然后測試核心控制系統(tǒng)，進(jìn)而測試串口、飛梭按鈕、觸摸屏等接口和外設(shè)。萬用表和示波器是進(jìn)行硬件測試的必備工具，萬用表主要用來測試各模塊電壓是否正常，示波器主要用來測試仿真生物波的輸出是否跟強(qiáng)度參數(shù)值成線性關(guān)系。

　　輸出波形的幅值與強(qiáng)度成線性之后，需要對電路的放大模塊進(jìn)行調(diào)試，通過調(diào)節(jié)電位器使得放大后的模塊呈現(xiàn)最大線性不失真的狀態(tài)。

　　3.2 軟件測試

　　基于通過測試的治療儀電路板，在Visual TFT中進(jìn)行控件選擇和界面設(shè)計(jì)后下載至觸摸屏，通過串口通信將觸摸屏上修改的參數(shù)傳輸給控制系統(tǒng)進(jìn)行波形頻率、幅值、持續(xù)時(shí)間的實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)。不管在何時(shí)修改參數(shù)，系統(tǒng)都需要及時(shí)響應(yīng)并輸出波形。

4 結(jié)論

　　該柜機(jī)推車式膀胱神經(jīng)和肌肉電刺激儀采用STM32F100系列作為核心控制芯片，通過串口與觸摸屏進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸和反饋，結(jié)合外圍的波形放大電路、繼電器控制電路、電源模塊以及飛梭按鈕等，產(chǎn)生符合人體仿真學(xué)的生物波并結(jié)合參數(shù)進(jìn)行相應(yīng)強(qiáng)度(幅值)、頻率以及持續(xù)時(shí)間的調(diào)節(jié)，從而達(dá)到對人體膀胱神經(jīng)的刺激，幫助患者順利排尿，減輕患者的痛苦，在臨床上具有良好的療效。

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　　本文來源于《電子產(chǎn)品世界》2018年第5期第46頁，歡迎您寫論文時(shí)引用，并注明出處。