多功能脈沖治療儀電路設(shè)計

孫少華

（山西大同大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，山西 大同 037009）

0 引 言

隨著社會的飛速發(fā)展，人們的生活水平雖然一直在提高，但迫于日漸激烈的社會競爭，人們將更多的時間用于工作，缺少了生活中必要的一些鍛煉與外界的交流，漸漸被沉重的精神壓力困擾[1]。目前，電子醫(yī)療是一種比較流行的治療形式。由于哺乳動物在1 000 Hz以下的低頻脈沖作用下都會引起一次神經(jīng)運(yùn)動的反應(yīng)，所以電脈沖治療儀選擇低頻，通過自身產(chǎn)生的脈沖波形與人體對低頻電脈沖反應(yīng)的特性相配合，實現(xiàn)了在無痛條件下產(chǎn)生治療的作用，而受到微弱電脈沖刺激的神經(jīng)細(xì)胞會產(chǎn)生興奮，促使人體自身調(diào)節(jié)系統(tǒng)進(jìn)行自我調(diào)節(jié)。

1 脈沖治療儀的總體設(shè)計

1.1 硬件總體設(shè)計

硬件電路模塊構(gòu)成如圖1所示，其中核心部件是單片機(jī)系統(tǒng)、顯示器模塊、示波器、時鐘電路和2個通道橡膠電極。

該多功能脈沖治療儀有五大特點：

（1）抗干擾能力強(qiáng)，能很好地適應(yīng)電磁應(yīng)用極廣的現(xiàn)代社會；

（2）體積小、成本較低、能隨身攜帶，極大地方便了廣大患者；

（3）可靠性高，準(zhǔn)確性強(qiáng)，能針對性地治療患者；

（4）由于該脈沖治療儀由單片機(jī)來控制，因此其運(yùn)行速度較快，邏輯控制能力強(qiáng)；

（5）可通過設(shè)置指令使引腳功能復(fù)用，以解決當(dāng)單片機(jī)由于引腳不足而無法解決較多功能的缺陷。

總體設(shè)計框圖如圖1所示。

圖1 硬件框圖

1.2 設(shè)計目標(biāo)和預(yù)期效果

本文采用單片機(jī)設(shè)計，多功能脈沖治療儀設(shè)計目標(biāo)主要有以下幾點：

（1）低頻可調(diào)脈沖；

（2）工作電壓+5 V；

（3）根據(jù)波形模擬不同程度的針灸治療效果；

（4）雙通道輸出。

預(yù)期效果主要有以下幾點：

（1）較大程度上緩解了患者的壓力，電耗費(fèi)小；

（2）雙通道輸出，能同時治療兩個部位或者雙人同時使用；

（3）促進(jìn)治療部位的血液循環(huán)，加快代謝，增強(qiáng)免疫力，一定程度上達(dá)到強(qiáng)身健體的功效；

（4）能根據(jù)不同頻率波形模擬針灸治療中的捻入、飛入、彈入、插入、速刺、緩刺、提插和捻轉(zhuǎn)等不同程度的治療效果[2]。

1.3 硬件電路的選用和設(shè)計

1.3.1 鍵盤接口電路設(shè)計

人機(jī)對話功能在現(xiàn)實操作中起著不可或缺的作用，而單片機(jī)就具備這種功能。因此，鍵盤的使用逐漸成為這種功能的一種橋梁。鍵盤不僅能使CPU識別有鍵位按下，還應(yīng)該能使其識別是哪一個鍵位按下。常用鍵盤有：①全編碼鍵盤：其功能較為精細(xì)，需要特定的硬件電路，造價稍高，不適用于電脈沖治療儀的設(shè)計；②非編碼鍵盤：分為矩陣式鍵盤和獨(dú)立鍵盤，雖然結(jié)構(gòu)稍顯簡單，但是完全能滿足電脈沖治療儀的設(shè)計需求。事實上，按鍵的功能相當(dāng)于開關(guān)電路，按下時會使電路處于閉合狀態(tài)，通過接口電路將按鍵的信息輸入到單片機(jī)中，單片機(jī)在獲取到信息時會寫入相應(yīng)的指令完成功能程序，然后恢復(fù)初始狀態(tài)。

1.3.2 數(shù)碼顯示

常見的顯示器LED和LCD的共同點是結(jié)構(gòu)比較簡單，省電且耐用。LED本身可以發(fā)光，能很好地應(yīng)用于黑暗條件。它的功耗稍高，壽命較LCD長，反應(yīng)更靈敏。每個LED顯示器只能顯示一個字符或一個字段。而液晶顯示器的功耗低得多，壽命稍短，反應(yīng)稍長，且交流驅(qū)動結(jié)構(gòu)也較LED復(fù)雜。LCD本身不能發(fā)光，黑暗條件下需要借助背光，但每個LCD顯示器可以同時顯示多個字符甚至復(fù)雜的圖形，并且有較高的清晰度。

根據(jù)本設(shè)計的需求，本著從簡、節(jié)約的原則設(shè)計，選擇LED顯示器。

1.3.3 電源供電選擇

考慮到電脈沖治療儀所需電壓較小，需要穩(wěn)定的可持續(xù)電壓，且需要具備易于攜帶的特點，設(shè)計的電脈沖治療儀選擇鋰離子電池來完成電脈沖治療儀的供電工作。鋰離子電池的核心是鋰。鋰是最輕的金屬元素且可實現(xiàn)多次充放電功能。基于它的耗電低、安全可靠、壽命長、便于攜帶、工作環(huán)境要求較低且能適應(yīng)多種工作場所的優(yōu)點，它完全能夠滿足電脈沖治療儀的設(shè)計[3]。

1.3.4 雙通道輸出的選取

常用的導(dǎo)電橡膠是將一些金屬顆粒均勻添加到硅橡膠中，當(dāng)導(dǎo)電橡膠受到外力作用時，橡膠中的微小顆粒會在外力作用下互相接觸，形成導(dǎo)通的線路。導(dǎo)電硅膠有一定的可塑性，可以模壓或擠壓成某些特定形狀，生產(chǎn)成片裝或其他的一些有規(guī)律的特定沖切形狀。導(dǎo)電橡膠的原理如下：①當(dāng)導(dǎo)電橡膠中的導(dǎo)電顆粒比重較大時，外界給與壓力后，導(dǎo)電顆粒會相互接觸形成互連狀態(tài)，從而可以導(dǎo)通外部的電流作用于人體；②根據(jù)能量守恒定律，當(dāng)外電流經(jīng)過導(dǎo)電橡膠時，微小導(dǎo)電顆粒自身的電阻會產(chǎn)生一定的熱量，具有一定的舒緩病痛的效果。

在選取橡膠導(dǎo)電極板時，為了方便患者的使用，通常選取具有粘附性的導(dǎo)電電極。它具有一定的按壓吸附性，可以達(dá)到一定的輔助治療效果。

2 系統(tǒng)的軟件設(shè)計

2.1 主流程設(shè)計

主程序的運(yùn)行流程為：開始→初始化程序→輸入可調(diào)工作頻率→輸入工作時間T→開始計時，時間設(shè)為Ti→設(shè)置輸入單片機(jī)的波形→判斷是否達(dá)到設(shè)定時間→結(jié)束。

設(shè)計采用單片機(jī)實現(xiàn)頻率可調(diào)、方波輸出，以達(dá)到模擬針灸治療的效果。開機(jī)后可以先設(shè)置工作頻率，不同的患者可以根據(jù)自身的感覺來確定工作頻率。不同頻率能達(dá)到不同程度的電刺激，從而滿足患者的不同需求。使用人還可根據(jù)自己的需要設(shè)置工作時間，系統(tǒng)自身判斷是否達(dá)到工作時間。未達(dá)到工作時間，就會繼續(xù)工作；當(dāng)工作時間達(dá)到預(yù)定工作設(shè)置時，系統(tǒng)會自動結(jié)束工作。系統(tǒng)使用的波形為特定方波脈沖，頻率為1～8 Hz，故設(shè)計的電脈沖治療儀具有針灸的一些效果，而不同頻率的效果不同[4]。

2.2 子程序的設(shè)計

子程序運(yùn)行流程為：開始→輸入工作時間T→調(diào)用顯示時間子程序→計數(shù)器計時Ti→掃描鍵盤工作方式n→調(diào)用產(chǎn)生工作方式n的方波子程序→判斷是否達(dá)到設(shè)定時間→結(jié)束。

單片機(jī)輸出的方波信號經(jīng)過各種頻率的改變，使得方波信號能模擬不同程度的針灸效果。隨著工作時間的進(jìn)行，在患者機(jī)體逐漸適應(yīng)的情況下，患者可以逐漸加強(qiáng)工作頻率，以達(dá)到更強(qiáng)的治療效果。

3 仿真設(shè)計

如圖2所示，仿真采用的是Proteus軟件。圖2中有8個按鍵代表不同的8種頻率，即S1～S8分別代表1～8 Hz，每隔1 Hz一個頻率檔，根據(jù)輸出的不同頻率模擬不同程度的針灸效果。輸出的波形通過雙通道輸出作用于患者不同部位，也可以同時治療2位患者。

當(dāng)輸入頻率為1 Hz時，代表的模擬針灸效果程度較為微弱；頻率逐漸增加，波形越來越密，代表模擬針灸效果程度加強(qiáng)。實際中，患者可根據(jù)自身感覺設(shè)定工作頻率。隨著工作時間的增加，患者也可相應(yīng)增加頻率達(dá)到更有效的治療。

4 結(jié) 論

電脈沖治療儀以安全、環(huán)保、節(jié)約的特性帶動細(xì)胞恢復(fù)活力，達(dá)到機(jī)體的健康狀態(tài)。電脈沖治療儀特有的模擬針灸功能可以對病變部位進(jìn)行深入刺激，模擬正常的神經(jīng)刺激產(chǎn)生沖動，使病變細(xì)胞接受并反向傳輸形成反射弧，提高人體免疫力，促進(jìn)新陳代謝的平衡。本文設(shè)計的系統(tǒng)每隔1 Hz設(shè)置一個頻率檔位，根據(jù)輸出的不同頻率來模擬不同程度的針灸效果。通過設(shè)置的雙通道可以實現(xiàn)將信號輸出到同一患者的不同部位或者是兩位患者身上。當(dāng)頻率逐漸增加，波形越來越密，代表模擬針灸效果程度加強(qiáng)。患者可根據(jù)自身感覺設(shè)定合適的工作頻率，實現(xiàn)更有效的治療，具有一定的使用價值。

圖2 系統(tǒng)仿真電路