Realization of the Interferential Current Therapeutic Instrument Based on Analog Circuitry

董銘祥1　申慶豐2　蘇建坡1　馬鳳英1

(鄭州大學(xué)物理工程學(xué)院1，河南 鄭州　450001；翔宇醫(yī)療設(shè)備有限責(zé)任公司2，河南 安陽　456300)

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干擾電治療儀的模擬電路實(shí)現(xiàn)

Realization of the Interferential Current Therapeutic Instrument Based on Analog Circuitry

董銘祥1申慶豐2蘇建坡1馬鳳英1

(鄭州大學(xué)物理工程學(xué)院1，河南 鄭州450001；翔宇醫(yī)療設(shè)備有限責(zé)任公司2，河南 安陽456300)

摘要：針對當(dāng)前干擾電治療儀普遍存在功能單一、成本較高的問題，提出了一種基于模擬電路的系統(tǒng)方案。系統(tǒng)以Atmega128為主控制器，設(shè)計(jì)了干擾電系統(tǒng)的硬件電路和軟件程序。利用直接數(shù)字頻率合成(DDS)芯片AD9835生成調(diào)制波；利用單片機(jī)自帶的脈沖寬度調(diào)制(PWM)產(chǎn)生載波；利用數(shù)字電位器實(shí)現(xiàn)調(diào)制度的控制,最終輸出兩路調(diào)制頻率、調(diào)制度和差頻頻率獨(dú)立可調(diào)的干擾電治療波形。臨床試驗(yàn)證明該治療儀工作穩(wěn)定，治療效果良好。

關(guān)鍵詞：電治療儀模擬電路數(shù)字電位器調(diào)制信號頻率人機(jī)交互載波濾波器

Abstract：To against the shortcomings of existing interferential current therapeutic instruments, e.g., unitary functions and higher cost, etc., the system scheme based on analog circuitry is proposed. In the system, Atmegal 128 is used as the main controller; the hardware circuits and software program of the interferential current system are designed. The modulation wave is generated by adopting direct digital frequency synthesis (DDS) chip AD9835; while the carrier is produced by the single chip computer built-in pulse width modulation (PWM), the control of modulation index is implemented by using digital potentiometer. Finally, two of the interferential current therapeutic waveforms are output of which the modulation frequency, modulation degree and offset frequency are adjustable independently. The clinical trials verify that the therapeutic instrument features stable operation and excellent therapeutic effects.

Keywords:Electrical therapeutic apparatusAnalog circuitDigital potentiometerModulation signalFrequency

Human-machine interactionCarrierFilter

0引言

隨著人們生活壓力的不斷增大，疾病也越來越多，理療因其具有安全性和有效性的特點(diǎn)而受到越來越多的關(guān)注。干擾電療法作為理療的一種，是指同時(shí)將兩組或三組不同頻率的中頻正弦電流交叉輸入人體，在體內(nèi)產(chǎn)生干擾電場以治療疾病的方法。該療法對神經(jīng)痛、關(guān)節(jié)炎、胃下垂、腰椎病等均有較好的療效[1]。常見的干擾電治療儀有些是基于FPGA技術(shù)，開發(fā)難度大、周期長；還有些設(shè)計(jì)過于簡單，不能有效治療疾病。本文設(shè)計(jì)了一種基于DDS和數(shù)字電位器的干擾電治療儀，不僅降低了硬件成本和開發(fā)難度，而且取得了很好的治療效果。

1治療儀系統(tǒng)設(shè)計(jì)概述

本文設(shè)計(jì)的干擾電治療儀的系統(tǒng)框圖如圖1所示，由電源供應(yīng)模塊、人機(jī)交互模塊、單片機(jī)、調(diào)制波電路、載波電路及乘法器電路等部分組成。

圖1　系統(tǒng)框圖

單片機(jī)Atmega128是進(jìn)程控制和任務(wù)調(diào)度的核心。系統(tǒng)上電后，用戶通過人機(jī)交互模塊進(jìn)行治療處方和參數(shù)設(shè)置，單片機(jī)對指令進(jìn)行解析，控制輸出兩路干擾電波形。調(diào)制波電路由DDS芯片AD9835和數(shù)字電位器X9315構(gòu)成，載波電路由數(shù)字電位器X9315和低通濾波器構(gòu)成。乘法器MC1496對載波和調(diào)制波進(jìn)行運(yùn)算，輸出調(diào)制頻率、差頻頻率和調(diào)制度可控的干擾波形。設(shè)載波信號為μc(t)=Ucmcosωct，調(diào)制信號為μΩ(t)=UΩmcosωΩt，則調(diào)制后的信號μAM(t)可表示為：

μAM(t)=[Ucm+μΩ(t)]cosωct=

(Ucm+UΩmcosωΩt)cosωct=

Ucm(1+macosωΩt)cosωct

(1)

2治療儀硬件設(shè)計(jì)

2.1電源設(shè)計(jì)

系統(tǒng)需要4種不同的電壓，分別是5 V、-8 V、+12 V和-12 V。電源模塊電路均采用直流開關(guān)電源[3]供電，并由電容濾波電路處理輸出。5 V輸出給單片機(jī)、DDS芯片和數(shù)字電位器供電，-8 V輸出給乘法器做參考電壓，±12 V輸出給運(yùn)放供電。

2.2 人機(jī)交互設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用迪文科技公司的10英寸(1英寸=25.4 mm)工業(yè)串口屏DMT80600實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，分辨率為800 px×600 px[4]。啟動前通過觸摸屏可以進(jìn)行治療處方選擇和自編處方參數(shù)設(shè)置;啟動后可以實(shí)時(shí)顯示治療狀態(tài)。治療處方共有6種，其中固定處方5個，參數(shù)已經(jīng)設(shè)定好，直接啟動即可；自編處方1個，可以選擇不同模式和參數(shù)。點(diǎn)擊啟動按鈕，觸摸屏將選擇好的處方和參數(shù)以指定的協(xié)議格式發(fā)送給單片機(jī)，運(yùn)行時(shí)屏幕實(shí)時(shí)顯示治療剩余時(shí)間和狀態(tài)信息。

2.3調(diào)制波電路設(shè)計(jì)

該電路采用DDS芯片和數(shù)字電位器組合設(shè)計(jì)，輸出頻率和幅度可控的低頻調(diào)制波，電路如圖2所示。

圖2　調(diào)制波電路圖

DDS芯片采用的是AD9835,它是一款高性能可編程的波形發(fā)生器[5]，可以很方便地產(chǎn)生正弦波形。單片機(jī)與AD9835的接口如圖2所示，MCLK是數(shù)字時(shí)鐘輸入端，由外部24 MHz晶振提供；SData是16 bit串行數(shù)據(jù)輸入端；FSYNC是數(shù)據(jù)同步信號輸入端；SCLK是串行時(shí)鐘輸入端;IOUT為波形輸出端。當(dāng)FSYNC為低電平時(shí)，在每個SCLK時(shí)鐘下降沿，單片機(jī)通過SData引腳向AD9835寫入頻率控制字。輸出正弦波的頻率fout可以由下式確定：

(2)

式中：M為單片機(jī)輸出的頻率控制字；fMCLK為數(shù)字時(shí)鐘頻率；N為相位累加器的字長。

DDS輸出信號VDDS由數(shù)字電位器的VH端輸入，VW端輸出VL~VDDS可調(diào)信號[6]。X9315的功能圖如圖3所示，其中CS是片選端，U/D是方向選擇端，INC是計(jì)數(shù)控制端。當(dāng)CS為低電平時(shí)， 在每個INC端口電平下降沿，對5位計(jì)數(shù)器進(jìn)行遞增或遞減運(yùn)算(取決于U/D端狀態(tài))。計(jì)數(shù)器輸出解碼后用于選擇滑動片接通電阻陣列32個開關(guān)中的位置，則VW可表示為：

(3)

式中：D為5位計(jì)數(shù)器的值，控制輸出信號幅度的變化。最后經(jīng)過運(yùn)算放大器NE5532進(jìn)行濾波放大處理，輸出頻率和幅度可控的正弦調(diào)制波。

圖3　X9315功能圖

2.4載波電路設(shè)計(jì)

載波利用單片機(jī)自帶的PWM功能產(chǎn)生[7]，同樣利用數(shù)字電位器實(shí)現(xiàn)幅度控制，電路如圖4所示。

Atmega128有4個定時(shí)計(jì)數(shù)器，選擇16位定時(shí)計(jì)數(shù)器1。設(shè)置其工作于快速PWM模式，TOP值為寄存器OCR1A的值，匹配時(shí)電平取反，則在OC1A引腳可以輸出占空比50%的方波信號。輸出的PWM頻率由下式得出：

(4)

式中:N為分頻因子，未分頻時(shí)等于1；fclk為系統(tǒng)時(shí)鐘，等于18.432 MHz。初始化時(shí)設(shè)置OCR1A=1 843，得到fPWM=5 kHz。

系統(tǒng)工作時(shí)，單片機(jī)根據(jù)處方和參數(shù)的設(shè)置情況，調(diào)節(jié)OCR1A的值，從而改變載波信號頻率。PWM信號經(jīng)由數(shù)字電位器X9315實(shí)現(xiàn)幅度控制。這里采用具有低通幅度函數(shù)的巴特沃斯濾波器[8]，定義階巴特沃斯低通濾波器的幅度函數(shù)為：

(5)

通常情況下濾波器階數(shù)越高，性能越優(yōu)。但增加階數(shù)伴隨而來的是電路復(fù)雜，成本增高。在滿足給定技術(shù)指標(biāo)的前提下，選取濾波器的最低階數(shù)。設(shè)給定容許的最大通帶衰減α1(dB)和最小阻帶衰減α2(dB)、過渡帶下限頻率ω1(rad/s)、截止頻率ω2(rad/s)以及容許的最大過渡帶TW，令:

TW=ω1-ωc

(6)

對于巴特沃斯濾波器，n值的推導(dǎo)公式為：

(7)

利用式(6)，可以寫成：

(8)

系統(tǒng)要求，α1=3 dB，α2=20 dB，ωc=5 000 Hz，過渡帶TW不超過1 700 Hz，由式(8)得出:

(9)

代入式(7)，得出滿足上述要求的巴特沃斯濾波器的最低階數(shù)為：

(10)

階數(shù)n必須取整數(shù)，故得n=8。

圖4　載波電路

3軟件設(shè)計(jì)

圖5所示為軟件流程圖。

圖5　軟件流程圖

軟件主要包括主程序、串口中斷程序、定時(shí)器中斷程序、處方配置程序和模式配置程序。其中，主程序完成初始化和配置函數(shù)調(diào)用；串口中斷程序完成指令接收并解析；定時(shí)器中斷程序?qū)崿F(xiàn)載波差頻輸出。

4臨床驗(yàn)證與結(jié)果分析

臨床試驗(yàn)在河南省中醫(yī)藥研究院附屬醫(yī)院腦血管科進(jìn)行，選擇明確診斷為由腰椎間盤突出等引起的疼痛的患者60例，并隨機(jī)分為驗(yàn)證組30例，對照組30例，主要從臨床應(yīng)用的安全性、有效性兩個方面進(jìn)行評價(jià)。評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)如下。

(1) 安全性評價(jià)。在正常使用條件下，通過受試者實(shí)際使用，判定有無不良反應(yīng)和副作用發(fā)生。

(2) 療效評價(jià)方法。疼痛評定指標(biāo)，采用疼痛視覺模擬量表(visual analogue scale,VAS)對病人疼痛程度進(jìn)行自評。方法是在白紙上畫一條10 cm的直線，一端表示無疼痛，一端表示難以忍受的劇烈疼痛，患者根據(jù)自己的感受，在直線上畫一點(diǎn)，醫(yī)師用直尺測量從起點(diǎn)到患者確定痛點(diǎn)的距離，用測量的數(shù)字表示疼痛強(qiáng)

度。治療前、中、后分別測量。運(yùn)用尼莫地平法對病人的療效進(jìn)行判定,即采用VAS加權(quán)計(jì)算法[9]。疼痛減輕的百分?jǐn)?shù)=(A-B)/A×100，其中A為用藥前VAS評分，B為用藥后VAS評分。

① 臨床痊愈：(A-B)/A×100≥75%；

② 顯效：(A-B)/A×100≥50%~75%；

③ 有效：(A-B)/A×100≥25%~50%；

④ 無效：(A-B)/A×100<25%。

表1所示為兩組療效判定情況比較。驗(yàn)證組的疾病療效分析有效率90%，對照組有效率93.3%，兩組差異沒有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義[10]，說明該干擾電治療儀的療效與對照組干擾電治療儀相當(dāng)。安全性評價(jià)顯示：兩組均無不良反應(yīng)發(fā)生，說明該設(shè)計(jì)臨床應(yīng)用是安全的。

表1　兩組療效判定情況比較

5結(jié)束語

本文基于DDS和數(shù)字電位器設(shè)計(jì)的干擾電治療

儀，電路結(jié)構(gòu)清晰，功能完善。創(chuàng)新點(diǎn)有：使用多電壓供電，避免了復(fù)雜的電壓轉(zhuǎn)換電路，電路更穩(wěn)定；直接利用數(shù)字電位器實(shí)現(xiàn)調(diào)制波和載波的幅度控制，減小了軟件開發(fā)難度；利用8階巴特沃斯濾波器對方波進(jìn)行濾波，輸出正弦載波，降低了硬件成本。

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中圖分類號：TH789;TP273

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI:10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201602022

通訊作者馬鳳英(1975-)，女， 博士、副教授；主要從事光學(xué)和醫(yī)療電子開發(fā)方面的研究。E-mail：mafy@zzu.edu.cn。

修改稿收到日期：2015-05-20 。

第一作者董銘祥(1988-)，男，現(xiàn)為鄭州大學(xué)光學(xué)工程專業(yè)在讀碩士研究生；主要從事電路設(shè)計(jì)與嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的研究。