便携式智能电疗仪的设计

1 引言

据世界卫生组织统计显示：“全世界死亡的病人中，约有三分之一的患者系死于用药不当”。主要原因在于受多种极其复杂因素的影响，致使人体在患病时选药和用药量方面都难以把握到恰到好处。寻求新的安全有效的治疗途径，已成为当代医药工作者的重要课题。这种新的治疗途径即不用常规的内服或注射药物来治愈疾病的方法。电疗就是符合这种要求一种治疗方法。它是利用不同类型电流和电磁场来治疗疾病的。低频电疗是理疗康复中的一种极其重要的手段，其疗效获得一致的认同。但是大多数低频康复治疗仪器，仍未达到电脑化、程序化、处方化，尤其是功能强的综合性仪器，仍停留在低水平、低层次上，主要表现为：功能单一，操作繁琐；技术老化，参数误差大；可靠性差，安全系数低。低频康复治疗设备的这些问题使其很难在人们的日常生活中得到推广使用。因此设计一台便携式的智能电疗仪具有很重要的现实意义。

2 治疗原理

医学上把频率1000Hz以下的脉冲电流称作低频电流，或低频脉冲电流。应用低频脉冲电流来治疗疾病的方法称为低频电疗法 。治疗机理：低频电流是一种物理能，它作用于治疗部位时，引起体内电子和离子发生变化，主要是在神经末梢产生理化反应，从而引起局部生理效应。这种生理效应可激活脊髓突触前抑制，阻滞上行传导，激活下行痛觉抑制系统，引起内非肽以及其它一些血管性肽增加，从而起到镇痛、消炎、促经局部血液循环等作用；低频脉冲电流的动力作用，直接刺激神经细胞，达到锻炼、恢复功能的作用 [3]。低频电流的生理和治疗作用包括 ：兴奋神经肌肉组织；促进局部血液循环；消炎；镇痛；促进伤口愈合；促进骨折愈合等。

基于低频电疗理论知识，结合当前女性在产后出现的一些生理状况，采用功能性电疗法，按照医疗器械设计的一些技术指标要求，设计一台具有产后催乳、乳腺管导通、子宫复旧、促产后排尿、产后恢复等功能的便携式智能电疗治疗仪。该电疗仪要在一定程度上实现处方化，允许使用者对治疗方案和治疗波形参数进行动态干预，操作简单，最高输出强度为33V,安全可靠。本机是把833Hz的低频脉冲电流调制成治疗所需要的三角波和梯形波，再把这些波形进行一定的组合，从而获得所需的12种治疗波形。

3 技术方案

为实现上述目的，本设计采取以下设计方案：电路部分选用Philips公司的P89LPC935单片机为控制核心，具有键盘扫描、治疗时间及治疗强度显示、D/A转换和两路波形信号放大输出等功能。该电疗仪的12种不同的治疗波形通过对频率为833Hz的脉冲进行调制获得。治疗时间由用户在治疗前自行设定，范围为0～40分钟。在治疗过程中，治疗电信号的强度由用户根据自身的反应情况进行相应的调节，范围为0～250档。该电疗仪的电刺激信号通过两个外接配件作用于人体，外接配件为治疗专用电极。

4 便携式智能电疗治疗仪的硬件电路及软件设计

4.1 硬件电路设计

仪器的电路部分主要由电源电路、CPU、数模转换电路、键盘扫描及显示驱动电路、信号放大电路及报警电路等部分组成。图1为便携式智能电疗仪的原理图。

图1便携式智能电疗仪的原理图

鉴于便携式仪器简洁化、易操作、优化软件、减小体积等设计原则，综合考虑系统的特点、技术指标、技术难度、经济成本等因素，选用Philips公司的微控制器芯片P89LPC935作为控制核心。 P89LPC935包含了2个8位、4路逐步逼近式模数转换模块,双DA转换通道，通过对其功能寄存器合理配置可直接输出模拟量。
键盘扫描及显示驱动电路选用一个整合了数码管显示驱动和键盘扫描控制以及μP 监控的多功能外围芯片：CH451。CH451具有上电复位和看门狗等监控功能，它通过高速的4 线串行接口与单片机相连。CH451有18条操作命令，单片机对CH451进行控制是通过操作命令来实现的。单片机通过CH451读取用户设定的治疗参数，治疗强度和治疗时间通过CH451由7个数码管显示。

信号放大电路将单片机输出的波形放大到要求的治疗强度，其核心器件是脉冲变压器。波形在通过变压器提升幅度的同时，变压器还可以将病人与市电加以隔离，从而起到安全保护的作用。经过放大后的治疗波形可通过专业治疗电极，直接作用于人体。

报警电路的作用是当用户设定的治疗时间结束时，蜂鸣器发声，用户即可关闭仪器，结束治疗。

其工作过程为：用户接通电源后，设定治疗时间，根据需要按下功能键确定治疗项目，作为控制核心的单片机P89LPC935通过键盘显示接口芯片CH451扫描用户的设定的信息。P89LPC935的P1.7、P0.1、P1.6和外部中断0分别与CH451的DIN、DCLK、LOAD、DOUT引脚相连，作为单片机与键盘显示接口芯片的信息传输线。单片机根据扫描到的功能键的键值调用相应的治疗波形函数。治疗波形函数的功能是将频率为833Hz的脉冲调制为幅值和周期都随用户设定的强度变化的三角波或梯形波，该波形通过单片机的DAC0口输出。治疗波形经过后续的放大电路后通过专用治疗电极作用于人体。当按下开始键后，显示治疗时间逐秒减少，用户所设定的治疗时间结束时，单片机的P0.0输出高电平，由报警电路发出报警信号，通知用户治疗己经结束，用户即可关闭电源。

4.2 软件设计

波形调制原理：

被调制波形                 

 调制波形

图2 波形调制原理

参数说明：

在治疗的过程，电压输出是跃变的，130mV为一个档次，所以每一次出现一个新的阶梯时，电压都会跃变130mV的倍数。

scope为幅值变量，此值等于治疗仪治疗时的强度（单位：mV）；
up为上升阶段每个阶梯中包含的同一幅值的基波的个数；high为幅值达到最大值且维持不变时的基波的个数；
down为下降阶段相邻阶梯电压相差几个130mv的电压档（单位：个）；low为幅值为0的长度（单位：ms）。
通过对这4个参数进行设定，即可得到16种基本波形，把这16种基本波形按一定的顺序进行组合，就可得到12种具有特定功能的治疗波形。主程序流程如图3所示。

图3 主程序流程

5 便携式智能电疗治疗仪的主要技术指标

（1） 脉冲频率  833Hz，允差±10％。
脉冲宽度  0.4ms，允差±10％。
输出幅度的调节连续均匀，每个增量为130mV，变化率＜3％。
单脉冲电量  输出幅度最大时大于7μC。
单脉冲能量  最大输出能量不超过300mJ
（2）治疗波形宽度：由输入的治疗强度决定：强度大，则脉冲群宽度大；强度小，则脉冲群宽度也小。
（3）调幅：用梯形波和三角波，上升时间和下降时间也与输入强度有关。
（4）12个功能键，可按治疗项目选择相应的治疗处方。12种治疗方案：基波一、基波二、基波三、基波四、治疗项目Ⅰ、治疗项目Ⅱ、产后催乳、乳汁分泌少、乳腺管不通、子宫复旧、促产后排尿、产后恢复。
（5）幅值范围：原始波形幅值范围为0～2.56V,经放大电路放大后的幅值范围为0～33V。
（6）治疗时间：0～40min；治疗强度；0～250档。

6 结束语

本文作者创新点：该电疗仪克服了传统电疗设备的缺陷，在一定程度上实现了智能化。采用单片机控制，可靠性强，安全系数高，治疗功能实现了处方化，功能性强。该治疗仪功耗低，体积小，重量轻，适用广泛，不仅适用与各级医疗机构，还可广泛应用于家庭作为治疗和保健。