基于ARM的電針治療儀設(shè)計(jì)*

★ 汪燦華（江西中醫(yī)藥大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院 南昌330004）

基于ARM的電針治療儀設(shè)計(jì)*

★ 汪燦華**（江西中醫(yī)藥大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院 南昌330004）

針對(duì)目前現(xiàn)有電針治療儀的不足，提出基于A R M微處理器和u C/O S-II實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的電療儀設(shè)計(jì)方案。該方案利用A R M產(chǎn)出P W M波，然后通過(guò)低通濾波、電壓放大以及電壓電流轉(zhuǎn)換，最終以輸出恒定電流作用于人體，有效地克服了人體穴位電刺激適應(yīng)現(xiàn)象，且參數(shù)調(diào)節(jié)精準(zhǔn)，操作界面友好，樣機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定。

電針；嵌入式；微處理器；脈寬調(diào)制

1 引言

電療儀器雖然屬于醫(yī)療電子儀器的一個(gè)小分支，但是對(duì)人類的貢獻(xiàn)也是很大的。目前，對(duì)于神經(jīng)類的疾病（如頭痛、腰、肩、腿痛）的治療，主要還是借助于電療儀進(jìn)行的，這是因?yàn)殡姱煹幕局委熥饔檬钦{(diào)節(jié)神經(jīng)和肌肉的興奮性，改善血液循環(huán)和物質(zhì)代謝，具有鎮(zhèn)痛、消腫、消炎等功效。然而，現(xiàn)今的電針治療儀還存在很多缺陷，比如：存在穴位電刺激適應(yīng)現(xiàn)象、調(diào)節(jié)參數(shù)不精確、保護(hù)措施不到位、人機(jī)界面不友好等[1]。作為應(yīng)用于臨床的醫(yī)療儀器，設(shè)計(jì)一種基于ARM的高精度、高性能的儀器,對(duì)臨床醫(yī)療和針灸推廣非常必要，也很有意義。

2 系統(tǒng)工作原理

本電療儀采用ARM7微處理器LPC2290芯片為核心，由LPC2290產(chǎn)生PWM波（脈寬調(diào)制波形）[2]，該波形經(jīng)過(guò)二階RC低通濾波網(wǎng)絡(luò)后輸出直流電壓信號(hào)，然后經(jīng)過(guò)電壓放大，最后經(jīng)過(guò)電壓電流轉(zhuǎn)換電路輸出電流信號(hào)作用于人體。整個(gè)電療儀系統(tǒng)框圖如圖1所示：由于人體接收的是穩(wěn)定的電流信號(hào)，非線性變化的人體穴位電阻不能改變電療儀的輸出，從而可以克服穴位電刺激適應(yīng)現(xiàn)象。另外，為了保證電療儀的安全性。一方面，采用過(guò)流信號(hào)采集電路控制微處理器的最大輸出信號(hào)，從而防止人體電擊傷。另一方面，考慮到電荷的積累會(huì)使人體神經(jīng)組織產(chǎn)生永久性損傷[3]，本系統(tǒng)輸出雙極性脈沖以使人體神經(jīng)組織所獲得的總電荷為零。

圖1 電療儀系統(tǒng)組成框圖

3 電療信號(hào)處理電路設(shè)計(jì)

3.1 應(yīng)用PWM產(chǎn)生電療信號(hào)理論分析 PWM波是一種具有一定周期，占空比可調(diào)的方波信號(hào)。如圖2所示。

圖2 典型PWM波形

該P(yáng)WM波的高低電平分別為Vh和Vt，可以表達(dá)為[4]：

其中，T是ARM脈沖的基本周期，即ARM每隔T時(shí)間計(jì)數(shù)一次，N是PWM波一個(gè)周期的計(jì)數(shù)脈沖個(gè)數(shù)，n是PWM波一個(gè)周期中高電平脈沖的個(gè)數(shù)，k是諧波次數(shù)，t為時(shí)間。由于任意滿足Dirichlet條件的周期函數(shù)都可以展開成傅立葉級(jí)數(shù)，所以上式的函數(shù)展開成傅立葉級(jí)數(shù)，得到式：

從上式中可以看出，式中第一項(xiàng)為為直流分量，第二項(xiàng)為1次諧波分量，第三項(xiàng)為大于1次諧波分量。式中的直流分量與n成線性關(guān)系，并隨著n從0變到N，直流分量相應(yīng)的從V1變化到Vh。因此，只要濾掉除直流分量之外的諧波，并且調(diào)整占空比，就可得到各種所需的電療信號(hào)。

3.2 濾波與電平調(diào)整電路設(shè)計(jì) 該電路由三級(jí)構(gòu)成，第一級(jí)是RC二階低通濾波器，第二級(jí)是由TC1029構(gòu)成的電壓跟隨器，第三級(jí)是TC1029構(gòu)成的電平調(diào)整電路，如圖3所示：

圖3 濾波與電平調(diào)整電路

3.3 電壓放大與電壓電流轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)

經(jīng)過(guò)調(diào)整電路后的電壓信號(hào)輸出峰峰值為3.3V。還需要進(jìn)一步處理，即電壓放大，和電壓電流轉(zhuǎn)換。電路如圖4所示：

圖4 電壓放大與電壓電流轉(zhuǎn)換電路

圖4電路采用LM6211運(yùn)放芯片，其中，U4構(gòu)成電壓放大電路，U5和U6構(gòu)成電壓電流轉(zhuǎn)換電路。同樣根據(jù)虛短、虛斷可計(jì)算出：

因而，V5的峰峰值為80V;

因而，電療儀最終的輸出電流I0峰峰值為1mA。

3.4 過(guò)流信號(hào)采集電路設(shè)計(jì) 采樣信號(hào)從電療儀的電極輸出端經(jīng)過(guò)電平轉(zhuǎn)換直接連接至ARM輸入口，然后把采集的電流信號(hào)反饋給ADC（數(shù)模轉(zhuǎn)換）處理，得到相應(yīng)的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，當(dāng)采樣的數(shù)據(jù)超過(guò)設(shè)定的電流時(shí)，CPU產(chǎn)生中斷結(jié)束治療。

4 軟件設(shè)計(jì)

本電療儀軟件系統(tǒng)以u(píng)C/OS-II實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)為平臺(tái)，采用UCGUI圖形界面，通過(guò)創(chuàng)建多任務(wù)以及多任務(wù)間通信等機(jī)制，實(shí)現(xiàn)電療波形的控制輸出。軟件系統(tǒng)框架如圖5所示：

圖5 電療儀軟件系統(tǒng)框架圖

圖6 系統(tǒng)運(yùn)行主界面

其中，主任務(wù)負(fù)責(zé)其他任務(wù)的創(chuàng)建，并且響應(yīng)開始治療按鈕；波形選擇任務(wù)響應(yīng)波形選擇按鈕進(jìn)行輸出波形的選擇；人體電流采集任務(wù)用來(lái)不斷的采集人體電信號(hào)，如果超過(guò)規(guī)定值，則停止電療信號(hào)的輸出；屏幕掃描任務(wù)不斷地進(jìn)行屏幕掃描，一旦有觸摸，就會(huì)觸發(fā)相應(yīng)的操作；治療停止任務(wù)響應(yīng)停止治療按鈕，停止電療信號(hào)的輸出。軟件系統(tǒng)運(yùn)行界面如圖6、圖7所示：

圖7 電針輸出波形

5 結(jié)語(yǔ)

本電療儀采用ARM微處理器和uC/OS-II實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)為平臺(tái),外接簡(jiǎn)潔的信號(hào)調(diào)理電路就能產(chǎn)生各種所需的電療波形。系統(tǒng)性能強(qiáng)、功耗低、體積小；軟件操作界面友好、波形調(diào)節(jié)精度高、安全性較好、并且能有效克服人體穴位電刺激現(xiàn)象，值得向醫(yī)療機(jī)構(gòu)以及針灸愛好者推薦使用。

［1］楊育霞，雍明超.電針治療儀安全性問(wèn)題及對(duì)策[J].中國(guó)針灸，2009，29（4）：339-341.

［2］周立功.ARM嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ)教程[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2008：317-331.

［3］Tehovnik E J.Electrical stimulation of neural tissue to evoke behavior responses[J].Journal of Neuroscience Methods,1996,65 (1)：1-17.

［4］王兆安.電力電子技術(shù) [M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2001：150-165.

［5］康華光.電子技術(shù)基礎(chǔ)（模擬部分）[M].北京：高等教育出版社，2005：29-30.

The Design of Electro-acupuncture Instrument Based on ARM

WANG Can-Hua
Computer College of JiangxiUniversity of TCM,Nanchang 330004,China.

In view of the current deficiency of electro-acupuncture instrument,a new design was work out based on ARM and uC/ OS-II.First of all,PWM waveform was generated by the ARM microprocessor.Secondly,the PWM waveswas processed through the low pass filter,a voltage amplifier and voltage to current conversion circuit.Lastly,a constant currentwas output to the human body. The prototype designed in this paper is not only friendly,stable and adjustabe easierly,but also can overcome the electric stimulation adaptation of the human body acupointeffectively.

Electro-acupuncture；Embeded；MCU；PWM

T P 301

A

2014-06-06）編輯：薛鐵瑛

江西中醫(yī)藥大學(xué)校級(jí)科研課題（2012Z R007）；江西省科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目（20133BBG70087）。

**作者簡(jiǎn)介：汪燦華（1978-），男，碩士，講師。研究方向：醫(yī)療電子教學(xué)與科研。E-m a il：390921890@qq.co m。