基于51的醫學中頻治療儀的設計

徐州醫科大學醫學信息學院 俞 嘯 周家幀 張 立

基于51的醫學中頻治療儀的設計

徐州醫科大學醫學信息學院 俞 嘯 周家幀 張 立

為了解決眾多上班族和中老年人群體不斷飽受慢性疾病危害的問題，設計并實現一套醫學中頻治療儀系統。系統由按鍵模塊、顯示模塊、模數轉換（DAC）模塊、放大模塊、電源模塊和微處理器控制模塊組成，能夠輸出多種醫學調制中頻電脈沖。系統采用51單片機作為控制模塊，按照經皮神經電刺激鎮痛原理，實現組合輸出調制中頻電脈沖的功能；并根據用戶自身的反應情況，實現治療電脈沖頻率、強度和時間的調節功能。系統中設計的多級濾波電路，對電脈沖整個調制和輸出過程進行濾波和校正，確保醫學調制電脈沖輸出的準確性。最終調試結果表明，該醫學中頻治療儀輸出的治療電脈沖與電療規范脈沖基本一致，能夠為慢性疾病防治起到參考作用。

中頻；51單片機；慢性疾病；電刺激

0 引言

隨著生活節奏的加快，時間碎片化成為現代社會生活的重要趨勢，社會人群愈加困難地抽出整段的時間進行體育保健鍛煉。此外，在當今中國社會，老年人數量逐年遞增，整個社會面臨著日益嚴重的人口老齡化問題，老年人的醫療保健問題也顯得尤為重要；與此同時，現代社會的經濟活動愈加頻繁，以及不斷提速的現代生活步伐，越來越多的上班族長期處于精神疲憊、腰酸背痛、壓力沉重的狀態下，長此以往，必然會導致“亞健康”的癥狀，嚴重的話，甚至會給生命造成威脅。

針對以上情況，本文將嵌入式技術、電子電路技術和現代醫療技術相結合，采用了高性價比、可靠性優良的51系列單片機和美國TI公司生產的TLC7528數模轉換芯片，以低功耗為目的設計了一系列外圍硬件電路，以“便捷、高效、安全、實用”作為設計目標，設計了一款智能化、自動化的家用便攜式醫學中頻治療儀[1]。對于工作繁忙而無法進行保健鍛煉的上班族來說，這種家用便攜式醫學中頻治療儀可以方便他們在工作之余高效利用時間進行理療鍛煉，保證他們的身體健康，工作的發展。對于中老年患者，醫學中頻治療儀可以給他們帶來有效而又舒適的保健治療，并且杜絕了他們長期往返于醫院的煩惱，從而在本質上提升醫療效果和患者的生活質量，在一定程度上減少了醫療支出[2]。

1 系統結構設計

本文設計的醫學中頻治療儀采用單片機控制脈沖電路。系統功能實現如圖1所示[3]。由圖中分析可知，醫學中頻治療儀的核心是一個微控制單元，通過這個微控制單元控制各模塊的獨立、準確的運轉；微控制單元基于時序脈沖，控制數模轉換單元（DAC）將數字信號轉換為模擬信號，接下來經過運算放大器實現信號的一級放大，放大后的信號通過濾波電路濾除噪聲，然后送至功率放大電路進行二次放大，放大后的信號最終輸送至電極實現調制中頻電脈沖的輸出。系統的其他功能部件包括電源供電模塊，外部按鍵觸發輸入模塊和相關信息顯示模塊[4]。

圖1 系統功能實現框圖

圖2 TLC7528內部結構圖

2 硬件芯片選型和電路設計

2.1 DAC和放大器選型

本系統設計的關鍵即為DAC的數據轉換和放大器實現波形放大，因此硬件芯片選型也就至關重要。

對于數模轉換模塊（DAC），本系統選用了TI公司的TLC7528直插型芯片。TLC7528的工作電壓范圍為5V～15V，其內部集成了雙路、8位數模轉換器，通過內置獨立鎖存器，實現數模轉換器的選擇。具體而言，單片機給控制信號，控制信號輸入至鎖存器，通過鎖存器決定DACA或者DACB來工作。TLC7528內部結構如圖2所示。

TLC7528的具體工作原理如圖3所示。由于TLC7528要實現8位數據的轉換，意味著最小輸出信號為參考信號的256分頻。下圖電路中，共有八個切換開關，當所有開關接至AGND，則輸出電壓為0，當只有S8接至OUT時，因為一系列電阻并聯，所以只有256分頻的電壓值輸出，其他輸出值得實現都是基于開關的調節和電阻并聯完成的。根據以上的原理，TLC7528能夠實現8位數模信號的轉換。

圖3 TLC7528工作原理圖

針對放大器的選型，選用了市場上普遍使用的TI公司的LM324，LM324以其低廉的價格和完善的功能而廣受歡迎。LM324可以工作于單電源下，其內置四組帶差動輸入的運算放大器。工作電壓范圍為3V～16V，同時具備了靜電保護的功能。其管腳連接圖如圖4所示。從圖中可知，LM324四組放大器共用Vcc和GND管腳，但是每組放大器都有單獨的輸入輸出管腳，其中，輸入管腳有正相輸入和反相輸入兩種選擇。

圖4 LM324管腳連接圖

2.2 放大驅動電路設計

本系統設計，采用5V基準電壓的51單片機對模擬數據進行模數轉換，從而獲得5V的波形幅值，但是5V電脈沖波形無法驅動電極工作，因此必然要求我們對于電脈沖信號進行放大，運算放大電路如圖5所示。

圖5 運算放大電路

反相交流放大器的特點是輸入阻抗高。由于兩級電路的結果和原理相似，所以只分析第一級放大電路。放大器采用單電源供電，由R1、R2組成1／2U+偏置，C1是消振電容。放大器放大倍數Av僅由外接電阻Ri、Rf決定：Av=﹣Rf／Ri。負號表示輸出信號與輸入信號相位相反。按圖中所給數值，Av=﹣102。此電路輸入電阻為Ri，一般情況下先取Ri與信號源內阻相等，然后根據要求的放大倍數再選定Rf。C1和C2為耦合電容。反向放大器如圖6所示。

圖6 反相放大器電路

2.3 升壓和電極電路設計

升壓和電極電路是由升壓變壓器T1、電位器R19、電極片等組成。升壓電路工作后，信號5V經過升壓變壓器T 的二次繞組(繞組W2)之后電壓上升到100V，該電壓經電位器R19控制后，通過兩只外接電極作用到人體的病灶部位(心臟部位和頭部禁用)，從而實現治療功能。LED1為工作狀態指示發光二極管。在治療工作時，發光二極管LED1發光。調節電位器R19的阻值，可以改變正弦電壓的幅度，從而改變治療的強度。調節電位器R8的阻值，從而改變多諧振蕩器的工作頻率，從而改變治療動作的頻率。

升壓電路是利用升壓變壓器來提升電壓，但是不改變信號的頻率。變壓器兩組線圈分別為n1和n2，n1為初級，n2為次級。在初級線圈上加一交流電壓，再刺激線圈兩頭就會產生感應電動勢，當n2 < n1時，其感應電動勢要比初級所加的電壓還要高，這種變壓器成為升壓變壓器，如下圖7所示。變壓器工作原理就是電磁感應，一般說有兩組線圈，原線圈加交流電產生磁場，副線圈在這個磁場作用下，產生感應電動勢，接上負載就產生電流。原線圈和副線圈匝數不等所以能夠改變電壓。

電極電路是將一個滑動變阻器串聯在升壓變壓器的輸出端，后面再串連兩片金屬板電極，如下圖8所示。調節滑動變阻器，將治療儀的輸出功率調至合適的值，即可將兩片金屬板電極接上人體的治療部位，進行治療。

圖7 變壓器

圖8 治療電極

3 系統軟件設計

圖9 系統軟件流程圖

圖10 正弦波

醫學中頻治療儀系統軟件功能如圖9所示。醫學中頻治療儀系統軟件主要包括初始化、按鍵判斷、LCD顯示和波形控制輸出這些部分的功能。初始化部分負責全局變量的初始化、51單片機硬件資源的初始化[5]，以及DAC芯片的初始化工作。按鍵判斷負責響應用戶的按鍵不同操作，其中包括不同波形的輸出切換，具體某一波形的頻率、幅值調節。LCD顯示部分，根據用戶的按鍵操作，在LCD上顯示具體的波形、頻率、幅值，以及相關的系統信息。波形輸出部分，主要根據所使用的DAC芯片位數，以及使用功能要求，負責相關波形輸出的要求，最終輸出結果是以三角波、正弦波、方波等作為基礎波的組合波形。

main函數被定義為無返回值函數，其中主體是一個死循環while。而在while執行之前，首先執行了初始化函數，初始化函數內容包括單片機硬件的初始化，以及顯示方面的初始化，同時還包括輸出波形頻率的一系列的初始化。初始化結束后，就是while的執行，在while死循環中，首先調用了外部的按鍵功能函數，當有按鍵觸發時，同時也導致了全局變量S的賦值變化，不同的按鍵觸發，會給S賦予不同的鍵值。接下來，就是一個switch語句，其判斷的變量整數全局變量S，針對不同的鍵值S，分別實現了不同波形的輸出。

波形輸出包括兩大部分，一個是不同波形的采樣數值，另一個就是對應的波形輸出函數。首先，考慮到本系統采用了8位數據位的ADC芯片，因此較為合適的波形采樣次數為256。在這里，較為常用的波形采樣方法有兩種，第一種是直接計算法，其計算的思維是這樣的：我們以正弦波形為例，當我們需要對正弦波形采樣時，首先，基于硬件DAC的位數前提，我們已經確定了最佳采樣次數為256，而正弦的一個周期為2π，我們需要將這一個2π周期均分為256等份，依次計算出每一等份的幅值，最后，我們可以得到一個采樣集合，即為代碼開始處的采樣集合。而本系統則是采樣了第二種方法，即為查表法，這里我們借助波形采樣軟件進行查表，直接得出采樣集合，大大節約了時間。此時，我們已經得到了需要的波形采樣集合。按照一般編程思維，我們會直接將其定義為變量數組存放于數據寄存器RAM中，然而，單片機的硬件資源極為有限，尤其數據寄存器RAM僅僅為幾個字節，如果我們直接將采樣數組存放在RAM中，必然會導致程序編寫失敗。所以，我們將采樣集合定義為code類型，存放在程序寄存器ROM中，相對比空間極為狹小的RAM，ROM就顯得大得多，所以我們將采樣數據存放在ROM區域，有效的利用了單片機資源。這塊代碼的另一部分，即為不同波形輸出函數。其內部的功能實現，主要是調用了DAC處理并發送數據函數，而在這里，利用模塊化編程思維，將DAC看成一個接口，直接省去了DAC函數的細節，直接將之前采樣好的波形數據通過DAC進行數模轉換，進而轉發出去[6]。

按鍵觸發部分的代碼功能是基于單片機外圍的獨立按鍵觸發情況，來給全局變量s賦值，同時也給不同波形頻率、幅值等參數進行設置。此處，一個注意點是，理想的按鍵觸發會直接給單片機送達相應脈沖的低頻信號，但是往往而言，現實狀況總是會存在誤差，因此，一定時間的按鍵消抖就顯得尤為重要。如果缺少消抖的時間延遲，系統功能的實現就會存在不確定性，無法保證其正確性。所以，我們一般會給按鍵兩個脈沖左右的時間消抖，而按鍵真實存在觸發，其低頻型號或保持一段時間，消抖延遲之后，再次判斷為低頻信號，則可以判斷有按鍵功能觸發。

4 系統功能實現及測試

軟硬件相結合，觀察硬件電路能否完成預定功能，同時對整個硬件電路做一次較深層次的測試。具體操作是：接上仿真頭，啟動PC 機，進入51單片機系統開發軟件，用開發軟件編寫應用程序，逐步修改完善。經過編譯成為單片機可執行的目標程序，然后對生成的目標文件進行仿真調試。目標程序仿真調試通過后，通過運行開發軟件寫入到芯片的 ROM 中運行。最后，將醫學中頻治療儀的輸出接到電極，并且測試不同波形、不同頻率的效果。

圖11 方波

圖12 鋸齒波

首先，將電極貼較為分布的貼在手肘上，治療儀結果初始化，按鍵選擇正弦波，正弦主要作用于各種炎癥的治療。基址頻率是2KHz，分別測試調頻后的效果，經檢測，正弦波具有中醫中的敲、抖等動作效果。如圖10所示。

接著測試方波，方波主要用于鎮痛，刺激神經肌肉，調節自主神經系統。首先在測試者手肘貼上電極，將頻率調制基址頻率2KHz，然后分別測試不同頻率的效果。測試后，方波具有中醫中的揉、拿等動作效果。如圖11所示。

最后測試鋸齒波，鋸齒波主要用于刺激失常神經肌肉，對正常神經具有推拿的效果。首先在測試者手肘貼上電極，將頻率調制基址頻率2KHz，然后分別測試不同頻率的效果。測試后，鋸齒波具有中醫中的推、拿、敲等動作效果。如圖12所示。

雖然電路模塊中設計了濾波電路，由于電路板本身結構的限制，影響了整個電路的布局和走線，從而引入了一定的噪聲和干擾。

最終測試表明，本系統采用的測樣方法是有效的，波形基本吻合所需要的要求，通過人體測試，輸出波形在25V時，在基頻模式下，輸出波形具有醫學中的推、拿、揉、敲、抖等動作的效果，隨著頻率和幅度的增加，可以明顯感覺到手感加重，對于醫療保健具有一定的療效。

5 結語

本文提出的醫學中頻治療儀系統是基于51芯片為核心模塊，從多層次、多角度將嵌入式、電子電路和現代醫療技術相融合。實現了醫療保健鍛煉的便攜性、高效性、針對性的設計宗旨，為現代醫療自動化的發展打下堅實的基礎。本文提出的組合輸出調制中頻電脈沖的理念，不僅對于中頻治療儀的發展做出重要參考，為脈沖治療儀的產品市場帶來新的沖擊，同時為電刺激醫療的發展和進步提供寶貴的實例經驗價值。

[1]唐敬之,徐靜娟,王紅粉,等.電腦中頻治療儀的臨床應用進展[J].按摩與康復醫學旬刊,2012,03(2):51-52.

[2]陳春艷,葛林寶.針灸治療神經根型頸椎病研究進展[C].中醫藥現代化國際科技大會,2013.

[3]劉勇.基于陣列式電極的生物反饋電刺激治療系統研究[D].重慶理工大學,2015.

[4]李穎.低成本高可靠的多功能治療儀的研制[D].北京協和醫學院,2011.

[5]李曉寧.單片機的發展與應用[J].中外企業家,2015(8).

[6]龔良彩.C語言編程技術研究[J].信息化建設,2016(3).

Design of medical intermediate frequency therapeutic apparatus based on 51

Yu Xiao，Zhou Jiazhen，Zhang Li
（School of Medicine Information，Xuzhou Medical University，Xuzhou 221009）

In order to solve the problem that many of the workers and the elderly continue to suffer from the chronic diseases，an intermediate frequency therapeutic apparatus system was designed and implemented.The system consists of a key module，a display module，a DAC module，an amplifying module，a power supply module and a microprocessor control module，and can output a variety of modulated IF pulses.The system uses 51 single-chip microcomputer as the control module，according to the principle of percutaneous nerve stimulation analgesia，the function can be achieved to output modulation IF pulses combined.On the basis of the user’s own reaction，the regulation function of the electric pulse frequency，intensity and time was achieved.A multistage filter circuit was designed to filter and correct the entire process that ensures the accuracy of the modulated IF pulses’output.The final debugging result shows that the system’s pulses were basically consistent with the standard IF pulses，and can serve as a reference for the prevention and treatment of chronic diseases.

intermediate frequency；51 single chip；chronic disease；electrical stimulation

注：江蘇省產學研聯合創新項目（BY2014033）。

俞嘯（1989—），徐州醫科大學講師，研究方向：物聯網，嵌入式系統，醫學信息。