基于DSP Builder的脈沖治療儀的波形設(shè)計(jì)

王永周

（河北大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，河北 保定071000）

傳統(tǒng)的脈沖治療儀采用模擬分立元件或向ROM中填寫大量的波形數(shù)據(jù)來產(chǎn)生波形，波形的種類和樣式受到電路硬件或ROM中數(shù)據(jù)的限制，靈活性和穩(wěn)定性相對(duì)較差[1]。采用FPGA器件用DSP Builder模塊實(shí)現(xiàn)脈沖治療儀的波形，具有設(shè)計(jì)簡單靈活、外圍電路少、可靠性高、現(xiàn)場可編程等優(yōu)點(diǎn)。

1 脈沖治療儀

1.1 脈沖治療儀的原理

脈沖治療儀采用頻率、相位和振幅可調(diào)的各種波形的電脈沖來實(shí)現(xiàn)對(duì)相應(yīng)疾病的治療，治療時(shí)隨著電脈沖信號(hào)的變化患部肌肉會(huì)產(chǎn)生不斷抽動(dòng)，從而改善人體鎮(zhèn)痛、調(diào)整內(nèi)臟功能、提高機(jī)能狀態(tài)，臨床運(yùn)用廣泛，副作用較小。

脈沖治療儀的臨床治療機(jī)制是[2]：人體組織是由水分、無機(jī)鹽和帶電的膠體組成的復(fù)雜電解質(zhì)導(dǎo)電體，當(dāng)脈沖電作用于機(jī)體時(shí)，使帶電的離子定向運(yùn)動(dòng)，消除細(xì)胞膜的極化現(xiàn)象，使離子的濃度及分布發(fā)生顯著變化，從而使組織的生理代謝發(fā)生改變；另一方面，通過作用于淋巴管壁和血管壁的神經(jīng)感受器，經(jīng)植物神經(jīng)中樞反射到局部，促使毛細(xì)血管擴(kuò)張，血管壁的滲透性增加，改善了供給和營養(yǎng)，提高了組織細(xì)胞的活力，再生過程得到加強(qiáng)。因而，不同的脈沖波形、頻率變換和刺激強(qiáng)度具有不同的治療作用。

1.2 脈沖治療儀輸出波形的特點(diǎn)

脈沖治療儀主要是基于電療法原理來設(shè)計(jì)的，通常情況下，電療法大致有低頻療法(1 Hz～999 Hz)、中頻療法(1 000 Hz～9 999 Hz)、高頻療法(10 000 Hz以上)3種。3種療法相比較，低頻波的療效好而滲透力較差，高頻波的滲透力好，但單純使用則治療效果不理想，會(huì)使肌體產(chǎn)生抗電耐受性。為彌補(bǔ)各種波的不足往往將低、中、高頻波組合起來，使作用的深度和治療的效果均獲得明顯的提高[3]。

輸出波形大多為不同頻率和幅度的正弦波、方波、矩形波、鋸齒波、指數(shù)波等。臨床治療實(shí)踐表明[3-4]，尖波多用于治療癱瘓，方波常用于治療痛癥、痙攣和炎癥，正弦波多用于治療神經(jīng)痛、神經(jīng)炎、肌炎和肌萎縮。不同的疏波、密波和不同的間斷波組合成不同的脈沖組，使之產(chǎn)生不同的治療效果。為消除電刺激產(chǎn)生的極化現(xiàn)象，輸出波形應(yīng)為正、負(fù)交替，正負(fù)向完全對(duì)稱，直流分量完全為零，這樣可以達(dá)到最佳的治療效果。

2 直接數(shù)字頻率合成技術(shù)

直接數(shù)字頻率合成DDS(Direct Digital Frequency Synthesis)是從相位概念出發(fā)直接合成所需波形的一種頻率合成技術(shù)[5]，具有頻率轉(zhuǎn)換快、分辨率高、頻率合成范圍寬、相位噪聲低且相位可控制等優(yōu)點(diǎn)。其基本原理如圖1所示。

圖1 直接數(shù)字頻率合成原理

若頻率控制字為K，相位累加器為N位，參考時(shí)鐘頻率為 fclk，則輸出頻率為 fout=(fclk/2N)×K，當(dāng) K=1時(shí)，DDS為最小頻率輸出，因此DDS的最小頻率分辨率（或稱步長）為Δfmin=fclk/2N。根據(jù)奈奎斯特抽樣定律，DDS的輸出上限頻率為時(shí)鐘頻率的1/2，即 fout≤fclk/2，由于實(shí)際輸出低通濾波器的非理想特性，工程上可實(shí)現(xiàn)的頻率上限為。DDS的輸出波形由波形查找表中的數(shù)據(jù)來決定。

3 基于DSP Builder的波形設(shè)計(jì)

3.1 基本波形的設(shè)計(jì)

利用DSP Builder模塊構(gòu)建基于DDS技術(shù)的各種頻率、相位、幅度可調(diào)的基本波形[6]，如圖2所示。

圖2中，端口Input1為頻率控制字輸入端，端口Input為相位控制字輸入端，端口Input2為波形選擇控制端，端口Input3為振幅控制端，端口Output為波形輸出端，LUT為查找表模塊，通過相應(yīng)的設(shè)置可產(chǎn)生各種波形。該系統(tǒng)模塊可以實(shí)現(xiàn)基本波形的輸出，并且可以調(diào)整基本波形的頻率、相位和振幅。

設(shè)定時(shí)鐘頻率為fclk，輸出脈沖波形的最低頻率為fout，具體的波形設(shè)計(jì)如下：

(1)產(chǎn)生矩形波的LUT模塊的Matlab array可設(shè)置為：

(2)產(chǎn)生正弦波的LUT模塊的Matlab array可設(shè)置為：

(3)產(chǎn)生三角波形的LUT模塊的Matlab array可設(shè)置為：

(4)產(chǎn)生指數(shù)波的LUT模塊的Matlab array可設(shè)置為：

(5)產(chǎn)生鋸齒波的LUT模塊的Matlab array 可設(shè)置為：

(6)產(chǎn)生梯形波的LUT模塊的Matlab array可設(shè)置為：

圖2 基本波形的DSP Builder系統(tǒng)模塊

依據(jù)以上設(shè)置得到無極性的矩形波、正弦波、三角波、指數(shù)波、鋸齒波、梯形波的Modelsim仿真波形，如圖3所示。

3.2 組合波形的設(shè)計(jì)

在波形輸出上采用幾種基本波形交替輸出、疏密波組合輸出以及具有間歇的動(dòng)態(tài)輸出，可以削弱人體的適應(yīng)性。通過VHDL編程實(shí)現(xiàn)了多種波形相互交叉輸出而且可以對(duì)每一種基本波形進(jìn)行頻率、振幅、相位和輸出時(shí)間的設(shè)定。圖4是產(chǎn)生組合波形的流程圖，圖5是正弦波、三角波、指數(shù)波、梯形波、矩形波的交互輸出的Modelsim仿真波形效果。

3.3 利用DSP Builder模塊構(gòu)建調(diào)制波

三組基于DDS技術(shù)的DSP Builder模塊相互嵌套組成了對(duì)任何一種基本波形進(jìn)行頻率和幅度調(diào)制的系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)可設(shè)定頻率與幅度的任意基本波形對(duì)另一種基本波形進(jìn)行頻率和幅度調(diào)制。通過對(duì)相關(guān)參數(shù)的設(shè)置，可以得到各種調(diào)制波形的輸出[7-8]。系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)如圖6所示。

臨床證明[2]，中頻電波中，2 kHz左右的電波對(duì)腹瀉等疾病有很好的療效，而6 kHz～8 kHz的電波又具有按摩作用，為了同時(shí)達(dá)到這兩種效果，可以通過一定頻率的正弦波對(duì)指數(shù)波進(jìn)行幅度調(diào)制來實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)模塊的參數(shù)設(shè)置如下：

(1)產(chǎn)生波形的時(shí)鐘頻率為0.5 MHz；

(2)載波指數(shù)波的波形設(shè)計(jì)LUT3模塊的Matlab array為：

圖3 基本波形的Modelsim仿真

圖4 組合波形的產(chǎn)生流程

圖5 組合波形的Modelsim仿真

(3)載波指數(shù)波的相位控制字即模塊Constant6的值為0；

(4)載波指數(shù)波的頻率控制字即模塊Constant4的值為5；

(5)調(diào)幅波正弦波的波形設(shè)計(jì)LUT4模塊的Matlab array為：

511×sin([0:2×pi/2?15:2×pi])

(6)調(diào)幅波正弦波的相位控制字即模塊Constant7的值為 0；

(7)調(diào)幅波正弦波的頻率控制字即模塊Constant8的值為 9；

(8)調(diào)幅波正弦波的振幅控制字即模塊Constant10的值為 0.001 5。

圖6 產(chǎn)生調(diào)制波形的DSP Builder系統(tǒng)模塊

用輸出的正弦波對(duì)指數(shù)波進(jìn)行幅度調(diào)制，調(diào)制波形的Modelsim仿真及頻譜如圖7所示，輸出波的頻譜同樣包含 2 kHz～3 kHz和 7 kHz～8 kHz兩個(gè)頻段。

圖7 調(diào)制波形的Modelsim仿真及頻譜

脈沖電療法屬康復(fù)醫(yī)學(xué)中的物理治療學(xué)領(lǐng)域，可用于眾多疾病的治療和康復(fù)，因此在臨床理療和家庭護(hù)理中得到廣泛應(yīng)用。隨著電療法研究的深入，對(duì)電子治療儀的輸出波形提出了更加復(fù)雜的要求。本文給出了基于DSP Builder的脈沖波形設(shè)計(jì)方法，采用此方法對(duì)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置可以產(chǎn)生滿足各種醫(yī)療需求的電脈沖，從而使治療儀達(dá)到最佳治療效果，而且可以方便靈活地實(shí)現(xiàn)對(duì)產(chǎn)品的優(yōu)化升級(jí)。

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