多功能脉冲治疗仪电路设计

孙少华

（山西大同大学 机电工程学院，山西 大同 037009）

0 引 言

随着社会的飞速发展，人们的生活水平虽然一直在提高，但迫于日渐激烈的社会竞争，人们将更多的时间用于工作，缺少了生活中必要的一些锻炼与外界的交流，渐渐被沉重的精神压力困扰[1]。目前，电子医疗是一种比较流行的治疗形式。由于哺乳动物在1 000 Hz以下的低频脉冲作用下都会引起一次神经运动的反应，所以电脉冲治疗仪选择低频，通过自身产生的脉冲波形与人体对低频电脉冲反应的特性相配合，实现了在无痛条件下产生治疗的作用，而受到微弱电脉冲刺激的神经细胞会产生兴奋，促使人体自身调节系统进行自我调节。

1 脉冲治疗仪的总体设计

1.1 硬件总体设计

硬件电路模块构成如图1所示，其中核心部件是单片机系统、显示器模块、示波器、时钟电路和2个通道橡胶电极。

该多功能脉冲治疗仪有五大特点：

（1）抗干扰能力强，能很好地适应电磁应用极广的现代社会；

（2）体积小、成本较低、能随身携带，极大地方便了广大患者；

（3）可靠性高，准确性强，能针对性地治疗患者；

（4）由于该脉冲治疗仪由单片机来控制，因此其运行速度较快，逻辑控制能力强；

（5）可通过设置指令使引脚功能复用，以解决当单片机由于引脚不足而无法解决较多功能的缺陷。

总体设计框图如图1所示。

图1 硬件框图

1.2 设计目标和预期效果

本文采用单片机设计，多功能脉冲治疗仪设计目标主要有以下几点：

（1）低频可调脉冲；

（2）工作电压+5 V；

（3）根据波形模拟不同程度的针灸治疗效果；

（4）双通道输出。

预期效果主要有以下几点：

（1）较大程度上缓解了患者的压力，电耗费小；

（2）双通道输出，能同时治疗两个部位或者双人同时使用；

（3）促进治疗部位的血液循环，加快代谢，增强免疫力，一定程度上达到强身健体的功效；

（4）能根据不同频率波形模拟针灸治疗中的捻入、飞入、弹入、插入、速刺、缓刺、提插和捻转等不同程度的治疗效果[2]。

1.3 硬件电路的选用和设计

1.3.1 键盘接口电路设计

人机对话功能在现实操作中起着不可或缺的作用，而单片机就具备这种功能。因此，键盘的使用逐渐成为这种功能的一种桥梁。键盘不仅能使CPU识别有键位按下，还应该能使其识别是哪一个键位按下。常用键盘有：①全编码键盘：其功能较为精细，需要特定的硬件电路，造价稍高，不适用于电脉冲治疗仪的设计；②非编码键盘：分为矩阵式键盘和独立键盘，虽然结构稍显简单，但是完全能满足电脉冲治疗仪的设计需求。事实上，按键的功能相当于开关电路，按下时会使电路处于闭合状态，通过接口电路将按键的信息输入到单片机中，单片机在获取到信息时会写入相应的指令完成功能程序，然后恢复初始状态。

1.3.2 数码显示

常见的显示器LED和LCD的共同点是结构比较简单，省电且耐用。LED本身可以发光，能很好地应用于黑暗条件。它的功耗稍高，寿命较LCD长，反应更灵敏。每个LED显示器只能显示一个字符或一个字段。而液晶显示器的功耗低得多，寿命稍短，反应稍长，且交流驱动结构也较LED复杂。LCD本身不能发光，黑暗条件下需要借助背光，但每个LCD显示器可以同时显示多个字符甚至复杂的图形，并且有较高的清晰度。

根据本设计的需求，本着从简、节约的原则设计，选择LED显示器。

1.3.3 电源供电选择

考虑到电脉冲治疗仪所需电压较小，需要稳定的可持续电压，且需要具备易于携带的特点，设计的电脉冲治疗仪选择锂离子电池来完成电脉冲治疗仪的供电工作。锂离子电池的核心是锂。锂是最轻的金属元素且可实现多次充放电功能。基于它的耗电低、安全可靠、寿命长、便于携带、工作环境要求较低且能适应多种工作场所的优点，它完全能够满足电脉冲治疗仪的设计[3]。

1.3.4 双通道输出的选取

常用的导电橡胶是将一些金属颗粒均匀添加到硅橡胶中，当导电橡胶受到外力作用时，橡胶中的微小颗粒会在外力作用下互相接触，形成导通的线路。导电硅胶有一定的可塑性，可以模压或挤压成某些特定形状，生产成片装或其他的一些有规律的特定冲切形状。导电橡胶的原理如下：①当导电橡胶中的导电颗粒比重较大时，外界给与压力后，导电颗粒会相互接触形成互连状态，从而可以导通外部的电流作用于人体；②根据能量守恒定律，当外电流经过导电橡胶时，微小导电颗粒自身的电阻会产生一定的热量，具有一定的舒缓病痛的效果。

在选取橡胶导电极板时，为了方便患者的使用，通常选取具有粘附性的导电电极。它具有一定的按压吸附性，可以达到一定的辅助治疗效果。

2 系统的软件设计

2.1 主流程设计

主程序的运行流程为：开始→初始化程序→输入可调工作频率→输入工作时间T→开始计时，时间设为Ti→设置输入单片机的波形→判断是否达到设定时间→结束。

设计采用单片机实现频率可调、方波输出，以达到模拟针灸治疗的效果。开机后可以先设置工作频率，不同的患者可以根据自身的感觉来确定工作频率。不同频率能达到不同程度的电刺激，从而满足患者的不同需求。使用人还可根据自己的需要设置工作时间，系统自身判断是否达到工作时间。未达到工作时间，就会继续工作；当工作时间达到预定工作设置时，系统会自动结束工作。系统使用的波形为特定方波脉冲，频率为1～8 Hz，故设计的电脉冲治疗仪具有针灸的一些效果，而不同频率的效果不同[4]。

2.2 子程序的设计

子程序运行流程为：开始→输入工作时间T→调用显示时间子程序→计数器计时Ti→扫描键盘工作方式n→调用产生工作方式n的方波子程序→判断是否达到设定时间→结束。

单片机输出的方波信号经过各种频率的改变，使得方波信号能模拟不同程度的针灸效果。随着工作时间的进行，在患者机体逐渐适应的情况下，患者可以逐渐加强工作频率，以达到更强的治疗效果。

3 仿真设计

如图2所示，仿真采用的是Proteus软件。图2中有8个按键代表不同的8种频率，即S1～S8分别代表1～8 Hz，每隔1 Hz一个频率档，根据输出的不同频率模拟不同程度的针灸效果。输出的波形通过双通道输出作用于患者不同部位，也可以同时治疗2位患者。

当输入频率为1 Hz时，代表的模拟针灸效果程度较为微弱；频率逐渐增加，波形越来越密，代表模拟针灸效果程度加强。实际中，患者可根据自身感觉设定工作频率。随着工作时间的增加，患者也可相应增加频率达到更有效的治疗。

4 结 论

电脉冲治疗仪以安全、环保、节约的特性带动细胞恢复活力，达到机体的健康状态。电脉冲治疗仪特有的模拟针灸功能可以对病变部位进行深入刺激，模拟正常的神经刺激产生冲动，使病变细胞接受并反向传输形成反射弧，提高人体免疫力，促进新陈代谢的平衡。本文设计的系统每隔1 Hz设置一个频率档位，根据输出的不同频率来模拟不同程度的针灸效果。通过设置的双通道可以实现将信号输出到同一患者的不同部位或者是两位患者身上。当频率逐渐增加，波形越来越密，代表模拟针灸效果程度加强。患者可根据自身感觉设定合适的工作频率，实现更有效的治疗，具有一定的使用价值。

图2 系统仿真电路