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基于按摩的电刺激器的设计

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《生物医学_T程学进展}2010年第31卷第2期doi:l0.3969/j.issn.1674・,12,42 2010.02.003 研究论著 ・73・ 基于按摩的电刺激器的设计 代丽丽‘,朱翔明 ,陈林 ,陈玉 ,勇 健 ,刘书朋。 1.上海大学通信与信息工程学院(上海,200072) 2.江苏大学电气信息工程学院(镇江,212013) 3.上海布康医疗器械有限公司(上海,200040) 【摘要】 目的设计一种基于中医按摩的电刺激仪器——将产生的电刺激信号通过中医的按摩手法给患者按摩。方法 研究实现了预期目标,用户可通过LCD提示输入控制点刺激信号强 对51单片机开发应用,实现了 研究采用STC89C58RD+单片机作为控制器,采用LCD点阵液晶显示作为可视化的提示工具,采用4 4矩阵键盘作为输入 控制接口,采用变压器作为电刺激信号升压器件。结果度的按键,单片机处理后输出相应的脉冲波形,进而触发生成用于按摩的电刺激信号。结论I关键词】 电刺激;中医按摩;STC89C58RD+ 输入不同的频率信息,产生不同强度的电刺激信号,使人感觉不同程度的麻刺激,能够用于治疗和保健。 【中圈分类号】 R318.11 【文献标识码】A 文章编号:1674—1242(2010)02—0073—04 The Design of an Electrical Stimulation Based on Chinese Traditional Medical Massage Dai Lili ,Zhu Xiangming ,Chen Lin。Chen Yu ,Yong Jian ,Liu Shupeng‘ ,1.School of Communication and Information Engineering,Shanghai University Shanghai 200072 2.School of Electrical and Information Engineering,Jiangsu University Zhenjiang 2 120 13 3.Shanghai Bukang Medical Instrument Co Ltd.Shanghai 200040 【Abstract】 Objective The paper is iaming to design an electrical sitmulation insturment based on Chi. nese massage,and it trnsfaers the sinagl of electircal stimulation through specila massaging manner of Chinese Med— ical to patients. Methods The research uses STC89C58RD+MUC as the core contolrler,USeS dot matirx LCD screen as a visual tool to clew the user,and uses 4:lc 4 matirx key board as the interface of input,thus the step— up trnsfaormer is used to generate electrical stimulation sina1.g Results The research realized its expected goa1. So users can input a key used for controUing the strength of the stimulation sinagl after power on.The MCU receives the data and processes,and then generates a pulse signal to trigger he ftinal circuit to generate electrical stimulation sinagl used for massage. Conclusion The research realized the development of 5 1 MCU applications,and the pulse signal with different frequency through the saBle step—up transformer Can generate different voltage.The big- ger the higher.This system we developed can used for treatment and health. 【Key words】 electrical sitmulation,Chinese massage,STC89C58RD+ 0引言 中国传统的针灸推拿、按摩经过几千年的实践, 作者简介:代丽丽E—mail:lilym_2006@126.COl/l 具有养生保健功效,其科学机理也得到初步探 索…。电刺激疗法作为现代医学中理疗方法的一 种,在临床及医学研究中有广泛的应用,例如穴位电 刺激治疗颈部疼痛 、神经肌肉电刺激治疗指间关 ・74・ 《生物医学工程学进展))2010年第3l卷第2期研究论著 节扭伤 、电刺激恢复臂丛神经【4 等等。将电刺激 与中医按摩结合起来治疗,对受伤软组织 J、剖宫 产产妇肠功能恢复 J、慢性咽炎的治疗 等等有一 定的研究。电刺激仪器经过长期的发展,有很多种 类型并且运用在临床理疗等。本文设计一种配合中 医按摩手法的电刺激设备,具有无创性,操作简单等 特点。其功能在于将医生和患者分别连接在输出电 压的两级,使输出电流(小于人体安全电流10mA) 通过医生的双手给患者按摩,给患者受刺激部位以 揉、挤、压、麻的感觉,从而达到镇痛、穴位刺激等目 的,进而疏通经络和缓解疲劳等。 1电刺激器硬件设计 电刺激设备主要由电源模块、单片机控制模块、 人机接口模块和电刺激输出模块构成。其中电源模 块包括外接电源部分和内置电源电路;人机接口模 块包括键盘输入电路和LCD显示电路;电刺激输出 模块包括交流输出电路和直流输出电路。其系统结 构如图1所示。整个硬件系统的原理图设计和PCB 图的制作在Protel DXP下完成。 l 外接 =]二 l电源模块 厂]皇鎏壁堡 I 内置 土—I——键一 盘电路 酱 一l  ,块l显示电路 :.1 i kl丽i H i_ ̄一1 图1系统绪构框图 Fig.1 System block diagram 该系统外接电源采用220V交流电到12V直流 电的开关电源,用作电刺激设备的供电电源。内置 电源采用LM2576T一5.0集成稳压器将12V直流电 压转换成5V直流电压给单片机、键盘输入电路和 LCD供电。中央控制器采用STC89C58RD+单片 机,与51单片机兼容,LCD 示器采用MS12864J, 键盘采用4 4矩阵键盘。根据PWM调制原理,频 率不同的信号,电压升高不同。控制器输出脉冲信 号通过晶体管(¥8050)放大,再通过BD679与变压 器耦合。变压器采用12V一220V变压器生成高压 交流信号,通过进一步的桥式整流和电容滤波生成 高压直流信号。 1.1 系统电源模块电路 根据电刺激的供电特点,将系统的电源模块分 为外接电源和内置电源两个部分。外接电源采用市 电220V一12V直流的开关电源,功率为12W。内置 电源电路采用LM2576—5.0集成稳压器,能够驱动 3A的负载,待机电流为50uA,而且在故障时可提供 热关断功能。在制定输入电压和输出负载条件下, 输出电压误差为4%,振荡频率误差为10%。设计 采用厂商提供的典型的12V(DC)一5v(DC)稳压电 路。为消除数字地和模拟地之间的干扰,将二者之 间接入0电阻。如图2所示。 DS1 舶 + C1 16V 100uF c3 16V 10D0uF 图2 系统内置电源电路图 Fig.2 System built—in power supply circuit 1.2控制模块和人机接口模块电路 设计采用STC89C58RD+(89C51系列)单片机 作为中央控制器,控制电路及其周围的人机接口电 路如图3所示。89C51系列单片机灵活方便,实时 控制、实时处理的功能比较完善,硬件配置简单。该 控制器与80C51兼容,最高时钟可达80M,掉电模 式小于0.1uA,空闲模式2mA,正常工作4mA一 7mA,其Flash存储器64K,1280字节的RAM存储 器,而且抗静电能力高,电压范围宽,不怕电源抖动, 比较适合用于人体长期接触的设备控制。 人机接口模块包括LCD显示电路和键盘输入 电路。液晶显示器采用MS12864J,可以显示任何需 要的字母、数字、汉字和标点符号,利用P0口的数据 输出功能输出现时代码,同时也采用P1口和P2口 的部分端口作为控制信号。为了节省I/0口,键盘 电路采用P2口的高四位于低四位分别作为矩阵键 盘的扫描行和扫描列,使用的外接式薄膜键盘使设 备 得简洁美观,更便于操作者使用。为满足不同 病人的需求,键盘上设置有电刺激信号的频率按键: 《生物医学T程学进展 ̄2010年第31卷第2期研究论著 ・75・ 图3控制模块和人机模块电路 Fig.3 Controlling module and man—machine interface module circuit 50Hz,lOOHz。由控制器接收按键信息并实时处理, 控制LCD显示。另外,“确定”,“取消”键控制脉冲 信号输出,在“确定”键输入后,由控制器定时输出 设定频率下相应的脉冲波形,以控制电刺激输出模 块的工作。 1.3 电刺激输出模块电路 电刺激输出模块电路接收控制器输出的一定占 空比的脉冲信号,从而进行电流放大和变压器升压, 进而整流滤波。设计采用¥8050作为电流放大器, 驱动BD769耦合变压器。变压器采用12V一220V 的升压变压器,BD679的集电极采用反向二极管滤 除变压器感应电流,电阻可以抑制耦合功率,变压器 的输出极接电阻用于限流,是通过人体的电流小于 安全电流10mA,整流前的交流电压可作为交流电 极输出,分别为AC一1和AC一2。进一步的整流滤 波电路将交流电转换为直流电,从电极DC一1和 DC一2输出,如图4所示。 图4 电刺激输出模块电路图 Fig.4 Electronic Stimulation output module circuit 3系统软件设计 本系统的软件系统比较简单,流程图如图5所 示。系统的软件采用89C51语言开发,由 STC89C58RD+单片机实现。程序的编写和调试在 Keil uVision3下完成,设计中的字符显示代码采用 字模提取软件提取,设计方便、简单。软件系统执行 简单,功能实现顺利。 系统可通过上电复位或通过控制器复位电路复 位。复位后的控制器即进入初始化阶段,初始化完 成变量的定义、函数的声明等。进入主函数,控制器 首先对LCD清屏,然后输出显示字符的代码,提示 用户设置占空比按键。用户可根据需要确定或取消 占空比键值,确定后的键值需要通过确认控制器才 能输出相应占空比的脉冲信号,从而控制电刺激输 出模块的工作。整个系统调用了LCD的Busy检测 函数,写控制代码和写显示代码函数,键盘扫描函数 等。 圈5系统控制流程图 Fig.5 System controlling flow chart 4结论 设计采用89C51单片机可编程控制器作为系 统的中央控制器,构成电刺激的控制系统,使用Keil c51语言实现的控制功能,使得系统能够根据用户 输人的频率信息,在很短时间内实现电刺激输出,包 括交流和直流输出,输出电流在lOmA以下。经按 摩测试对比具有镇痛,减少疲劳等效果。 (下转第92页) ・92・ 《生物医学工程学进展 ̄2010年第31卷第2期临床医学工程 化,运用呼吸机进行NPPV组取得了更好的抢救效 的认识,减轻佩戴面罩过程中的恐惧感,选择合适的 果。其主要机制为: 面罩,实施NPPV的场所应具备一定监护条件(至少 应包括对基本生命体征、血气和SpO:的监测)。如 NPPV治疗1—2小时病情得不到改善,则须考虑停 止NPPV并改用IPPV J。急性心源性肺水肿早期 使用NPPV治疗,有利于提高抢救成功率,缩短病 程 。避免了气管切开或气管插管.减少了有创治 (1)正压通气使胸腔内压增高,静脉回心血量 减少,心脏前负荷降低,从而缓解了肺淤血; (2)机械通气可以缓解呼吸肌做功,降低了氧 耗; (3)胸内正压也能降低左心负荷,有利于左心 功能的改善; 疗中的并发症,在基层医院中具有进一步探讨和推 (4)急性肺水肿时即使血氧分压正常也存在不 广应用价值。 同程度的组织缺氧,气道正压给氧可以防止和减少 肺毛细血管内的液体渗出,同时正压通气也可以使 参考文献 肺泡内的气泡破碎,有利于通气; [1]曹志新,王辰.无创机械通气的应用范围及指征[J].中 (5)缺氧改善后,心肌收缩力增强,强心、利尿 华结核和呼吸杂志,2002,25:136—137. 剂能更充分地显效; [2]李承红,夏筱娟,王传海,等.呼气未正压通气治疗急性 (6)肺泡内正压对肺间质水肿有挤压作用,有 肺水肿[J].江汉大学学报(自然科学版),2003,31:49— 利于肺间质水肿的消退。 51. 理论上讲,具有完善监测与报警功能的大型多 [3]俞森洋.机械通气和呼吸监护在I临床上的应用[M]. 北京:中国协和医科大学出版社.2000:497—503. 功能呼吸机以及专用无创的BiPAP呼吸机均可用 [4]叶任高,陆再英.内科学[M].6版.北京:人民卫生出版 于NPPV。其中BiPAP呼吸机是目前最常用的无创 社.2oo5:61. 通气呼吸机,有时BiPAP治疗效果欠佳时可以改用 [5]British Thoracic Society Standards of Care Committee.Non 大型多功能呼吸机进行无创正压通气,往往会收到 —invasiveventilation in acute respiratory failure[s].Th0・ 意想不到的效果。其原因考虑后者可以提供更高的 lax,2002,57:192—211. 吸人氧浓度,能更快纠正低氧血症,同时能更快缓解 [6]吴翔,金国峰,黄海鹰.经面罩BiPAP通气治疗急性肺水 呼吸窘迫,降低氧耗。虽然NPPV治疗心源性肺水 肿的疗效观察[J].实用医学杂志,2005,21(15):1676一 肿效果显著,也应具备行NPPV的一些基本条件,其 】677. 中意识、咳痰能力和患者主观及客观配合NPPV的 能力最为重要,在治疗前应尽快取得病人对该治疗 (收稿日期:2010-03—14) ;二 二 穹 \! ; ; 写 = 写\!;; \! 石 分 (上接第75页) ence&Sports,2009,24(3-4):192—195 [4]杨慧.臂丛神经损伤的康复护理[J].中华现代护理学杂 参考文献 志,2009,6(7):663 [1]李戎.中国古代针灸推拿(按摩)养生保健学术理论及 [5]赵一宇,庞晓军.自然生物电推拿法治疗急性软组织挫 方法学体系研究——兼论针灸按摩养生保健的现代科 伤临床疗效及其安全性的初探[J].时珍国医国药, 学作用机理[D].成都:成都中医药大学,2001 20o7,18(12):3089. 【2]Chan D K C,Johnson M I,Sun K 0,et al。Electircal [6]杨素勉,王亚珍,乔淑章等.低频电流结合穴位按摩对剖 acustimulation of the wrist for chronic neck pain:A rail— 宫产产妇肠功能恢复的疗效观察[J].中国康复,2008, domized,sham—controlled trial using a wrist—ankle acus— 23(1):36—37 timulation device[J].The Clinical Journal of Pain,2009, [7]严道南,钱丽,耿晓文等.人迎、水突穴推拿及脉冲电刺 25(4):320—326 激治疗慢性喉炎的初步临床研究[J].中国中西医结合 [3]Boisgontier M,Vuillerme N,Thomas D,et a1.Effects of 耳鼻咽喉科杂志【J].2007,15(1):57—59 neuromu ̄uls/"electrical stimulation on the Fange of motion recovery in hand proximal interphalangeal sprain【J].Sci— (收稿日期:2010—05—10) 

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