一種基于STM32的經(jīng)皮神經(jīng)電刺激痛經(jīng)治療儀設(shè)計(jì)*

劉佐濂，甘華國(guó)，許森炫，杜永亮

(廣州大學(xué)物理與電子工程學(xué)院，廣東 廣州 510006)

0 引言

痛經(jīng)是絕大多數(shù)女性都會(huì)有的婦科病，多發(fā)生在青春期。發(fā)病時(shí)期經(jīng)常伴有疼痛，輕微的癥狀對(duì)人不會(huì)有太大影響，但嚴(yán)重時(shí)會(huì)對(duì)生活帶來不便，劇烈的疼痛感不但使人心情不好，還很難專心工作和學(xué)習(xí)。所以能快速并有效治療痛經(jīng)是很有必要的?，F(xiàn)有的治療手段一般是藥物治療，藥物的種類很多，有預(yù)防的，也有發(fā)病時(shí)服用治療的[1,2]，但服用藥物會(huì)有副作用，用多了會(huì)對(duì)身體產(chǎn)生不良影響。Tens電刺激原理是通過電子產(chǎn)品產(chǎn)生電流刺激敏感神經(jīng)，抑制疼痛感，減輕痛經(jīng)帶來的疼痛感[3-5]。此方法能在發(fā)病時(shí)快速有效的治療，并無副作用。本產(chǎn)品就是基于電刺激原理來進(jìn)行開發(fā)。

1 治療儀結(jié)構(gòu)和原理

治療儀的組成主要包括STM32系列單片機(jī)最小系統(tǒng)，升壓電路，雙極性轉(zhuǎn)化電路，CC2541藍(lán)牙電路等。其結(jié)構(gòu)框圖如圖1。

手機(jī)藍(lán)牙與主控板藍(lán)牙模塊對(duì)接，手機(jī)APP上輸入的治療參數(shù)：治療時(shí)間、輸出電流、調(diào)制波形通過手機(jī)藍(lán)牙發(fā)送到主控板上的藍(lán)牙模塊，藍(lán)牙模塊把接收到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給主控芯片，主控芯片收到信息后通過藍(lán)牙反饋信息給手機(jī)APP確認(rèn)收到信息，從而達(dá)到控制MCU內(nèi)部配置好的治療波形的目的，使治療達(dá)到理想效果。

開始工作時(shí)，MCU先控制Boost升壓電路將輸出電壓提升到70 V左右，然后MCU通過DAC(數(shù)模轉(zhuǎn)換)引腳輸出對(duì)應(yīng)波形(正弦波、方波、三角波)，波形通過電壓跟隨器(電壓跟隨器功能是為了提高負(fù)載能力)輸出到雙極型變換電路，控制對(duì)應(yīng)三極管的工作狀態(tài)，輸出電壓幅值為正負(fù)70 V左右的正弦波、方波、三角波等波形。再通過電極片連接到人體對(duì)應(yīng)穴位上進(jìn)行治療。輸出治療波形為低頻連續(xù)波，波形頻率范圍在1～100 Hz，波形主要有正弦波、方波、三角波等，通過不同先后順序組合達(dá)到不同舒緩?fù)闯Ч鸞6]。痛經(jīng)時(shí)候連接的穴位為足三里(雙側(cè))，三陰交(雙側(cè))[7]，肚臍旁開約4 cm(雙側(cè))，肚臍與恥骨聯(lián)合中點(diǎn)旁開約4 cm(雙側(cè))使用方法是痛經(jīng)時(shí)將電極片貼到對(duì)應(yīng)穴位，并啟動(dòng)治療儀器，使其輸出治療波形。可緩解痛經(jīng)痛楚。

圖1 治療儀結(jié)構(gòu)框圖

2 電路模塊功能介紹

2.1 基于STM32最小系統(tǒng)電路

STM32F103RCT6內(nèi)核為cortex-m3，有功耗低、成本低等特點(diǎn)[8]，適用于開發(fā)。芯片為32位機(jī)，時(shí)鐘頻率為72M，處理速度快，使用產(chǎn)生各種波形。為大容量機(jī)，其程序存儲(chǔ)空間為256 kB。芯片擁有64個(gè)引腳，通用I/O口就有51個(gè)，輸入輸出引腳完全夠用。多達(dá)8個(gè)16位定時(shí)器，2個(gè)16位定時(shí)器用于驅(qū)動(dòng)12位的DAC。12位的高精度DAC，使輸出波形完整不失真。同時(shí)芯片還有12位同步高精度ADC，用于采集電路電壓精確度高。圖2為基于STM32F103RCT6設(shè)計(jì)的最小系統(tǒng)電路圖。設(shè)計(jì)電路經(jīng)過測(cè)試，性能安全穩(wěn)定，各部分功能輸出可靠正常，能很好地完成功能需求。

圖2 最小系統(tǒng)電路圖

2.2 升壓電路

升壓電路采用簡(jiǎn)單的升壓斬波電路[9]。此電路元件少，元件參數(shù)選取簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)。具體電路見圖3。

圖3 升壓斬波電路

電路中L101電感量為6.8 uH,C106電容量為30 uF值相對(duì)較大，所以電路工作時(shí)流過電感L101的電流和電容C106兩端的電壓可以認(rèn)為是不變的。當(dāng)三級(jí)管Q5基極高電位導(dǎo)通時(shí)，三極管集射極可看成完全導(dǎo)通，電源E為5 V、電感、集射極間形成充電回路，電流流過電感形成充電回路，能量?jī)?chǔ)存在L101中。電流可以看作為一恒定值I。同時(shí)電容通過R210對(duì)負(fù)載放電，電壓可以看作恒定。當(dāng)三極管關(guān)閉時(shí)，5 V電源、電感、二極管、電容、地形成回路，電源和電感同時(shí)對(duì)電容和負(fù)載供電。設(shè)三極管開通時(shí)間為ton，其開通時(shí)電感存儲(chǔ)能量為EIton。設(shè)關(guān)閉時(shí)間為toff，電感釋放能量為(U-E)Itoff。當(dāng)電路穩(wěn)定時(shí)，有以下關(guān)系：

EIton=(U-E)Itoff.

(1)

化簡(jiǎn)上式可得：

(2)

從(2)式可看出，輸出電壓跟輸入電壓和三極管控制信號(hào)的占空比有關(guān)，在輸入電壓不變的情況下，改變控制三極管的信號(hào)的占空比可以改變輸出電壓。通過這個(gè)原理，我們?cè)趩纹瑱C(jī)程序中改變相應(yīng)函數(shù)入口參數(shù)就可以改變輸出電壓幅度，產(chǎn)生不同的治療效果。

2.3 雙極性轉(zhuǎn)化電路

雙極性電路的主要功能是把正弦波、方波、三角波從單極性變成雙極性，使電極輸出的電流對(duì)神經(jīng)刺激時(shí)不會(huì)形成刺痛感同時(shí)去除表皮電解質(zhì)形成單極性化。電路圖如圖4。

Q1和Q2管控制信號(hào)OUT0和OUT1分別來源于STM32F103RCT6的PA4和PA5I/O腳，信號(hào)交替控制兩組三極管的開通和關(guān)閉。兩路控制信息號(hào)形成互補(bǔ)關(guān)系避免Q4、Q1和Q3、Q2同時(shí)導(dǎo)通。當(dāng)Q1、Q3導(dǎo)通，電流流向?yàn)閕1。同理Q2、Q4同時(shí)導(dǎo)通，電流流向?yàn)閕2。i1電流方向和i2電流方向剛好大小相同方向相反從而形成雙極性信號(hào)。

圖4 雙極性轉(zhuǎn)化電路

2.4 基于CC2541的藍(lán)牙模塊電路

CC2451藍(lán)牙芯片基于藍(lán)牙4.0標(biāo)準(zhǔn)，功能強(qiáng)大，內(nèi)部集成低功耗增強(qiáng)型8051內(nèi)核，支持系統(tǒng)編程Flash和8KRAM，具有低功耗，傳輸距離遠(yuǎn)等特點(diǎn)。其待機(jī)電流僅為1uA，使用紐扣即可待機(jī)長(zhǎng)達(dá)數(shù)年，非常適合低功耗電子產(chǎn)品。而且價(jià)格低廉，易于控制成本。CC2541需要的外圍元件少，電路簡(jiǎn)單，容易設(shè)計(jì)。電路圖如圖5。

CC2541藍(lán)牙芯片通過串口與主控芯片STM32F103RCT6連接，進(jìn)行數(shù)據(jù)交流。藍(lán)牙芯片的串口發(fā)送和接收引腳分別是P0_4和P0_5引腳，它們分別連接到STM32的串口2引腳PA_3和PA_2。當(dāng)藍(lán)牙收到主控芯片發(fā)送的配對(duì)信息時(shí)就會(huì)處于配對(duì)狀態(tài)，等待與手機(jī)藍(lán)牙的連接。連接上手機(jī)后，主控芯片就可以通過串口發(fā)送數(shù)據(jù)給CC2541，再經(jīng)過CC2541的發(fā)射電路發(fā)射數(shù)據(jù)給手機(jī)。手機(jī)也可以通過CC2541發(fā)送數(shù)據(jù)給主控芯片，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互。

圖5 藍(lán)牙模塊電路

3 手機(jī)APP設(shè)計(jì)與功能

電療儀通過藍(lán)牙連接手機(jī)，可以實(shí)時(shí)記錄用戶數(shù)據(jù)和健康情況，用戶也可以在手機(jī)APP上反映自身的健康情況。通過對(duì)收集的用戶數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，手機(jī)可自動(dòng)推薦合適的治療參數(shù)和方法供用戶使用。圖6為手機(jī)APP界面。

手機(jī)APP分三個(gè)界面。第一個(gè)界面是功能模式界面，可在這個(gè)界面選擇不同的治療模式。第二個(gè)界面是設(shè)備搜索界面，可顯示藍(lán)牙配對(duì)情況。第三個(gè)界面為用戶數(shù)據(jù)界面，顯示登錄信息，治療結(jié)果等。用戶每次使用治療儀的情況軟件都會(huì)自動(dòng)記錄，并提示是否發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)上。用戶也可以手動(dòng)記錄健康數(shù)據(jù)和問題并上傳。每隔一周手機(jī)就會(huì)根據(jù)用戶的實(shí)際情況發(fā)送推送，用戶可以點(diǎn)擊查看并選擇是否使用推送治療方案。

本產(chǎn)品可實(shí)現(xiàn)輸出波形、幅值、頻率可調(diào)功能，供不同用戶使用。控制信號(hào)可以改變輸出波形，控制信號(hào)是正弦波或三角波時(shí)，輸出信號(hào)也是正弦波或三角波。控制信號(hào)由單片機(jī)的DAC引腳輸出。單片機(jī)內(nèi)部集成DAC，將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)化為模擬信號(hào)輸出，12位高精度DAC保證輸出波形不失真。通過程序改變DAC的相應(yīng)參數(shù)值，從而實(shí)現(xiàn)信號(hào)幅度、頻率可調(diào)。通過實(shí)驗(yàn)測(cè)試，不同的輸出波形、幅度、頻率刺激人體效果不同，療效也不同。

圖6 手機(jī)APP界面

4 結(jié)語

儀器系統(tǒng)主要包括升壓電路、雙極性產(chǎn)生電路，CC2541藍(lán)牙電路和手機(jī)APP。其中升壓電路和雙極性電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低廉。經(jīng)過性能測(cè)試系統(tǒng)安全穩(wěn)定。采用低功耗的CC2541藍(lán)牙模塊，能有效地提高產(chǎn)品的使用時(shí)間。手機(jī)APP可方便地通過手機(jī)提示操作電療儀。