電場(chǎng)侵入式理療儀的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)*

郭銀景，李玉翠，司動(dòng)麗，劉曉玲，鄒 慧

(山東科技大學(xué) 信息與電氣工程學(xué)院，山東 青島266590)

在這個(gè)快節(jié)奏的社會(huì)中，康復(fù)理療受到了人們的高度重視，同時(shí)國內(nèi)外專家和學(xué)者在該研究領(lǐng)域也一直做著不懈的努力。在國外，早在19世紀(jì)初Louis Berlioz就提出了利用電治療疾病的構(gòu)想，后人在其基礎(chǔ)上取得了一定的成果[1]。在國內(nèi)，電療起始于與中醫(yī)針灸按摩相結(jié)合并研制了各種功能的理療儀，例如胡鴻志等人研制的一種模擬針灸和按摩的電刺激類中低頻理療儀[2]，該理療儀能夠緩解疼痛，引起正常神經(jīng)的興奮，但對(duì)術(shù)后麻痹無明顯的作用；史欽文等人研制了一種超聲波理療儀[3]，采用高低頻信號(hào)混合的方式產(chǎn)生特定能量的超聲波，可以加速傷口愈合，但是智能化程度低，難以在家庭中推廣。鄒海軍等人[4]利用磁、振、熱三種物理因子對(duì)單一因子理療儀進(jìn)行了改善，但是物理因子僅能作用于皮膚表面，對(duì)深層病灶無作用。綜上所述：理療儀存在如下兩方面的不足：(1)因?yàn)檩敵龉β市?，作用范圍廣，對(duì)深層病灶無明顯效果；(2)價(jià)格較高，智能化程度較低，難以在家庭中推廣和普及?；谝陨喜蛔阒?本文設(shè)計(jì)了一款術(shù)后康復(fù)理療儀，以生物安全型高頻信號(hào)源為理療信號(hào)，工作頻率約 290 kHz，功率最高可以達(dá)到60 W，采用侵入式高頻理療，作用范圍集中，能夠改善局部新陳代謝，加速疼痛物質(zhì)的代謝并改善植物神經(jīng)系統(tǒng)功能，從而阻斷疼痛的惡性循環(huán)，加速術(shù)后傷口炎癥的消除和傷口愈合，縮短康復(fù)時(shí)間。另外采用嵌入式系統(tǒng)提高理療儀智能化程度，體積小，操作簡(jiǎn)單，造價(jià)低，適于家庭中推廣使用。

1 系統(tǒng)組成及結(jié)構(gòu)

該系統(tǒng)由4個(gè)主要模塊組成：電源、嵌入式微控制器、高頻生物安全型信號(hào)源和電極，基本的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

該理療儀采用220 V交流直接供電，簡(jiǎn)單方便，然后利用開關(guān)電源得到12 V、5 V直流電給風(fēng)扇、微控制器等模塊供電；嵌入式微控制器是系統(tǒng)的核心，控制理療信號(hào)產(chǎn)生的強(qiáng)度和時(shí)間，用戶可以通過觸摸屏或按鍵進(jìn)行功能選擇；高頻生物安全型信號(hào)源的主要功能是產(chǎn)生理療所需的高頻信號(hào),設(shè)計(jì)中采用IR2153作為驅(qū)動(dòng)芯片,經(jīng)過放大和變壓器轉(zhuǎn)換后即可輸出理療信號(hào)；該理療信號(hào)通過專用電極作用于理療部位，電極由手柄和極板組成，手柄有多種形狀，可根據(jù)理療部位的不同進(jìn)行選擇，極板需要與患者的皮膚直接接觸，以達(dá)到侵入式能量置換。

2 硬件設(shè)計(jì)

該理療儀硬件電路設(shè)計(jì)主要由嵌入式微控制器及其外圍電路和高頻生物信號(hào)源產(chǎn)生電路兩部分組成。

2.1 微控制器外圍電路設(shè)計(jì)

鑒于該理療儀智能化程度的要求，本系統(tǒng)采用三星公司的ARM9開發(fā)板作為硬件資源。該開發(fā)板是以16/32位精簡(jiǎn)指令集(RISC)處理器S3C2440A為控制器[5]，具有良好的穩(wěn)定性和獨(dú)立性。該硬件電路設(shè)計(jì)把開發(fā)板硬件資源與設(shè)計(jì)需求相結(jié)合，對(duì)板載資源進(jìn)行了最大限度的利用。

利用S3C2440A內(nèi)部集成的具有脈沖寬度調(diào)制(PWM)功能的定時(shí)器1產(chǎn)生所需的PWM波。首先在底層驅(qū)動(dòng)程序中對(duì)計(jì)數(shù)緩沖寄存器(TCNTB1)和比較緩沖寄存器(TCMPB1)進(jìn)行初始化；然后在應(yīng)用程序中采用分級(jí)式脈沖寬度調(diào)制算法對(duì)治療強(qiáng)度進(jìn)行精確的控制。

系統(tǒng)中的LED指示燈由開發(fā)板提供給用戶的I/O口(端口F)進(jìn)行控制。程序設(shè)計(jì)中分別置端口F相應(yīng)的位為高電平或低電平來控制LED燈的亮與滅，以便給用戶提供直觀的指示。

按鍵電路是利用開發(fā)板提供的按鍵接口來實(shí)現(xiàn)強(qiáng)度和時(shí)間的控制功能。按鍵驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)中通過將按鍵操作映射為WINCE環(huán)境下的通用鍵盤事件KEY UP和KEY DOWN，使得應(yīng)用程序能夠響應(yīng)底層按鍵操作。

報(bào)警電路是利用定時(shí)器0的PWM功能進(jìn)行控制。報(bào)警電路的作用是當(dāng)用戶設(shè)定的治療時(shí)間開始及結(jié)束時(shí)，分別給予不同的警示。

顯示電路是利用板載資源中已有的觸摸屏接口，外接5.2英寸觸摸顯示屏，給用戶提供生動(dòng)活潑、操作方便、人性化的交互界面。

2.2 高頻生物安全型信號(hào)源的電路設(shè)計(jì)

高頻信號(hào)源產(chǎn)生以IR2153作為驅(qū)動(dòng)芯片，這是一種高壓、高速、自震蕩、帶有高低端驅(qū)動(dòng)的半橋驅(qū)動(dòng)器，可驅(qū)動(dòng)N溝道功率MOSFET。高端和低端驅(qū)動(dòng)輸出有內(nèi)部自帶互鎖電路，防止高端和低端同時(shí)導(dǎo)通而引起半橋電路短路[6]。本文中設(shè)計(jì)了一種頻率和占空比均可調(diào)節(jié)的前級(jí)電路，通過調(diào)節(jié)前級(jí)電路可在IR2153的HO和LO引腳輸出頻率相同、高低電平互補(bǔ)的驅(qū)動(dòng)波形，以驅(qū)動(dòng)電路中的MOSFET。高頻信號(hào)源產(chǎn)生電路如圖2所示。

圖2 高頻信號(hào)源產(chǎn)生電路

其中振蕩周期由電路中的R2、R3和C1確定,具體公式為：

調(diào)節(jié)電路中的滑動(dòng)變阻器R2可改變其振蕩頻率，D3導(dǎo)通時(shí)C1充電，D2導(dǎo)通時(shí)C1放電，可見通過調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器R3即可調(diào)節(jié)輸出波的占空比。

IR2153高低端產(chǎn)生的波形要通過電路中的MOSFET管和變壓器放大到要求的治療強(qiáng)度。該變壓器采用具有中心抽頭的推挽式逆變器[7]，中心抽頭接12 V直流電源，初級(jí)輸入電路由參數(shù)相同的MOSFET管構(gòu)成，采用兩只MOSFET管并聯(lián)的方式以增強(qiáng)驅(qū)動(dòng)電流。這是一種完全對(duì)稱的結(jié)構(gòu)形式，且MOSFET管具有驅(qū)動(dòng)方便、不必進(jìn)行隔離的優(yōu)點(diǎn)。電路中MOSFET管以推挽方式工作，各負(fù)責(zé)正負(fù)半周的波形放大任務(wù)，電路工作時(shí)Q2、Q3與Q4、Q5為 180°互補(bǔ)導(dǎo)通， 當(dāng) Q2、Q3導(dǎo)通時(shí)，+12 V電源電壓加在變壓器初級(jí)繞組W11上，在W11中感應(yīng)出與12 V相等的電動(dòng)勢(shì)；當(dāng)Q4、Q5導(dǎo)通時(shí)，+12 V電源電壓加在變壓器初級(jí)繞組W12上，在W12中感應(yīng)出電動(dòng)勢(shì)，其中W11=W12=2匝，故在變壓器的次級(jí)繞組W2中感應(yīng)出對(duì)應(yīng)正負(fù)半軸的電動(dòng)勢(shì)EW2=(W2/W1)×12 V。變壓器采用的磁芯為EC42，輸入電壓12 V,輸出電壓450 V,初級(jí)匝數(shù)為2 T,次級(jí)匝數(shù)為80 T,MOSFET管開關(guān)頻率為290 kHz。經(jīng)過MOSFET管和變壓器放大的信號(hào)即可通過陶瓷手柄作用于人體進(jìn)行理療。

3 軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要包括兩大部分：(1)底層驅(qū)動(dòng)程序開發(fā)，包括I/O口驅(qū)動(dòng)、PWM驅(qū)動(dòng)、鍵盤驅(qū)動(dòng)和觸摸屏驅(qū)動(dòng)等；(2)嵌入式應(yīng)用程序開發(fā)，包括響應(yīng)鍵盤事件、對(duì)I/O口進(jìn)行控制等。該系統(tǒng)主程序流程圖如圖3所示。

(1)驅(qū)動(dòng)程序開發(fā)

在WinCE6.0系統(tǒng)下應(yīng)用程序無法對(duì)物理地址進(jìn)行直接的操作，但可以在內(nèi)核中添加驅(qū)動(dòng)程序?qū)崿F(xiàn)地址虛擬映射，以達(dá)到操作硬件的目的。該系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)程序編寫采用流驅(qū)動(dòng)程序，流驅(qū)動(dòng)程序由設(shè)備管理器統(tǒng)一加載、管理和卸載[8]。應(yīng)用程序使用Windows CE操作系統(tǒng)的文件API函數(shù)和流接口進(jìn)行通信,從而實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能。

本系統(tǒng)所需要的驅(qū)動(dòng)程序包括LED驅(qū)動(dòng)、蜂鳴器驅(qū)動(dòng)、PWM波驅(qū)動(dòng)、鍵盤驅(qū)動(dòng)、觸摸屏驅(qū)動(dòng)等。完成所需流驅(qū)動(dòng)程序編寫后，將其加入到內(nèi)核重新編譯生成內(nèi)核文件NK.bin和NK.nb0再下載到NandFlash中即可使用。

(2)應(yīng)用程序的開發(fā)

本系統(tǒng)應(yīng)用程序開發(fā)主要包括界面設(shè)計(jì)和功能設(shè)計(jì)，系統(tǒng)配有5.2英寸液晶顯示屏，界面設(shè)計(jì)以顯示直觀、界面友好、操作方便、人性化為目標(biāo)；功能設(shè)計(jì)中采用分級(jí)式脈寬調(diào)制算法實(shí)現(xiàn)不同強(qiáng)度理療信號(hào)輸出，即通過更改PWM占空比和頻率，實(shí)時(shí)改變理療波形強(qiáng)度，以最低強(qiáng)度 (強(qiáng)度1)為例，PWM波如圖4(a)所示，經(jīng)PWM波調(diào)制的理療波形如圖4(b)所示，該理療儀采用五級(jí)分級(jí)制度輸出理療波形供用戶選擇，強(qiáng)度1為最低強(qiáng)度，強(qiáng)度5為最高強(qiáng)度。

圖3 系統(tǒng)主程序流程圖

圖4 分級(jí)式脈寬調(diào)制算法示例

該應(yīng)用軟件采用VS2005進(jìn)行開發(fā)，VS2005是微軟為小型設(shè)備量身打造的方便使用的軟件，支持VC++、VB、C#等語言，此次采用了C#語言進(jìn)行應(yīng)用程序的開發(fā)。在應(yīng)用程序中通過調(diào)用WinCE的API函數(shù)CteatFile打開設(shè)備，然后用DeviceIOControl與驅(qū)動(dòng)程序進(jìn)行通信，包括讀和寫兩種操作，操作完畢后用CloseHandle關(guān)閉設(shè)備。

4 測(cè)試與分析

本文研制的術(shù)后康復(fù)理療儀在常溫下以實(shí)驗(yàn)室人員為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，以強(qiáng)度1為例測(cè)得電極輸出的波形如圖5所示。該輸出波形是經(jīng)強(qiáng)度1的PWM調(diào)制的正弦波，正弦波輸出頻率為287 kHz左右。經(jīng)長時(shí)間測(cè)試結(jié)果顯示，該理療儀符合設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，且電磁兼容性好，安全性高，理療效果明顯。

圖5 理療狀態(tài)下，強(qiáng)度1的電極輸出波形

[1]BIRGIT A L,LVERSEN H K,IBSEN P.Preclinical validation of electrochemotherapy as an effeetive treatment for brain tumors[J].Cancel Res June，2011,71(11):3753-3762.

[2]胡鴻志.新型低頻電脈沖理療儀的研制[J].電子測(cè)量技術(shù),2011,34(7):5-7,23.

[3]史欽文,祝忠明,劉再東,等.基于 AT89C2051單片機(jī)的超聲波理療儀設(shè)計(jì)[J].電子元器件應(yīng)用,2010,12(11):11-14.

[4]鄒海軍,齊海兵,潘正中.磁熱按摩理療儀的制作[J].湖北理工學(xué)院學(xué)報(bào),2012,28(5):15-17,26.

[5]張強(qiáng),忻尚芝,邢斌.基于S3C2440A的無創(chuàng)血氧檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)應(yīng)用,2013,39(6):67-69,73.

[6]李明.利用IR2153自振蕩MOS驅(qū)動(dòng)器實(shí)現(xiàn)變頻驅(qū)動(dòng)[J].今日電子,1999(2):15-16.

[7]王東宏.晶體管推挽式逆變器設(shè)計(jì)及其應(yīng)用[J].電氣自動(dòng)化,1998(3):26-27.

[8]關(guān)珊珊,管強(qiáng).基于ARM的電熱爐溫度采集與控制系統(tǒng)[J].微型機(jī)與應(yīng)用,2013,32(10):69-72,76.