威森波產后康復治療儀關鍵技術的實現及實驗研究

余凌，李威，孫傳堂

中國礦業大學 機電工程學院，江蘇徐州 221008

威森波產后康復治療儀關鍵技術的實現及實驗研究

余凌，李威，孫傳堂

中國礦業大學 機電工程學院，江蘇徐州 221008

Abstract: System design of postpartum rehabilitation therapeutic equipment was discussed in this paper.Composition principle and function were briefly introduced,detailed description of software and hardware was given,and further introduced the correlative components.Experimental results showed that the system achieved corresponding functions and could stably run under preset parameters.On this basis,upper computer software was developed to make visual operation easy and running state could be real-time monitored.

Key words: postpartum rehabilitation system; postpartum physiotherapy;PC-controlling

本文主要闡述了醫用產后康復綜合治療儀的系統設計。介紹了治療儀的組成原理及功能，并詳細描述了該系統的軟、硬件設計內容，同時對涉及到的一些組成部件進行了相應的介紹。通過實驗驗證了系統的功能，結果表明系統可在設定的參數下穩定運行。在此基礎上，開發了上位機軟件，方便在操作系統上進行可視化操作和對系統的運行狀態進行實時監測。

產后康復治療儀；產后理療；微機控制

臨床醫學中，孕婦在產后受到的創傷較大，以致在短時間內機體不能恢復，導致產后乳汁分泌和子宮復原受到一定的影響[1]。改善途徑除恢復性調理外[2]，還可以借助相關的醫療設備促進產婦的身體復原。產后康復治療儀是一種新的治療手段[3,8-10]，主要實現途徑可以是電磁方式、微波治療、低頻電脈沖理療等。

本文所設計的治療儀具有以下特點：① 控制系統在硬件上使用了過載/欠載保護，軟件設計中采用了冗余技術和復位監測技術，確保可靠性；② 使用了增強功能的微控制器和專用的外圍接口集成電路，系統集成度提高；③ 通過對程序結構的優化，增強了脈沖調制波形的幅頻穩定性。本儀器采用多種調制波組合方式以達到治療目的，取單詞variety的諧音，稱為威森波治療儀。

1 低頻電脈沖治療機理

離子數量和膜的通透性，破壞膜的極化狀態，產生除極化樣沖動，使血管擴張，激活脊髓后角的閘門控制系統，使疼痛沖動不能上傳。

在治療過程中，通過電極片的振動和按摩調節乳母神經內分泌功能，由于其吸吮力相當于嬰兒吸吮力的5~10倍，在振動和吸吮共同作用下乳頭的神經末梢得到刺激，再通過信息反饋促進泌乳。產生的縮宮素還可促進乳汁從腺泡通過導管排至乳竇[4]。這屬于純物理治療方式，易于被大多數女性所接受。

威森波治療儀主要有以下幾大生理效應：① 興奮神經組織細胞；② 促進局部血液循環；③ 鎮痛效應；④ 消炎作用。通過專用治療片對人體特定部位進行低頻電脈沖刺激，可以起到疏通乳腺管、促進乳汁分泌、緩解術后疼痛等臨床治療效果。

微控制器控制產生基波頻率為833Hz、占空比恒定為33.3%的脈沖調制波。低頻脈沖電流作用人體后可以改變

2 系統組成及原理框圖

儀器主要由線性穩壓電源、微控制器、過載/欠載保護電路、人機接口集成控制單元、脈沖產生及增益環節、開關變壓器脈沖變換模塊等組成。儀器由市電220V供電，經板載線性穩壓電路為系統提供穩定的低壓直流。微控制器采用增強型具備單時鐘工作能力的STC12C5410，結合片內集成的脈沖計數陣列(PCA)可實現定時器擴展[5]，它控制脈沖波形的產生及系統運行時的狀態監測與流程控制。過/欠載保護電路實時監測各功能模塊的電壓，在狀況發生時向微控制器提供系統復位信號。按鍵與顯示電路提供了方便的人機接口，方便用戶設定治療參數及觀察運行狀態。脈沖產生與變換電路，將低頻電脈沖變換成具有一定增益特定周期的調制波形，作為最終輸出的治療信號。

在誤操作出現或程序運行達到關鍵節點時，控制器控制蜂鳴器發出聲音警告與提示，伴以LED指示可讓用戶更直觀地判定儀器的運行狀態。上位機軟件可用于程序運行參數的設定及系統固件程序的維護更新。當然，儀器本體也具備參數設定功能。

威森波產后康復治療儀的系統原理框圖如圖1所示。

圖 1 治療儀組成原理圖

3 控制系統

控制系統是整個治療儀的核心，它負責發出所有的控制指令，對治療信號的產生及系統運行流程的控制起到主導作用。所以，控制系統的穩定性、可靠性設計對儀器性能具有關鍵意義。

為了增強電脈沖刺激的頻率穩定性，選用了高精度的石英晶體，在軟件設計階段通過多次反饋校正得到最佳頻率控制參數。抗干擾設計方面，采用了按鍵去抖動電路和軟件延時去抖結合的方法，看門狗監測程序運行狀態，低壓/過壓監測電路，系統各功能模塊的供電電路中添加了平滑濾波電容，針對前后級電路的阻抗匹配及去耦合干擾設計也作了必要的考慮。目的是為了減小工作時非軌對軌器件產生的邊界失真和干擾引起的頻率失穩。

3.1 控制系統硬件設計

按照儀器的功能要求，控制系統主要分為以下幾部分：微控制器STC12C5410負責數據處理和流程控制；10位D/A芯片TLC5615完成脈沖輸出；按鍵狀態檢測及顯示驅動由CH452控制；LM336為D/A轉換提供精確的參考電壓；DAC輸出的前級脈沖經放大變換得到指定強度等級的調制脈沖波形；ICL232雙路異步收發器負責將RS232的負邏輯電平與單片機UART的TTL電平進行轉換，為PC機和治療儀通信提供鏈路條件。

控制系統的硬件組成框圖如圖2所示：

圖 2 控制系統硬件組成框圖

3.1.1 電源和人機交互電路

系統由線性穩壓電源供電，避免了開關式穩壓電源可能帶來的高頻噪聲干擾。+5V供給控制電路和保護電路，+12V接開關變壓器初級繞組。DAC需要的1.25V精準參考電壓，由LM336穩壓獲得。

CH452是WCH公司推出的產品，兼具8位數碼管顯示驅動和鍵盤掃描功能，非常適合系統的集成與小型化。治療儀的人機接口包括5個獨立按鍵和7位七段數碼管顯示。CH452接受MCU的串行控制信號，負責產生按鍵中斷和驅動數碼管顯示。

3.1.2 脈沖發生與轉換電路

DAC采用10位轉換分辨率的TLC5615，建立時間12.5μs。DAC輸出的脈沖首先經過幅值放大，再經過后級射極跟隨器進行電流放大，再耦合至后級共射電路，集電極輸出至開關變壓器初級繞組，集電極輸出信號是和DAC輸出脈沖同步的電流放大信號，最后經過升壓便得治療儀最終輸出波形。幅值放大級和電流放大級采用級間阻容耦合方式，阻止直流躥擾并為高頻信號提供通路。電容的充放電會使波形上升沿、下降沿出現尖峰，變壓器退磁使波形出現負脈沖。波形調制電路如圖3所示。

圖 3 波形調制電路原理圖

圖 4 某種組合的調制波形

調制波形基本參數為：

基波頻率833Hz，脈沖寬度0.4ms，允許誤差±10%；

組合波周期33s；

輸出電壓范圍0~33V；

按照治療方案的不同，共有12種基本波形，進而組合成16種治療項目。圖4所示為某種組合的調制波形輸出。3.1.3 保護電路與通訊電路

當出現電源欠壓/過壓時，保護電路動作，向MCU發出復位信號。如圖5所示，開關采用CD4066，它具有4路模擬開關，可通過MCU的I/O控制。保護電路動作時，T3導通，KA1受電常閉觸點分開，停止輸出波形。儀器正常運行時，如果出現誤操作，聲光報警電路動作通知操作人員。通訊電路主要負責本儀器與上位機之間的數據通訊，可以將程序運行狀態信息上傳至計算機，也可以接收計算機發送的控制命令。

圖 5 保護電路原理圖

3.2 控制系統軟件設計

本系統軟件包括上位機和儀器軟件兩部分。上位機軟件使用Borland C++ Builder編寫，主要記錄治療的信息和設定治療參數。另外，上位機還兼具對下位機軟件維護與更新的功能。微控制器部分采用KEIL μVISION 3編寫，KEIL出色的編輯、編譯和調試功能可以大大加快軟件開發的效率。系統軟件采用自頂向下的結構化編程模式，從任務分析、模塊劃分到底層源代碼實現，使編寫的代碼具有重用性。

程序流程圖如圖6所示。

圖 6 程序流程圖

MCU控制脈沖產生有定時和中斷兩種方式，為了不對治療儀運行快速性產生影響，利用中斷快速檢測外部按鍵狀態，更新治療參數，而將脈沖發生程序嵌入主程序中。提高了系統的可靠性與快速響應能力，并且使輸出更加平穩。

脈沖調制原理如圖7所示，其中up、high、down、low為波形包絡控制參數，scope為幅值變量。

圖 7 波形調制原理

4 結束語

本文以產后康復治療為背景，設計并完成了威森波治療儀的關鍵技術。對治療原理、系統組成、控制系統方面作了闡述。通過合理設計硬件電路提高了系統的集成度與可靠性，優化軟件結構增強了刺激脈沖的頻率穩定性及平穩性。實驗結果表明，脈沖調制波形及系統響應的各項指標均在儀器要求規定的范圍以內。為臨床使用及進一步推廣打下了良好的基礎。

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Realization of Key Technology of Postpartum Rehabilitation Therapeutic Equipment and Experimental Study

YU Ling,LI Wei,SUN Chuan-tang
College of Mechanical and Electrical Engineering,China University of Mining &Technology,Xuzhou Jiangsu 221008,China

TH789

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2010.08.006

1674-1633(2010)08-0018-03

2010-01-04

2010-03-17

本文作者：余凌，碩士研究生，研究方向為“智能化儀器儀表”。

作者郵箱：yuling@cumt.edu.cn