电针治疗仪多通道幅频调制输出技术改进设计

电针治疗仪多通道幅频调制输出技术改进 电针治疗仪多通道幅频调制输出技术改进 设计 THESIS&RESEARCHREPORTI研究论着 电针治疗仪多通道幅频调制输出技术改进设计 刘志朋,李颖,张昱,李新,殷涛 (中国医学科学院北京协和医学院生物医学工程研究所,天津300192) 【摘要】目的:针对电针治疗仪波形产生和输出电路复杂的情况进行改进设计.方法:基于直接数字合成思路.由单片 微处理器和D,A转换芯片结合软件编程实现多种治疗波形的数字合成和多通道幅频可调的双极性信号.经功率放大 和脉冲变压器隔离后输出.结果:四通道双极性可实现多种治疗波形输出.幅频可调.结论:改进后的电针治疗仪功能 调整灵活,电路简单,功耗低,可靠性高. 【关键词】电针治疗仪;数模转化;多通道;幅频调制 [中图分类号】R245.31;TH772.1[文献标志码】A[文章编号】1003—8868{2008)06—0001—03 ImprovementonOutputTechnologyofMulti-channelAmplitudeandFrequency ModulationforElectro—-acupunctureInstrument LIUZhi-peng,LIYing,ZHANGYu,LIXin,YINTao (InstituteofBiomedicalEngineeringChineseAcademyofMedicalSciences,PekingUnion MedicalCollege,Tianjin 300192,China) AbstractObjectiveToimprovethedesignforelectro-acupuncture-waveformgeneratorcons ideringthecomplexityofthe outputcircuit.M酬BBasedonthedirectdigitalsynthesisprinciple.combiningthetechnologyofsingle—chip microprocessorandD/AconverterchiptIlavarietyofsoftwareprogrammingtoobtainthedig italwaveformsynthesisand multi—channelamplitudeandfrequencyadjustableforthebipolaroutputsignal,theoutputsignalWa Sobtainedbypower amplifierandpulsetransformerisolation.1lsmdtsnleamplitudeandfrequencyoffour-chann elsbipolaroutputwitha varietyofwaveformmightbeadjusted.C0衄ohI自叫nleelectro-acupunctureis?exible—to—adjust,easy—to-operate,low— power-consumptionandreliable.【ChineseMedicalEquipmentJournal,2008,29(6):1-31 Keywordselectro—acupunctureinstrument;DAconversion;multi-channel;amplitudeandfrequencymodulati on 1引言 中医电针治疗仪已在临床上应用多年.对多种疾病有确 切的疗效,治疗机理与技术在医学领域已得到认可[1】.目前,中 医电针治疗仪有多种设计技术与实现方式.采用集成电路,可 编程器件和微处理器设计的电针技术是主要发展趋势[2-61.并 有多种产品用于临床.然而.目前产品的技术实现存在一些问 题.如:部分电针治疗仪的波形发生器采用集成电路设计.电 路复杂,不易调节,治疗波形少;输出通道少(只有1,2路输 出),且各路输出的幅频调节易相互干扰;双极性输出由外部 硬件电路实现.增加了电路与设计成本;功率输出电路较复杂 且各通道输出易相互干扰.频率不易调节等. 本研究针对电针治疗仪存在的问题.对多通道幅频调制 输出技术进行分析与改进 2硬件结构 2.1设计思路的改进 仪器整机的功能由89C52系列微处理器控制实现.键 盘,显示模式和仪器的通用控制功能等设计不变,本文不作 说明.本文只对多通道幅频调制输出的波形设计,硬件实现, 功率输出,软件编程进行讨论. 收稿日期:2008—02—27修回日期:2008—04—07 基金项目:国家"十一五"科技支撑计划项目(2007BA—107A18) 作者简介:刘志朋(1967一),女,天津人,副研究员,研究室主任,主要 从事生物医学工程,医学物理学等方面的研究工作,Email: bme500@163.130111. 图1为目前微处理器结构电针治疗仪的控制框图. 图1中的 "波形和电压 变换"部分是 电针治疗仪的 波形发生和前 级信号处理单 元.包括对治 疗波形频率和 幅度的调制. 此单元一般是 —— 竺兰J — — 回 MCU— — _-1波形和电压变换卜一放大 — 图1微处理器结构电针治疗仪的控制框图 外加电路.可由MCU的一个引脚输出控制信号,然后通过此 单元电路完成所需要的波形[2-71:也有仪器使用可编程器件完 成此单元的功能.此外,双极性输出,功率放大和刺激信号幅 度调节一般也是由外部电路完成的.可以看出,这种结构的 电针治疗仪需要许多外部电路来实现对多种治疗波形的设 计,频率调制和输出幅度调节,不但增加了仪器设计的复杂 程度,降低了安全可靠性,而且提高了设计与生产成本,对多 通道输出的电针治疗仪更是如此 为解决上述问题.我们设计了一种基于直接数字合成思 路的由MCU和D/A转换实现的多通道输出,多种治疗波形, 幅频可调的电针模式.这样设计的优点是:(1)各种治疗波形 的产生以及对频率和幅度的控制可以同时完成.省去了外部 医疗卫生装备?2008年6月第2g卷第6期1 ChineseMedicaIEquipmentJourna1.Vol29No.6Jun鲁2008I- 研究论着ITHESIS&RESEARCHREPORT 复杂的调制电路等;(2)双极性治疗波形由软件实现;(3)在 开机或重新上电时.可以通过软件直接把输出设置为零.符 合低频电刺激治疗仪器的安全要求.例如.重新上电后.无论 先前条件为何种情况.我们都可以利用仪器的初始化模块. 把仪器的输出设置为零.这样就不会发生以旋钮控制幅度的 仪器常有的因初始电流或电压幅度过大而刺激患者的情况 图2是改进后的电针治疗仪控制框图 MCU 图2改进后的电针治疗仪控制框图 2-2各种功能的电路 实现 基于上述考虑.我 们采用89C52系列单 片微处理器和2片双 通道8位D,A转换器. 配以简单的功率放大 和辅助电路.实现了四 通道多种治疗波形幅频调制输出的设计.其多通道输出波形 的幅度和频率可独立调节.采用6MHz晶振所能产生的控 制.能够满足中医电针的要求.并可以覆盖整个低频电治疗 的频率范围(1kHz以下).图3为MCU到D/A转换器的引脚 连接图. 图4双极输出的实现 (V<0).这就是该双极性数据能够得到的输出范围. 由D,A转换器得到的信号电压经过简单处理就可以进 入功率环节.图5为单极功放电路.T为达林顿管.W为隔离 脉冲变压器.工作时,使用达林顿管的放大状态.输出负载与 隔离脉冲变压器原边连接.变压器副边就得到我们所需要的 刺激电信号.通过电极直接加载到人体(负载).对此电路稍 加改进即可用于双极性信号的功率放大 3软件实现 3.1治疗波形设 DAC 图3MCU部分到D,A转换器 电针和电刺激疗法中,需要使用双极性输出的形式(这 样可使直流分量为零,避免因皮肤极化而产生的损伤和刺痛 感).双极性输出的实现是由软件配合电路实现的.如图4 所示.A点电压由参考电压.和D/A转换器的锁存数据 X决定: V=一Vl(,256)(1) 若R2=R6=2R4,则有: Vo:Vl+2V=(1一128)V(2) 其中,?【0,255】且?Z,那么最终有V1?V0?一127/128V 医疗卫生装备?2008年6月第29卷第6期 'l_ChineseMedieaIEquipmentJournal?Vo1.29NO.6June2008 图5功放输出电路 W 压器 治疗波形设计是电针治疗仪器设计的核 心.其设计的临床合理性和易实现性.对于电针 治疗仪器设计至关重要 在中医电针和低频电刺激方面.最常见的波 形是连续脉冲波.如图6所示.横轴代表时间t. 纵轴代表输出电压.图中t称为脉冲间隔时 间,定义为2个相邻正脉冲上升沿间的时间差t, 为脉冲宽度时间.定义为脉冲上升沿与下降沿幅 值都达到最大幅值的50%的时间差.t和分 别为负补偿宽度和幅度(在双向脉冲波中.负补 偿的宽度和幅度与正脉冲一致) 图7为一些常用基本治疗波形目.A为连续脉冲波.B为断续 脉冲波,C为调频波(其频率呈周期性变化),D为调幅波(其幅度 呈周期性变化) 3.2汇编程序示例 MCU是整个治疗仪器的核心,显示控制,按键控制,波形 输出等方面都需要MCU完成.整机运行的程序框图以及通 用控制子程序框图不在此赘述.仅介绍波形产生与控制方面 的程序示例 3_2.1双极性波形产生与分支的处理 THESIS&RESEARCHREPORTI研究论着 A B C D 图6连续脉冲波示意图 lIIIIlllI 图7基本治疗波形 图8是双极性波形的基本程序框图,假设我们用风作 为波形控制的时间间隔计数器.首先,对.进行减一操作. 进入判零操作,判零后出现2个分支:(1)为O时.对风置 数,输出为0;(2)非O时,进入阈值判断.阈值判断后出现3 个分支:(1)小于阈值时,输出负补偿;(2)等于阈值时,输出 正脉冲;(3)大于阈值时,输出为O.幅值输出后,退出中断 程序 图8双极性波形产生的子程序框图 CJNEA,CH1_THR,NO_EQu1 ACALLWAVE—OUT sJMPCH2 NO— EQU1: JCNEG1 对于只有 2个分支的情 况.用条件转 移指令即可: 而对于有大 于,等于和小 于3种分支的 情况.使用 CJNE和JC(或 JNC)的指令组 合更方便.示 例如下: 在该程序片段中,我们可以看到,当寄存器A和 CH1中的内容相同时,调用.跳转到标号_ THRWAVEOUT CH2;当寄存器A和CH1中的内容不同时.若前者小于_ THR 后者.则跳转到标号NEG1 3_2.2复杂波形的产生与处理 在基本治疗波形(图7)中,连续波(波形A)和断续波(波 形B)是比较规则的波形,而调频波(波形C)和调幅波(波形 D)需要对频率和幅度进行调制.波形的产生和编程比较复 杂.我们预先编制各种调制子程序.然后通过选择查表调用 的方式.方便地解决了复杂治疗波形产生的问题.该方法特 别适用于具有复杂数学联系的一系列数据.示例如下: AMP— DATA: INCA M0VCA.@A+PC RET DBO MOVA,R1 ACALLAMPDATA 在该程序片段中.我们可以看到.AMPDATA为调幅波 数据调用入H.在主程序中.我们首先把1中的数据送入A 中.然后调用AMPDATA.由于RET占用一个字节.我们首 先对A进行加1操作.然后我们把ROM中A+PC所代表的 数据送入A中,就完成了取数操作[9-. 4结果与结论 我们提出了一种基于MCU的电针治疗仪器设计的新思 路,完成了该仪器的电路设计以及程序设计.实现了四通道 双极性多种治疗波形输出.幅频可调.改进后的电针治疗仪 功能调整灵活,电路简单,功耗低,可靠性高. 【参考文献】 [1】乔志恒,范维铭.物理治疗学全书[M】.北京:科学技术文献/9,版 社.2001. 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