低成本、多功能、高可靠性电疗合并灸法治疗仪的设计

低成本、多功能、高可靠性电疗合并灸法治疗仪的设计 低成本、多功能、高可靠性电疗合并灸法治 疗仪的设计 研究论着fThesis&ResearchReDo~ 低成本,多功能,高可靠性电疗合并灸法治疗仪的设计 李颖,靳静娜,刘志朋,殷涛 [摘要】目的:设计一种低成本,多功能,高可靠性的具有电针,药物离子导入,干扰电 和灸疗功能的医用电子仪器方 法:以AT89C52单片机为控制核心,结合ADC0809,AD7528,ICL8038,X9313,LF347等器件实现治疗仪的功能结果: 样机实现了4路电疗通道和4路灸疗通道的功能,其中电疗包括电针,药物离子导 入和干扰电功能.结论:经实验样 机证实,该设计能够实现既定的设计目标和功能 [关键词】单片机;医疗仪器;电针;药物离子导入;干扰电:灸疗 【中国图书资料分类号】R454.1【文献标识码]A【文章编号]1003—8868(2011]06 —0017—03 DesignofApparatuswithElectro-stimulation,Electro—acupunctureandMoxibustion FeaturingLow-cost,Multi-functionandHigh—reliability LIYing,JINJing—na,LIUZhi—peng,YINTao (LabofMedicalPhysicsandMeasurement,InstituteofBiomedicalEngineerin ChineseAcademyofMedicalSciences,Tianjin300192,China1 AbstractObje~voTodesignamedicalapparatuswiththefunctionsofelectro— acupuncture.iontophoresis.interferential— currentandmoxibustiontherapythatfeatureslowcost,muhifunctionandhighreliability. Mc~dmdsAT89C52wasselectedas thefunctionalcoreoftheapparatus,andthecomponentssuchasADC0809. AD7528,ICL8038.X9313.LF347wereusedto carryoutotherfunctionsinthesystem.R~mhsTheprototypeapparatusrealizedthefunctions of4channelsofelectro— therapyincludingelectro-acupuncture,iontophoresis,andinterferential—currentmethodsand4channelsofmoxibustion therapy.ConclusionItisverifiedthattheabove—mentioneddesigniscapableoffulfillingthedenmndsontheparameters andfunctions.[ChineseMedicalEquipmentJournal,2011,32(6):17—191 Keywordsmicrocontroller;medicalinstrument;EA(electro-acupuncture);iontophoresis;i nterferential-current;moxibustion 1引言 中医针灸是我国古代医学的精髓.其功效近年得到越 来越多国家的认可和临床验证.电针是传统针刺与电刺激 技术相结合的产物,已经成为针灸临床常用治疗设备I".药 物离子导人疗法是通过直流或脉动直流电,把药物经皮肤, 黏膜或伤口导人人体内,用于治疗疾病的.干扰电疗法 是通过把2组或3组在某中心频率范围内的电流施加在人 体,在人体内叠加产生干扰场的疗法.上述4种疗法都有相 应的产品化治疗仪器问世,但把4种疗法集成在一起的仪 器则基本未见[2~41.如果以低成本,多功能和高可靠性为目 标.在一个较小的系统架构内集成电针,药物离子导人,干 扰电,灸疗等功能,就能够节约医院和患者的治疗成本,为 更多患者提供高质量的医疗服务.而随着农村医疗改革的 逐步深化.城市社区医疗体系的建立.这种低成本,多功能, 高可靠性的医疗设备将会得到广泛应用. 2结构设计 2.1基本框图 该仪器的基本框图如图1所示.按电路功能大体可分 基金项目:国家"十J一五"科技支撑计划重大项目(2007BA107A00) 作者简介:李颖(1981一),男,天津人,助理研究员,主要从事医用仪器 和生物医学信号方面的研究1二作,E—mail:yinglibme@l63.coin. 作者单位:300192北京中困医学科学院北京协和医学院生物医学工 程研究所(李颖,靳静娜,刘志朋,殷涛) 通讯作者:殷涛,E—mail:bme500@163eom 为单片机,电源,电疗 法输出,灸疗输出以及 按键和显示部分. 2.2芯片选择和接口 扩展 AT89C52是低功 耗,高性能基于CM0S T艺的8位单片机,内 置4KB快闪(Flash)可 ? 17? 图1整机结构框图 擦除可编程存储器,内部RAM为128KB,3级程序存储器 所存,32个可编程I/O口.2个16位定时器/计数器,6个中 断源,晶振频率最高可达24MHzt1.它成本低,性价比高,各 种资料和支持较为完善,具有较为成熟的架构和体系.采用 6MHz晶振所能产生的控制,可以覆盖整个低频电治疗的频 率范围(1kHz以下)[61. 单片机的外围引脚有限,该仪器基于成本,功能和稳定 性考虑.使用了8155和74138扩展外围引脚的做法,并使用 7432和7404配合74138完成片选功能,如图2所示.其中, 8155的PA,PB,PC121分别接指示灯LED0—7,X9313控制 端14继电器控制端SSR0—3,4053控制端1,4等.74138 为3—8线译码器,用于分时控制数码管驱动器4511,数模转 换器AD7528,模数转换器ADC0809和8155的片选.7432 和7404分别为2输入或门和非门,用于4片4511(七段数 .医疗卫生装备.2011年6月第32卷第6期 ChineseMedicalEquipmentJournal?Vo1.32?No.6'June'2011 Thesis&ResearchReportl研究论着 U3 nn12ADOPA021TI1n n11AD1PAl,2lFn1 n214AD2PA223TFn' 1)315AD3PA394TFD3 D416AD4PA4,TFn4 n517AD5PA596TlFn5 l11RAD6PA6,7TFn^ 'RTFn71)71qAD7PA7 8l55CS8PBO299313UD1 RD9::CEPB1309313TN1 WR10::RDPB2319313Un2 AR7WRPB3329313IN2 10/MPB433SSR0 ATF1134SSR1ALEPB5 35SSR2PB6 — . PB736SSR3 TMR0UT PC0374053—1 PC1384053-2 盈TMRINPC2394053—3 PC314053-4 PC42LFnA RESET45TEDBRESETPC5 8155H U2 A131l54511CSC A】42AYQ144511CS】 A153BY_L1345l1S2 CY2124511S3 117528CS1 6G : 1J07528CS2 4 78155SJ5 90809CS DM74LS04 图2外围扩展原理图 码驱动)和ADC0809(数模转换)提供相应控制逻辑. 2.3电针,离子导入,干扰电的功能设计 电刺激疗法按照频率分可分为低频电,中频电和高频 电疗法.药物离子导入和电针疗法属于低频电疗法范畴,干 扰电疗法属于中频电疗法范畴l2_,.从电路设计和输出方式 看,药物离子导人,电钳'疗法和干扰电疗法有许多相近或公 用的部分.因此,考虑到降低成本的因素,对DAC进行了复 用设计,即DAC在电针或药物离子导入方式输出时,作为直 接产生相应输波形的器件,而在干扰电输出时,作为VFO (压控频率振荡器)环节的输入电压 电针,离子导人,干扰电通道原理框图如图3所示1电 疗法治疗通道由数模转换(DAC),单刀双掷开关(SPDT), 压 ),数字变阻器(DPOT,即 控频率震荡(VFO,即ICL8038芯片 X9313芯片)以及功率环节(darlington以及transforIIler)等部 分组成.在进行干扰电治疗时,两SPDT都设置在其一端.使 得SPDT1连接VFO和DPOT,进而与SPDT2相连,从而实现 干扰电治疗输出.在进行电针和药物离子导入治疗时.2个 SPDT都设置在其另一端,使两SPDT直接相连,从而直接把 DAC和Darlington联在一起.AD7528是一种具有2路D/A 输H{的数模转换芯片,其片内2路输出电路特性高度一致 当进行干扰电输f{J时,由于需要在患者体内产生差频.所以 图3单通道电疗法原理框图 治疗时需要2路输出.因此,考虑到干扰电的输l}J一致性, 我们选择了AD7528芯片.另一方丽,当进行电针或药物离 子导人输时.1片AD7528能够同时用于2路输,节约 了成本. 2.4灸疗的功能设计 灸疗通道是通过发热体对人体穴位施加热量,基于对 施灸温度精确控制的要求和热传递响应速度的影响.需要 对加热过程进行监测和反馈控制. 灸疗的原理框图如图4所示.当单片机埘发热体实施 加热控制时,发热体开始加热灸头,使灸头温度上升.测温 环节的核心器件是热敏元件,考虑到测量温度的可靠性,一 致性,灸疗通道维修并兼顾成本,我们选择Ptl00热敏电阻 作为温度测量器件 电__ 料MCU流]源加热k 体 图4灸'厅原理框图 铂电阻是用导体的电阻随温度变化而变化的特性测量 温度特殊用途的电阻器件.Ptl00是其中1种,其电阻一温 度公式为(0,600?): R=Ro(1+曰) 其中,Rr是PtlO0的测量电阻函数,R.为其0?的电阻值 A,B分别是温度一次和二次项的系数.当电流源给Pt100 提供一个小电流时,热敏电阻上将产生一个电压,该电压通 过测量电路的放大限幅等环节,产生一个适应ADC采样电 压范围的采样值;该采样电压信号南ADC转换为相应数据 反馈给MCU,由单片机中控制策略决定对加热体的控制动 作. 2.4.1测温电路原理 测温电路的原理图如图5所示,其中Y点为Ptl00对地 电压,Y点电压经过放大(U23A),比较放大(U23B),限幅放 大(U23C)和跟随器(U23D)环节,得到一个符合ADC采样 范围的测量电压.在设计中,我们使用了通用四运放LF347. 既能满足测温精度的要求,又节约了成本和PCB版图面积. 并提高了一致性.图中的4052用于多路选通,此设计用一 路测量电路分时测量多路灸疗通道的温度,既降低了成本. 又保证了测量结果的一致性,而且这种设计只需要对测量 电路进行一次定标. ? 医疗卫生装备?2011年6月第32卷第6期ChineseMedicalEquipmentJourna1.v.1. 32.N..6.June,20l1 研究论着fThesis&ResearchReDo~ A X012XO 13XX114X1X X21X2 X1lX3 X01YO 3YX1Y1Y X2,Y2 X4Y3 , D^INH )52A1nA 2H0B AGND7VEE 4052 图5测温和多路选择 2.4.2ADC的测温分辨率 ADC0809是8位8通道逐次逼近式A/D转换器,其转 换时问为100s…J.考虑到ADC的测量范围,测温电路的电 压范围设定为O,5V时,考虑到放大器的饱和失真问,设 计规定0,4V对应45,60?. 因此.ADC示数与电压关系式为: ?()_—25— 6—— . V:51.V 5V 在这种设计下,0V对应ADC示数OH,4V对应示数 为: 256×V_:204:CCH:0xCC 5V 4V对应的阶数为204阶,其汇编示为CCH,C51表 示为0XCC. 南于ADC转换8位数据,可知其温度分辨率为: 堕:鱼Q二:0.0735/阶 N256阶× 5V 因此.ADC数据与温度的对应关系式: ? 19? T=45+0.0735?N 其中,?为阶数,范围是0-255.实际上,?的有效范围是0 到CCH(204或0XCC,对应60?). 综上所述,该设计中,模数转换器的有效温度测量区间 为45,60?,其测温分辨率为每阶0.0735oC,能够满足设计 功能的要求. 3结论 本设计以AT89C52为核心,使用8155,74138,7432, 7404等芯片设计接口扩展,对DA部分采用分时复用技 术,在同一通道上,使用AD7528,ICL8038和X9313等功能 芯片实现电针,药物离子导人和干扰电的功能:使用PtlO0 作为测温核心器件,通过一片LF347和阻容元件等组成的 测温电路以及对该测温电路的多路复用,实现了对多路灸 疗通道的控制与监测.进而用一个较小的系统架构,遵循低 成本,多功能和高可靠性的原则,完成了集电针,药物离子 导入,干扰电和灸疗等多种功能于一体的治疗仪器的设计. 该仪器具有较好的控制界面,性能可靠稳定.另外,该仪器 的电路是较为经典的架构,有较好的扩展性,能够进一步提 升和增加该仪器的功能和性能;而如果进一步选择小尺寸 和高级功能的芯片和架构,该仪器将可望实现微型便携化. 在设计和仪器化过程中.我们也发现了一些能够和值得改 进以使该仪器更加完善的地方,在后面的工作中将不断改 进 [参考文献】 『1]李颖,殷涛,靳静娜,等.电刺激器的双极性输出及保护电路 设计fJ].国际生物医学工程杂志,2009,32(2):92-94,98. f2】乔志恒,范维铭.物理治疗全书[M].北京:科学技术文献出版社, 2001. [3】洪文学,刘海燕.电针镇痛的原理及仪器IJ】.医疗卫生装备, 2006,27(10):52-54. 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