电子针灸仪

电子针灸仪 毕业设计(论文)开题 1. 文献综述 1.1 本课题的意义 1.1.1问题的提出 现代临床医学对疾病治疗的方法主要有药物治疗、手术治疗(采用传统手术器件)、仪器治疗和心理治疗。在以上几种治疗方法中，仪器治疗已越来越成为一种应用广泛的治疗方式，而且随着医学技术与治疗类仪器的智能化发展，治疗类仪器还必将成为家庭和个人治疗与保健的重要手段。 这些年来，世界人口急剧增长和人类平均寿命延长，我国人口结构正呈现老龄化发展趋势，老年性疾病多表现为慢性和功能退化性病变，很多疾病除了手术或药物治疗外，50,以上的老年性疾病还需要院外长期的监护、诊疗和保健康复。在当今市场经济时代，信息技术迅猛发展，社会竞争激烈，工作压力大，生活节奏越来越快。城市中的精英阶层或白领阶层，由于长时间超强度，超负荷工作，出现数量巨大的亚健康人群和各种职业病。例如腰、椎、肩、颈痛、胃肠消化功能异常、失眠、神经衰弱等。面对上述疾病人群的增长趋势，医院门诊和病房出现紧缺，药价偏高，使越来越多的非严重性病人和一些慢性病人选择非药物治疗，而采取物理治疗方法进行保健、治疗和康复，同时避免了药物治疗带来的毒副作用。另外，随着人们健康观念的转变，预防医学和预防保健越来越受到人们的重视。医疗重点也从重视病后治疗康复逐渐转向健康时期的疾病预防和保健。 作为物理因子的一种，低频电流对人体的生理作用和治疗作用主要表现为:?镇痛作用;?兴奋神经肌肉组织;?促进局部血液循环;?影响各种酶的活性;?改变组织细胞和体液内离子的比例和微量元素的含量;?提高机体或某些系统、器官的功能水平;?调节物质代谢;?使体内产生生物学高活性物质;?增强血液和淋巴液循环;?改变生物膜、血管、皮肤、粘膜和其它组织的通透性。 从上面可以看出，老年性疾病的院外监护、诊疗和康复已经变得非常必要，大量亚健康人群的出现，各种职业病严重影响工薪阶层的正常生活，病前的预防和保健已经受到越来越多的人的重视。鉴于低频电流对人体有多种生理作用和治疗作用，特别是镇痛、兴奋神经肌肉组织和促进局部血液循环的作用，因此开发一种多功能、小型化、家庭型、便携式、无毒副作用的低频脉冲治疗仪是非常有必要的。低频脉冲治疗仪不仅可以为某 1 毕业设计(论文)开题报告 些疾病的治疗提供新的治疗手法和途径，而且也可以使患者免除手术的创伤，减少或避免药物带来的毒副作用。 1.1.2 研究意义 中医经络理论阐述:经络者，人之元气，伏于气血之中。周身流行，昼夜无间。又云:经络能够通行气血，沟通上下内外，联络脏腑形体官窍，感应传导信息，协调阴阳，阻止外邪入侵。因此，利用经络的这些特性，用针灸、减肥及低频脉冲等物理方法刺激腧穴，达到调理经络气血及脏腑功能，是一种既可纠正异常的功能状态，又不会干扰正常的生理机能的治疗方式。 现代医学证明，经络是一条具有传感和低电阻的传导体，在传统的针刺疗法中，每捻转或拉扦一次，其实质就是产生一个物理的电脉冲。在人体生命的机体里，时刻都在发生某种特殊的电流，这些微弱的电流从心脏、脑、肌肉、神经等部位发出，对身体的正常运行起着不可缺少的作用，这些微弱的电流就是人们所说的“生物电”。从中医经络学角度解析，当身体的某些器官或部位出现异常时，其正常的生物电也就出现异常，从而引起人体各种不适或疼痛，而外部的电刺激脉冲可以转化为生物电而影响组织器官。低频脉冲电疗法是应用频率1000Hz以下的脉冲电流治疗疾病的方法，其特点是对感觉、运动神经有很强的刺激作用，无明显的电解现象，刺激效应显著但无热效应。其治疗机理是电刺激脉冲可以破坏膜极化状态，因而有可能引起神经肌肉的兴奋，而哺乳动物运动神经的绝对不应期多在1ms左右，因此频率在1000Hz以下的低频电脉冲每个脉冲都有可能引起一次运动反应。 本课题旨在研制一种新型便携式低频脉冲治疗仪，由FPGA控制，通过电极将微弱的低频脉冲电流作用于人体，能够较逼真地模拟针灸、捶击、按摩、火罐、减肥、刮痧等不同的刺激效果。刺激模式、刺激频率、刺激强度、刺激时间数字式可调，液晶实时显示治疗参数。电流的刺激作用可以使机体产生反应，从而扩张血管，促进血液循环，提高组织活力，加速代谢废物和炎性物质的外排，有消炎、镇痛、提高健康水平、保健、预防和治疗疾病，促进病后机体康复，延缓衰老等作用。由于治疗过程中无痛苦、对人体无害、方便、没有毒副作用等，使此疗法有着其它疗法无法比拟的优势。作为治疗类医疗保健器具的一种，低频脉冲治疗仪由电池供电、体积小、低功耗、操作简单、人机交互友好、携带方便，便于推广到社区医院或者患者家庭使用。这不仅具有很好的经济效益，而且将产生良好的社会效益。 2 毕业设计(论文)开题报告 1.2低频脉冲电刺激的国内外研究现状 1.2.1 低频脉冲电流的刺激机理 频率小于1000Hz时的电流对人体细胞组织的作用主要是以刺激效应为主(即以介电特性为主，呈电容效应)。图1.1所示为频率小于1kHz时电流大小对人体的不同效应，在这个频段，人体能耐受的电流很小。哺乳动物中神经纤维的绝对不应期大约为1ms，因此每秒最多只能产生1000次兴奋，而当刺激频率大于1kHz后，几乎没有任何刺激作用了。这时人体承受电流的能力随频率逐步增大，其产生的效应主要是热效应。 I/mA 热效应 1000 心室纤维性颤动 100 疼痛和可能的机体损伤 20 最大脱开电流 10 安全阀 1 感觉阀 0.5 图1.1 频率小于1kHz时电流的不同作用 目前已经知道，人体所有细胞都在某种程度上具有兴奋能力(即被刺激的能力)。神经细胞的兴奋阈值较低，兴奋过程能对来自内部或外部的刺激做出一种整体反应。细胞之所以能够兴奋是因为细胞膜内外有电位差，而且细胞内电位低于细胞外电位。在静息情况下，神经细胞的这种电位差值约为-70mV，肌肉细胞约为-90mV。这种静息电位(resting potential)是由于细胞膜的电荷量梯度形成的。造成这种电荷量梯度的根本原因是细胞膜对钠离子、钾离子和氯离子的不同通透性。当细胞膜受到一定强度的电、化学、机械、热等形式的刺激后，对不同离子的通透性发生改变，离子重新分布直至复原，即膜受刺激后在原有的静息电位基础上发生了膜两侧电位的快速倒转和复原，这一现象被称为动作电位(action potential)。当动作电位产生后，已兴奋的膜部分通过 3 毕业设计(论文)开题报告 局部电流“刺激”未兴奋的膜部分，使之出现动作电位;这样的过程在膜表面连续进行下去，就表现为兴奋在整个细胞的传导。人体和各器官的电现象，均是以此生物电现象为基础。 低频脉冲电流正是通过刺激神经细胞或肌肉细胞，使之爆发动作电位，从而将外部刺激信号传递给相应的组织，实现肌肉收缩、感觉等具体宏观效应。要用一个刺激使组织兴奋，必须达到一定的强度和时间，两者有着确定的关系曲线。以VT表示细胞膜电位的阈值，以IT表示到达阈值电位所需的电流强度，可以得到如下公式: V/RTmI, (1) T-1/Tm1-e 其中Tm是该等效模型的时间常数，Rm和Cm是细胞膜等效的跨膜电阻和电容。由公式(1)可以看出，刺激时间越短达到阈值电位所需的电流强度就越大，反之则越小，但不能小于一个基强度(rheobase) I,V/R(2) gTm 由此还可以推导出达到阈值电位所需电荷射入量与时间的关系 I,tQ,I,t,(3) ,1/Tm1,e 由(3)式可以看出，刺激时间越短所需的电荷射入量越小。进一步可以得出最小电荷射入量Q,I/T TTM。 根据以上分析可以设计出较少电荷射入量的刺激参数，避免组织可能受到的损伤。同时还需要指出，对于同时使用多个刺激器的情况下，更需要注意刺激的空间累加效应，而不仅仅是时间效应。 1.2.2 低频脉冲电刺激的临床应用 电刺激作为一种物理治疗方法目前已经广泛应用于临床。电刺激系统通常由三部分组成:?脉冲发生器，产生使神经去极化的脉冲序列;?导联线，把脉冲传输到刺激位置;?电极，把刺激脉冲安全、有效地传输到可兴奋组织。按电刺激与患者之间的交互特性，可把电刺激分为神经肌肉电刺激、功能性电刺激(Functional Electrical Stimulation，FES)和经皮神经电刺激三类。 ?神经肌肉电刺激疗法(NMES) 神经肌肉电刺激疗法是通过刺激神经或肌肉群，使之主动或被动地节律性收缩，从而加强肌肉的血液循环，促进神经兴奋及传导功能恢复，延缓肌肉废用性萎缩，加快神 4 毕业设计(论文)开题报告 经再生过程及运动功能恢复的一种治疗方法。其临床应用已有100多年的历史，近年来在神经肌肉骨骼疾病的康复中应用显著增加，国外用于治疗瘫痪已有40多年的历史。刘桂芬等对30例脑卒中患者进行30分钟/次，1次/天，5天/周的神经肌肉电刺激，频率为25,40Hz，双向方波，输出强度以患者上肢出现明显收缩为准，治疗结束后，发现治疗组Fuger-Mayer评分及独立功能性测评的腕、手运动功能均较对照组明显改善，表明NMES能促进脑卒中患者上肢功能的恢复，是一种有效的治疗手段。 ?功能性电刺激疗法(FES) 功能性电刺激是利用一定强度的低频脉冲电流(100Hz以下，多用20,50Hz)，通过预先设定的刺激程序来刺激一组或多组肌肉，从而诱发肌肉运动或模拟正常的肌肉自主运动，以达到改善或恢复被刺激肌肉或肌群功能的一种治疗方法。FES的刺激电极可以放在体表也可以植入体内，目前国外临床上应用较多的还是非植入式FES。功能性电刺激所刺激的肌肉在解剖学上应具备完整的神经支配，但是失去了应有的收缩功能或失去了中枢神经支配，该疗法最主要的特点是让患肢产生即刻的功能性活动，因此适用于脑卒中瘫痪或截瘫后肢体运动障者的治疗。对16例发病1年以上脑卒中患者40分钟/次，每周1,2次，共4个月的FES治疗，结果证明FES能改善慢性中患者上肢的痉挛及腕、指关节的活动度，对上肢功能改善有明显疗效。 ?经皮神经电刺激疗法(TENS) 经皮神经电刺激疗法又称周围神经粗纤维电刺激疗法，是将刺激电极置者皮肤表面，通过低频脉冲电流刺激神经纤维从而达到治疗的目的一种治疗方与传统的神经刺激疗法相比，传统的电刺激主要是刺激运动纤维，而TENS刺激感觉纤维，不引起肌肉收缩。通过兴奋粗纤维的刺激而关闭疼痛闸门，痛性神经冲动不能传入中枢。同时，这种电流还可激活内源性镇痛系统，促啡样物质释放并作用于细纤维末梢，引起突触前抑制，使疼痛信号的传递受阻第一台TENS治疗仪由Long等在1974年设计并用于临床治疗。大量的临床础研究表明，TENS对疼痛的缓解作用比较显著。到目前为止，TENS在临床 广泛用于治疗各种急、慢性疼痛和神经性疼痛，适应神经痛、头痛、关节痛痛、术后伤口痛、分娩宫缩痛、癌痛、幻痛等。20世纪90年代，国外开TENS来改善慢性脑卒中患者的躯体功能并取得了良好疗效，应用领域远远超治疗疼痛的范围。葛建强等把116例慢性骨盆疼痛综合征患者随机分为治疗组(60例)照组(56例)，分别采用TENS疗法和口服药物疗法，刺激参数为2/100Hz疏密30分钟/次，1次/日，刺激强度以病人 5 毕业设计(论文)开题报告 能够耐受为宜，4周为一个疗程，观察前后两组患者慢性前列腺炎症状评分变化情况，结果显示治疗前两组慢性前炎症状评分无显著性差异，而在治疗后两组慢性前列腺炎症状评分存在显著异(P<0.001)，治疗组明显优于对照组。任芸等对30名脑卒中并有肩手综8的患者进行每天1次，每次20分钟，共20次的TENS治疗，频率为70,100Hz， 脉宽50,70μs，电极置于痛点，结果显示治疗组在减轻疼痛、增加肩关节活动范围、增加患侧上肢运动功能方面明显优于对照组。Eek等对22例65岁以上的脑卒中患者的随机对照研究表明，40Hz的TENS能增强患者上肢的感觉，并提高运动能力，其治疗作用优于TENS对下肢的治疗。燕铁斌和赵玉兰用TENS强化治疗下肢痉挛的脑卒中患者(刺激频率99Hz，波宽125μs，持续时间45min)，并与对照组比较。电极放置在腓总神经处，对照组为无感觉刺激，每次治疗60分钟，每周5次，总疗程3周。由此得出结论，TENS可以降低脑卒中患者的痉挛，改善反射和运动的控制能力。 综上所述，作为一种重要的物理治疗手段，低频脉冲电刺激疗法在临床上已得到相当广泛的应用并显出良好效果，在临床中将会发挥越来越重要的作用。 1.3低频脉冲治疗仪的研究现状 目前国内外市场上代表性的低频脉冲治疗仪从结构和技术上分，主要有两类:一类是采用分立元件，电子线路控制，经谐振产生各种频率、脉宽的方波的治疗仪;另一类是采用集成微处理器(如单片机)控制，通过外部电路产生各种波型，控制输出波型的频率和脉宽的治疗仪。采用集成芯片可避免分立元件构成振荡器产生的误差和电磁干扰，使产品具有高集成度，高可靠性。在治疗方式上都采用常规的开环式的治疗方法，也称被动电刺激方式，对患者疼痛或瘫肢部位进行刺激，促使患者体内中枢神经系统发挥调制作用和内源性吗啡样物质的释放，从而达到镇痛或恢复其正常运动功能的目的。 6 毕业设计(论文)开题报告 2. 本课题要研究或解决的问题和拟采用的研究手段及途径 2.1 课题 低频脉冲电流对人体有多种生理作用和治疗作用，尤其以兴奋神经肌肉组织和镇痛为主要作用。目前在医疗界，众多基于电刺激疗法的治疗仪已广泛被临床应用，并取得了较好的治疗和减肥效果。这种疗法以其安全性、可靠性和无创性被广大患者所接受。 本文就是根据低频脉冲治疗的机理，采用Altera公司Cyclone系列FPGA作为主控制器，结合750kHz低功耗DC/DC升压控制器以及双向压控恒流输出技术，产生变化有序的多种组合脉冲波形，可以较逼真地模拟出针灸、捶击、按摩、火罐、减肥和刮痧等不同的刺激效果。 2.2 拟采用的研究手段及途径 论文首先从多个角度详细阐述了低频脉冲电流的镇痛机理。然后对刺激波形的类型、频率和脉宽进行了综合分析并最终确定了治疗仪的输出指标参数。其次详细介绍了治疗仪的硬件电路，包括Boost升压电路、双向压控恒流输出电路、按键扫描电路和液晶显示电路等。接下来介绍了系统的软件设计与实现过程。软件部分采用模块化设计，重点阐述了刺激波形发生模块、键盘扫描译码模块和LCD显示模块。最后，为了检验所设计的治疗仪是否达到设计要求，对治疗仪进行了硬件调试并记录了仪器在四种工作模式下输出的波形。原理图如下所示 外接 工作状态指示灯 电 键盘 池 低 FGPA控制器 电D/A转换 电源压 检 模块 测 人 刺激输出 BOOST升压电路 双向恒流控制 图1 系统总体框图 7 毕业设计(论文)开题报告 参 考 文 献 1. 韩济生(针刺镇痛原理(上海:上海科技教育出版社，1999. 2. 王玉环，经络治疗仪治疗痛经59例(上海铁道大学学报，2000. 3. .王广志，张倩，单片机控制的韩氏穴位神经刺激仪(中国医疗器械杂志，l999. 4. 沙宪政，霍纪文(新一代低频电治疗仪研制(医疗设备信息，2003. 5 .周志敏，周纪海，开关电源实用技术设计与应用(北京:人民邮电出版社，2003. 6 . T46R47,HT4C47 8一Brr A,D TYPE MCU DATABOOK(Rev(1(10 7 .陈景藻，赵彼得，现代物理治疗学(北京:人民军医出版社。2001( 8 .李东星，陈小牧，周立功(PIC16C5X系列单片机应用设计(北京:电子工业出版社( 9 .赵晓安. MCS-51单片机原理及应用. 天津:天津大学出版社，2001.3 10 .杨振江等.智能仪器与数据采集系统中的新器件及应用.西安电子科技大学出版社，2001. 11 .周航慈.单片机应用程序设计.北京航空航天大学出版社，1991. 12 .王毅.单片机器件应用手册.人民邮电出版社,1994. 13 . AT89C51 DATA SHEEP Philips Semiconductors 1999. 14 . Yang. Y., Yi. J., Woo, Y.Y., and Kim. B.: ‘Optimum design for linearityand efficiency of microwave Doherty amplifier using a new loadmatching technique’, Microw. J., 2001. 15 .asuyk Miura;Hamada。Journal of chromatography A[J]。1999. 16 何立民(从CygnalC8051F看8位单片机发展之路。单片机与嵌入式系统应用，2002. 8