電場侵入式理療儀的設計與實現*

郭銀景，李玉翠，司動麗，劉曉玲，鄒 慧

(山東科技大學 信息與電氣工程學院，山東 青島266590)

在這個快節奏的社會中，康復理療受到了人們的高度重視，同時國內外專家和學者在該研究領域也一直做著不懈的努力。在國外，早在19世紀初Louis Berlioz就提出了利用電治療疾病的構想，后人在其基礎上取得了一定的成果[1]。在國內，電療起始于與中醫針灸按摩相結合并研制了各種功能的理療儀，例如胡鴻志等人研制的一種模擬針灸和按摩的電刺激類中低頻理療儀[2]，該理療儀能夠緩解疼痛，引起正常神經的興奮，但對術后麻痹無明顯的作用；史欽文等人研制了一種超聲波理療儀[3]，采用高低頻信號混合的方式產生特定能量的超聲波，可以加速傷口愈合，但是智能化程度低，難以在家庭中推廣。鄒海軍等人[4]利用磁、振、熱三種物理因子對單一因子理療儀進行了改善，但是物理因子僅能作用于皮膚表面，對深層病灶無作用。綜上所述：理療儀存在如下兩方面的不足：(1)因為輸出功率小，作用范圍廣，對深層病灶無明顯效果；(2)價格較高，智能化程度較低，難以在家庭中推廣和普及。基于以上不足之處,本文設計了一款術后康復理療儀，以生物安全型高頻信號源為理療信號，工作頻率約 290 kHz，功率最高可以達到60 W，采用侵入式高頻理療，作用范圍集中，能夠改善局部新陳代謝，加速疼痛物質的代謝并改善植物神經系統功能，從而阻斷疼痛的惡性循環，加速術后傷口炎癥的消除和傷口愈合，縮短康復時間。另外采用嵌入式系統提高理療儀智能化程度，體積小，操作簡單，造價低，適于家庭中推廣使用。

1 系統組成及結構

該系統由4個主要模塊組成：電源、嵌入式微控制器、高頻生物安全型信號源和電極，基本的系統結構框圖如圖1所示。

圖1 系統結構框圖

該理療儀采用220 V交流直接供電，簡單方便，然后利用開關電源得到12 V、5 V直流電給風扇、微控制器等模塊供電；嵌入式微控制器是系統的核心，控制理療信號產生的強度和時間，用戶可以通過觸摸屏或按鍵進行功能選擇；高頻生物安全型信號源的主要功能是產生理療所需的高頻信號,設計中采用IR2153作為驅動芯片,經過放大和變壓器轉換后即可輸出理療信號；該理療信號通過專用電極作用于理療部位，電極由手柄和極板組成，手柄有多種形狀，可根據理療部位的不同進行選擇，極板需要與患者的皮膚直接接觸，以達到侵入式能量置換。

2 硬件設計

該理療儀硬件電路設計主要由嵌入式微控制器及其外圍電路和高頻生物信號源產生電路兩部分組成。

2.1 微控制器外圍電路設計

鑒于該理療儀智能化程度的要求，本系統采用三星公司的ARM9開發板作為硬件資源。該開發板是以16/32位精簡指令集(RISC)處理器S3C2440A為控制器[5]，具有良好的穩定性和獨立性。該硬件電路設計把開發板硬件資源與設計需求相結合，對板載資源進行了最大限度的利用。

利用S3C2440A內部集成的具有脈沖寬度調制(PWM)功能的定時器1產生所需的PWM波。首先在底層驅動程序中對計數緩沖寄存器(TCNTB1)和比較緩沖寄存器(TCMPB1)進行初始化；然后在應用程序中采用分級式脈沖寬度調制算法對治療強度進行精確的控制。

系統中的LED指示燈由開發板提供給用戶的I/O口(端口F)進行控制。程序設計中分別置端口F相應的位為高電平或低電平來控制LED燈的亮與滅，以便給用戶提供直觀的指示。

按鍵電路是利用開發板提供的按鍵接口來實現強度和時間的控制功能。按鍵驅動程序設計中通過將按鍵操作映射為WINCE環境下的通用鍵盤事件KEY UP和KEY DOWN，使得應用程序能夠響應底層按鍵操作。

報警電路是利用定時器0的PWM功能進行控制。報警電路的作用是當用戶設定的治療時間開始及結束時，分別給予不同的警示。

顯示電路是利用板載資源中已有的觸摸屏接口，外接5.2英寸觸摸顯示屏，給用戶提供生動活潑、操作方便、人性化的交互界面。

2.2 高頻生物安全型信號源的電路設計

高頻信號源產生以IR2153作為驅動芯片，這是一種高壓、高速、自震蕩、帶有高低端驅動的半橋驅動器，可驅動N溝道功率MOSFET。高端和低端驅動輸出有內部自帶互鎖電路，防止高端和低端同時導通而引起半橋電路短路[6]。本文中設計了一種頻率和占空比均可調節的前級電路，通過調節前級電路可在IR2153的HO和LO引腳輸出頻率相同、高低電平互補的驅動波形，以驅動電路中的MOSFET。高頻信號源產生電路如圖2所示。

圖2 高頻信號源產生電路

其中振蕩周期由電路中的R2、R3和C1確定,具體公式為：

調節電路中的滑動變阻器R2可改變其振蕩頻率，D3導通時C1充電，D2導通時C1放電，可見通過調節滑動變阻器R3即可調節輸出波的占空比。

IR2153高低端產生的波形要通過電路中的MOSFET管和變壓器放大到要求的治療強度。該變壓器采用具有中心抽頭的推挽式逆變器[7]，中心抽頭接12 V直流電源，初級輸入電路由參數相同的MOSFET管構成，采用兩只MOSFET管并聯的方式以增強驅動電流。這是一種完全對稱的結構形式，且MOSFET管具有驅動方便、不必進行隔離的優點。電路中MOSFET管以推挽方式工作，各負責正負半周的波形放大任務，電路工作時Q2、Q3與Q4、Q5為 180°互補導通， 當 Q2、Q3導通時，+12 V電源電壓加在變壓器初級繞組W11上，在W11中感應出與12 V相等的電動勢；當Q4、Q5導通時，+12 V電源電壓加在變壓器初級繞組W12上，在W12中感應出電動勢，其中W11=W12=2匝，故在變壓器的次級繞組W2中感應出對應正負半軸的電動勢EW2=(W2/W1)×12 V。變壓器采用的磁芯為EC42，輸入電壓12 V,輸出電壓450 V,初級匝數為2 T,次級匝數為80 T,MOSFET管開關頻率為290 kHz。經過MOSFET管和變壓器放大的信號即可通過陶瓷手柄作用于人體進行理療。

3 軟件設計

本系統的軟件設計主要包括兩大部分：(1)底層驅動程序開發，包括I/O口驅動、PWM驅動、鍵盤驅動和觸摸屏驅動等；(2)嵌入式應用程序開發，包括響應鍵盤事件、對I/O口進行控制等。該系統主程序流程圖如圖3所示。

(1)驅動程序開發

在WinCE6.0系統下應用程序無法對物理地址進行直接的操作，但可以在內核中添加驅動程序實現地址虛擬映射，以達到操作硬件的目的。該系統的驅動程序編寫采用流驅動程序，流驅動程序由設備管理器統一加載、管理和卸載[8]。應用程序使用Windows CE操作系統的文件API函數和流接口進行通信,從而實現相應的功能。

本系統所需要的驅動程序包括LED驅動、蜂鳴器驅動、PWM波驅動、鍵盤驅動、觸摸屏驅動等。完成所需流驅動程序編寫后，將其加入到內核重新編譯生成內核文件NK.bin和NK.nb0再下載到NandFlash中即可使用。

(2)應用程序的開發

本系統應用程序開發主要包括界面設計和功能設計，系統配有5.2英寸液晶顯示屏，界面設計以顯示直觀、界面友好、操作方便、人性化為目標；功能設計中采用分級式脈寬調制算法實現不同強度理療信號輸出，即通過更改PWM占空比和頻率，實時改變理療波形強度，以最低強度 (強度1)為例，PWM波如圖4(a)所示，經PWM波調制的理療波形如圖4(b)所示，該理療儀采用五級分級制度輸出理療波形供用戶選擇，強度1為最低強度，強度5為最高強度。

圖3 系統主程序流程圖

圖4 分級式脈寬調制算法示例

該應用軟件采用VS2005進行開發，VS2005是微軟為小型設備量身打造的方便使用的軟件，支持VC++、VB、C#等語言，此次采用了C#語言進行應用程序的開發。在應用程序中通過調用WinCE的API函數CteatFile打開設備，然后用DeviceIOControl與驅動程序進行通信，包括讀和寫兩種操作，操作完畢后用CloseHandle關閉設備。

4 測試與分析

本文研制的術后康復理療儀在常溫下以實驗室人員為實驗對象，以強度1為例測得電極輸出的波形如圖5所示。該輸出波形是經強度1的PWM調制的正弦波，正弦波輸出頻率為287 kHz左右。經長時間測試結果顯示，該理療儀符合設計標準，且電磁兼容性好，安全性高，理療效果明顯。

圖5 理療狀態下，強度1的電極輸出波形

[1]BIRGIT A L,LVERSEN H K,IBSEN P.Preclinical validation of electrochemotherapy as an effeetive treatment for brain tumors[J].Cancel Res June，2011,71(11):3753-3762.

[2]胡鴻志.新型低頻電脈沖理療儀的研制[J].電子測量技術,2011,34(7):5-7,23.

[3]史欽文,祝忠明,劉再東,等.基于 AT89C2051單片機的超聲波理療儀設計[J].電子元器件應用,2010,12(11):11-14.

[4]鄒海軍,齊海兵,潘正中.磁熱按摩理療儀的制作[J].湖北理工學院學報,2012,28(5):15-17,26.

[5]張強,忻尚芝,邢斌.基于S3C2440A的無創血氧檢測系統設計[J].電子技術應用,2013,39(6):67-69,73.

[6]李明.利用IR2153自振蕩MOS驅動器實現變頻驅動[J].今日電子,1999(2):15-16.

[7]王東宏.晶體管推挽式逆變器設計及其應用[J].電氣自動化,1998(3):26-27.

[8]關珊珊,管強.基于ARM的電熱爐溫度采集與控制系統[J].微型機與應用,2013,32(10):69-72,76.