王曉媛，胡超，姚勇，王海濱

1. 哈爾濱工業(yè)大學(xué) 電氣工程及自動化學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001；

2.中國科學(xué)院香港中文大學(xué) 深圳先進集成技術(shù)研究所，廣東 深圳518055

0 前言

尿失禁是一種婦女高發(fā)病率慢性病癥，在社會、心理、家庭、職業(yè)和生理及生活方面影響著15%~30%各年齡段的女性[1]，特別是中老年婦女。尿失禁的治療可分為手術(shù)治療和保守療法兩大類。但由于前者是一種有創(chuàng)性治療，不可避免地會產(chǎn)生一些并發(fā)癥和后遺癥，對于癥狀較輕、年齡較大、無法耐受手術(shù)的病人來說，保守療法無疑是首選。保守療法包括藥物治療[2]、注射治療、盆底肌訓(xùn)練[3]和電刺激治療等。電刺激憑借其無創(chuàng)性和操作的簡便性，近年來已被較為有效地應(yīng)用于尿失禁的治療，并取得了顯著效果?；谥蓄l電刺激物理療法，我們設(shè)計了一款便攜式無線家用電刺激尿失禁理療儀，如圖1。該儀器使用方便，并能很好地保護患者隱私，這將使尿失禁的治療不再局限于醫(yī)院臨床，避免了她們羞于去醫(yī)院治療的心理障礙。限于篇幅，本文主要對治療儀的工作原理、刺激脈沖的選取及無線通訊的實現(xiàn)作詳細介紹。

圖1 控制調(diào)節(jié)器和電刺激探頭結(jié)構(gòu)圖

1 治療儀的總體介紹

本治療儀相關(guān)技術(shù)涉及電子控制、無線通訊、傳感器、康復(fù)醫(yī)學(xué)等多個領(lǐng)域。治療儀以51單片機為核心，開發(fā)了無線收發(fā)系統(tǒng)，制定了安全處理機制。主要硬件電路包括：刺激電路、液晶顯示電路、鋰離子電池自動充電電路、升壓電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路和體溫檢測電路等等。

1.1 治療儀的工作原理

如圖1所示，刺激探頭與控制器之間無需導(dǎo)聯(lián)，而是應(yīng)用無線通訊技術(shù)進行信號的雙向傳輸，從而實現(xiàn)控制器與探頭之間的聯(lián)系?？刂破鲀?nèi)有一個收容倉，其直徑與刺激探頭直徑最大處相同，刺激探頭在不使用時放置其中，并在低電時自動對探頭內(nèi)電池通過探頭上的兩個電極進行充電，因此收容倉即是探頭不工作時的安全清潔的放置器，也是探頭缺電時的自動充電器。患者需要治療時，將探頭從收容倉中取出，并將電刺激探頭插入婦女骨盆內(nèi)特定位置，發(fā)電脈沖刺激肌肉，進行相應(yīng)治療?；颊呖梢酝ㄟ^調(diào)節(jié)控制器上的按鈕來控制電脈沖的幅度、頻率和波形等參數(shù)，使治療最為有效。同時在治療的過程中，探頭實時地向控制器返回患者體溫及探頭電源電量并在液晶屏上進行顯示，當(dāng)電池電量較低不足以完成一次治療時，控制器通過判斷機制可自動產(chǎn)生報警信息，提示應(yīng)該開始對其充電。此時將探頭放回至控制器的收容倉內(nèi)即可完成對電池的自動充電過程。電池滿額度后，控制器會自動關(guān)機。無需使用者實時看守。圖2為系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能框圖，各模塊分別受控于其所在單元內(nèi)的51系列單片機。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能框圖

1.2 單片機控制電路

控制器內(nèi)單片機主要完成以下任務(wù)：① 按鍵響應(yīng)和顯示信號輸出，實現(xiàn)人機交互；② 參數(shù)調(diào)節(jié)及顯示刷新，操作者通過鍵盤調(diào)節(jié)電刺激的參數(shù)(包括刺激脈沖的頻率和脈寬)和治療時間，并通過無線射頻技術(shù)向刺激探頭發(fā)送控制指令，對探頭的工作狀態(tài)進行控制；同時接收探頭不斷傳來的體溫信息并進行顯示。

探頭內(nèi)的單片機主要完成接收控制器的控制信號并執(zhí)行相應(yīng)指示；實時地向控制器傳送探頭內(nèi)的各項信息；處理并判斷體內(nèi)的各種狀態(tài)是否處于正常，如檢測出不正常則自動停止治療，即停止發(fā)出電脈沖。

2 刺激脈沖的選定

2.1 電刺激治療尿失禁的機理

功能性電刺激療法是使用低頻電流刺激失去神經(jīng)控制的肌肉，使其收縮，以替代或矯正器官及肢體已喪失的功能。對尿失禁的治療可能從兩方面發(fā)揮作用[4]，一是刺激尿道外括約肌收縮，通過神經(jīng)回路進一步增強尿道括約肌收縮，加強其控尿能力；二是刺激神經(jīng)和肌肉，通過形成沖動，興奮交感通路并抑制副交感通路、抑制膀胱收縮和降低膀胱收縮能力[5]。國內(nèi)外文獻[6-8]報道，采用電刺激治療女性尿失禁的有效率在60%~80%之間。

2.2 電刺激的基本原理

一切活組織的細胞，不論在安靜狀態(tài)還是在活動過程中，均表現(xiàn)有電的變化，這種電變化是伴隨著細胞生命活動出現(xiàn)的，所以稱為生物電?？膳d奮組織在受到有效刺激后，一般先是產(chǎn)生某種特殊的生物電反應(yīng)（動作電位），隨后出現(xiàn)肌肉的收縮和腺體分泌等外部表現(xiàn)。動作電位是大多數(shù)可興奮細胞受刺激而興奮時共有的特征表現(xiàn)，如圖3所示，當(dāng)安靜細胞受到一次有效刺激，靜息電位的負值迅速減少并上升到正電位，然后再回降到靜息電位。

圖3 動作電位示意圖

2.3 刺激引起興奮的條件

對可興奮組織而言，只有刺激引起細胞產(chǎn)生動作電位，才能表明細胞產(chǎn)生了興奮。任何有效刺激必須具備三個方面的條件：刺激的強度、刺激的持續(xù)時間以及刺激的強度－時間變化率的最低有效值。在保持刺激的強度－時間變化率恒定的條件下，引起組織興奮所需要的最小刺激強度與最小刺激持續(xù)時間的關(guān)系呈反變關(guān)系。這兩者的依從關(guān)系如從坐標圖繪制出來，則可得到一條類似雙曲線的曲線，如圖4，稱之為強度－時間曲線。

圖4 強度－時間曲線

這條曲線與正雙曲線的不同之處在于：前者與兩條坐標軸不是漸近線，而是在接近某點時即變得與坐標軸平行。曲線右側(cè)點A表明，當(dāng)刺激強度低于這一點表示的強度時，無論刺激時間怎樣延長，也不能引起組織興奮，這一刺激強度叫做閾強度。曲線左側(cè)點B表示，當(dāng)刺激持續(xù)時間短于這一點所示的時間，即使大大增加刺激強度，也同樣不能引起組織興奮。

2.4 細胞在興奮和恢復(fù)過程中的興奮性變化

可興奮細胞在接受一次有效刺激出現(xiàn)興奮的過程中以及隨后的一段時間內(nèi)，其興奮性將發(fā)生一系列有規(guī)律的階段變化，然后才恢復(fù)正常。細胞的這一特性說明，在接受連續(xù)刺激時，有可能前一刺激引起了細胞對后來刺激反應(yīng)能力的改變，這對于細胞發(fā)揮正常功能有重要意義。如果用閾強度作為衡量興奮性的指標，測定可興奮細胞在受到一次刺激發(fā)生興奮時和興奮后的興奮性改變，一般可依次分為幾個時期: 絕對不應(yīng)期、相對不應(yīng)期、超常期、低常期。

如圖5所示為神經(jīng)纖維動作電位全過程中興奮性的變化與膜電位變化相對照關(guān)系圖。絕對不應(yīng)期的存在，意味著組織不論受到頻率多高的刺激，它在單位時間內(nèi)能夠產(chǎn)生動作的次數(shù)是有限的,次數(shù)的多少取決于它在興奮時絕對不應(yīng)期的長短,即在單位時間內(nèi)可能發(fā)生的最高興奮次數(shù)要少于絕對不應(yīng)期的倒數(shù)。實際上，在體內(nèi)神經(jīng)纖維產(chǎn)生和傳導(dǎo)的沖動頻率遠遠小于這一理論值[9]。

圖5 神經(jīng)纖維動作電位及其興奮性變化過程示意圖

2.5 刺激波形的選定

引起細胞興奮或產(chǎn)生動作電位的關(guān)鍵在于能否使靜息電位減小到閾電位水平，而與導(dǎo)致膜電位減小的手段或刺激方式無關(guān)。因此，諸如矩形脈沖波、正弦波、梯形波等都能夠引起細胞的興奮。但實際使用中,電刺激中最常使用的是矩形波脈沖，因為閾電位對動作電位只起一種觸發(fā)作用，膜電位一旦達到閾電位水平，此時膜電位變化成為一種“自動”過程，直至動作電位結(jié)束。矩形脈沖波具有上升和下降速度（強度－時間變化率）極大而且固定，其振幅（刺激強度）和波寬（刺激持續(xù)時間）均可任意調(diào)節(jié)的特點，且在一般刺激強度下，既能引起組織興奮，又不致造成組織的過度損傷，故矩形波是一種理想的電刺激波形。

圖6 常見的不同種類的刺激電脈沖及其優(yōu)化波形

根據(jù)以上分析，如圖6所示，Out1是一系列的正向脈沖波，這是一種最簡單的刺激波形；Out2 是對Out1做了一定的優(yōu)化得到的，這樣作用到人體組織上的是一組正負交替、正負向完全對稱的方形脈沖，直流分量完全為零，避免了因電刺激產(chǎn)生的組織極化現(xiàn)象，可以達到較好的治療效果[10]。Out3是對Out2的進一步優(yōu)化得到的，這也是一組正負交替、正負向完全對稱的方形脈沖，與Out2的不同之處在于，在每一次有效刺激后，有隨后的一段時間內(nèi)細胞用來休息，以避開絕對不應(yīng)期，合理地分配時間則可避開相對不應(yīng)期及低應(yīng)期，使有效脈沖在超應(yīng)期時起作用為最理想的時間周期，這樣不僅能夠達到最好的效果，同樣也可以減小刺激電流的峰值，能夠節(jié)省能量消耗。因此本治療儀選用Out3作為主要的刺激波形。

3 無線通訊的實現(xiàn)

3.1 無線通迅器件的選擇

單片無線收發(fā)一體芯片nRF24L01工作在2.4GHz自由頻段,最高傳輸速率超過1Mbit/S,采用SOC 方法設(shè)計, 只需少量外圍元件便可組成射頻收發(fā)電路。nRF24L01沒有復(fù)雜的通信協(xié)議,它是業(yè)界體積最小、功耗最少、外圍元件最少的低成本射頻系統(tǒng)級芯片。

nRF24L01所有配置都在配置寄存器中，所有寄存器都是通過SPI口進行配置的。SPI是英文Serial Peripheral Interface的縮寫，中文意思是串行外圍設(shè)備接口。SPI是一種高速、全雙工、同步的通信總線，在nRF24L01芯片的管腳上只占用四根線CSN、MISO、MOSI和SCK，節(jié)約了芯片的管腳，這也為PCB的布局上節(jié)省空間提供方便，適用于治療儀的小體積探頭上。

3.2 控制器軟件設(shè)計

控制器內(nèi)的單片機，在沒有接收到由作任何外部按鍵控制引發(fā)的任何中斷情況下，將nRF24L01設(shè)置為接收狀態(tài)，并不停地在查詢是否有來自于探頭發(fā)送過來的信號，這些信號包括：探頭內(nèi)電池的電量、溫度值。由于這些信息是實時的，并在從探頭離開控制器開始時刻由探頭向控制器發(fā)送，只有當(dāng)在外部按鍵引發(fā)外部中斷1，進入中斷子程序，執(zhí)行相應(yīng)中斷，將nRF24L01設(shè)置為發(fā)送狀態(tài)，控制器開始向探頭發(fā)送控制命令，主要是刺激參數(shù)的變化。

控制器內(nèi)的無線模塊就是依據(jù)上述過程進行著收發(fā)狀態(tài)的轉(zhuǎn)換。其流程圖如圖7所示。

圖7 控制器側(cè)程序流程圖

3.3 探頭軟件設(shè)計

圖8 探頭側(cè)程序流程圖

探頭側(cè)的單片機初始化后，首先將nRF24L01設(shè)置為接收狀態(tài)，接收來自控制器的指令。并在以后的時間里，始終經(jīng)過特定的時間去查詢是否有從控制器發(fā)來的指令。這個時間間隔為脈沖波的一個刺激周期，由定時器來設(shè)定，定時器中斷產(chǎn)生于每一次刺激周期的非脈沖期中，中斷產(chǎn)生進行查詢。這時，如有來自控制器的信號，探頭則接收信息；否則繼續(xù)向下進行，即探頭接下來轉(zhuǎn)換成發(fā)送狀態(tài)，向控制器發(fā)送體溫信息及電池電量值。同時判斷體溫值、電池電量值的狀態(tài)，如果與預(yù)定狀況有差異，則立刻停止探頭的工作。否則，繼續(xù)以接收到的信息進行下一個周期的工作。探頭側(cè)流程圖如圖8所示。

4 結(jié)束語

尿失禁是困擾廣大中老年婦女的常見疾病之一，給患者的生活帶來諸多不便和尷尬。目前，市場上僅有一些國外生產(chǎn)的便攜式治療產(chǎn)品，但價格昂貴且都為有線式設(shè)計，構(gòu)造方面的原因限制了患者必須在有線方式下進行治療，這會使得一些患者在治療過程中產(chǎn)生心理上的恐懼感，影響治療。新型無線家用電刺激尿失禁理療儀，讓患者可以在任何方便的時候得到有效和隱蔽的治療。本項目生產(chǎn)的無線便攜式電刺激治療儀一定會擁有廣闊的市場前景和應(yīng)用價值。

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