疼痛治療儀及移動端APP的設(shè)計及應(yīng)用

摘 要：本文根據(jù)慢性疼痛的位置及特點，設(shè)計了一款基于TENS的疼痛治療儀，并對其外觀形狀、控制系統(tǒng)及鎮(zhèn)痛參數(shù)進行設(shè)計，同時基于Android Studio與Java設(shè)計開發(fā)了與治療儀配套的移動端APP，使用戶可通過手機直接對治療儀進行工作模式選擇及工作狀態(tài)控制。本文設(shè)計的治療儀外形小巧，功耗低，易于攜帶，可方便用戶實現(xiàn)口袋式疼痛治療。

關(guān)鍵詞：疼痛；治療儀；TENS；移動端；APP；3D建模

中圖分類號：TP317 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2024）04-0-03

DOI：10.16667/j.issn.2095-1302.2024.04.034

0 引 言

隨著工作、生活節(jié)奏的加快，久坐與缺少鍛煉往往容易導(dǎo)致人們患上慢性疼痛。根據(jù)新華社消息顯示，目前我國慢性疼痛患者超過3億人，且每年以1 000萬到2 000萬的速度增長，其中頭、肩、腰是慢性疼痛的主要部位[1]。物理療法和按摩療法是最常見的疼痛治療方法，文獻[2-3]提出了采用溫泉療養(yǎng)與物理療法聯(lián)合干預(yù)對慢性腰腿疼痛患者的養(yǎng)護。文獻[4]探討了穴位針刺聯(lián)合物理療法治療肩周炎的臨床療效及作用機制。文獻[5]探討了電針療法、經(jīng)皮電刺激療法與穴位按摩法治療肩周炎的療效。文獻[6]探討了仿生物電技術(shù)結(jié)合按摩法對慢性盆腔痛患者的治療療效。

本文在現(xiàn)有研究的基礎(chǔ)上，應(yīng)用經(jīng)皮神經(jīng)電刺激（簡稱TENS）無創(chuàng)止痛法，通過溫和微量的電流刺激人體疼痛部位的知覺神經(jīng)去阻斷痛覺神經(jīng)信號的傳遞，同時根據(jù)不同個體各部位的疼痛特性，通過移動端APP來調(diào)節(jié)電流刺激強度及頻率，從而為各類慢性疼痛人群帶來更好的止痛效果。

1 基于TENS的鎮(zhèn)痛參數(shù)設(shè)計

TENS輸出信號的波形、頻率、幅度、脈寬是影響鎮(zhèn)痛效果的4個重要因素[7]：

（1）波形：一方面方波具有消腫、鎮(zhèn)痛、鎮(zhèn)靜與催眠作用，另一方面采用無極性電刺激波形，可以減少肌肉組織損傷，避免人體產(chǎn)生電泳、電解等副作用；

（2）頻率：不同頻段對人體感覺神經(jīng)具有不同的效果，頻段為50 Hz時，感覺神經(jīng)震顫感明顯，而頻段為100 Hz時，可達到感覺神經(jīng)止痛效果；

（3）幅度：TENS的電刺激強度主要通過電流體現(xiàn)，一般根據(jù)個體的疼痛特性，選取15～50 mA范圍的電流，主要以人體舒適為主；

（4）脈寬：TENS的脈沖電流需要達到一定寬度對神經(jīng)肌肉的刺激才有反應(yīng)，其脈寬通常為50～200 μs。

根據(jù)TENS不同的電流刺激能夠起到刺激肌肉、感覺神經(jīng)或抑制疼痛等作用，本文采用無極性電刺激方波，選取100 Hz頻段，設(shè)計了治療模式與按摩模式2種工作方式。在參考現(xiàn)有研究的基礎(chǔ)上，本文設(shè)計了肌肉酸痛、炎癥治療、鎮(zhèn)痛、風(fēng)濕治療等癥狀的治療波形；而按摩模式中輸出的電流波形主要仿造按摩的效果，本文設(shè)計了捶擊、揉捏、振動與按壓4種按摩效果。

2 外觀形狀設(shè)計

針對目前疼痛治療儀大多比較笨拙，不便于攜帶的現(xiàn)狀，本文從滿足控制系統(tǒng)硬件所占空間與外觀美觀性方面考慮，將治療儀中控端的外殼設(shè)計為一個扁平的四方體。整體采用SolidWorks進行3D建模，如圖1所示。再采用3D打印制造技術(shù)按上下兩面打印，上下兩面通過隱形卡扣安裝連接，如圖2所示。圖2中標號1為Type-C充電端口，標號2為

3.5 mm接口用于連接TENS電極貼片，如圖3所示，標號3為電源開關(guān)。

3 控制系統(tǒng)設(shè)計

治療儀控制系統(tǒng)方案設(shè)計框圖如圖4所示。采用STM32F103RCT6作為主控芯片，藍牙芯片使用CC2541[8]。手機APP數(shù)據(jù)通過手機藍牙發(fā)送到CC2541藍牙芯片，藍牙芯片將接收的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給主控芯片，主控芯片收到信息后向藍牙芯片發(fā)送一條確認指令，藍牙再把指令反饋給手機APP，通知手機APP控制成功，從而實現(xiàn)控制MCU的目的。

系統(tǒng)開始工作時，MCU首先控制升壓電路將輸出電壓提升到70 V，其次通過數(shù)模轉(zhuǎn)換輸出正弦波、方波、三角波等波形，波形通過電壓跟隨器輸出到雙極型變換電路，再輸出電壓幅值為正負70 V的電壓波形，然后電壓波形通過TENS電極貼片連接到人體對應(yīng)穴位進行治療。同時，將該電壓波形儲存在MCU中，手機APP可通過發(fā)送數(shù)據(jù)選擇配置好的治療波形從而控制MCU輸出相對應(yīng)波形進行

治療。

4 移動端APP設(shè)計

本APP是與治療儀配套使用的移動端控制APP，采用Android Studio開發(fā)環(huán)境，使用Java與XML編程語言開

發(fā)[9]，其主要由儀器控制、疼痛識別、歷史記錄和個人中心模塊組成。一方面，基于藍牙通信協(xié)議，儀器控制模塊通過藍牙4.0低功耗版本直接與治療儀的藍牙模塊連接，進行數(shù)據(jù)交互，實現(xiàn)治療儀啟動、關(guān)閉和治療模式的精確控制。治療儀通過藍牙RFCOMM通道實時發(fā)送狀態(tài)信息，儀器控制模塊接收到狀態(tài)信息后在界面上進行可視化顯示，同時通過RFCOMM通道向治療儀發(fā)送治療強度和治療模式等控制信息。另一方面，基于MQTT協(xié)議與遠服務(wù)器連接，從服務(wù)端獲取治療儀實時治療疼痛的數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)，并在疼痛識別模塊界面上進行可視化顯示。治療儀疼痛信息經(jīng)過服務(wù)端訓(xùn)練好的深度學(xué)習(xí)模型處理后，產(chǎn)生能夠可視化的疼痛數(shù)據(jù)，再通過MQTT協(xié)議發(fā)送給APP，APP接收到疼痛反饋信息后將其可視化顯示[10]。

5 實驗結(jié)果與分析

（1）治療儀與移動APP連接

當(dāng)用戶進入APP后會彈出如圖5所示的儀器控制初始界面，如果用戶手機未開啟藍牙，將請求用戶開啟手機藍牙。當(dāng)點擊界面上的“連接”按鈕時，開始搜索指定設(shè)備，當(dāng)搜索并成功連接到指定設(shè)備時，將進入儀器控制主界面，如

圖6所示。

（2）移動APP控制治療儀進行疼痛治療

手機APP與治療儀連接成功后，即可根據(jù)用戶需要選擇不同的功能。當(dāng)點擊“開始治療”時，手機APP向治療儀發(fā)送開始治療指令FF 01 EE，治療儀在接收到指令后開始放電工作，如圖7所示。當(dāng)點擊“暫停治療”時，將發(fā)送暫停治療指令FF 05 EE，治療儀接收到指令后將停止放電工作。當(dāng)點擊“治療力度”面板的增加按鈕時，將向治療儀發(fā)送增加治療力度指令FF 03 EE，治療儀在接收到指令后將增大放電力度，如圖8所示。由于本文設(shè)計的治療儀放電強度有限，所以APP增加力度擋位上限為10，當(dāng)力度達到10時，增加按鈕將不可點擊。通過點擊“切換模式”來切換治療模式，改變治療儀的放電頻率，如圖9所示。

（3）疼痛識別數(shù)據(jù)顯示

手機APP通過與MQTT服務(wù)端相連接，將用戶的疼痛數(shù)據(jù)進行可視化顯示，在界面中輸入正確的MQTT服務(wù)端地址并點擊“確定修改”時，APP將清空所有來自服務(wù)端的歷史記錄，并且初始化與該服務(wù)端的連接。當(dāng)連接成功后，界面的“疼痛強度”和“疼痛位置”面板將會實時顯示相應(yīng)的識別數(shù)據(jù)，每一組狀態(tài)將會使對應(yīng)位置產(chǎn)生高亮，如圖10所示。

6 結(jié) 語

本文通過手機APP連接治療儀，采用經(jīng)皮神經(jīng)電刺激法對人體慢性疼痛進行治療。與傳統(tǒng)治療方法相比，本文設(shè)計的基于TENS和移動端APP的治療儀具有快速、精準、有效、無副作用等特點，能更好地緩解和治療疼痛癥狀，同時還能通過調(diào)節(jié)電療的頻率、幅度、時間等參數(shù)，為不同疼痛個體及不同疼痛部位帶來更好的治療效果。

注：本文通訊作者為伍馮潔。

參考文獻

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收稿日期：2023-03-30 修回日期：2023-05-09

基金項目：廣東省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項目（S202111078097）；廣東省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項目（S202211078142）

作者簡介：吳元媛（2002—），女，廣東惠州人，本科生，物理學(xué)（師范）專業(yè)，主要從事計算機測控技術(shù)。

吳思虹（2002—），女，廣東茂名人，本科生，教育技術(shù)學(xué)（師范）專業(yè)，主要從事產(chǎn)品外觀與信息化教育

教學(xué)設(shè)計。

伍馮潔（1979—），女，廣東陽江人，碩士，高級實驗師，從事物聯(lián)網(wǎng)、儀器儀表技術(shù)開發(fā)及實踐教學(xué)。

陳曉斌（2000—），男，廣東揭陽人，本科生，物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)，主要從事物聯(lián)網(wǎng)方向的技術(shù)開發(fā)。

巫穎怡（2002—），女，廣東河源人，本科生，物理學(xué)（師范）專業(yè)，主要從事數(shù)據(jù)收集與處理。

何 演（2001—），男，中國香港人，本科生，通信工程專業(yè)，主要從事移動互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用程序的設(shè)計與開發(fā)。