一種家用睡眠治療儀的設計與實現

黃冬來　承志

摘 要：經顱微電流刺激療法（CES）是一種非創傷性治療抑郁癥、焦慮癥、失眠癥等的非藥物物理治療法，市場上已經出現了諸多電刺激治療相關產品，但只具有特定的治療模式，功能適應面局限性大。本文從睡眠治療儀的功能實現機理、硬件單元搭建，功能應用開發等方面展開分析，針對廣大失眠癥患者居家使用，研制一款有效、快速、無痛、無副作用的產品，徹底解決睡眠障礙患者的睡眠困擾。

關鍵詞：CES;微電流刺激;家用

一、緒論

隨著近幾年來我國科技和經濟的迅猛發展，國民工作、生活節奏的加快，睡眠質量問題嚴重影響著廣大國民的正常生活起居，已經成為影響國民身心健康的大敵。調查數據顯示，2019年我國有超2億人深受睡眠妨礙癥或失眠癥的困擾，而且患病人數還在逐年遞增，日趨年輕化。短期的睡眠質量影響容易造成精神疲乏、注意力不集中、頭暈頭疼、記憶力減退、情緒低落、易激動等一系列問題，影響著工作、學習和生活的正常開展。嚴重的睡眠質量患者因正常的生活節奏持續性被打亂，大腦正常產生興奮和抑制的節律變得混亂，引發形成睡眠妨礙癥和失眠癥，造成患者神經衰弱，身體免疫力下降，進而誘導出神經系統和其他生理性疾病。

目前，治療睡眠質量問題的方式是以藥物為主，輔以心理疏導。藥物治療睡眠病癥作用直接，治療效果較好，但長期依賴藥物治療，會促使患者表現出很強的藥物依賴性，并存在不同程度的藥物毒副作用風險;心理疏導對由睡眠質量差所引發的心理異常興奮、焦慮、恐懼、緊張、憂郁等治療具有不可替代的效果，但在目前臨床治療中，由于受諸多因素和條件的限制，心理咨詢和心理疏導仍然難以普遍展開，致使治療效果不及預期。所以研制一款安全、無痛、無毒副作用、操作簡單、居家使用，可同時評測睡眠質量、治療失眠、改善睡眠質量的治療儀器具有廣泛的市場應用與推廣價值。

二、經顱微電流刺激治療儀的作用機理

經顱微電流刺激（Cranial Electrotherapy Stimulation，簡稱CES）治療是由專門儀器產生低強度微量的電信號，經患者顱腦部位導入直接刺激大腦，誘導改變患者異常腦電波形，促使大腦分泌一系列與放松心情、愉悅情緒、身體松弛等存在密切聯系的神經遞質和激素，以此實現對睡眠質量疾病的治療。CES療法是一種區別于傳統藥物治療、電抽搐治療、心理疏導治療的治療方法，具有治療效果佳、操作簡便、無依賴性、無毒副作用等優勢。據相關研究顯示，經顱微電流刺激療法是應用生物電和腦電的共同作用機理，在人體處于閉目安靜時腦電波形中出現頻率為8～13Hz的α波;困倦疲憊時出現頻率為4～7Hz的δ波。研究還表明：1～25Hz的低頻電流對人體大腦中樞神經可以產生一定的抑制作用。通過特殊設計的工作儀器將調制后的低頻電流經貼合在大腦兩側耳垂的電極導入患者大腦部位，并形成一個穩定的作用電場。作用電場促使大腦分泌釋放能夠調節個體情緒與認知的各種神經介質，如內源性嗎啡肽、乙酰膽堿、5-羥色胺等，迅速有效地控制患者焦慮、抑郁情緒，舒緩心情，誘導和促進機體產生生理性睡眠。作用電場同時還能夠有效改善患者腦電波形，刺激主導人為心理情緒和心理活動的下丘腦、大腦神經網絡系統進行調整修正，產生穩定的α活動頻率電波，達到促使大腦松弛、身體放松，情緒輕松的狀態，最終實現治療或緩解患者失眠病癥的效果。

三、家用經顱微電流刺激治療儀的設計規則

睡眠質量問題一直困擾著睡眠妨礙癥、失眠患者和家屬的日常起居生活，經顱微電流刺激治療儀廣泛應用于睡覺失眠、睡眠障礙、老年癡呆、精神失常等病癥患者。研制一款適合于居家使用需求的睡眠治療儀器必須遵守如下要求：

第一，安全可靠要求，經顱微電流刺激治療技術是直接將電信號作用于人體頭部，誘導機體產生一定的理化效應，從而達到治療人體疾病的目的。要求儀器所產生的刺激電信號對人體作用安全無損傷，危險因素影響降至最低，同時儀器多頻次使用，輸出參數穩定，工作性能可靠。

第二，有效性要求，保證儀器有效工作的同時，儀器所產生的刺激電流穿過大腦顱骨進入到腦組織內部，其作用電場對大腦神經元的興奮性能夠進行有效地調節。儀器所產生刺激電流的強度和頻率的高低必須得到有效控制，保證電信號在傳導過程中的干擾影響和損耗降至最小。

第三，參數可控性要求，儀器需要根據患者病癥的嚴重程度和患者治療過程中的治愈程度變化對刺激電信號的強弱、作用波形和持續作用時間等參數進行精準實時調節，以確保儀器治療達到最佳效果。

第四，經濟實用要求，儀器適用于居家患者不同場合的使用需求，要求設儀器外形設計小巧、功能操作簡便、刺激參數易于設置調整，而且便攜，價格低廉等。

四、家用經顱微電流刺激儀的硬件結構設計

結合家用經顱微電流刺激儀的設計要求，搭建了由電源單元、主控（MCU）單元、刺激信號產生與調制單元、系統控制與顯示單元、輸出電極單元五部分組成的睡眠微電流刺激儀硬件結構系統，如下圖所示。

該經顱微電流刺激治療儀采用5V蓄電池或手機充電電源雙模直流電源供電，滿足患者實時治療，治療模式自動轉換和便攜的需求;MSP430單片機作為儀器的主控芯片，16位的信息處理核心，具有精簡指令集（RISC）結構，技術成熟，超低功耗，工作穩定等優點;儀器使用MAX038芯片作為刺激信號波形輸出單元，只需很少外圍組件和電路搭建，就能產生精密、穩定的刺激波形輸出，而且波形頻率0.1～20MHz范圍內實現連續可調。經顱微電流刺激治療儀設計配置有電流治療和電場治療兩個刺激電極輸出端口，導電電極用于電流治療，絕緣電極用于電場治療，擴充患者的應用需求。刺激電極采用圓片形包埋海綿層金屬電極片，使用時用生理鹽水或導電膠來降低人體皮膚的電阻，用彈性膠帶對刺激電極片進行頭部接觸固定，對人體頭部的皮層區進行聚焦性刺激，保證刺激治療效果。儀器采用膜式微動按鈕和液晶屏顯示設計，完成對刺激輸出電信號的強度、頻率、刺激持續時間的定時實時調整和顯示的同時，以適應不同患者治療的差異性需求，保證患者治療時的針對性和舒適感。

五、家用經顱微電流刺激儀的軟件設計

為了保證經顱微電流刺激儀的刺激電流、電壓和刺激頻率波形精準，且穩定連續可調，控制軟件編程系統應用了基于美國Keil軟件公司開發的ARM系列C語言軟件開發系統Keil uVisin4。該系統適配最新的Cortex-M3核處理器，具有訪問界面優良、強大的Smulation設備模擬、性能分析，并擁有強大的仿真調試器、宏匯編器、C編譯器等功能于一體，為儀器的控制程序實現提供了良好的開發環境。同時也為經顱微電流刺激儀的刺激電信號和頻率的精準輸出、參數設置、定時工作、多治療模式的自動轉換等功能實現可通過圖形用戶界面的直觀調節，方便快捷，并且為適應患者需求的人性化產品功能開發提供了強有力的技術支持。

六、結語

CES治療技術經過近幾年的完善與發展，在睡眠障礙、失眠等病癥的臨床治療療效方面得到了廣泛的認同，與傳統的藥物+心理輔助療法比較，CES技術為治療精神抑郁癥、焦慮癥、睡眠障礙等精神類疾病的治療提供了新途徑，讓患者有機會選擇更安全、便捷、有效的技術手段嘗試治療。該儀器經過初期的產品試制和調試應用，設備工作穩定，刺激參數輸出檢測符合設計預期，但在儀器產生刺激波形的優化、作用電場在人體頭部的聚焦深度控制，人體作用反饋電信號的自動調節、外界信號的干擾影響等方面還需要進一步深入研究，實現儀器結構的不斷完善，刺激參數的不斷優化，以達到理想的刺激效果。

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課題項目：2016年度湖南省教育廳科學研究項目（16C1581）

作者簡介：黃冬來（1976— ），男，漢族，湖南湘潭人，副教授。