便携式经皮穴位电刺激治疗仪设计

便携式经皮穴位电刺激治疗仪设计

张棚1  ,王昊钧2  ,彭明3

（成都信息工程大学电子工程学院  物理场生物效应及仪器四川省高校重点实验室  四川 成都 610225）

摘  要：中风病又称脑卒中，是因脑血管病变引发的局部或大面积脑功能损伤且症状持续1天以上的疾病，绝大多数患者会遗留不同程度的下肢运动功能障碍，严重影响患者日常生活能力。临床经验表明，经皮穴位电刺激可有效刺激相应穴位，帮助重建正常运动模式。本文提出了一种便携式经皮穴位电刺激治疗仪的设计方案，以嵌入式控制器为平台，模拟产生低频脉冲波形，然后经过电极贴片传导，对患者下肢足三里、阳陵泉、解溪、三阴交进行电刺激治疗，帮助患者在居家环境下进行中风偏瘫导致的下肢运动障碍的治疗。

关键词：电刺激；微控制器；下肢运动功能障碍

一、整体设计方案

本设备是以微控制器为控制核心，通过单片机数字模拟转换（Digital to Analog Converter,DAC）通道生成所需要的波形，然后经过直流升压、脉冲输出电路形成治疗用波。具体的硬件电路包括有：充电电路、直流升压/单片机供电电路、脉冲输出电路、微控制器电路、按键电路、反馈保护电路和OLED模块电路组成。

设备各部分电路的工作流程为：

①经过微控制器DAC 转换通道数模转换后生成刺激波形；通过电极片将脉冲输出信号传导至人体下肢相应穴位进行刺激治疗；②通过直流升压电路进行刺激信号的幅值调整，使可调的 0~2.5V 的波形信号升压至治疗所需的 0~50V；

③设计反馈电路是对最终输出信号的电流进行反馈检测，保证最终输出的电流大小在合理的（0~25mA 之间）范围，防止电流过大对人体可能造成的损伤。

④按键和OLED显示电路主要是给治疗仪提供友好的人机交互界面，方便使用者进行电刺激参数的设定、调整与显示。

二、设备硬件设计

2.1 微控制器电路设计

本设备选用STM32F103RCT6主控芯片作为硬件的核心，需要将信号进行接收和处理，根据反馈回来的信号进行配置，如刺激幅值，时间等参数，配置相应的 TIM 和 DMA，进行波形和频率的调整。 STM32系列产品的内核是基于Cortex-M0、M3 以及 M4，具有成本低、性能优越以及功耗低等优势。

2.2 直流升压电路设计

直流升压电路是由BOOST升压芯片XL6009组成，能够由5V～12.6V升压到稳定50V的升压电路；XL6009的内部MOS管导通，电感储能、三极管反偏截止；内部MOS管关断，电感释放磁能、三极管正偏导通，电流从+12.6V电源流入电感和三极管为电容充电；电阻作电压采样反馈，反馈电压送至XL6009引脚控制其内部MOS管通断的占空比，达到稳定输出电压的目的，这个电压作为脉冲输出部分的高压供电电源。

2.3 脉冲输出电路设计

脉冲输出电路是由BUCK降压芯片SL3041和运放LM358组成的0V~50V可控降压电路，这个电路的输出分两路送至外部两对电极贴片。SL3041的6脚是内部MOS管源极，1脚是内部MOS管漏极，内部MOS管导通，电感储能、三极管反偏截止；内部MOS管关断释放磁能、三极管正偏导通续流，MOS管导通时电流从+50V电源流经SL3041内部MOS管，流经电感为电容充电；MOS管关断时电流从电源地流经三极管、电感为电容充电。

2.4 反馈保护电路设计

该电路由采样电阻和运放LM358组成采样比较器，当输出电流达到25.38mA时，电阻上就有略超过3.3V的电压，LM358就翻转，其引脚就输出低电平，送至微控制器IO口，当微控制器检测到这个信号后或立即停止输出脉冲或将脉冲电压幅度立即降低以确保不伤人体，并且开通蜂鸣器报警。

三、设备软件设计

本设备软件开发平台采用的是美国Keil Software公司出品的Keil5，编程语言采用的是C语言。整个软件设备采用模块化的编程思想，将软件设计部分分为多个功能模块，然后针对各个功能模块编写具体的相关代码，主程序通过调用各个子模块程序来完成复杂功能的实现。整个设备的程序模块包括治疗波形的生成模块、输出信号的ADC采样模块、OLED 显示模块以及按键处理模块等部分。整个软件功能如图1所示。

图1 软件功能模块

设备的控制流程图如图2所示：

图2.设备主流程图

四、设备测试

在完成了设备的软硬件设计后，对设备进行整机联调。为了验证治疗仪的最终实际运行效果，以及各功能模块电路设计的有效性，在实际设计过程中，对电路功能和最终输出进行了相关测试，主要测试内容如下：

1.电刺激输出波形测试 

设备上电复位后，将输出电极接在 2KΩ 负载上，然后通过按键设置不同的频率和幅值，观察实际输出波形是否能够达到预期设计要求。主要通过以下三种测试方案进行刺激输出波形的验证。

(1)  频率固定，调整幅值，观察输出波形的变化；

(2)  幅值固定，调整频率，观察输出波形的变化；

(3)  幅值、频率都调至最大，观察输出波形的变化。

2.升压电路测试

升压电路测试主要是对升压电路的输入信号和输出信号进行测试分析，主要测量指标是信号的幅值，测试方法是通过万用表测量引脚电压变化。当频率固定时，通过按键设置不同的幅值，测得实际大小。

3 .设备整体功能测试。当各个模块功能测试无误后，对设备进行整体功能测试。将设备调至不同参数，检测设备的稳定性和准确性。经过反复测试，整个设备运行稳定，整体功能符合预期设计，达到了预期目标。

五、结论

本文介绍了便携式经皮穴位电刺激治疗仪的整体设计。在分析总结国内外利用电刺激疗法治疗中风偏瘫所致下肢运动功能障碍的基础上，运用现代电子技术，结合下肢在电刺激下的生理机能，完成了本治疗仪的设计与样机开发。经过设备的功能测试与初步验证，本设计实现了刺激电压 0~50V、刺激频率 10~200Hz、脉宽 100us~2000us 的刺激信号输出，达到了治疗仪参数指标的预期要求。本文设计的治疗仪是通过微控制器DAC 转换通道生成治疗所需的低频脉冲信号，然后经过直流放大与电极传导，实现对患者下肢相应穴位的电刺激治疗。在设计过程中，完成了治疗波形生成、刺激信号升压处理和输出信号反馈检测等具体功能。

参考文献

[1]丁丽君,荣积峰,王卫宁,等.经皮穴位电刺激对脑卒中后手功能的康复效果[J].中国康复理论与实践,2017,23(1):10-13.

[2]Zhang Y,Jiang Y,Glielmi CB,et al.Long-duration transcutaneous electric acupointstimulation alters small-world brain functional networks[J].Magn ResonImaging,2013,31(7):1105-1111