體外沖擊波治療儀控制系統設計

馬紅霞 丁薇 佟河亭

摘要：? 針對氣壓彈道式沖擊波治療儀的結構及用途，本文基于氣壓彈道式沖擊波治療儀工作原理，對體外沖擊波治療儀控制系統進行設計。給出了氣壓彈道式體外沖擊波的工作原理，采用氣動回路作為體外沖擊波治療儀動力系統，該系統由氣動控制回路和單片機構成，同時采用STC89C51單片機對氣動回路的激發壓力和頻率進行控制，實現了治療儀工作頻率可在1～10 Hz內任意設定，對于不同病癥，每次療程沖擊次數可動態調整和實時顯示;利用壓力施壓指示器裝置，根據患者癥狀和治療部位施加不同的壓力，得到相應的沖擊波能量，拓展了應用范圍，進一步提高治療效果，該系統方案簡單，操作方便，成本較低。該研究對體外病癥治療具有較高的應用價值。

關鍵詞：? 體外沖擊波; 氣壓傳動; 單片機控制; 治療頻率

中圖分類號： TP368.1; O354.5? 文獻標識碼： A

體外沖擊波治療是一種介于保守和手術療法之間的新型無創治療手段，具有無副作用、無恢復期且又立竿見影的良好治療效果，目前逐漸在臨床上得到廣泛的應用。氣壓彈道式體外沖擊波治療儀[1] 是利用壓縮氣體產生的能量以及程序控制驅動彈筒內的子彈體，使子彈體以脈沖式沖擊方式撞擊治療頭，將脈沖壓力波轉換為高精準的彈道式沖擊波，經過耦合劑進入人體，并以放射狀擴散的方法傳送至治療部位，對骨肌疾病具有較好的治療作用[2] 。目前，國外沖擊波治療儀的發展水平較高，德國Zimmer沖擊波治療儀[3] 不但便于攜帶，而且已經擁有獨特的“軟沖擊”技術，在同等強度下使脈沖更平滑，顯著降低刺痛感;瑞士的STORZ體外沖擊波治療儀[4] ，已經能夠精確控制治療能量。由于這些國外產品設備復雜、價格昂貴[5] ，主要應用在三甲醫院。近年來，隨著我國產業技術的不斷發展，國產體外沖擊波治療儀的功能也在不斷進步和完善[6] ，但國產沖擊波治療儀控制系統一般采用觸摸屏設置參數會存在因頻繁操作導致故障的問題，對于某些用戶不夠簡單直接。因此，本文針對氣壓彈道式沖擊波治療儀的結構及用途，采用簡單的氣動控制回路，使用編程靈活，成本較低且智能化較高的單片機，并結合機械式開關進行參數控制，操作簡單直接，且不易發生故障，既經濟實惠又方便了用戶的使用。該研究具有廣闊的應用前景。

1 氣壓彈道式沖擊波的實現

1.1 工作原理

氣壓彈道式體外沖擊波的產生是利用壓縮空氣產生的壓力脈沖波去驅動彈丸，使彈丸獲得一個初始速 度，并以這個速度撞向剛性治療頭的尾端，使治療頭前端獲得的能量通過耦合劑作用于人體，以放射狀擴散的方法傳送至治療部位[7] 。氣壓彈道式沖擊波產生的原理如圖1所示。

治療頭前端獲得的能量可以使人體組織中的一種高活性神經肽類物質減少、阻止神經原性炎癥反應，同時伴隨被治療組織中生長因子的釋放和干細胞的活化[8] ，對人體有鎮痛、代謝激活效應、刺激微血管再生以及成骨作用。對于不同的癥狀，需要的能量大小也不一樣，且能量大小又同壓力、頻率和治療次數有關，所以合理控制這些參數的組合，對治療效果至關重要。

1.2 氣動控制回路

采用氣動回路作為體外沖擊波治療儀動力系統[9 11] ，用單片機控制氣動回路中兩位三通電磁閥10的通斷，實現對壓力沖擊波的控制。氣動控制回路原理圖如圖2所示。

治療前準備，啟動設備，用戶首先通過氣動三聯件5中減壓閥設定系統壓力，同時換向閥9通電，利用精密減壓閥6調整治療儀脈沖壓力，再通過面板按鍵設置工作次數和工作頻率;治療時，由單片機控制兩位三通電磁閥10的通斷，實現對治療儀的頻率控制，促成脈沖壓力;工作過程中，壓縮氣源通過冷卻器2，氣動三聯件5，精密減壓閥6，兩位三通電磁閥9和電磁閥10進入治療儀槍筒內，驅動彈丸運動，撞擊治療頭同時產生能量。

2 硬件電路設計

STC89C51單片機主要由中央處理器、存儲器和I/O接口芯片組成[12] 。STC89C51單片機具有集成度高、速度快、功耗低、性能高、體積小等特點，可以與各種電路模塊形成一個智能化系統[13] 。因此，本文采用STC89C51單片機實現所有控制功能，讓電路協調工作。

2.1 總體設計框圖

本設計系統以單片機為核心[14] ，利用匯編語言，實現對電磁閥的控制及沖擊波治療儀的按鍵顯示信息等，系統設計框圖如圖3所示。由圖3可以看出，實現體外沖擊波治療儀控制功能的硬件系統，由按鍵模塊、電磁閥驅動模塊、液晶屏顯示器（liquid crystai display，LCD）模塊和蜂鳴器模塊等組成。其工作內容是用戶通過按鍵請求，確認彈丸撞擊治療頭的總次數和頻率，并將請求信息發送給單片機，單片機通過控制電磁閥，實現彈丸撞擊治療頭的總次數和頻率。LCD顯示模塊能夠完成彈丸的實時撞擊次數、設置撞擊次數和頻率顯示。當彈丸完成目標撞擊后，蜂鳴器模塊對用戶產生提醒。

2.2 單片機系統原理

根據系統設計框圖，選擇需要的元器件，并利用Proteus ISIS軟件[15] 連接線路，繪出仿真電路。單片機系統原理圖如圖4所示。

1） 單片機最小系統。80C51單片機的最小系統一般包括電源電路、晶振電路和復位電路[16] 。晶振電路由兩個30 pF的電容和11.0592 MHz的晶體組成。復位電路由電阻、電容和RE-SET按鍵組成，可以完成手動復位和上電復位。

2） 按鍵模塊。本控制系統的鍵盤采用6個獨立式按鍵，能夠實現對彈丸撞擊次數和頻率上下限的調整，S1為頻率上限增加，S2為頻率下限減少，S3為次數上限增加，S4位次數下限減少，S5為開始鍵，S6為清零鍵。由P1.0 ～P1.5 輸入，控制次數可從0調整至9999，控制頻率可從1調整至10。

3） EEPROM電路。采用AT24C02芯片作為串行EEPROM的存儲器，能夠實現讀寫100萬次，數據保存長達100 a，常用于在關機和斷電時保存數據[17] 。因此，將彈丸撞擊次數和頻率的閾值存儲在EEPROM芯片AT24C02中，并可通過S1～S4按鍵上調或下調，保證掉電仍保存上次數據。

4） LCD顯示電路。為顯示用戶設置的彈丸撞擊次數和頻率以及彈丸的實時撞擊次數，采用LCD102顯示。電路中接有可變電阻，調節顯示屏亮度。由P0和P2.5 ～P2.7 等11個I/O口控制，但因為P0內部不提供上拉電阻，是集電極開路輸出，無法輸出高電平，因此自接一個上拉排阻。

5） 蜂鳴器電路及電磁閥模塊。當彈丸撞擊次數達到用戶預設次數時，單片機通過P3.0 輸出，控制蜂鳴器發出報警來提示使用者。利用三極管和繼電器驅動電磁閥打開或關閉。P3.1 控制電磁閥9的通斷;P3.7 控制電磁閥10的通斷。使用P3.2 （外部中斷0）監測彈丸的實時撞擊次數;利用P3.4 （定時器中斷0）控制脈沖方波的周期來控制彈丸撞擊頻率。

3 軟件部分設計

采用C語言進行軟件部分的設計。檢測彈丸的撞擊次數和控制電磁閥的開關頻率分別使用了外部中斷0和定時器中斷0，其他部分如LCD顯示、I2C總線通信、延時程序等均由其子程序完成[18] 。使用模塊化分層設計思想，將一個復雜的功能拆分成多個子函數來實現，通過調用不同函數，實現其綜合目的，也便于日后調試和修改[19] 。

電磁閥開啟次數。由P3.7 輸入控制電磁閥開關，用引線將P3.2 與P3.7 相接，利用跳變沿觸發外部中斷0監測電磁閥開啟次數[20] 。控制電磁閥開啟次數程序如圖5所示。

電磁閥頻率。電磁閥的開關頻率在1～10 Hz，利用定時器0定時1 ms，對1 ms進行計數，可得1～10 Hz的方波脈寬，計數值分別為500，250，167，125，100，83，72，63，56和50。控制電磁閥頻率程序如圖6所示。

4 結束語

本文主要對沖擊波治療儀的結構進行研究，分析了沖擊波治療儀的結構原理及運行過程，設計了基于51單片機的控制系統，完成了硬件電路和軟件編程。與大多數國內采用觸摸屏不同，本文通過使用編程靈活，成本較低且智能化較高的單片機，并結合機械式開關進行沖擊波治療儀的參數控制，操作簡單直接且不易發生故障，既經濟實惠又方便了用戶使用。該研究具有廣闊的應用前景。

參考文獻：

[1] 趙之棟， 李眾利， 朱恒， 等. 沖擊波在再生醫學領域的研究進展[J]. 解放軍醫學院學報， 2019， 40（10）： 988 991.

[2] 江明， 邢更彥， 白曉東. 體外沖擊波療法在骨科領域的應用[J]. 中華外科雜志， 2005， 43（16）： 1099 1101.

[3] 北京博迪康鍵科技發展有限公司. 聚集體外沖擊波治療儀Piezoson 100plus（ESWT/TPST）[J]. 常規醫療裝備， 2005（4）： 55.

[4] 陳海啟， 錢仁義， 李金銳， 等. 體外沖擊波碎石技術[M]. 西安： 第四軍醫大學出版社， 2011.

[5] 陳卓， 張龔敏， 吳林蔚. 氣壓彈道式體外壓力波治療儀安全有效性研究[J]. 醫學美學美容， 2019， 28（2）： 198 199.

[6] 白曉偉， 李眾利， 張浩， 等. 發散式沖擊波儀器精確作用研究[J]. 中國醫療器械雜志， 2014， 38（1）： 26 29.

[7] 陳世利， 王哲， 白志亮， 等. 發散式沖擊波能流密度的測定[J]. 電子技術應用， 2018， 44（4）： 90 93， 98.

[8] 國家食品藥品監督管理總局. YY 0950—2015氣壓彈道式體外壓力波治療設備[S]. 北京： 中國標準出版社， 2017.

[9] SMC（中國）有限公司. 現代實用氣動技術[M]. 3版. 北京： 機械工業出版社， 2008.

[10] 王健民. 液壓與氣壓控制技術[M]. 北京： 北京航空航天大學出版社， 2010.

[11] 童和平， 張香紅. FluidSIM仿真軟件在《液壓與氣動技術》實踐教學中的應用[J]. 現代商貿工業， 2019， 40（8）： 163 164.

[12] 張志良. 單片機原理與控制技術[M]. 北京： 機械工業出版社， 2001.

[13] 張志良. 電子技術基礎[M]. 北京： 機械工業出版社， 2009.

[14] 王鼎先. 單片機控制產品設計中的幾個特殊問題[J]. 電子測試， 2019（7）： 128 129.

[15] 仝軍令， 司卓印， 梁斌. 機械工程專業“單片機原理與接口技術”課程教學改革與實踐 [J]. 教育教學論壇， 2019（42）： 127 128.

[16] 楊柳， 崔明亮. 基于AT89S51的控制爐溫系統的硬件設計[J]. 電子世界， 2017（16）： 173.

[17] 季作亮. 基于單片機的溫濕度控制系統的設計[D]. 濟南： 山東師范大學， 2014.

[18] 倪瑞， 張萬達. 基于AT89S51單片機的溫濕度監測與控制系統設計[J]. 自動化與儀表， 2019， 34（5）： 53 55.

[19] 譚傳武， 傅宗純. 基于51單片機的WIFI無線控制系統設計與實現[J]. 電子設計工程， 2018， 26（8）： 178 182.

[20] 田聰， 蘇暢. 基于51單片機的步進電機控制系統設計與實現[J]. 電子測試， 2017（22）： 5 6， 19.

Pneumatic and Control of Pneumatic Ballistic Shock Wave Therapeutic Instrument

MA Hongxia1， DING Wei2， TONG Heting1

（1. School of Electromechanic Engineering， Qingdao University， Qingdao 266071， China; 2. Sports Medicine Rehabilitation Center of East Hospital of Qingdao Municipal Hospital， Qingdao 266071， China）

Abstract：? According to the structure and application of pneumatic ballistic shock wave therapy instrument， the control system of extracorporeal shock wave therapy instrument is designed based on the working principle of pneumatic ballistic shock wave therapy instrument. The working principle of pneumatic ballistic extracorporeal shock wave is given， and the pneumatic circuit is used as the dynamic system of extracorporeal shock wave therapy instrument. The system is composed of pneumatic control circuit and single chip microcomputer， and the excitation pressure and frequency of pneumatic circuit are controlled by STC89C51 single chip microcomputer. The operating frequency of the therapeutic instrument can be set arbitrarily within 1～10 Hz. For different diseases， the impact times of each course can be dynamically adjusted and displayed in real time The pressure indicator device is used to apply different pressure according to the symptoms and treatment site of the patients， to obtain the corresponding shock wave energy， to expand the scope of application， and to further improve the therapeutic effect. The system is simple， easy to operate and low in cost. This study has high application value for the treatment of disease in vitro.

Key words： extracorporeal shock wave; pneumatic transmission; MCU control; treatment frequency