便攜式經(jīng)皮神經(jīng)電刺激治療儀波形發(fā)生器設(shè)計

姚松明，陸堯勝，陳 洋，黃焰文

便攜式經(jīng)皮神經(jīng)電刺激治療儀波形發(fā)生器設(shè)計

姚松明，陸堯勝，陳 洋，黃焰文

目的：設(shè)計一種用于便攜式經(jīng)皮神經(jīng)電刺激治療儀的波形發(fā)生器，可以直接連接作用于人體部位的電極片。方法：由低功耗控制器芯片STM32L152RB內(nèi)部的DAC編程產(chǎn)生波形，采用由音頻放大芯片LM4871組成的功率放大電路放大波形功率，利用三抽頭輸入變壓器對波形進行雙極性變換和電壓放大。結(jié)果：實現(xiàn)了對頻率范圍為7~320 Hz的波形進行功率放大、雙極性變換以及電壓放大，輸出波形峰峰值為0~70 V。結(jié)論：該波形發(fā)生器具有低功耗、便攜式、安全隔離、頻率和幅值軟件控制等優(yōu)點，能夠輸出一定頻率任意組合的波形，為治療波形的研究提供了良好的硬件平臺。

經(jīng)皮神經(jīng)電刺激（TENS）；LM4871；波形；治療儀

0 引言

TENS（transcutaneous electrical nerve stimulation）是一種周圍神經(jīng)粗纖維點刺激療法，此療法采用特定的低頻脈沖電流作用于人體一定的表面部位，以減小或消除疼痛、恢復(fù)神經(jīng)或肌肉功能[1]。1965年，加拿大學(xué)者梅爾扎克（Melzack R）和英國學(xué)者沃爾（Wall P D）提出痛覺閘門控制學(xué)說（GCT）。20世紀70年代，沃爾和Sweet提出經(jīng)皮神經(jīng)電刺激[2]。閘門學(xué)說[3]認為，TENS是一種對興奮粗纖維的刺激，為關(guān)閉疼痛傳入的閘門，從而緩解疼痛癥狀。內(nèi)源性嗎啡樣物質(zhì)釋放的假說認為，TENS可以刺激人們釋放出內(nèi)源性嗎啡樣物質(zhì)，從而達到鎮(zhèn)痛的目的，并于1977年Chapman通過實驗得以證實。TENS療法在歐美各國被作為控制疼痛的常規(guī)療法，并在臨床逐步得到廣泛應(yīng)用。目前，國內(nèi)外市場上基于TENS的便攜式治療儀種類繁多，包括按摩、捶打、推拿、火罐、針灸、熱敷、揉、按等，用于緩解肌肉疼痛、促進血液循環(huán)等。大部分產(chǎn)品的不足之處主要表現(xiàn)為在規(guī)則電信號刺激的作用下，時間一長患者就會感覺刺激的減弱，如果要維持一定的主觀感受刺激，就必須增加信號的刺激強度[4]。為了解決這些問題，本系統(tǒng)采用了MCU控制軟件編程生成各種脈沖波形、雙極性刺激，刺激波形、刺激頻率、刺激強度可調(diào)，其變壓器隔離輸出技術(shù)安全可靠，可以有效地克服由于長時間保持一個波形和強度而產(chǎn)生的人體適應(yīng)性問題，具有功耗低、可靠性高、使用靈活、攜帶方便等特點。

1 波形發(fā)生器的主要技術(shù)特點

經(jīng)皮神經(jīng)電刺激治療儀是根據(jù)痛覺閘門控制學(xué)說與內(nèi)源性嗎啡樣物質(zhì)釋放的假說，結(jié)合人體對電生理反應(yīng)的特性設(shè)計的，同時為實現(xiàn)功耗低、可靠性高、使用靈活、攜帶方便等特點，對該儀器的設(shè)計提出了一系列技術(shù)要求：

（1）具有可選的刺激參數(shù)：不同頻率的刺激激活體內(nèi)不同種類的阿片系統(tǒng)。為達到最佳的刺激效果，

使人體內(nèi)的3種主要的阿片類物質(zhì)（腦啡肽、內(nèi)啡肽、強啡肽）都釋放出來[5]，所設(shè)計的波形發(fā)生器應(yīng)能輸出各種頻率的刺激脈沖，同時實現(xiàn)不同頻率的脈沖合理組合與軟件切換。

（2）刺激波形是雙極性對稱的脈沖波形：為消除直流電刺激產(chǎn)生的組織極化現(xiàn)象[6]，波形發(fā)生器輸出為正、負交替的脈沖波形，正負雙向?qū)ΨQ，直流分量相互抵消，以達到最佳的治療效果。

（3）便攜、安全、節(jié)能：為實現(xiàn)方便攜帶、低功耗以及安全等要求，本波形發(fā)生器采用3節(jié)7號電池供電，方便攜帶；為了安全起見，采用低功率隔離變壓器對稱功率輸出；利用音頻功放芯片放大功率，避免了開關(guān)電源技術(shù)實現(xiàn)DCDC變換的功率損耗[7]以及采用低功耗CPU芯片減少控制器功率損耗，從而實現(xiàn)便攜式、安全以及低功耗的要求。

2 電路方案

圖1為系統(tǒng)總框圖。微控制器（micro control unit，MCU）通過DAC通道輸出治療波形，RC高通濾波電路對波形濾波，音頻放大芯片LM4871組成的功率放大電路對波形功率放大，三抽頭輸入變壓器實現(xiàn)極性轉(zhuǎn)換、安全隔離、電壓放大功能，最后RC低通濾波電路對波形濾波，濾除高頻成分，實現(xiàn)波形穩(wěn)定輸出。

MCU選用意法半導(dǎo)體公司（ST）研發(fā)的低功耗STM32L系列單片機STM32L152RB，符合低功耗要求；具有多個中斷和定時器，滿足控制要求；能夠驅(qū)動小型OLED屏幕，GPIO讀取按鍵狀態(tài)以及DAC通道輸出波形，滿足系統(tǒng)的設(shè)計需求[8]。

波形產(chǎn)生方法為：通過軟件編程控制DAC輸出的各種不同頻率和幅度組合的波形，加上外部功率和電壓放大，從而控制輸出波形的頻率和幅度。從DAC輸出的信號，經(jīng)RC高通濾波器，其截止頻率為：

其中，R的單位為Ω，C的單位為μF。

波形經(jīng)過RC高通濾波后，輸入到由LM4871組成的功率放大電路，如圖2所示。

LM4871的管腳3和4是輸入端，管腳5和8是輸出端，其輸出信號與輸入信號的幅值關(guān)系為：

圖2 功率放大電路圖

LM4871的輸出功率與負載阻抗有關(guān)，其關(guān)系圖如圖3所示。

圖3 LM4871輸出功率和負載阻抗匹配圖

縱坐標代表輸出功率，單位為W；橫坐標代表負載阻抗，單位為Ω。設(shè)變壓器初級/次級的匝數(shù)比為n∶1，根據(jù)變壓器的特性，可以推出變壓器的初級阻抗為：

其中，Z1為變壓器的初級阻抗，Z2為變壓器的次級阻抗。

變壓器匝數(shù)比為0.05∶1，負載電阻為人體阻抗，約3 kΩ，此時初級負載Z1=3 000/400=7.5 Ω。由圖3可知，此時LM4871輸出功率為1.5 W左右。此時，假如輸出波形占空比為1，輸出電壓為最大值70 V，負載電阻為人體阻抗約3 kΩ，則輸出功率為：

TENS輸出波形的占空比很小，大多數(shù)波形的占

空比是百分之一，甚至是千分之一，所以，LM4871的輸出功率完全滿足設(shè)計要求。

圖4 極性轉(zhuǎn)換電路圖

從功率放大電路輸出的波形信號，輸入到三抽頭隔離變壓器，功率放大芯片的管腳8接變壓器輸入端的中間抽頭。管腳5通過選通三極管接到變壓器輸入端的另外2個抽頭，如圖4所示。接到MCU的GPIO管腳。當(dāng)接到電阻的GPIO為高電平，接到的GPIO為低電平時，Q5和Q7導(dǎo)通，Q4和Q6截止，波形信號從變壓器的中間端流向變壓器1端，經(jīng)過Q7返回反之，當(dāng)接到電阻的GPIO為低電平，接到的GPIO為高電平時，Q5和Q7截止，Q4和Q6導(dǎo)通。這樣，周期性極性相反的控制信號接到能實現(xiàn)將單極性波形向雙極性波形轉(zhuǎn)變。

經(jīng)過變壓器后，變壓器次級輸出的波形幅值增大，單極性波形變成雙極性波形。最后在輸出電路中為了提高波形的保真性，設(shè)計了一階低通濾波電路以去除變壓器帶來的高頻成分，電路圖如圖5所示。

圖5 電壓放大模塊電路圖

在低通濾波器中，截止頻率為：

3 測試結(jié)果

該波形發(fā)生器設(shè)計方案的技術(shù)指標理論值為輸出波形峰峰值0~70 V，波形頻率為8~318 Hz。實測指標實現(xiàn)編程輸出各種組合的波形，當(dāng)DAC通道輸出為0 V時，波形發(fā)生器輸出幅值為0 V；當(dāng)DAC通道輸出為2.1 V（小于MCU供電電壓3.3 V）時，波形發(fā)生器輸出峰峰值為0~70 V。輸出幅度一定時，只改變輸出波形的頻率，記錄在示波器上的輸出波形幅值為原來波形幅值的0.707倍時的頻率值，得出輸出頻率為7~320 Hz。測試結(jié)果表明，所設(shè)計的波形發(fā)生器達到了預(yù)期的目標。

以治療波形為雙極性對稱方波驗證，測試結(jié)果截圖如圖6所示。由實際測量截圖可知，由于變壓器及低通濾波器的充放電效應(yīng)，實際波形會有些許變形，但仍然能夠很好地達到治療波形的基本要求。

圖6 測試結(jié)果截圖

4 結(jié)論

本文主要介紹了一種便攜式TENS治療儀波形發(fā)生器的設(shè)計，其中分析了MCU芯片的選取、功率放大功能的實現(xiàn)、變壓器負載與音頻放大芯片LM4871的功率阻抗匹配、單極性波形向雙極性波形的轉(zhuǎn)換以及電壓放大電路的設(shè)計等。實現(xiàn)了對單片機輸出的治療波形的功率放大、極性轉(zhuǎn)化以及電壓放大輸出；輸出波形頻率為7~320 Hz，峰峰值為0~ 70 V，完全由程序控制DAC通道實現(xiàn)幅值和頻率軟件配置[9]。該TENS治療儀波形發(fā)生器相比以往的同類儀器電路更為簡單，同時具備便攜式、安全、低功耗的優(yōu)點，能很好地實現(xiàn)任意組合波形的放大輸出，為TENS治療儀的功能研究提供了更為方便易用的

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波形發(fā)生裝置。另外，如果要得到頻率超出320 Hz的波形，只需要修改輸出端RC低通濾波參數(shù)即可，系統(tǒng)升級簡單[10]。

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[10]鄧親愷.現(xiàn)代醫(yī)學(xué)儀器設(shè)計原理[M].北京：科學(xué)出版社，2004.

（收稿：2013-08-21 修回：2013-10-09）

Design of Waveform Generator for Portable Transcutaneous Electrical Nerve Stimulation Device

YAO Song-ming,LU Yao-sheng,CHEN Yang,HUANG Yan-wen
(Jinan University，Guangzhou 510632,China)

Objective To design awaveform generator for portable transcutaneous electricalnerve stimulation device,which canbe connected with the electrodes directly on parts of the body.Methods Thewaveform was generated by the internal DAC pro-gramming of low-power-consumption controller chip STM32L152RB,and was amplified by the circuitwith audiofrequency am-plifier chip LM4871,and then underwentbipolar conversion and voltage amplification by a triple stub input transformer.ResultsThewaveformswith the frequencies ranging from 7 to 320 Hz could be processed with power amplification,bipolar conversionand voltage amplification,with thewave peak values between 0 and 70 V.Conclusion Thewaveform generator is portable,safelyisolated and low-power-consumption,which can control the frequency and amplitude by software and output freely assembledwaveformswith certain frequencies,and thusprovidesa hardware platform for studying therapeuticwaveform.[Chinese Medi－cal Equipment Journal，2014，35（3）：7-9，13]Key words transcutaneouselectricalnerve stimulation(TENS);LM4871;waveform;therapeutic apparatus

transcutaneous electrical nerve stimulation(TENS);LM4871;waveform;therapeutic apparatus

R318.6；TH772

A

1003-8868（2014）03-0007-04

10.7687/J.ISSN1003-8868.2014.03.007

廣東省科技廳社會發(fā)展項目（2012A032200003）；天河區(qū)科技計劃項目（201207YH017）

姚松明（1986—），男，碩士研究生，研究方向為信號與信息處理機及智能醫(yī)療儀器，E-mail：624009107@qq.com；陸堯勝（1956—），男，教授，主要從事生物醫(yī)學(xué)信號檢測與處理方面的研究工作，E-mail：tluys@jnu. edu.cn。

510632廣州，暨南大學(xué)（姚松明，陸堯勝，陳 洋，黃焰文）