电场侵入式理疗仪的研究与制作

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论文摘要

  在这个快节奏的社会中,康复理疗受到了人们的高度重视,同时国内外专家和学者在该研究领域也一直做着不懈的努力。 在国外,早在 19 世纪初 Louis Berlioz 就提出了利用电治疗疾病的构想,后人在其基础上取得了一定的成果。 在 国内 , 电疗起始于与中医针灸按摩相结合并研制了各种功能的理疗仪,例如胡鸿志等人研制的一种模拟针灸和按摩的电刺激类中低频理疗仪, 该理疗仪能够缓解疼痛,引 起正常 神经 的兴奋 ,但对 术后麻痹无明显的作用;史钦文等人研制了一种超声波理疗仪, 采用高低频信号混合的方式产生特定能量的超声波,可以加速伤口愈合,但是智能化程度低,难以在家庭中推广。 邹海军等人利用磁、振、热三种物理因子对单一因子理疗仪进行了改善,但是物理因子仅能作用于皮肤表面,对深层病灶无作用。综上所述:理疗仪存在如下两方面 的不 足 :(1)因 为 输 出 功 率 小 ,作 用 范 围 广 ,对 深层病灶 无明 显 效 果 ;(2)价 格 较 高 ,智 能 化 程 度 较 低 ,难以在家庭中推广和普及 。 基于以上不足之处,本文设计了一款术后康复理疗仪,以生物安全型高频信号源为理疗信号,工作频率约 290 kHz,功率最 高可 以达 到 60 W,采用侵入式高 频理疗 ,作用 范围集 中,能 够改 善局部 新陈 代谢, 加 速疼 痛物 质的代 谢并 改 善 植 物 神 经 系 统 功能,从而阻断疼 痛的 恶性 循环 ,加 速术 后伤 口炎症 的消除和伤口愈合,缩短康复时间。 另外采用嵌入式系统提高理疗仪智能化程度 ,体积小,操作简单,造 价低 ,适于家庭中推广使用。

  1 系统组成及结构

  该 系 统 由 4 个 主 要 模 块 组 成 :电 源 、嵌 入 式 微 控 制器、高频生物安全型 信号 源和电 极 ,基 本的 系统结 构框图如图 1 所示。【图1】
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  该理疗仪采用 220 V 交流直接供电,简单方便,然后利用开关电源得到 12 V、5 V 直流电给风扇、微控制器等模块供电;嵌 入式微 控制 器是 系统的 核心 ,控制理 疗信号产生的强度和时间,用户可以通过触摸屏或按键进行功能选择;高频生物安全型信号源的主要功能是产生理疗所需的高频信号,设计中采用 IR2153 作为驱动芯片,经过放大和变压器转换后即可输出理疗信号; 该理疗信号通过专用电极作用于理疗部位,电极由手柄和极板组成,手柄有多种形状,可根据理疗部位的不同进行选择,极板需要与患者的皮肤直接接触,以达到侵入式能量置换。

  2 硬 件设计

  该理疗 仪 硬 件 电 路 设 计 主 要 由 嵌 入 式 微 控 制 器 及其外围电路和高频生物信号源产生电路两部分组成。

  2.1 微控制器外围电路设计
  鉴于该理疗仪智能化程度的要求,本系统采用三星公司的 ARM9 开发板作为硬件资源。 该开发板是以 16/32 位 精简指令集 (RISC) 处 理器 S3C2440A 为 控制 器, 具有良好的稳定性和独立性。 该硬件电路设计把开发板硬件资源与设计需求相结合,对板载资源进行了最大限度的利用。

  利 用 S3C2440A 内 部 集 成 的 具 有 脉 冲 宽 度 调 制(PWM) 功 能的定时器 1 产 生所需的 PWM 波 。 首 先 在底层 驱 动 程 序 中 对 计 数 缓 冲 寄 存 器(TCNTB1)和 比 较 缓 冲寄存器(TCMPB1)进行初始化;然后在应用程序中采用分级式脉冲宽度调制算法对治疗强度进行精确的控制。

  系 统 中 的 LED 指 示 灯 由 开 发 板 提 供 给 用 户 的 I/O口(端口 F)进行控制。 程序设计中分别置端口 F 相应的位为高电平或低电平来控制 LED 灯的 亮与 灭, 以便 给用户提供直观的指示。

  按 键 电 路 是 利 用 开 发 板 提 供 的 按 键 接 口 来 实 现 强度和时间的控制功能。 按键驱动程序设计中通过将按键操作映射为 WINCE 环境下 的通 用键 盘事件 KEY UP 和KEY DOWN , 使 得应用程序能够响应底层按键操作 。

  报 警 电 路 是 利 用 定 时 器 0 的 PWM 功 能 进 行 控 制 。

  报警电 路的 作用 是当用 户设 定的治 疗时 间 开 始 及 结 束时,分别给予不同的警示。

  显示电路是利用板载资源中已有的触摸屏接口 ,外接 5.2 英寸 触摸显 示屏 ,给 用 户 提 供 生 动 活 泼 、操 作 方便、人性化的交互界面。

  2.2 高 频生物安全型信号源的电路设计
  高频信号源产生以 IR2153 作为驱动芯片,这是一种高压、高速、自震荡、带有高低端驱动的半桥驱 动器 ,可驱动 N 沟道功率 MOSFET。 高端和低端驱动输出有内部自带互锁电路,防止高端和低端同时导通而引起半桥电路短路。 本 文中设计了一种频率和占空比均可调节的前级电路, 通过调节前级电路可在 IR2153 的 HO 和 LO引脚输出频率相同 、高低 电平 互补的 驱动 波形 ,以 驱动电路中的 MOSFET。 高频信号源产生电路如图 2 所示。【图2】
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  其中振荡周期由电路中的 R2、R3 和 C1 确定, 具体公式为:【1】
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  调节电 路中 的 滑 动 变 阻 器 R2 可 改 变 其 振 荡 频 率 ,D3 导 通时 C1 充 电 ,D2 导 通时 C1 放 电 , 可见通过调节滑动变阻器 R3 即可调节输出波的占空比。

  IR2153 高 低端产生的波形要通过电路中的 MOSFET管和变压器放大到要求的治疗强度。 该变压器采用具有中心抽头的推挽式逆变器, 中心抽头接12 V 直 流电源 ,初级输入电路由参数相同的 MOSFET 管构成,采用两只MOSFET 管 并联的方式以增强驱动电流 。 这是一种完全对称的 结构 形式,且 MOSFET 管具 有驱 动方便 、不必 进行隔离的优点。 电路中 MOSFET 管以推挽方式工作,各负责正负半周的波形放大任务, 电路工作 时 Q2、Q3 与Q4 、Q5 为 180° 互 补导通 , 当 Q2 、Q3 导 通时 , +12 V 电 源电压加在变压器初级绕组 W11 上, 在 W11 中感应出与12 V 相 等的电动势 ; 当 Q4 、Q5 导 通时 , +12 V 电 源电压加在变压器初级绕组 W12 上,在 W12 中感应出电动势,其中 W11=W12=2 匝, 故在变压器的次级绕组 W2 中感应出对应正负半轴的电动势 EW2=(W2/W1)×12 V。 变压器采用 的磁 芯为 EC42,输 入 电 压 12 V,输 出 电 压 450 V,初级匝数为 2 T,次级匝数为 80 T,MOSFET 管开关频率为290 kHz 。 经过 MOSFET 管 和变 压器放 大 的 信 号 即 可 通过陶瓷手柄作用于人体进行理疗。

  3 软 件设计

  本系统的软件设计主要包括两大部分:(1) 底层驱动程 序 开 发 , 包 括 I/O 口 驱 动 、PWM 驱 动 、 键盘驱动和触摸屏驱动等; (2)嵌入式应用程序开发,包 括 响 应 键 盘 事 件 、对 I/O口进行控制等。 该系统主程序流程图如图 3 所示。【图3】
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  (1) 驱 动程序开发在 WinCE6.0 系 统 下 应 用程序无法对物理地址进行直接的操作, 但可以在内核中添加驱 动 程 序 实 现 地 址 虚 拟 映 射 ,以达到操作硬件的目的。 该系统的驱动程序编写采用流驱动程序, 流驱动程序由设备管理器统一加载、管理和卸载。应 用程序使用 Windows CE 操作系统的文件 API 函数和流接口进行通信,从而实现相应的功能。本系统所需要的驱动程序包 括 LED 驱动 、 蜂鸣 器 驱 动 、PWM 波 驱 动 、 键 盘 驱 动 、 触 摸屏驱动等。 完成所需流驱动程序编写后,将其加入到内核 重 新 编 译 生 成 内 核 文 件 NK.bin 和 NK.nb0 再 下 载 到NandFlash 中 即可使用 。

  (2) 应 用程序的开发本 系 统 应 用 程 序 开 发 主 要 包 括 界 面 设 计 和 功 能 设计 ,系统 配有 5.2 英 寸液 晶 显 示 屏 ,界 面 设 计 以 显 示 直观、界面友好、操作方便、人性化为目标;功能 设计 中采用分级式脉宽调制算法实现不同强度理疗信号输出,即通过更改 PWM 占空比和频率,实时改变理疗波形强度,以最低强度 (强度 1) 为例,PWM 波如图 4 (a) 所示,经PWM 波 调 制 的 理 疗 波 形 如 图 4 (b) 所 示 , 该 理 疗 仪 采 用五级分级制度输出理疗波形供用户选择,强度 1 为最低强度,强度 5 为最高强度。该应用软件采用 VS2005 进行开发,VS2005 是微软为小型设备量身打造的方便使用的软件, 支持 VC++、VB、C# 等 语言 ,此次采用了 C# 语 言进行应用程序的开发 。 在应用程序中通过调用 WinCE 的 API 函数 CteatFile 打开设备,然后用 DeviceIOControl 与驱动程序进行通信,包括读和写两种操作,操作完毕后用 CloseHandle 关闭设备。【图4略】

  4 测 试与分析

  本 文 研 制 的 术 后 康 复 理 疗 仪 在 常 温 下 以 实 验 室 人员 为实 验对象 , 以强 度 1 为 例 测 得 电 极 输 出 的 波 形 如图 5 所示。 该输出波形是经强度 1 的 PWM 调制的正弦波,正弦波输出频率为 287 kHz 左右。经长时间测试结果显示,该理疗仪符合设计标准,且电磁兼容性好,安全性高,理疗效果明显。【图5 略】
  
  参考文献
  
  [ 1 ] BIRGIT A L, LVERSEN H K , IBSEN P. Preclinical vali-dation of electrochemotherapy as an effeetive treatment forbrain tumors [ J ] . Cancel Res June , 2011 , 71 (11 ): 3753 - 3762 .
  [ 2 ] 胡 鸿志 . 新型低频电脉冲理疗仪的研制 [ J ] . 电 子测量技术,2011,34(7):5-7,23.
  [ 3 ] 史 钦文 , 祝 忠明 , 刘 再东 , 等 . 基 于 AT89C2051 单 片机的超声波理疗仪设计[J].电子元器件应用,2010,12(11):11-14 .
  [ 4 ] 邹 海军 , 齐 海兵 , 潘 正中 . 磁热按摩理疗仪的制作 [ J ] . 湖 北理工学院学报,2012,28(5):15-17,26.
  [ 5 ] 张 强 , 忻 尚芝 , 邢 斌 . 基 于 S3C2440A 的无创血氧检测系统设计[J]. 电子技术应用,2013,39(6):67-69,73.
  [ 6 ] 李 明 . 利 用 IR2153 自 振荡 MOS 驱动器实现变频驱动 [ J ] .今日电子,1999(2):15-16.
  [ 7 ] 王 东宏 . 晶体管推挽式逆变器设计及其应用 [ J ] . 电 气自动化,1998(3):26-27.
  [ 8 ] 关 珊珊 , 管 强 . 基 于 ARM 的电热炉温度采集与控制系统[J]. 微型机与应用,2013,32(10):69-72,76.

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