一種家用睡眠治療儀的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

黃冬來(lái)　承志

摘 要：經(jīng)顱微電流刺激療法（CES）是一種非創(chuàng)傷性治療抑郁癥、焦慮癥、失眠癥等的非藥物物理治療法，市場(chǎng)上已經(jīng)出現(xiàn)了諸多電刺激治療相關(guān)產(chǎn)品，但只具有特定的治療模式，功能適應(yīng)面局限性大。本文從睡眠治療儀的功能實(shí)現(xiàn)機(jī)理、硬件單元搭建，功能應(yīng)用開(kāi)發(fā)等方面展開(kāi)分析，針對(duì)廣大失眠癥患者居家使用，研制一款有效、快速、無(wú)痛、無(wú)副作用的產(chǎn)品，徹底解決睡眠障礙患者的睡眠困擾。

關(guān)鍵詞：CES;微電流刺激;家用

一、緒論

隨著近幾年來(lái)我國(guó)科技和經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展，國(guó)民工作、生活節(jié)奏的加快，睡眠質(zhì)量問(wèn)題嚴(yán)重影響著廣大國(guó)民的正常生活起居，已經(jīng)成為影響國(guó)民身心健康的大敵。調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，2019年我國(guó)有超2億人深受睡眠妨礙癥或失眠癥的困擾，而且患病人數(shù)還在逐年遞增，日趨年輕化。短期的睡眠質(zhì)量影響容易造成精神疲乏、注意力不集中、頭暈頭疼、記憶力減退、情緒低落、易激動(dòng)等一系列問(wèn)題，影響著工作、學(xué)習(xí)和生活的正常開(kāi)展。嚴(yán)重的睡眠質(zhì)量患者因正常的生活節(jié)奏持續(xù)性被打亂，大腦正常產(chǎn)生興奮和抑制的節(jié)律變得混亂，引發(fā)形成睡眠妨礙癥和失眠癥，造成患者神經(jīng)衰弱，身體免疫力下降，進(jìn)而誘導(dǎo)出神經(jīng)系統(tǒng)和其他生理性疾病。

目前，治療睡眠質(zhì)量問(wèn)題的方式是以藥物為主，輔以心理疏導(dǎo)。藥物治療睡眠病癥作用直接，治療效果較好，但長(zhǎng)期依賴藥物治療，會(huì)促使患者表現(xiàn)出很強(qiáng)的藥物依賴性，并存在不同程度的藥物毒副作用風(fēng)險(xiǎn);心理疏導(dǎo)對(duì)由睡眠質(zhì)量差所引發(fā)的心理異常興奮、焦慮、恐懼、緊張、憂郁等治療具有不可替代的效果，但在目前臨床治療中，由于受諸多因素和條件的限制，心理咨詢和心理疏導(dǎo)仍然難以普遍展開(kāi)，致使治療效果不及預(yù)期。所以研制一款安全、無(wú)痛、無(wú)毒副作用、操作簡(jiǎn)單、居家使用，可同時(shí)評(píng)測(cè)睡眠質(zhì)量、治療失眠、改善睡眠質(zhì)量的治療儀器具有廣泛的市場(chǎng)應(yīng)用與推廣價(jià)值。

二、經(jīng)顱微電流刺激治療儀的作用機(jī)理

經(jīng)顱微電流刺激（Cranial Electrotherapy Stimulation，簡(jiǎn)稱CES）治療是由專門(mén)儀器產(chǎn)生低強(qiáng)度微量的電信號(hào)，經(jīng)患者顱腦部位導(dǎo)入直接刺激大腦，誘導(dǎo)改變患者異常腦電波形，促使大腦分泌一系列與放松心情、愉悅情緒、身體松弛等存在密切聯(lián)系的神經(jīng)遞質(zhì)和激素，以此實(shí)現(xiàn)對(duì)睡眠質(zhì)量疾病的治療。CES療法是一種區(qū)別于傳統(tǒng)藥物治療、電抽搐治療、心理疏導(dǎo)治療的治療方法，具有治療效果佳、操作簡(jiǎn)便、無(wú)依賴性、無(wú)毒副作用等優(yōu)勢(shì)。據(jù)相關(guān)研究顯示，經(jīng)顱微電流刺激療法是應(yīng)用生物電和腦電的共同作用機(jī)理，在人體處于閉目安靜時(shí)腦電波形中出現(xiàn)頻率為8～13Hz的α波;困倦疲憊時(shí)出現(xiàn)頻率為4～7Hz的δ波。研究還表明：1～25Hz的低頻電流對(duì)人體大腦中樞神經(jīng)可以產(chǎn)生一定的抑制作用。通過(guò)特殊設(shè)計(jì)的工作儀器將調(diào)制后的低頻電流經(jīng)貼合在大腦兩側(cè)耳垂的電極導(dǎo)入患者大腦部位，并形成一個(gè)穩(wěn)定的作用電場(chǎng)。作用電場(chǎng)促使大腦分泌釋放能夠調(diào)節(jié)個(gè)體情緒與認(rèn)知的各種神經(jīng)介質(zhì)，如內(nèi)源性嗎啡肽、乙酰膽堿、5-羥色胺等，迅速有效地控制患者焦慮、抑郁情緒，舒緩心情，誘導(dǎo)和促進(jìn)機(jī)體產(chǎn)生生理性睡眠。作用電場(chǎng)同時(shí)還能夠有效改善患者腦電波形，刺激主導(dǎo)人為心理情緒和心理活動(dòng)的下丘腦、大腦神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整修正，產(chǎn)生穩(wěn)定的α活動(dòng)頻率電波，達(dá)到促使大腦松弛、身體放松，情緒輕松的狀態(tài)，最終實(shí)現(xiàn)治療或緩解患者失眠病癥的效果。

三、家用經(jīng)顱微電流刺激治療儀的設(shè)計(jì)規(guī)則

睡眠質(zhì)量問(wèn)題一直困擾著睡眠妨礙癥、失眠患者和家屬的日常起居生活，經(jīng)顱微電流刺激治療儀廣泛應(yīng)用于睡覺(jué)失眠、睡眠障礙、老年癡呆、精神失常等病癥患者。研制一款適合于居家使用需求的睡眠治療儀器必須遵守如下要求：

第一，安全可靠要求，經(jīng)顱微電流刺激治療技術(shù)是直接將電信號(hào)作用于人體頭部，誘導(dǎo)機(jī)體產(chǎn)生一定的理化效應(yīng)，從而達(dá)到治療人體疾病的目的。要求儀器所產(chǎn)生的刺激電信號(hào)對(duì)人體作用安全無(wú)損傷，危險(xiǎn)因素影響降至最低，同時(shí)儀器多頻次使用，輸出參數(shù)穩(wěn)定，工作性能可靠。

第二，有效性要求，保證儀器有效工作的同時(shí)，儀器所產(chǎn)生的刺激電流穿過(guò)大腦顱骨進(jìn)入到腦組織內(nèi)部，其作用電場(chǎng)對(duì)大腦神經(jīng)元的興奮性能夠進(jìn)行有效地調(diào)節(jié)。儀器所產(chǎn)生刺激電流的強(qiáng)度和頻率的高低必須得到有效控制，保證電信號(hào)在傳導(dǎo)過(guò)程中的干擾影響和損耗降至最小。

第三，參數(shù)可控性要求，儀器需要根據(jù)患者病癥的嚴(yán)重程度和患者治療過(guò)程中的治愈程度變化對(duì)刺激電信號(hào)的強(qiáng)弱、作用波形和持續(xù)作用時(shí)間等參數(shù)進(jìn)行精準(zhǔn)實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，以確保儀器治療達(dá)到最佳效果。

第四，經(jīng)濟(jì)實(shí)用要求，儀器適用于居家患者不同場(chǎng)合的使用需求，要求設(shè)儀器外形設(shè)計(jì)小巧、功能操作簡(jiǎn)便、刺激參數(shù)易于設(shè)置調(diào)整，而且便攜，價(jià)格低廉等。

四、家用經(jīng)顱微電流刺激儀的硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

結(jié)合家用經(jīng)顱微電流刺激儀的設(shè)計(jì)要求，搭建了由電源單元、主控（MCU）單元、刺激信號(hào)產(chǎn)生與調(diào)制單元、系統(tǒng)控制與顯示單元、輸出電極單元五部分組成的睡眠微電流刺激儀硬件結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，如下圖所示。

該經(jīng)顱微電流刺激治療儀采用5V蓄電池或手機(jī)充電電源雙模直流電源供電，滿足患者實(shí)時(shí)治療，治療模式自動(dòng)轉(zhuǎn)換和便攜的需求;MSP430單片機(jī)作為儀器的主控芯片，16位的信息處理核心，具有精簡(jiǎn)指令集（RISC）結(jié)構(gòu)，技術(shù)成熟，超低功耗，工作穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn);儀器使用MAX038芯片作為刺激信號(hào)波形輸出單元，只需很少外圍組件和電路搭建，就能產(chǎn)生精密、穩(wěn)定的刺激波形輸出，而且波形頻率0.1～20MHz范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)連續(xù)可調(diào)。經(jīng)顱微電流刺激治療儀設(shè)計(jì)配置有電流治療和電場(chǎng)治療兩個(gè)刺激電極輸出端口，導(dǎo)電電極用于電流治療，絕緣電極用于電場(chǎng)治療，擴(kuò)充患者的應(yīng)用需求。刺激電極采用圓片形包埋海綿層金屬電極片，使用時(shí)用生理鹽水或?qū)щ娔z來(lái)降低人體皮膚的電阻，用彈性膠帶對(duì)刺激電極片進(jìn)行頭部接觸固定，對(duì)人體頭部的皮層區(qū)進(jìn)行聚焦性刺激，保證刺激治療效果。儀器采用膜式微動(dòng)按鈕和液晶屏顯示設(shè)計(jì)，完成對(duì)刺激輸出電信號(hào)的強(qiáng)度、頻率、刺激持續(xù)時(shí)間的定時(shí)實(shí)時(shí)調(diào)整和顯示的同時(shí)，以適應(yīng)不同患者治療的差異性需求，保證患者治療時(shí)的針對(duì)性和舒適感。

五、家用經(jīng)顱微電流刺激儀的軟件設(shè)計(jì)

為了保證經(jīng)顱微電流刺激儀的刺激電流、電壓和刺激頻率波形精準(zhǔn)，且穩(wěn)定連續(xù)可調(diào)，控制軟件編程系統(tǒng)應(yīng)用了基于美國(guó)Keil軟件公司開(kāi)發(fā)的ARM系列C語(yǔ)言軟件開(kāi)發(fā)系統(tǒng)Keil uVisin4。該系統(tǒng)適配最新的Cortex-M3核處理器，具有訪問(wèn)界面優(yōu)良、強(qiáng)大的Smulation設(shè)備模擬、性能分析，并擁有強(qiáng)大的仿真調(diào)試器、宏匯編器、C編譯器等功能于一體，為儀器的控制程序?qū)崿F(xiàn)提供了良好的開(kāi)發(fā)環(huán)境。同時(shí)也為經(jīng)顱微電流刺激儀的刺激電信號(hào)和頻率的精準(zhǔn)輸出、參數(shù)設(shè)置、定時(shí)工作、多治療模式的自動(dòng)轉(zhuǎn)換等功能實(shí)現(xiàn)可通過(guò)圖形用戶界面的直觀調(diào)節(jié)，方便快捷，并且為適應(yīng)患者需求的人性化產(chǎn)品功能開(kāi)發(fā)提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支持。

六、結(jié)語(yǔ)

CES治療技術(shù)經(jīng)過(guò)近幾年的完善與發(fā)展，在睡眠障礙、失眠等病癥的臨床治療療效方面得到了廣泛的認(rèn)同，與傳統(tǒng)的藥物+心理輔助療法比較，CES技術(shù)為治療精神抑郁癥、焦慮癥、睡眠障礙等精神類(lèi)疾病的治療提供了新途徑，讓患者有機(jī)會(huì)選擇更安全、便捷、有效的技術(shù)手段嘗試治療。該儀器經(jīng)過(guò)初期的產(chǎn)品試制和調(diào)試應(yīng)用，設(shè)備工作穩(wěn)定，刺激參數(shù)輸出檢測(cè)符合設(shè)計(jì)預(yù)期，但在儀器產(chǎn)生刺激波形的優(yōu)化、作用電場(chǎng)在人體頭部的聚焦深度控制，人體作用反饋電信號(hào)的自動(dòng)調(diào)節(jié)、外界信號(hào)的干擾影響等方面還需要進(jìn)一步深入研究，實(shí)現(xiàn)儀器結(jié)構(gòu)的不斷完善，刺激參數(shù)的不斷優(yōu)化，以達(dá)到理想的刺激效果。

參考文獻(xiàn)：

[1]馬艷鶴，于學(xué)平，等.針刺結(jié)合經(jīng)顱磁電刺激治療原發(fā)失眠癥療效觀察[J].醫(yī)藥衛(wèi)生科技雜志，2019（03）.

[2]王彥芳，杜巧榮，李素萍，孫寧，劉志芬，曹曉華，楊春霞，張克讓，等.伴發(fā)睡眠障礙首發(fā)抑郁癥認(rèn)知功能損害及影響因素分析[J].中國(guó)神經(jīng)精神疾病雜志，2015（02）.

[3]梁學(xué)軍，甘景梨，劉立志，等.經(jīng)顱微電流刺激療法聯(lián)合右旋佐匹克隆治療軍人失眠癥患者對(duì)照研究[J].臨床精神醫(yī)學(xué)雜志，2013，23：341-342.

[4]賀秀娟.失眠的非藥物治療與藥物治療[J].中國(guó)當(dāng)代醫(yī)藥，2013，20（8）：177-178.

[5]陳勇勝，劉慶元，黃靖，等.經(jīng)顱微電流刺激對(duì)腦功能影響的研究進(jìn)展[J].空軍醫(yī)學(xué)雜志，2013（03）.

課題項(xiàng)目：2016年度湖南省教育廳科學(xué)研究項(xiàng)目（16C1581）

作者簡(jiǎn)介：黃冬來(lái)（1976— ），男，漢族，湖南湘潭人，副教授。