生物電脈沖治療儀的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

許德成

(吉林師范大學(xué) 信息技術(shù)學(xué)院,吉林 四平 136000)

0 引言

在當(dāng)今市場經(jīng)濟(jì)時代，信息技術(shù)迅猛發(fā)展，社會競爭日益劇烈，人們正面臨著工作壓力大、經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)重等問題，各種職業(yè)病和亞健康人群逐漸年輕化且呈逐年上升趨勢，例如腰肌勞損、頸椎病、坐骨神經(jīng)痛、腸胃消化功能失調(diào)、失眠多夢、神經(jīng)衰弱等[1-2]．隨著人們生活條件的改善，醫(yī)療保健漸漸得到廣泛關(guān)注[3-4]，醫(yī)療重點(diǎn)也從重視病后治療康復(fù)慢慢轉(zhuǎn)向健康時期的疾病預(yù)防和保健，生物電脈沖作為一種新型輔助途徑也得到了廣泛的關(guān)注與應(yīng)用[5-8]．例如，文獻(xiàn)[9]介紹了低頻脈沖治療儀在膝骨關(guān)節(jié)炎治療中的應(yīng)用價值，文獻(xiàn)[10]中提出了低頻脈沖治療儀在人工流產(chǎn)術(shù)后康復(fù)中的應(yīng)用價值．人體組織是由水分、無機(jī)鹽和帶電的膠體組成的復(fù)雜電解質(zhì)導(dǎo)電體，施加生物電脈沖時使帶電離子定向移動，消除細(xì)胞膜的極化現(xiàn)象，改變離子的濃度和分布，從而改善組織的生理代謝．另一方面通過作用于淋巴管壁和血管壁的神經(jīng)感受器，通過植物神經(jīng)中樞發(fā)射到局部，實(shí)現(xiàn)毛細(xì)血管的擴(kuò)張、血管壁的滲透性增加，提高組織細(xì)胞的活力[11]．

為此，各大醫(yī)療器械企業(yè)推出了種類繁多的醫(yī)療健身電子產(chǎn)品，如按摩儀、治療儀等[12]．但多數(shù)都存在價格昂貴、體型笨重、功能單一、操作繁瑣等弊端．文中介紹了一種人機(jī)交互界面友好、便攜式生物電脈沖治療儀，模擬中醫(yī)針灸、按摩等動作，具有舒筋活血、緩解疲勞、促進(jìn)微量元素吸收等功能,脈沖強(qiáng)度、頻率及脈寬均可調(diào)等優(yōu)點(diǎn)．這為身處精神壓力、亞健康人群帶了福音，具有良好的醫(yī)療保健功效，尤其適合中老年人、辦公一族、強(qiáng)體力勞動者及體育運(yùn)動員使用．

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

文中提出生物電脈沖治療儀硬件設(shè)計框圖如圖1所示，主要包括生物脈沖的產(chǎn)生、工作模式輸入設(shè)定和當(dāng)前工作模式信息顯示3部分．通過做表方式存儲正弦波的每點(diǎn)對應(yīng)的占空比，利用ATmega16微處理器PWM功能產(chǎn)生PWM脈沖波[13-14]，經(jīng)低通濾波器濾除高次諧波后得到正弦波．經(jīng)功率放大器以提升帶負(fù)載能力，通過升壓電路進(jìn)行幅值調(diào)整，最終由電極接至患者產(chǎn)生預(yù)定特征值電脈沖進(jìn)行刺激治療．其中脈沖強(qiáng)度、頻率及脈寬通過工作模式輸入模塊均可調(diào)，顯示模塊采用具有簡潔、清晰特點(diǎn)的數(shù)碼管，方便人機(jī)交互．

圖1 生物電脈沖治療儀硬件設(shè)計框圖

PWM脈沖波經(jīng)低通濾波器后產(chǎn)生一正弦波，其低通濾波電路設(shè)計如圖2所示．通過功率運(yùn)放和升壓電路模塊產(chǎn)生一1～90 V幅值可調(diào)，頻率在0.1～200 Hz可控，脈寬范圍為0.1～5 ms的脈沖波．其中功率放大器選用意法半導(dǎo)體公司的TDA2030A單聲道功放芯片，在4 Ω負(fù)載下能有18 W的額定輸出功率．具有價格便宜、應(yīng)用廣泛及外圍電路簡單等優(yōu)點(diǎn)，原理圖如圖3所示．

圖2 低通濾波電路原理圖

圖3 功率放大單元原理圖

對于按鍵輸入模塊和數(shù)碼管顯示模塊，文中選用具有串行接口的、可同時驅(qū)動8位LED數(shù)碼管及64鍵鍵盤智能控制芯片HD7279A，其內(nèi)部含有譯碼器，可直接接收BCD碼或16進(jìn)制碼，此外還具有多種控制命令，如消隱、閃爍、左移、右移及段尋址等．

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

生物電脈沖治療儀軟件流程圖如圖4所示，傳統(tǒng)的低頻脈沖波多采用模擬乘法器實(shí)現(xiàn)兩個信號相乘進(jìn)行調(diào)制，結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜．本文基于ATmega16微處理器的PWM模塊產(chǎn)生一頻率與脈寬可調(diào)的脈沖波，開機(jī)后系統(tǒng)首先進(jìn)行一系列工作模式初始化，在數(shù)碼管上顯示當(dāng)前工作模式信息，便于用戶進(jìn)行個性化配置．主函數(shù)中主要進(jìn)行輸入按鍵是否按下判定和定時時間是否結(jié)束，若判斷按鍵動作則進(jìn)入按鍵中斷服務(wù)函數(shù)，判斷按鍵事件類型并進(jìn)行相應(yīng)設(shè)置．

圖4 程序流程圖

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

低頻脈沖對人體有多種生理作用和治療作用，尤其在減輕肌肉酸痛和緩解精神壓力方面．本文提出了一種人機(jī)交互界面友好、便攜式生物電脈沖治療儀，基于ATmega16微處理器內(nèi)部PWM功能及濾波、功放、升壓電路，產(chǎn)生1～90 V幅值可調(diào)，頻率在0.1～200 Hz可控，脈寬范圍為0.1～5 ms的脈沖波．經(jīng)用戶反饋表明，文中提出的生物電脈沖治療儀可較逼真地模擬中醫(yī)針灸、按摩等不同的刺激效果．

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