基于51的醫(yī)學(xué)中頻治療儀的設(shè)計(jì)

徐州醫(yī)科大學(xué)醫(yī)學(xué)信息學(xué)院 俞 嘯 周家?guī)?張 立

基于51的醫(yī)學(xué)中頻治療儀的設(shè)計(jì)

徐州醫(yī)科大學(xué)醫(yī)學(xué)信息學(xué)院 俞 嘯 周家?guī)?張 立

為了解決眾多上班族和中老年人群體不斷飽受慢性疾病危害的問題，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)一套醫(yī)學(xué)中頻治療儀系統(tǒng)。系統(tǒng)由按鍵模塊、顯示模塊、模數(shù)轉(zhuǎn)換（DAC）模塊、放大模塊、電源模塊和微處理器控制模塊組成，能夠輸出多種醫(yī)學(xué)調(diào)制中頻電脈沖。系統(tǒng)采用51單片機(jī)作為控制模塊，按照經(jīng)皮神經(jīng)電刺激鎮(zhèn)痛原理，實(shí)現(xiàn)組合輸出調(diào)制中頻電脈沖的功能；并根據(jù)用戶自身的反應(yīng)情況，實(shí)現(xiàn)治療電脈沖頻率、強(qiáng)度和時(shí)間的調(diào)節(jié)功能。系統(tǒng)中設(shè)計(jì)的多級(jí)濾波電路，對(duì)電脈沖整個(gè)調(diào)制和輸出過程進(jìn)行濾波和校正，確保醫(yī)學(xué)調(diào)制電脈沖輸出的準(zhǔn)確性。最終調(diào)試結(jié)果表明，該醫(yī)學(xué)中頻治療儀輸出的治療電脈沖與電療規(guī)范脈沖基本一致，能夠?yàn)槁约膊》乐纹鸬絽⒖甲饔谩?/p>

中頻；51單片機(jī)；慢性疾??；電刺激

0 引言

隨著生活節(jié)奏的加快，時(shí)間碎片化成為現(xiàn)代社會(huì)生活的重要趨勢(shì)，社會(huì)人群愈加困難地抽出整段的時(shí)間進(jìn)行體育保健鍛煉。此外，在當(dāng)今中國(guó)社會(huì)，老年人數(shù)量逐年遞增，整個(gè)社會(huì)面臨著日益嚴(yán)重的人口老齡化問題，老年人的醫(yī)療保健問題也顯得尤為重要；與此同時(shí)，現(xiàn)代社會(huì)的經(jīng)濟(jì)活動(dòng)愈加頻繁，以及不斷提速的現(xiàn)代生活步伐，越來越多的上班族長(zhǎng)期處于精神疲憊、腰酸背痛、壓力沉重的狀態(tài)下，長(zhǎng)此以往，必然會(huì)導(dǎo)致“亞健康”的癥狀，嚴(yán)重的話，甚至?xí)o生命造成威脅。

針對(duì)以上情況，本文將嵌入式技術(shù)、電子電路技術(shù)和現(xiàn)代醫(yī)療技術(shù)相結(jié)合，采用了高性價(jià)比、可靠性優(yōu)良的51系列單片機(jī)和美國(guó)TI公司生產(chǎn)的TLC7528數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片，以低功耗為目的設(shè)計(jì)了一系列外圍硬件電路，以“便捷、高效、安全、實(shí)用”作為設(shè)計(jì)目標(biāo)，設(shè)計(jì)了一款智能化、自動(dòng)化的家用便攜式醫(yī)學(xué)中頻治療儀[1]。對(duì)于工作繁忙而無法進(jìn)行保健鍛煉的上班族來說，這種家用便攜式醫(yī)學(xué)中頻治療儀可以方便他們?cè)诠ぷ髦喔咝Ю脮r(shí)間進(jìn)行理療鍛煉，保證他們的身體健康，工作的發(fā)展。對(duì)于中老年患者，醫(yī)學(xué)中頻治療儀可以給他們帶來有效而又舒適的保健治療，并且杜絕了他們長(zhǎng)期往返于醫(yī)院的煩惱，從而在本質(zhì)上提升醫(yī)療效果和患者的生活質(zhì)量，在一定程度上減少了醫(yī)療支出[2]。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的醫(yī)學(xué)中頻治療儀采用單片機(jī)控制脈沖電路。系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)如圖1所示[3]。由圖中分析可知，醫(yī)學(xué)中頻治療儀的核心是一個(gè)微控制單元，通過這個(gè)微控制單元控制各模塊的獨(dú)立、準(zhǔn)確的運(yùn)轉(zhuǎn)；微控制單元基于時(shí)序脈沖，控制數(shù)模轉(zhuǎn)換單元（DAC）將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)，接下來經(jīng)過運(yùn)算放大器實(shí)現(xiàn)信號(hào)的一級(jí)放大，放大后的信號(hào)通過濾波電路濾除噪聲，然后送至功率放大電路進(jìn)行二次放大，放大后的信號(hào)最終輸送至電極實(shí)現(xiàn)調(diào)制中頻電脈沖的輸出。系統(tǒng)的其他功能部件包括電源供電模塊，外部按鍵觸發(fā)輸入模塊和相關(guān)信息顯示模塊[4]。

圖1 系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)框圖

圖2 TLC7528內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

2 硬件芯片選型和電路設(shè)計(jì)

2.1 DAC和放大器選型

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵即為DAC的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和放大器實(shí)現(xiàn)波形放大，因此硬件芯片選型也就至關(guān)重要。

對(duì)于數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊（DAC），本系統(tǒng)選用了TI公司的TLC7528直插型芯片。TLC7528的工作電壓范圍為5V～15V，其內(nèi)部集成了雙路、8位數(shù)模轉(zhuǎn)換器，通過內(nèi)置獨(dú)立鎖存器，實(shí)現(xiàn)數(shù)模轉(zhuǎn)換器的選擇。具體而言，單片機(jī)給控制信號(hào)，控制信號(hào)輸入至鎖存器，通過鎖存器決定DACA或者DACB來工作。TLC7528內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。

TLC7528的具體工作原理如圖3所示。由于TLC7528要實(shí)現(xiàn)8位數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換，意味著最小輸出信號(hào)為參考信號(hào)的256分頻。下圖電路中，共有八個(gè)切換開關(guān)，當(dāng)所有開關(guān)接至AGND，則輸出電壓為0，當(dāng)只有S8接至OUT時(shí)，因?yàn)橐幌盗须娮璨⒙?lián)，所以只有256分頻的電壓值輸出，其他輸出值得實(shí)現(xiàn)都是基于開關(guān)的調(diào)節(jié)和電阻并聯(lián)完成的。根據(jù)以上的原理，TLC7528能夠?qū)崿F(xiàn)8位數(shù)模信號(hào)的轉(zhuǎn)換。

圖3 TLC7528工作原理圖

針對(duì)放大器的選型，選用了市場(chǎng)上普遍使用的TI公司的LM324，LM324以其低廉的價(jià)格和完善的功能而廣受歡迎。LM324可以工作于單電源下，其內(nèi)置四組帶差動(dòng)輸入的運(yùn)算放大器。工作電壓范圍為3V～16V，同時(shí)具備了靜電保護(hù)的功能。其管腳連接圖如圖4所示。從圖中可知，LM324四組放大器共用Vcc和GND管腳，但是每組放大器都有單獨(dú)的輸入輸出管腳，其中，輸入管腳有正相輸入和反相輸入兩種選擇。

圖4 LM324管腳連接圖

2.2 放大驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)，采用5V基準(zhǔn)電壓的51單片機(jī)對(duì)模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，從而獲得5V的波形幅值，但是5V電脈沖波形無法驅(qū)動(dòng)電極工作，因此必然要求我們對(duì)于電脈沖信號(hào)進(jìn)行放大，運(yùn)算放大電路如圖5所示。

圖5 運(yùn)算放大電路

反相交流放大器的特點(diǎn)是輸入阻抗高。由于兩級(jí)電路的結(jié)果和原理相似，所以只分析第一級(jí)放大電路。放大器采用單電源供電，由R1、R2組成1／2U+偏置，C1是消振電容。放大器放大倍數(shù)Av僅由外接電阻Ri、Rf決定：Av=﹣Rf／Ri。負(fù)號(hào)表示輸出信號(hào)與輸入信號(hào)相位相反。按圖中所給數(shù)值，Av=﹣102。此電路輸入電阻為Ri，一般情況下先取Ri與信號(hào)源內(nèi)阻相等，然后根據(jù)要求的放大倍數(shù)再選定Rf。C1和C2為耦合電容。反向放大器如圖6所示。

圖6 反相放大器電路

2.3 升壓和電極電路設(shè)計(jì)

升壓和電極電路是由升壓變壓器T1、電位器R19、電極片等組成。升壓電路工作后，信號(hào)5V經(jīng)過升壓變壓器T 的二次繞組(繞組W2)之后電壓上升到100V，該電壓經(jīng)電位器R19控制后，通過兩只外接電極作用到人體的病灶部位(心臟部位和頭部禁用)，從而實(shí)現(xiàn)治療功能。LED1為工作狀態(tài)指示發(fā)光二極管。在治療工作時(shí)，發(fā)光二極管LED1發(fā)光。調(diào)節(jié)電位器R19的阻值，可以改變正弦電壓的幅度，從而改變治療的強(qiáng)度。調(diào)節(jié)電位器R8的阻值，從而改變多諧振蕩器的工作頻率，從而改變治療動(dòng)作的頻率。

升壓電路是利用升壓變壓器來提升電壓，但是不改變信號(hào)的頻率。變壓器兩組線圈分別為n1和n2，n1為初級(jí)，n2為次級(jí)。在初級(jí)線圈上加一交流電壓，再刺激線圈兩頭就會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，當(dāng)n2 < n1時(shí)，其感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)要比初級(jí)所加的電壓還要高，這種變壓器成為升壓變壓器，如下圖7所示。變壓器工作原理就是電磁感應(yīng)，一般說有兩組線圈，原線圈加交流電產(chǎn)生磁場(chǎng)，副線圈在這個(gè)磁場(chǎng)作用下，產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，接上負(fù)載就產(chǎn)生電流。原線圈和副線圈匝數(shù)不等所以能夠改變電壓。

電極電路是將一個(gè)滑動(dòng)變阻器串聯(lián)在升壓變壓器的輸出端，后面再串連兩片金屬板電極，如下圖8所示。調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器，將治療儀的輸出功率調(diào)至合適的值，即可將兩片金屬板電極接上人體的治療部位，進(jìn)行治療。

圖7 變壓器

圖8 治療電極

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

圖9 系統(tǒng)軟件流程圖

圖10 正弦波

醫(yī)學(xué)中頻治療儀系統(tǒng)軟件功能如圖9所示。醫(yī)學(xué)中頻治療儀系統(tǒng)軟件主要包括初始化、按鍵判斷、LCD顯示和波形控制輸出這些部分的功能。初始化部分負(fù)責(zé)全局變量的初始化、51單片機(jī)硬件資源的初始化[5]，以及DAC芯片的初始化工作。按鍵判斷負(fù)責(zé)響應(yīng)用戶的按鍵不同操作，其中包括不同波形的輸出切換，具體某一波形的頻率、幅值調(diào)節(jié)。LCD顯示部分，根據(jù)用戶的按鍵操作，在LCD上顯示具體的波形、頻率、幅值，以及相關(guān)的系統(tǒng)信息。波形輸出部分，主要根據(jù)所使用的DAC芯片位數(shù)，以及使用功能要求，負(fù)責(zé)相關(guān)波形輸出的要求，最終輸出結(jié)果是以三角波、正弦波、方波等作為基礎(chǔ)波的組合波形。

main函數(shù)被定義為無返回值函數(shù)，其中主體是一個(gè)死循環(huán)while。而在while執(zhí)行之前，首先執(zhí)行了初始化函數(shù)，初始化函數(shù)內(nèi)容包括單片機(jī)硬件的初始化，以及顯示方面的初始化，同時(shí)還包括輸出波形頻率的一系列的初始化。初始化結(jié)束后，就是while的執(zhí)行，在while死循環(huán)中，首先調(diào)用了外部的按鍵功能函數(shù)，當(dāng)有按鍵觸發(fā)時(shí)，同時(shí)也導(dǎo)致了全局變量S的賦值變化，不同的按鍵觸發(fā)，會(huì)給S賦予不同的鍵值。接下來，就是一個(gè)switch語句，其判斷的變量整數(shù)全局變量S，針對(duì)不同的鍵值S，分別實(shí)現(xiàn)了不同波形的輸出。

波形輸出包括兩大部分，一個(gè)是不同波形的采樣數(shù)值，另一個(gè)就是對(duì)應(yīng)的波形輸出函數(shù)。首先，考慮到本系統(tǒng)采用了8位數(shù)據(jù)位的ADC芯片，因此較為合適的波形采樣次數(shù)為256。在這里，較為常用的波形采樣方法有兩種，第一種是直接計(jì)算法，其計(jì)算的思維是這樣的：我們以正弦波形為例，當(dāng)我們需要對(duì)正弦波形采樣時(shí)，首先，基于硬件DAC的位數(shù)前提，我們已經(jīng)確定了最佳采樣次數(shù)為256，而正弦的一個(gè)周期為2π，我們需要將這一個(gè)2π周期均分為256等份，依次計(jì)算出每一等份的幅值，最后，我們可以得到一個(gè)采樣集合，即為代碼開始處的采樣集合。而本系統(tǒng)則是采樣了第二種方法，即為查表法，這里我們借助波形采樣軟件進(jìn)行查表，直接得出采樣集合，大大節(jié)約了時(shí)間。此時(shí)，我們已經(jīng)得到了需要的波形采樣集合。按照一般編程思維，我們會(huì)直接將其定義為變量數(shù)組存放于數(shù)據(jù)寄存器RAM中，然而，單片機(jī)的硬件資源極為有限，尤其數(shù)據(jù)寄存器RAM僅僅為幾個(gè)字節(jié)，如果我們直接將采樣數(shù)組存放在RAM中，必然會(huì)導(dǎo)致程序編寫失敗。所以，我們將采樣集合定義為code類型，存放在程序寄存器ROM中，相對(duì)比空間極為狹小的RAM，ROM就顯得大得多，所以我們將采樣數(shù)據(jù)存放在ROM區(qū)域，有效的利用了單片機(jī)資源。這塊代碼的另一部分，即為不同波形輸出函數(shù)。其內(nèi)部的功能實(shí)現(xiàn)，主要是調(diào)用了DAC處理并發(fā)送數(shù)據(jù)函數(shù)，而在這里，利用模塊化編程思維，將DAC看成一個(gè)接口，直接省去了DAC函數(shù)的細(xì)節(jié)，直接將之前采樣好的波形數(shù)據(jù)通過DAC進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換，進(jìn)而轉(zhuǎn)發(fā)出去[6]。

按鍵觸發(fā)部分的代碼功能是基于單片機(jī)外圍的獨(dú)立按鍵觸發(fā)情況，來給全局變量s賦值，同時(shí)也給不同波形頻率、幅值等參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。此處，一個(gè)注意點(diǎn)是，理想的按鍵觸發(fā)會(huì)直接給單片機(jī)送達(dá)相應(yīng)脈沖的低頻信號(hào)，但是往往而言，現(xiàn)實(shí)狀況總是會(huì)存在誤差，因此，一定時(shí)間的按鍵消抖就顯得尤為重要。如果缺少消抖的時(shí)間延遲，系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)就會(huì)存在不確定性，無法保證其正確性。所以，我們一般會(huì)給按鍵兩個(gè)脈沖左右的時(shí)間消抖，而按鍵真實(shí)存在觸發(fā)，其低頻型號(hào)或保持一段時(shí)間，消抖延遲之后，再次判斷為低頻信號(hào)，則可以判斷有按鍵功能觸發(fā)。

4 系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)及測(cè)試

軟硬件相結(jié)合，觀察硬件電路能否完成預(yù)定功能，同時(shí)對(duì)整個(gè)硬件電路做一次較深層次的測(cè)試。具體操作是：接上仿真頭，啟動(dòng)PC 機(jī)，進(jìn)入51單片機(jī)系統(tǒng)開發(fā)軟件，用開發(fā)軟件編寫應(yīng)用程序，逐步修改完善。經(jīng)過編譯成為單片機(jī)可執(zhí)行的目標(biāo)程序，然后對(duì)生成的目標(biāo)文件進(jìn)行仿真調(diào)試。目標(biāo)程序仿真調(diào)試通過后，通過運(yùn)行開發(fā)軟件寫入到芯片的 ROM 中運(yùn)行。最后，將醫(yī)學(xué)中頻治療儀的輸出接到電極，并且測(cè)試不同波形、不同頻率的效果。

圖11 方波

圖12 鋸齒波

首先，將電極貼較為分布的貼在手肘上，治療儀結(jié)果初始化，按鍵選擇正弦波，正弦主要作用于各種炎癥的治療。基址頻率是2KHz，分別測(cè)試調(diào)頻后的效果，經(jīng)檢測(cè)，正弦波具有中醫(yī)中的敲、抖等動(dòng)作效果。如圖10所示。

接著測(cè)試方波，方波主要用于鎮(zhèn)痛，刺激神經(jīng)肌肉，調(diào)節(jié)自主神經(jīng)系統(tǒng)。首先在測(cè)試者手肘貼上電極，將頻率調(diào)制基址頻率2KHz，然后分別測(cè)試不同頻率的效果。測(cè)試后，方波具有中醫(yī)中的揉、拿等動(dòng)作效果。如圖11所示。

最后測(cè)試鋸齒波，鋸齒波主要用于刺激失常神經(jīng)肌肉，對(duì)正常神經(jīng)具有推拿的效果。首先在測(cè)試者手肘貼上電極，將頻率調(diào)制基址頻率2KHz，然后分別測(cè)試不同頻率的效果。測(cè)試后，鋸齒波具有中醫(yī)中的推、拿、敲等動(dòng)作效果。如圖12所示。

雖然電路模塊中設(shè)計(jì)了濾波電路，由于電路板本身結(jié)構(gòu)的限制，影響了整個(gè)電路的布局和走線，從而引入了一定的噪聲和干擾。

最終測(cè)試表明，本系統(tǒng)采用的測(cè)樣方法是有效的，波形基本吻合所需要的要求，通過人體測(cè)試，輸出波形在25V時(shí)，在基頻模式下，輸出波形具有醫(yī)學(xué)中的推、拿、揉、敲、抖等動(dòng)作的效果，隨著頻率和幅度的增加，可以明顯感覺到手感加重，對(duì)于醫(yī)療保健具有一定的療效。

5 結(jié)語

本文提出的醫(yī)學(xué)中頻治療儀系統(tǒng)是基于51芯片為核心模塊，從多層次、多角度將嵌入式、電子電路和現(xiàn)代醫(yī)療技術(shù)相融合。實(shí)現(xiàn)了醫(yī)療保健鍛煉的便攜性、高效性、針對(duì)性的設(shè)計(jì)宗旨，為現(xiàn)代醫(yī)療自動(dòng)化的發(fā)展打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。本文提出的組合輸出調(diào)制中頻電脈沖的理念，不僅對(duì)于中頻治療儀的發(fā)展做出重要參考，為脈沖治療儀的產(chǎn)品市場(chǎng)帶來新的沖擊，同時(shí)為電刺激醫(yī)療的發(fā)展和進(jìn)步提供寶貴的實(shí)例經(jīng)驗(yàn)價(jià)值。

[1]唐敬之,徐靜娟,王紅粉,等.電腦中頻治療儀的臨床應(yīng)用進(jìn)展[J].按摩與康復(fù)醫(yī)學(xué)旬刊,2012,03(2):51-52.

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Design of medical intermediate frequency therapeutic apparatus based on 51

Yu Xiao，Zhou Jiazhen，Zhang Li
（School of Medicine Information，Xuzhou Medical University，Xuzhou 221009）

In order to solve the problem that many of the workers and the elderly continue to suffer from the chronic diseases，an intermediate frequency therapeutic apparatus system was designed and implemented.The system consists of a key module，a display module，a DAC module，an amplifying module，a power supply module and a microprocessor control module，and can output a variety of modulated IF pulses.The system uses 51 single-chip microcomputer as the control module，according to the principle of percutaneous nerve stimulation analgesia，the function can be achieved to output modulation IF pulses combined.On the basis of the user’s own reaction，the regulation function of the electric pulse frequency，intensity and time was achieved.A multistage filter circuit was designed to filter and correct the entire process that ensures the accuracy of the modulated IF pulses’output.The final debugging result shows that the system’s pulses were basically consistent with the standard IF pulses，and can serve as a reference for the prevention and treatment of chronic diseases.

intermediate frequency；51 single chip；chronic disease；electrical stimulation

注：江蘇省產(chǎn)學(xué)研聯(lián)合創(chuàng)新項(xiàng)目（BY2014033）。

俞嘯（1989—），徐州醫(yī)科大學(xué)講師，研究方向：物聯(lián)網(wǎng)，嵌入式系統(tǒng)，醫(yī)學(xué)信息。