基于ARM微控制器的旋轉(zhuǎn)電極電刺激儀

唐成方

技術(shù)應用

基于ARM微控制器的旋轉(zhuǎn)電極電刺激儀

唐成方

（深圳市艾爾曼醫(yī)療電子儀器有限公司，廣東 深圳 518055）

神經(jīng)肌肉電刺激儀基于傳統(tǒng)中醫(yī)學針灸原理，是中醫(yī)學經(jīng)絡理論與現(xiàn)代電子技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。電刺激儀產(chǎn)生的電刺激信號功效類似中醫(yī)的針灸按摩手法，作用于患者表面神經(jīng)肌肉，可促進患者康復?；贏RM微控制器設計一種電刺激儀，采用旋轉(zhuǎn)電極，利用光電MOS固態(tài)繼電器驅(qū)動電極實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)功能。經(jīng)實驗驗證，旋轉(zhuǎn)電極電刺激儀相對于固定電極電刺激儀，治療效果更佳。

電極；ARM微控制器；光電MOS固態(tài)繼電器；電刺激

0 引言

隨著科學技術(shù)的不斷進步，電子醫(yī)療儀器在人們?nèi)粘ａt(yī)療保健中應用越來越普及。神經(jīng)肌肉電刺激儀因能提高神經(jīng)肌肉疼痛療效而得到廣泛應用[1]。神經(jīng)肌肉電刺激儀一般采用固定電極，存在如下問題：固定電極通過中心位置的導電扣與主機相連，因電極具有一定電阻，電極面積稍大時，周邊治療強度明顯弱于中心點。本文設計一種基于ARM微控制器的旋轉(zhuǎn)電極電刺激儀（以下簡稱電刺激儀），將主機輸出分別切換至6個圓形分布的小電極上，以減少電流在電極上的損耗，使電極與患者電性均勻接觸，提高治療效果。

1 電刺激儀硬件設計

電刺激儀硬件原理框圖如圖1所示，主要包括降壓轉(zhuǎn)換電路、調(diào)壓電路、ARM微控制器M058LDN、信號調(diào)制電路、開關(guān)電源、LCD觸摸屏、電極A和電極B等，其中前4個部分構(gòu)成電刺激儀主控板。

1.1 開關(guān)電源

開關(guān)電源為電刺激儀直流供電，其設計從安全性、可靠性和滿足EMC認證等方面考慮。開關(guān)電源輸入電壓為交流220 V，輸出電壓為直流12 V；12 V直流電壓通過降壓轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為5 V和6V給相關(guān)電路供電。同時12 V直流電壓為調(diào)壓電路提供電壓輸入。

圖1 電刺激儀硬件原理框圖

1.2 調(diào)壓電路

調(diào)壓電路產(chǎn)生變壓器初級所需的調(diào)制信號即調(diào)幅電壓VDC[2]，該電壓經(jīng)變壓器放大后得到電刺激儀所需的波形幅度。調(diào)壓電路主芯片EUP3453是一款采用電流模式脈寬調(diào)制架構(gòu)的降壓型DC-DC變換器，可提供高達3 A的負載電流，在4.75 V～40 V寬輸入電壓范圍內(nèi)穩(wěn)定工作，通過外部分壓電阻調(diào)節(jié)實現(xiàn)0.92 V～15 V的輸出電壓，具有較好的線性調(diào)整率和負載調(diào)整率[3]。調(diào)壓電路原理圖如圖2所示。

PWM信號來自M058LDN，頻率為100 kHz。EUP3453輸入電壓為直流12 V，通過調(diào)節(jié)PWM的占空比，可得到不同的輸出電壓VDC，供給變壓器的初級輸入端。VDC經(jīng)變壓器放大后可得到最大幅度為90 V的電極輸出信號。

管腳FB的反饋閾值電壓為0.92 V，根據(jù)基爾霍夫電流定律[4]，可得

(VDC?0.92)/1= 0.92/2+ (0.92?Vop)/3

取1= 62 kΩ，2= 10 kΩ，3= 15 kΩ

VDC = (0.92/10 + (0.92?Vop)/15)×62+0.92

Vop變化范圍為0 V ~2.5 V，故VDC變化范圍為0.09 V（≈0）~10.43 V。

圖2 調(diào)壓電路原理圖

1.3 降壓轉(zhuǎn)換電路

降壓轉(zhuǎn)換電路主要由EUP3453和5 V電壓輸出穩(wěn)壓器LN6214P502PR構(gòu)成，可將12 VDC轉(zhuǎn)換為 5 VDC和6VDC。其中5 VDC用于整個系統(tǒng)邏輯控制電路的供電；6 VDC用于信號調(diào)制電路PNP三極管的發(fā)射極供電。

1.4 ARM微控制器

電刺激儀的ARM微控制器采用M058LDN和MINI54FDE，它們均是以ARM Cortex -M0為內(nèi)核的32位微控制器，MINI54FDE在資源配置方面稍弱于M058LDN[5,6-7]。M058LDN用于主控板，實現(xiàn)系統(tǒng)主體功能控制；MINI54FDE用于旋轉(zhuǎn)電極A，控制電極的旋轉(zhuǎn)切換。

1.5 信號調(diào)制電路

調(diào)壓電路的輸出電壓VDC用于調(diào)制信號，其電壓幅度變化較緩慢，最大頻率為100 Hz。載波信號由微控器M058LDN產(chǎn)生，是一對互補的PWM方波信號即PWMA和PWMB，頻率為80 kHz。調(diào)制信號對載波信號進行調(diào)制，將這2種信號分別加載至信號調(diào)制電路可得到想要的波形[2]。信號調(diào)制電路由推挽控制電路和變壓器組成，如圖3所示。其中推挽控制電路和變壓器初級對信號進行調(diào)制，變壓器對調(diào)制后的波形進行放大。

1.6 LCD觸摸屏

LCD觸摸屏是電刺激儀的人機接口，可輸入工作時間、模式、波形強度、波形頻率等參數(shù)。由于波形強度和波形頻率的檔位較多，為使用戶有較好的體驗感，參數(shù)設置采用滑動方式。

1.7 電極A和電極B

電極A是旋轉(zhuǎn)電極，治療時放在治療區(qū)域。它利用微控器MINI54FDE控制6個較小電極依次輪流工作，6個電極在物理位置上按順時針排成圓形。電極輪流切換工作時像在順時針旋轉(zhuǎn)，使人體感覺類似機器手或人手在按摩。這種用電子驅(qū)動代替?zhèn)鹘y(tǒng)機械的方式，可避免機械馬達長期工作而出現(xiàn)故障，更加安全可靠。旋轉(zhuǎn)電極電路如圖4所示。

圖3 信號調(diào)制電路原理圖

圖4 旋轉(zhuǎn)電極電路原理圖

電刺激儀利用光電MOS固態(tài)繼電器EL640切換電極，可克服普通器件帶來的轉(zhuǎn)換干擾。EL640輸入側(cè)（發(fā)光側(cè)）含有AlGaAs紅外光LED，輸出側(cè)包括1個光電二極管陣列和2個串接的高壓MOS管。輸入側(cè)紅外光LED導通后，其光耦合到輸出側(cè)光電二極管陣列，使輸出側(cè)高壓MOS管導通。

電極A由在物理位置上圍成一個圓的6個小電極組成，電極信號out來自主控板上的變壓器輸出端子4，即圖3中的OUT1，控制6個小電極的信號（POL1~ POL6）來自MINI54FDE。MINI54FDE受控于主控板上的M058LDN，后者發(fā)出相應的啟動命令和時序同步信號，使電極A上的6個小電極停止或依次按順時針輪流工作。電極控制信號POL1~ POL6中的某個信號為低電平時，對應的EL640輸出側(cè)MOS管導通，POLE1~ POLE6中相對應的電極會接收來自OUT1的變壓器輸出信號。

電極B作為參考端，治療時貼在治療區(qū)域以外的地方。其由單個較大的普通導電自粘電極片組成，并和主控板上的變壓器輸出端子5，即圖3中的OUT2直接相連。

2 電刺激儀軟件設計

電刺激儀軟件主要由主控板M058LDN主程序、定時器1中斷服務程序、電極A控制程序組成，軟件流程框圖分別如圖5(a)、圖5(b)、圖5(c)所示。

圖5 軟件設計流程框圖

2.1 主控板M058LDN主程序

1）初始化M058LDN系統(tǒng)時鐘和I/O端口配置，產(chǎn)生一對互補的PWM載波和調(diào)節(jié)電壓VDC的PWM；同時初始化中斷定時器、LCD屏控制器、蜂鳴器等參數(shù)的默認值。

2）按鍵值讀取及判斷處理，通過按鍵對電刺激儀進行參數(shù)設定、啟動或停止。電刺激儀共有5個模式，模式1~模式5。除模式1所有電極同時工作無需切換外，其余4個模式都需要切換電極，6個小電極依次輪流工作，形成旋轉(zhuǎn)效果。為此，電刺激儀啟動后置P02 = 1，再置1個電極切換標識Electrode _Switched_Flag。定時器中斷服務程序根據(jù)該標識及時間序列判斷輪到哪個電極切換，并從P03發(fā)送1個3 ms脈沖告知電極A切換電極；電極A控制程序從P02端口獲取啟動命令，從P03獲取脈沖信號切換電極。

3）產(chǎn)生波形輸出并更新LCD屏顯示。

2.2 定時器中斷服務程序

中斷定時器每1 ms產(chǎn)生1次中斷，中斷服務程序根據(jù)Electrode _Switched_Flag標識判斷是否有電極切換；若有，獲取模式種類產(chǎn)生相應波形；端口P03發(fā)送1個3 ms脈沖信號給電極A完成電極切換。

2.3 電極A控制程序

初始化完成后，判斷是否有啟動命令；若有，判斷是否有電極切換脈沖；若有，則切換電極；若沒有，即在模式1狀態(tài)，所有電極同時開啟。電極切換就是關(guān)閉當前工作的電極，打開下一個要工作的電極。

2.4 波形算法

電刺激儀模式1的波形頻率為5 Hz～11 Hz，波形輸出無需電極切換，此種模式波形實現(xiàn)較容易，由主控板主程序產(chǎn)生即可。其余4種模式的波形在M058LDN定時器中斷服務程序產(chǎn)生，為固定頻率，波形輸出需電極切換，有較高的相似性。

圖3中，載波的頻率和幅度固定不變，改變VDC即可得到不同的變壓器輸出波形，對此波形進行不同時刻的切換可得到5模式的波形。電刺激儀使用的波形是調(diào)節(jié)VDC電壓幅度產(chǎn)生周期性的菱形波，具體算法：上半周調(diào)節(jié)PWM使其占空比逐漸增大，從而使VDC電壓幅度從最小值0逐漸增大到最大值；下半周調(diào)節(jié)PWM使其占空比逐漸減小，從而使VDC電壓幅度逐漸從最大值減小到最小值，由此在變壓器輸出端產(chǎn)生上下左右都對稱的菱形波。

3 實驗驗證

取60位患有背部神經(jīng)肌肉疼痛的患者為實驗對象，患者主要因坐姿不正確或久坐不動引起肌肉損傷和勞損；年齡分布：25至34歲20人，35至44歲20人，45至54歲20人。將3個年齡段的人平均分為參照組和研究組，每組各30人。參照組使用固定電極電刺激儀，研究組使用本文設計的旋轉(zhuǎn)電極電刺激儀進行對比治療。治療時間：每日1次，每次30 min，一個療程30次。實驗數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 兩組患者治療效果比較

由表1可知：研究組總治療有效率高于參照組。相比于固定電極電刺激儀，本文設計的旋轉(zhuǎn)電極電刺激儀對背部神經(jīng)肌肉疼痛患者的治療效果更佳。

4 結(jié)論

本文設計一種基于ARM微控制器的旋轉(zhuǎn)電極電刺激儀。通過LCD觸摸屏輸入電刺激信號的強度和工作模式等參數(shù)；通過微控制器程序得到相應的電脈沖波形，再經(jīng)變壓器升壓處理生成電刺激信號。該電刺激儀對背部神經(jīng)肌肉疼痛的患者進行理療試驗，治療效果明顯高于固定電極電刺激儀。該治療儀架構(gòu)簡單，符合YY 0607-2007標準[8]，已經(jīng)通過廣東省藥品監(jiān)督管理局的注冊檢驗并進行小批量試產(chǎn)。

[1] 蘭翠.針灸聯(lián)合低頻治療儀治療面神經(jīng)麻痹的效果觀察[J].臨床和實驗醫(yī)學雜志,2013,12(23):1909-1911.

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[3] Eutech Microelectronics Inc. EUP3453 Datasheet [EB/OL]. (2012-09-01)[2021-03-14]. http://www.eutechmicro.com/index. php?a=products_list&cid=38.

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[5] 溫子祺,劉志峰,冼安勝,等.ARM Cortex-M0微控制器原理與實踐[M].北京:北京航空航天大學出版社,2013.

[6] Nuvoton Technology Corporation.M051DN/DE 系列規(guī)格書[EB/OL]. (2019-11-01)[2021-03-14]. https://www. nuvoton.com. cn/export/resource-files/DS_M051%28DN_DE%29_Series_ SC_Rev1.00.pdf.

[7] Nuvoton Technology Corporation. Mini51 DE Series Datasheet[EB/OL]. (2019-11-01)[2021-03-14]. https://www. nuvoton.com.cn/export/resource-files/DS_Mini51DE_Series_ EN_Rev1.04.pdf.

[8] 國家食品藥品監(jiān)督管理局.YY 0607-2007/IEC 60601-2-10:1987, Medical electrical equipment-Part 2: -Particular requirements for the safety of nerve and muscle stimulators [S]. 北京:中國標準出版社,2007.

Rotating Electrode Electrical Stimulator Based on ARM Microcontroller

Tang Chengfang

(Shenzhen Elmmedicare Medical Electronic Instrument Co. Ltd, Shenzhen 518055, China)

Neuromuscular electrical stimulator is based on the principle of acupuncture and moxibustion in traditional Chinese medicine. It is the combination of meridian theory of traditional Chinese medicine and modern electronic technology. The effect of electrical stimulation signal produced by electrical stimulator is similar to that of acupuncture and massage in traditional Chinese medicine. It acts on the surface nerves and muscles of patients and can promote the rehabilitation of patients. An electrical stimulator based on ARM microcontroller is designed. The rotating electrode is used and the photoelectric MOS solid-state relay is used to drive the electrode to realize the rotating function. Experimental results show that the treatment effect of rotating electrode electrical stimulator is better than that of fixed electrode electrical stimulator.

electrode; ARM microcontroller; photoelectric MOS solid state relay; electrical stimulation

唐成方，男，1963年5月生，碩士，工程師，主要研究方向：嵌入式系統(tǒng)應用。E-mail: cilsa@126.com

TP368.1

A

1674-2605(2021)03-0009-06

10.3969/j.issn.1674-2605.2021.03.009