體外沖擊波治療儀控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

馬紅霞 丁薇 佟河亭

摘要：? 針對(duì)氣壓彈道式?jīng)_擊波治療儀的結(jié)構(gòu)及用途，本文基于氣壓彈道式?jīng)_擊波治療儀工作原理，對(duì)體外沖擊波治療儀控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。給出了氣壓彈道式體外沖擊波的工作原理，采用氣動(dòng)回路作為體外沖擊波治療儀動(dòng)力系統(tǒng)，該系統(tǒng)由氣動(dòng)控制回路和單片機(jī)構(gòu)成，同時(shí)采用STC89C51單片機(jī)對(duì)氣動(dòng)回路的激發(fā)壓力和頻率進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)了治療儀工作頻率可在1～10 Hz內(nèi)任意設(shè)定，對(duì)于不同病癥，每次療程沖擊次數(shù)可動(dòng)態(tài)調(diào)整和實(shí)時(shí)顯示;利用壓力施壓指示器裝置，根據(jù)患者癥狀和治療部位施加不同的壓力，得到相應(yīng)的沖擊波能量，拓展了應(yīng)用范圍，進(jìn)一步提高治療效果，該系統(tǒng)方案簡(jiǎn)單，操作方便，成本較低。該研究對(duì)體外病癥治療具有較高的應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：? 體外沖擊波; 氣壓傳動(dòng); 單片機(jī)控制; 治療頻率

中圖分類(lèi)號(hào)： TP368.1; O354.5? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A

體外沖擊波治療是一種介于保守和手術(shù)療法之間的新型無(wú)創(chuàng)治療手段，具有無(wú)副作用、無(wú)恢復(fù)期且又立竿見(jiàn)影的良好治療效果，目前逐漸在臨床上得到廣泛的應(yīng)用。氣壓彈道式體外沖擊波治療儀[1] 是利用壓縮氣體產(chǎn)生的能量以及程序控制驅(qū)動(dòng)彈筒內(nèi)的子彈體，使子彈體以脈沖式?jīng)_擊方式撞擊治療頭，將脈沖壓力波轉(zhuǎn)換為高精準(zhǔn)的彈道式?jīng)_擊波，經(jīng)過(guò)耦合劑進(jìn)入人體，并以放射狀擴(kuò)散的方法傳送至治療部位，對(duì)骨肌疾病具有較好的治療作用[2] 。目前，國(guó)外沖擊波治療儀的發(fā)展水平較高，德國(guó)Zimmer沖擊波治療儀[3] 不但便于攜帶，而且已經(jīng)擁有獨(dú)特的“軟沖擊”技術(shù)，在同等強(qiáng)度下使脈沖更平滑，顯著降低刺痛感;瑞士的STORZ體外沖擊波治療儀[4] ，已經(jīng)能夠精確控制治療能量。由于這些國(guó)外產(chǎn)品設(shè)備復(fù)雜、價(jià)格昂貴[5] ，主要應(yīng)用在三甲醫(yī)院。近年來(lái)，隨著我國(guó)產(chǎn)業(yè)技術(shù)的不斷發(fā)展，國(guó)產(chǎn)體外沖擊波治療儀的功能也在不斷進(jìn)步和完善[6] ，但國(guó)產(chǎn)沖擊波治療儀控制系統(tǒng)一般采用觸摸屏設(shè)置參數(shù)會(huì)存在因頻繁操作導(dǎo)致故障的問(wèn)題，對(duì)于某些用戶(hù)不夠簡(jiǎn)單直接。因此，本文針對(duì)氣壓彈道式?jīng)_擊波治療儀的結(jié)構(gòu)及用途，采用簡(jiǎn)單的氣動(dòng)控制回路，使用編程靈活，成本較低且智能化較高的單片機(jī)，并結(jié)合機(jī)械式開(kāi)關(guān)進(jìn)行參數(shù)控制，操作簡(jiǎn)單直接，且不易發(fā)生故障，既經(jīng)濟(jì)實(shí)惠又方便了用戶(hù)的使用。該研究具有廣闊的應(yīng)用前景。

1 氣壓彈道式?jīng)_擊波的實(shí)現(xiàn)

1.1 工作原理

氣壓彈道式體外沖擊波的產(chǎn)生是利用壓縮空氣產(chǎn)生的壓力脈沖波去驅(qū)動(dòng)彈丸，使彈丸獲得一個(gè)初始速 度，并以這個(gè)速度撞向剛性治療頭的尾端，使治療頭前端獲得的能量通過(guò)耦合劑作用于人體，以放射狀擴(kuò)散的方法傳送至治療部位[7] 。氣壓彈道式?jīng)_擊波產(chǎn)生的原理如圖1所示。

治療頭前端獲得的能量可以使人體組織中的一種高活性神經(jīng)肽類(lèi)物質(zhì)減少、阻止神經(jīng)原性炎癥反應(yīng)，同時(shí)伴隨被治療組織中生長(zhǎng)因子的釋放和干細(xì)胞的活化[8] ，對(duì)人體有鎮(zhèn)痛、代謝激活效應(yīng)、刺激微血管再生以及成骨作用。對(duì)于不同的癥狀，需要的能量大小也不一樣，且能量大小又同壓力、頻率和治療次數(shù)有關(guān)，所以合理控制這些參數(shù)的組合，對(duì)治療效果至關(guān)重要。

1.2 氣動(dòng)控制回路

采用氣動(dòng)回路作為體外沖擊波治療儀動(dòng)力系統(tǒng)[9 11] ，用單片機(jī)控制氣動(dòng)回路中兩位三通電磁閥10的通斷，實(shí)現(xiàn)對(duì)壓力沖擊波的控制。氣動(dòng)控制回路原理圖如圖2所示。

治療前準(zhǔn)備，啟動(dòng)設(shè)備，用戶(hù)首先通過(guò)氣動(dòng)三聯(lián)件5中減壓閥設(shè)定系統(tǒng)壓力，同時(shí)換向閥9通電，利用精密減壓閥6調(diào)整治療儀脈沖壓力，再通過(guò)面板按鍵設(shè)置工作次數(shù)和工作頻率;治療時(shí)，由單片機(jī)控制兩位三通電磁閥10的通斷，實(shí)現(xiàn)對(duì)治療儀的頻率控制，促成脈沖壓力;工作過(guò)程中，壓縮氣源通過(guò)冷卻器2，氣動(dòng)三聯(lián)件5，精密減壓閥6，兩位三通電磁閥9和電磁閥10進(jìn)入治療儀槍筒內(nèi)，驅(qū)動(dòng)彈丸運(yùn)動(dòng)，撞擊治療頭同時(shí)產(chǎn)生能量。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

STC89C51單片機(jī)主要由中央處理器、存儲(chǔ)器和I/O接口芯片組成[12] 。STC89C51單片機(jī)具有集成度高、速度快、功耗低、性能高、體積小等特點(diǎn)，可以與各種電路模塊形成一個(gè)智能化系統(tǒng)[13] 。因此，本文采用STC89C51單片機(jī)實(shí)現(xiàn)所有控制功能，讓電路協(xié)調(diào)工作。

2.1 總體設(shè)計(jì)框圖

本設(shè)計(jì)系統(tǒng)以單片機(jī)為核心[14] ，利用匯編語(yǔ)言，實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁閥的控制及沖擊波治療儀的按鍵顯示信息等，系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖如圖3所示。由圖3可以看出，實(shí)現(xiàn)體外沖擊波治療儀控制功能的硬件系統(tǒng)，由按鍵模塊、電磁閥驅(qū)動(dòng)模塊、液晶屏顯示器（liquid crystai display，LCD）模塊和蜂鳴器模塊等組成。其工作內(nèi)容是用戶(hù)通過(guò)按鍵請(qǐng)求，確認(rèn)彈丸撞擊治療頭的總次數(shù)和頻率，并將請(qǐng)求信息發(fā)送給單片機(jī)，單片機(jī)通過(guò)控制電磁閥，實(shí)現(xiàn)彈丸撞擊治療頭的總次數(shù)和頻率。LCD顯示模塊能夠完成彈丸的實(shí)時(shí)撞擊次數(shù)、設(shè)置撞擊次數(shù)和頻率顯示。當(dāng)彈丸完成目標(biāo)撞擊后，蜂鳴器模塊對(duì)用戶(hù)產(chǎn)生提醒。

2.2 單片機(jī)系統(tǒng)原理

根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖，選擇需要的元器件，并利用Proteus ISIS軟件[15] 連接線(xiàn)路，繪出仿真電路。單片機(jī)系統(tǒng)原理圖如圖4所示。

1） 單片機(jī)最小系統(tǒng)。80C51單片機(jī)的最小系統(tǒng)一般包括電源電路、晶振電路和復(fù)位電路[16] 。晶振電路由兩個(gè)30 pF的電容和11.0592 MHz的晶體組成。復(fù)位電路由電阻、電容和RE-SET按鍵組成，可以完成手動(dòng)復(fù)位和上電復(fù)位。

2） 按鍵模塊。本控制系統(tǒng)的鍵盤(pán)采用6個(gè)獨(dú)立式按鍵，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)彈丸撞擊次數(shù)和頻率上下限的調(diào)整，S1為頻率上限增加，S2為頻率下限減少，S3為次數(shù)上限增加，S4位次數(shù)下限減少，S5為開(kāi)始鍵，S6為清零鍵。由P1.0 ～P1.5 輸入，控制次數(shù)可從0調(diào)整至9999，控制頻率可從1調(diào)整至10。

3） EEPROM電路。采用AT24C02芯片作為串行EEPROM的存儲(chǔ)器，能夠?qū)崿F(xiàn)讀寫(xiě)100萬(wàn)次，數(shù)據(jù)保存長(zhǎng)達(dá)100 a，常用于在關(guān)機(jī)和斷電時(shí)保存數(shù)據(jù)[17] 。因此，將彈丸撞擊次數(shù)和頻率的閾值存儲(chǔ)在EEPROM芯片AT24C02中，并可通過(guò)S1～S4按鍵上調(diào)或下調(diào)，保證掉電仍保存上次數(shù)據(jù)。

4） LCD顯示電路。為顯示用戶(hù)設(shè)置的彈丸撞擊次數(shù)和頻率以及彈丸的實(shí)時(shí)撞擊次數(shù)，采用LCD102顯示。電路中接有可變電阻，調(diào)節(jié)顯示屏亮度。由P0和P2.5 ～P2.7 等11個(gè)I/O口控制，但因?yàn)镻0內(nèi)部不提供上拉電阻，是集電極開(kāi)路輸出，無(wú)法輸出高電平，因此自接一個(gè)上拉排阻。

5） 蜂鳴器電路及電磁閥模塊。當(dāng)彈丸撞擊次數(shù)達(dá)到用戶(hù)預(yù)設(shè)次數(shù)時(shí)，單片機(jī)通過(guò)P3.0 輸出，控制蜂鳴器發(fā)出報(bào)警來(lái)提示使用者。利用三極管和繼電器驅(qū)動(dòng)電磁閥打開(kāi)或關(guān)閉。P3.1 控制電磁閥9的通斷;P3.7 控制電磁閥10的通斷。使用P3.2 （外部中斷0）監(jiān)測(cè)彈丸的實(shí)時(shí)撞擊次數(shù);利用P3.4 （定時(shí)器中斷0）控制脈沖方波的周期來(lái)控制彈丸撞擊頻率。

3 軟件部分設(shè)計(jì)

采用C語(yǔ)言進(jìn)行軟件部分的設(shè)計(jì)。檢測(cè)彈丸的撞擊次數(shù)和控制電磁閥的開(kāi)關(guān)頻率分別使用了外部中斷0和定時(shí)器中斷0，其他部分如LCD顯示、I2C總線(xiàn)通信、延時(shí)程序等均由其子程序完成[18] 。使用模塊化分層設(shè)計(jì)思想，將一個(gè)復(fù)雜的功能拆分成多個(gè)子函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)，通過(guò)調(diào)用不同函數(shù)，實(shí)現(xiàn)其綜合目的，也便于日后調(diào)試和修改[19] 。

電磁閥開(kāi)啟次數(shù)。由P3.7 輸入控制電磁閥開(kāi)關(guān)，用引線(xiàn)將P3.2 與P3.7 相接，利用跳變沿觸發(fā)外部中斷0監(jiān)測(cè)電磁閥開(kāi)啟次數(shù)[20] 。控制電磁閥開(kāi)啟次數(shù)程序如圖5所示。

電磁閥頻率。電磁閥的開(kāi)關(guān)頻率在1～10 Hz，利用定時(shí)器0定時(shí)1 ms，對(duì)1 ms進(jìn)行計(jì)數(shù)，可得1～10 Hz的方波脈寬，計(jì)數(shù)值分別為500，250，167，125，100，83，72，63，56和50。控制電磁閥頻率程序如圖6所示。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文主要對(duì)沖擊波治療儀的結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，分析了沖擊波治療儀的結(jié)構(gòu)原理及運(yùn)行過(guò)程，設(shè)計(jì)了基于51單片機(jī)的控制系統(tǒng)，完成了硬件電路和軟件編程。與大多數(shù)國(guó)內(nèi)采用觸摸屏不同，本文通過(guò)使用編程靈活，成本較低且智能化較高的單片機(jī)，并結(jié)合機(jī)械式開(kāi)關(guān)進(jìn)行沖擊波治療儀的參數(shù)控制，操作簡(jiǎn)單直接且不易發(fā)生故障，既經(jīng)濟(jì)實(shí)惠又方便了用戶(hù)使用。該研究具有廣闊的應(yīng)用前景。

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Pneumatic and Control of Pneumatic Ballistic Shock Wave Therapeutic Instrument

MA Hongxia1， DING Wei2， TONG Heting1

（1. School of Electromechanic Engineering， Qingdao University， Qingdao 266071， China; 2. Sports Medicine Rehabilitation Center of East Hospital of Qingdao Municipal Hospital， Qingdao 266071， China）

Abstract：? According to the structure and application of pneumatic ballistic shock wave therapy instrument， the control system of extracorporeal shock wave therapy instrument is designed based on the working principle of pneumatic ballistic shock wave therapy instrument. The working principle of pneumatic ballistic extracorporeal shock wave is given， and the pneumatic circuit is used as the dynamic system of extracorporeal shock wave therapy instrument. The system is composed of pneumatic control circuit and single chip microcomputer， and the excitation pressure and frequency of pneumatic circuit are controlled by STC89C51 single chip microcomputer. The operating frequency of the therapeutic instrument can be set arbitrarily within 1～10 Hz. For different diseases， the impact times of each course can be dynamically adjusted and displayed in real time The pressure indicator device is used to apply different pressure according to the symptoms and treatment site of the patients， to obtain the corresponding shock wave energy， to expand the scope of application， and to further improve the therapeutic effect. The system is simple， easy to operate and low in cost. This study has high application value for the treatment of disease in vitro.

Key words： extracorporeal shock wave; pneumatic transmission; MCU control; treatment frequency