基于移動醫療的電刺激經絡導通儀的設計

劉虔鋮

摘 要：該文以中醫針灸理論和電刺激治療機理為基礎，利用現代智能手機和移動醫用APP等技術，設計了一種新型的基于電刺激的經絡導通儀。系統包括主機和移動終端兩個部分，并通過藍牙進行無線通訊。主機包括嵌入式ARM處理器、電刺激產生電路、肌電檢測電路、運動狀態檢測電路、藍牙通信模塊五大功能電路組成。移動終端基于Android平臺而開發的應用程序，實現了與主機的藍牙通信、參數設置等功能。基于移動醫療的電刺激經絡導通儀具有高效、低成本、用戶界面友好、操作方便、人性化等特點，為風濕、關節炎、頸腰椎疾病，以及神經肌肉疾病等多種病癥等臨床應用及研究搭建了良好的應用平臺。

關鍵詞：移動醫療 Android 經絡導通 電刺激

中圖分類號：G64 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）07（a）-0101-02

經絡“內屬臟腑，外絡肢節”，是中醫學說的重要組成部分。經絡聯系肢節與臟腑，腧穴分布于經絡之上，針灸療法就是依照腧穴-經絡-臟腑間的辯證關系進行的。針灸療法，源遠流長，已被廣泛用來治療腦血管疾病引起的偏癱、風濕、關節炎、頸腰椎疾病，以及神經肌肉疾病等多種病癥。經絡導通療法[1-2]從理論上說就是調理整個經絡的能量狀態，使能量運行恢復平衡。其促進康復機制尚不清楚，但作為電刺激治療方法的一種，經絡導通刺激延緩肌肉失神經支配廢用性萎縮和增強肌力的作用是明顯的；另外，從現在對經絡研究的成果來看，經絡導通刺激過程產生的系統的彌散的外周神經感覺信息不斷傳入中樞也從根本上促進中風患者受損中樞的修復，加快康復進程和提高康復質量。

隨著移動4G網絡和智能手機的普及，移動醫療正在改變了過去傳統的醫療方式，使得病人無論是在醫院還是家里，都能隨時獲取醫療咨詢，及時與醫護人員溝通等。將移動醫療技術與傳統中醫結合將使的傳統中醫診療換發出新的活力。

作者以傳統中醫理論和現代電刺激療法為基礎，依托現代電子工程技術手段，介紹一種基于移動醫療的電刺激經絡導通儀，該儀器具有刺激經穴和電刺激治療的雙重作用，能夠對偏癱、風濕、關節炎等疾病進行有效的物理治療。該電刺激經絡導通儀通過藍牙與智能手機連接，能夠連接醫療中心，接受醫生的指導信心；智能手機上的應用軟件（APP）能夠控制經絡導通儀的工作，為患者提供各種反饋信息的視聽感受。本文主要從硬件電路設計和軟件程序兩方面入手，介紹了儀器的設計組成。

1 系統總體設計

系統包括主機和移動終端兩個部分，并通過藍牙進行無線通訊。主機采用嵌入式設計，能夠通過傳感器采集表面肌電信號和患者的運動狀態，還能夠產生各種經絡電刺激信號，通過陣列式電刺激電極作用于患者。移動終端控制主機工作，為患者提供各種反饋信息的視聽感受，并通過移動通信網絡與醫療中心連接。移動終端基于Android平臺而開發的應用程序。

電刺激經絡導通儀的治療電極由一組12×12矩陣排列的電極觸點組成，且正負極電極針間隔排列，從而形成正負電極列陣，用于輸出電刺激信號能量。通過電極上144個均勻布置的電極點，可以覆蓋相應穴位的皮膚表面，電極的能量的大小、能量持續時間、電極作用方式等參數都可以通過移動終端上的醫用軟件調節，方便用戶操作使用。

電刺激經絡導通儀的主機包括嵌入式ARM處理器、電刺激產生電路、肌電檢測電路、運動狀態檢測電路、藍牙通信模塊五大功能電路組成。系統結構框圖見圖1。

用戶通過移動終端上的APP選擇治療的穴位，設定治療參數，移動終端將治療參數通過藍牙發送到主機，電刺激電路產生PWM信號，經推挽放大、功率放大后隔離輸出到電極，刺激相應穴位產生治療效果。治療過程中的肌電狀態、病人運動狀態等反饋給ARM控制器，并通過藍牙發送到移動終端，顯示給用戶。

2 硬件設計

2.1 ARM控制系統

系統采用STM32F103處理器作為控制器，該處理器由意法半導體公司出品，基于ARM公司的Cortex-M3內核，是32位標準RISC（精簡指令集）處理器，最高72MHz工作頻率，高達512K字節的Flash存儲器，最大64K字節的SRAM，具有豐富的通用I/O端口，自帶USB2.0接口，在多種領域如電機驅動、醫療、手持設備、編程控制器（PLC）等方面具有廣泛的應用[3-4]。該ARM處理具有低成本、高性能、片上資源豐富的特點，能夠勝任本系統各功能電路的控制和上下位機數據傳輸要求。

2.2 電刺激模塊電路

本系統采用調制的方波或正弦波信號作為電刺激信號，系統采用直接數字頻率合成器（DDS）AD9834來產生所需波形。AD9834是一款最高75MHz、低功耗DDS器件，能夠產生高性能的調制波輸出[5]。AD9834提供相位調制和頻率調制功能，頻率寄存器為28位，時鐘頻率為1 MHz時，AD9834可以實現0.004 Hz的分辨率。主控芯片STM32F103通過串行外設接口（SPI）與AD9834通訊。

AD9834產生系統所需的波形，先由第一級放大器初步放大，再經功率放大器后輸出給電極產生電刺激。

本系統的功放電路選用了集成功放芯片TDA8920CTH，TDA8920CTH是飛利浦公司生產的一種高效、低功耗的雙通道D類音頻功率放大器，供電范圍為±12.5 V至±32.5V。本系統對TDA8920CTH采用±30V供電，單個通道輸出功率為110W，若用橋接負載的方式者輸出功率達到220W。功放電路如圖3所示。

2.3 肌電檢測電路

肌電采集電路用于檢測和采集患者的體表肌電信號，電路主要包括了前置放大、高通濾波、低通濾波、隔離放大、工頻陷波、增益控制電路。該部分電路將采集到的體表肌電根據體統要求放大1250～10000倍。增益控制電路由STM32F103的GPIO來控制，將壓力轉換成0至5V的電壓輸出，然后由AD7607完成模數轉換。AD7607是一款完全集成的多通道數據采集解決方案，采用5V單電源供電，可實現16位無失碼性能，在高噪聲電源條件下也能保持這一性能。

3 軟件設計

移動醫療應用軟件基于Android系統[6]，移動醫療應用軟件架構摒棄傳統的二層C/S與B/S架構[7]，而是采用Android App、數據庫服務器C/S、應用服務器的三層架構[8]模式來構建，形成拉動式服務平臺，Android App[9]不直接訪問數據庫，而是加入了REST[9]接口（Representational State Transfer，表述性狀態轉移），實現分布式處理數據，增強軟件功能的伸縮性，降低軟件架構的耦合度，對數據庫服務器的負載能力要求也相應降低。

從模塊結構來看，軟件系統由數據層、通信網絡層、業務邏輯層及Android App構成。其中，Android App屬于應用端，主要實現人機交互，實現用戶對設備的操作，反饋設備狀態，讓用戶得到較好的使用體驗。

本系統Android App采用了模塊化的設計思想，把整個軟件系統劃分為系統自檢模塊、參數設置模塊、實時處理模塊、顯示模塊和刺激模塊，功能模塊圖如圖3所示。

操作系統加載程序完畢后，系統自檢藍牙模塊，并與主機進行通信配對測試；設備通信配對成功后，按用戶選定的治療部位、治療疾病等給出治療處方，對主機進行參數初始化，等待治療的開始。治療之前或治療過程中，用戶可以在參數設置模塊中修改治療參數。治療過程中，在治療過程中，用戶可以根據患者的實際情況修改治療模式、強度、治療時間、刺激方式等參數以達到最佳的治療效果。

4 結語

該文介紹一種基于Android智能手機平臺設計的電刺激經絡導通儀，能夠通過智能手機的應用軟件，以無線的方式控制可穿戴的電針刺激模塊，提供各種反饋信息的視聽感受，并通過網絡分享治療效果和感受。主機部分采用嵌入式ARM為核心設計，智能手機應用軟件基于Android APP的模塊化設計，針對不同疾病存儲了多種治療處方，具有高效、低成本、用戶界面友好、操作方便、人性化等特點，為風濕、關節炎、頸腰椎疾病，以及神經肌肉疾病等多種病癥等臨床應用及研究搭建了良好的應用平臺，具有較大的實際意義和應用前景。

參考文獻

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