尿失禁生物反饋治療儀的研制

王幼萍，陸堯勝，王顯安，韓玉琪

1.北京師范大學(xué)珠海分校 教育學(xué)院，廣東 珠海 519085；2.暨南大學(xué) 信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院，廣東 廣州 510632

尿失禁生物反饋治療儀的研制

王幼萍1，陸堯勝2，王顯安2，韓玉琪2

1.北京師范大學(xué)珠海分校 教育學(xué)院，廣東 珠海 519085；2.暨南大學(xué) 信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院，廣東 廣州 510632

本文論述了女性尿失禁產(chǎn)生的病理原因、分類以及各種治療方法。結(jié)合肌電信號檢測和電刺激治療等技術(shù)，研制出一種女性尿失禁生物反饋治療儀，本文介紹了該儀器的硬件設(shè)計(jì)和軟件編程設(shè)計(jì)。該儀器已進(jìn)入臨床驗(yàn)證階段。

生物反饋治療儀; 女性尿失禁；生物反饋治療

1 女性尿失禁的現(xiàn)狀及常見的非手術(shù)治療方式

尿失禁（Urinary Incontinence，UI）是女性常見疾病，國際控尿?qū)W會（International Continence Society，ICS）定義其為“構(gòu)成社會和衛(wèi)生問題，且客觀上能被證實(shí)的不自主地尿液流出的狀態(tài)”[1]。

1.1 女性尿失禁

尿失禁的定義尚未完全統(tǒng)一,目前較為公認(rèn)的主要有6種類型,即壓力性、急迫性、混合性、充溢性、功能性和結(jié)構(gòu)異常性尿失禁等6類，但臨床上最多見的是壓力性尿失禁、急迫性尿失禁和混合性尿失禁。

過去各國可能采取不同尿失禁定義或者調(diào)查方法不同，各家報(bào)道的結(jié)果不一致。美國15～65歲女性中尿失禁患病率為2%～46%；英國15904例40歲女性的問卷顯示，患病率為34%，患病率和嚴(yán)重程度隨年齡增加而增加，60歲以上達(dá)69%；澳大利亞41歲以上女性人群中尿失禁的患病率為61%；我國北京、吉林、佳木斯、新疆和福建等地，成年女性尿失禁的患病率為18.9%～50.9%[2]；廣州暨南大學(xué)醫(yī)學(xué)院流行病教研室和廣州暨南大學(xué)附屬第一醫(yī)院婦產(chǎn)科2003年9～11月調(diào)查16歲到79歲年齡段的634名女性，結(jié)果顯示壓力性尿失禁的粗患病率為34.5%[3]。以上結(jié)果還表明女性尿失禁絕大多數(shù)是壓力性、急迫性和混合性尿失禁，且患病率隨著年齡增長而增加。

這些癥狀使患者情緒焦慮、尷尬和沮喪。由于漏尿，身上有異味，限制了人們的社交活動，也限制了正常的體育活動和體力勞動，嚴(yán)重影響了生活質(zhì)量。

1.2 女性尿失禁的非手術(shù)治療方式

雖然手術(shù)治療對壓力性尿失禁治愈率較高，但是它畢竟是一種有創(chuàng)性的治療，不可避免地會產(chǎn)生一些并發(fā)癥和后遺癥。近年來，手術(shù)治療多用于中、重度尿失禁患者,對于輕度尿失禁患者，則多主張采用非手術(shù)治療。本文簡要對與本系統(tǒng)密切相關(guān)的且臨床上常用的非手術(shù)治療方式[4,6]（生物反饋治療模式和電刺激模式）進(jìn)行介紹。這類治療方式無創(chuàng)傷、操作簡便，近年來被較為有效地用于壓力性、急迫性和混合性尿失禁。

1.2.1 生物反饋治療

采用模擬的聲音或者視覺信號反饋提示正常及異常的盆底肌肉活動狀態(tài)，使患者或者醫(yī)生了解盆底鍛煉的正確性，從而獲得正確、更有效的盆底鍛煉。 盆底鍛煉結(jié)合生物反饋治療，大大提高了治療的效果， 包括測量陰道壓力和盆底肌肉的肌電圖，監(jiān)測盆底肌肉、腹部的肌肉、逼尿肌的活動。

1.2.2 電刺激治療

通過電刺激陰部神經(jīng)，使尿道周圍的橫紋肌收縮，從而使尿道關(guān)閉壓升高， 增強(qiáng)尿道的關(guān)閉功能。電刺激是指用電流刺激盆腔臟器或者是支配它們的神經(jīng)。電刺激的目的是可以直接誘導(dǎo)治療性的反應(yīng)或者調(diào)節(jié)下尿路功能的異常。電刺激不僅可以作用于盆底肌，它還可以作用于逼尿肌，抑制其不穩(wěn)定的收縮，從而達(dá)到治療急迫性尿失禁的目的。1.2.3 生物反饋觸發(fā)電刺激治療

這是結(jié)合生物反饋治療方式和電刺激治療方式而設(shè)計(jì)的第三種方式?；颊呤紫雀鶕?jù)設(shè)備的提示主動做盆底肌肉收縮活動，當(dāng)設(shè)備提取的EMG信號超過用戶設(shè)定的一個(gè)閾值時(shí)，系統(tǒng)就會輸出電刺激信號，刺激盆底肌肉被動收縮。這種主動與被動相結(jié)合的治療方式大大提高了治療效果。

2 生物反饋治療儀的硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)中硬件結(jié)構(gòu)包括：電極、放大通道、增益部分電路、刺激器、升壓電路、MCU控制器和紅外遙控器電路等,各個(gè)部分以MCU控制器為核心[5]，在它的控制下協(xié)調(diào)工作，如圖1所示。下面介紹系統(tǒng)主要電路的結(jié)構(gòu)：

圖1 系統(tǒng)硬件框圖

2.1 信號提取電路

圖1中的電極有兩個(gè)作用。一是用來采集盆底尿道括約肌和逼尿肌的肌電信號；另外，來自刺激器的輸出電信號也要通過此電極輸出。

通過電極采集的肌電信號的最大值根據(jù)不同的人而有差異，一般在100μv ～1mμv 之間。在通過放大器放大后，經(jīng)濾波、光耦隔離、整流以后將輸入信號轉(zhuǎn)換成一定幅度的直流信號，供A/D采樣。由于肌電信號的個(gè)體差異性，在設(shè)計(jì)放大通道時(shí)，其放大倍數(shù)在1000～50000倍，可通過MCU控制器調(diào)節(jié)。MCU通過調(diào)節(jié)數(shù)字電位器，而調(diào)節(jié)電路的增益。

圖2 放大電路原理框圖

放大電路的整體框圖如圖2所示：該電路主要有前置放大電路、放大陷波電路、光耦隔離電路、放大整流電路、增益控制電路等五部分組成。光耦前的放大部分均由±12V隔離電源供電，并且均隔離地。放大陷波電路首先對前置放大電路的輸出信號進(jìn)行陷波，濾除50Hz工頻干擾，然后將信號放大，最后再次陷波，從而可以很好濾除工頻干擾的影響。光耦隔離部分把與人體接觸的前置部分和后端電路部分分開，提高系統(tǒng)的安全級別。放大整流電路是將光耦隔離出來的交流信號變?yōu)樵俅芜M(jìn)行放大，經(jīng)整流電路得到放大后肌電信號的幅值。增益控制是由數(shù)字電位器控制的放大電路，系統(tǒng)可以根據(jù)用戶設(shè)定選擇不同的信號放大倍數(shù)。

由于盆底肌肉的電信號的頻率在20～500Hz之間，所以根據(jù)采樣定理，則ADC的采樣率應(yīng)該1Ksps以上。

2.2 電刺激電路

刺激器在系統(tǒng)中把來自MCU控制器的控制信號和升壓電路的電壓通過電極輸出,從而刺激尿道括約肌和逼尿肌。在電刺激治療模式下，該系統(tǒng)可以根據(jù)臨床患者的需求控制輸出一系列不同的波形。電刺激電路如圖3所示。

圖3 電刺激電路原理框圖

電刺激電路主要由兩部分組成:一部分是升壓電路，將+12V電壓利用開關(guān)電源模塊升到+58V；另外一部分是刺激信號產(chǎn)生電路，來自控制器的正向輸入和反向輸入來交替控制電流源電路，最后利用交變的電流，刺激人體盆底肌肉。在設(shè)計(jì)電刺激信號發(fā)生電路的時(shí)候，采用恒流源的方式，這樣的電路可以保證電刺激程度不因?yàn)椴煌颊吲c電刺激電極之間的阻抗不同而發(fā)生比較大的變化。并且在對患者治療的過程中，電刺激的頻率、脈沖寬度、電刺激強(qiáng)度在一定的范圍內(nèi)都是可以調(diào)節(jié)的。

2.3 電源電路

本系統(tǒng)需要12V電源、+5V電源、+3.3V電源、+50V電源、±12V隔離電源，它們都是在市電整流出18V的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)的?！?2V隔離電源為前置放大電路供電，這樣可以提高系統(tǒng)的安全性。系統(tǒng)電源部分的原理框圖如圖4所示：

圖4 電源原理框圖

該電路中，220V的工頻電經(jīng)過變壓整流以后得到18V直流電源，然后經(jīng)過LM2576-12線性電源模塊得到12V電源，12V電源再分別為5V電源和50V電源模塊的輸入。最后，5V電源在分別為隔離電源模塊和3.3V電源模塊供電。遙控器由3V電池供電。

2.4 其它電路

紅外發(fā)射電路也就是多功能紅外遙控電路，它可以使患者自己根據(jù)自己需求設(shè)定一些相應(yīng)參數(shù)。例如：患者可以根據(jù)自己的承受能力設(shè)定電刺激強(qiáng)度。

在進(jìn)行電刺激時(shí)，系統(tǒng)控制器通過阻抗檢測電路不斷檢測電極的連接情況，當(dāng)電極斷開時(shí)系統(tǒng)自動停止電刺激，提高了系統(tǒng)的安全性。

MCU控制器設(shè)置放大電路的放大倍數(shù)；系統(tǒng)采樣肌電信號，同時(shí)將信息反饋在液晶中；控制器控制升壓電路，使其只在電刺激模式下有能量輸出；控制器不斷檢測紅外輸入，及時(shí)響應(yīng)患者輸入的控制信息；同時(shí)，控制器控制著液晶交互界面。

3 生物反饋治療儀的軟件設(shè)計(jì)

當(dāng)硬件設(shè)計(jì)完成后，就能夠具體明確軟件的設(shè)計(jì)要求。軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的任務(wù)就是劃分程序功能模塊，把功能相對獨(dú)立的程序劃分成一個(gè)功能模塊是一種常用的方法。系統(tǒng)有三種治療模式，電刺激模式、生物反饋治療模式和生物反饋觸發(fā)電刺激治療模式。

圖5 主程序流程圖

圖5是主程序流程圖。根據(jù)流程圖可以了解整個(gè)程序的工作過程。單片機(jī)復(fù)位后首先進(jìn)行參數(shù)初始化，程序在初始化的過程中給出參數(shù)的默認(rèn)設(shè)置，并在LCD顯示出系統(tǒng)的初始畫面（即開機(jī)治療模式選擇界面）。接下來系統(tǒng)不斷檢測任務(wù)隊(duì)列，如果任務(wù)隊(duì)列中有任務(wù)系統(tǒng)就執(zhí)行任務(wù)。開始用戶可以通過鍵盤選擇治療模式，選定后按確認(rèn)鍵就可以進(jìn)入相關(guān)治療模式參數(shù)設(shè)置界面。利用鍵盤或者遙控器進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，并將相關(guān)參數(shù)顯示在LCD上。若參數(shù)設(shè)置完畢，用戶繼續(xù)按“確認(rèn)”鍵，系統(tǒng)就開始治療。若用戶按“退出”鍵或者出現(xiàn)異?，F(xiàn)象，系統(tǒng)就停止治療，并回到初始界面。

在治療的過程中大量使用了子程序，包括中斷子程序和一般子程序，使整個(gè)程序形成了各個(gè)功能獨(dú)立的模塊，主程序主要完成初始化默認(rèn)參數(shù)和子程序的調(diào)用，這種模塊化的設(shè)計(jì)方式有利于程序的調(diào)試和維護(hù)。整個(gè)程序主要包括任務(wù)管理模塊、顯示子程序、鍵盤子程序、紅外接收子程序等。

4 討論

本課題是一個(gè)實(shí)踐性很強(qiáng)的課題，主要的工作量在電路設(shè)計(jì)和軟件編程兩個(gè)方面。本文結(jié)合了肌電信號檢測和電刺激治療等技術(shù)，而研制出一個(gè)治療女性壓力性、急迫性和混合性尿失禁的生物反饋治療系統(tǒng)。本文涉及到尿失禁學(xué)、電療學(xué)、電子電路、MCU控制等很多領(lǐng)域的相關(guān)技術(shù)。雖然本文在女性尿失禁的生物反饋治療方面做了大量的研究工作，但是仍然有很多可以改進(jìn)和進(jìn)一步研究的空間。

由于時(shí)間關(guān)系，本系統(tǒng)缺乏足夠的臨床來進(jìn)行系統(tǒng)驗(yàn)證，在臨床的基礎(chǔ)上可以驗(yàn)證系統(tǒng)中的各個(gè)治療處方，可以通過大量的臨床實(shí)驗(yàn)修正其參數(shù)，以便達(dá)到更好的控制效果，更進(jìn)一步提高治療效果。

本系統(tǒng)在設(shè)計(jì)的時(shí)候已經(jīng)充分考慮了功耗，所以系統(tǒng)可進(jìn)一步改進(jìn)，可用內(nèi)置充電電池為系統(tǒng)供電，將系統(tǒng)做成一個(gè)便攜式設(shè)備，使其適于普通家庭應(yīng)用。

[1] 宋巖峰,許波.性尿失禁診斷與治療[M].北京:人民軍醫(yī)出版社,2003.

[2] 宋巖峰,李亞欽,等.福州市社區(qū)女性尿失禁發(fā)病現(xiàn)狀的分析[J].中華婦產(chǎn)科雜志,2004(4):257-259.

[3] 董曉梅,羅新,等.廣州女性壓力性尿失禁患病率和影響因素調(diào)查[J].中國公共衛(wèi)生,2005(2):214-215.

[4] 羅新.女性尿失禁的非手術(shù)治療[J].中華全科醫(yī)師雜志,2005(5):265-267.

[5] 何史林,等.基于藍(lán)牙技術(shù)的生理參數(shù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].中國醫(yī)療設(shè)備,2009(4):31-33.

[6] 楊菊賢,等.生物反饋治療及其臨床應(yīng)用[J].中國全科醫(yī)學(xué),2003(12):30.

Development of the Biofeedback Therapy Apparatus of Urinary Incontinence

WANG You-ping1, LU Yao-sheng2,WANG Xian-an2, HAN Yu-qi2
1.School of Education,Zhuhai Branch of Beijing Normal University,Zhuhai Guangdong 519085,China;2.College of Information Science and Technology,Jinan University,Guangzhou Guangdong 510632, China

In this paper, the pathologies, classification, therapy methods of the female urinary incontinence are introduced, especially the therapeutic mechanism of the biofeedback therapy apparatus of female pelvic floor and the hardware and software principle.

biofeedback therapy system;female urinary incontinence;biofeedback therapy

1674-1633(2010)04-0021-03

2009-11-30

2009-12-19

陸堯勝，副教授。

作者郵箱：hanyuqi8373@163.com

TH783

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2010.04.008