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基于嵌入式的膀胱神经和肌肉电刺激仪

作者:陈香 叶露林 朱麟时间:2018-04-26来源:电子产品世界收藏
编者按:研制一种柜机推车式医用膀胱神经和肌肉电刺激仪。该治疗仪采用STM32系列芯片作为系统的控制核心,产生一组符合人体生理学的仿真生物波,对膀胱神经和肌肉进行刺激,最终达到缓解和治疗尿失禁、膀胱残余尿和尿潴留等疾病的目的。与已有的同类仪器相比,该治疗仪具有模式多样、外观精美、操作方便以及成本低等特点,可以满足不同患者的需求。

作者 陈香 叶露林 朱麟 江苏信息职业技术学院(江苏 无锡 214153)

本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/201804/379040.htm

  陈香(1989-),女,硕士,研究方向:单片机及数据处理。

摘要:研制一种柜机推车式医用膀胱神经和肌肉仪。该治疗仪采用系列芯片作为系统的控制核心,产生一组符合人体生理学的,对膀胱神经和肌肉进行刺激,最终达到缓解和治疗尿失禁、膀胱残余尿和尿潴留等疾病的目的。与已有的同类仪器相比,该治疗仪具有模式多样、外观精美、操作方便以及成本低等特点,可以满足不同患者的需求。

0 引言

  作为内分泌科的一类常见疾病,膀胱类的疾病主要表现为残余尿增多、尿潴留及尿失禁等。膀胱类的发病原因各不相同,如生活不规律、酗酒、脊髓神经受压迫或损伤、药物的副作用以及产后恢复不佳等,若不及时治疗,则可能引发上尿路感染,进而引起全身性感染和肾功能衰竭而导致患者死亡[1]。传统的治疗方法可以通过手术植入刺激仪或者插导尿管,但手术中病人需要承受巨大的痛苦,并且术后的生活受到限制,生活质量下降。

  随着信息技术的发展,医疗设备被广泛应用到临床和治疗中,膀胱神经和肌肉仪也因需而生。该治疗仪利用嵌入式系统低成本、低功耗、高性能等特点,产生一组,经过放大和稳定后,以低频的方式多方位地刺激膀胱,使其产生缓慢的收缩和伸张运动,从而帮助患者锻炼膀胱及括约肌功能[2],实现减缓痛苦和治疗的目的。

1 治疗仪硬件设计

  膀胱神经和肌肉仪要完成的产生和两路输出波形参数调节两大主要功能。针对两个功能需求进行硬件的控制系统设计和外围电路的设计。

  1.1 治疗仪硬件构成

  膀胱神经和肌肉电刺激仪的硬件系统主要由电源转换模块、控制系统、和按钮、信号隔离放大模块以及继电器控制输出模块组成,如图1所示。当接入220 V交流电压后,经过AC适配器将电压转换成直流电压,并经过电源转换模块将电压分成3路,分别给后面的模块提供稳定的3.3 V、5 V和12 V电压。嵌入式系统采用[3-4]作为核心控制系统,主要用于仿真生物波的产生、的通讯、参数的设置和飞梭按钮的设计。为用户提供参数设置的可视化界面操作简单易上手,飞梭按钮作为触摸屏失灵时的备用参数设置操作。信号隔离将控制系统产生的波形进行两路分流并分别送至对应的波形放大模块进行放大。继电器模块根据设置的参数控制波形的持续时间以及不用模式电极信号输出。

  1.2 治疗仪控制系统设计

  膀胱神经和肌肉电刺激仪的控制系统是整个硬件系统的核心部分,采用F100系列芯片的强大功能来完成硬件编程,最终实现治疗仪参数设置和治疗,其控制系统的功能说明如图2。

  膀胱神经和肌肉电刺激仪的控制系统需要实现以下功能:仿真生物波的产生及频率幅度的可调、治疗模式选择、系统与触摸屏参数的通信、治疗中时间的设置和飞梭按钮的功能,并配合外围电路使得电极中的波形具有治疗的效果。

  仿真生物波是有着特定规律的波形,需要电压按照其线性的规律进行幅值放缩和调节单个完整波形的频率,该波形由引脚PA4采用TIM/CAD/DMA[3,5]相结合的方式来产生,其中CAD负责调节幅值,TIM负责调节频率,再结合外围电路对波形进行分流和线性不失真的放大。飞梭按钮由引脚PB12、PB13、PB14的外部中断实现,分别对应正转、反转和按下三个状态。触摸屏与控制系统之间采用MAX232的方式进行通讯,将界面设置的参数和状态传输给系统后进行相应的功能实现。定时器功能主要用于治疗时间和持续时间的控制。模式选择由引脚PA1和引脚PA2的I/O功能实现,其输出电压控制外围电路继电器的打开和闭合,分别命名为JK1和JK2,不同模式与两个引脚逻辑值之间的关系见表1。

  1.3 仿真波形的产生

  膀胱神经和肌肉电刺激仪主要是利用嵌入式系统的控制技术产生可控的有规律的仿真模拟生物电波来刺激膀胱壁的逼尿肌,时期有节奏地缓慢舒缩,恢复逼尿肌的收缩记忆,促进损坏神经的修复,帮助恢复逼尿肌的收缩功能。

  膀胱神经和肌肉电刺激仪的仿真波形由两组仿真生物波的数值组成,其值范围为0~4095,每组数据包含1200个数值,将其看成两个数组sbit[1200]和sbit_1[1200],数据量较大。为了提高数据传输速度,同时减轻CPU的负担,采用DMA(直接存储器存取)进行快速的数据传送。为了保证在任何治疗频率下都能输出完整的仿真波形,还需要结合治疗频率可调的最大数值来计算DAC每次写入数据的频率,通过TIM来驱动DAC的节奏,频率与TIM需要配置的参数之间的关系为式(1):

(1)

  其中,治疗频率max为已知的最大治疗频率值,SYSCLK为系统时钟,PreScaler为时钟分频数,Period为计数器值,由式(1)可以计算出需要配置参数的数值。

2 治疗仪的软件设计

  膀胱神经和肌肉电刺激仪采用的显示屏为触摸屏[6],加上系统设计中的飞梭按钮,可以通过两种方式进行输出波形的调节和时间等参数的设置。既可以让用户根据自己的喜好选择参数设置方式,又保证了系统运行的稳定性和可靠性。

  2.1 触摸屏及飞梭按钮

  膀胱神经和肌肉电刺激仪配备带有触摸屏的LCD显示屏,可支持图形人机界面。治疗仪显示屏界面基于VisualTFT图形界面软件进行设计,人机界面架构图如图3所示,有三个子界面,分别为欢迎界面、选择界面和主控界面。其中欢迎界面显示该治疗仪的名称、型号、公司以及版本号的相关信息;选择界面主要选择不同的治疗模式:同步治疗和异步治疗;主控界面分为参数设置和启停控制两个部分,其中参数设置包含治疗时间、治疗频率、持续时间和治疗强度四个参数,启停控制可进行治疗仪的开始治疗、暂停治疗、停止和返回四种状态的切换。

  当治疗仪的触摸屏失灵或者习惯旋钮操作者,按一下按键启用飞梭按钮进行操作。飞梭按钮采用旋转编码开关[7]进行设计,通过旋转编码开关的左旋和右旋分别实现屏幕上参数和不同模式间的跳转选择和参数数值的设置,旋转编码开关按下来达到确认参数修改以及治疗仪启停状态的控制,提高了系统整体的稳定性和可靠性。

  2.2 治疗仪整体流程

  膀胱神经和肌肉电刺激仪从上电开始到一个治疗结束,参数设定都必须遵循着特定的规则,避免在治疗过程中给患者带来不适,甚至加重痛苦,治疗中一共有四个启停控制状态决定当前参数能否设置和修改,主控界面上由两个触摸按键“开始治疗”和“返回”进行切换控制,“开始治疗”和“暂停治疗”交替切换,“停止”和“返回”交替切换,治疗中、暂停治疗和未治疗(结束治疗和治疗前)三种不同状态的界面显示和相互之间的转换控制以及与参数设置的关系如图4所示。

  膀胱神经和肌肉电刺激仪可以设置的参数有四个,其中治疗时间是治疗仪产生波形输出电极信号的总时间,只能在治疗前进行设置;治疗频率和持续时间用来控制产生波形的频率和维持时间,可以在治疗的任何状态进行调整;治疗强度控制波形输出的幅值,即电压的大小,为防止开始的电压太大给患者带来不适,该参数只有在治疗开始后才可以调节,暂停或停止治疗时该参数值立刻清零,每次调节都是从0开始并且要缓慢地递增;治疗仪自动结束也会回到未治疗的状态。

3 治疗仪的软硬件测试

  膀胱神经和肌肉电刺激仪采用STM32系列芯片作为核心控制系统,并结合触摸屏或者飞梭按钮通过MAX232的串口传输参数来控制电极片波形输出的频率、幅值、持续时间等。每台治疗仪在进行组装形成一个完整的产品时,需要结合治疗仪的技术参数和使用说明,分别对系统进行了硬件测试和软件测试,保证仪器整体性能的稳定性和可靠性,为临床使用提供安全可靠的治疗效果。

  3.1 硬件测试

  膀胱神经和肌肉电刺激仪采用PCB设计制作电路板,测试遵循先强电后弱电、电压由高到低、范围以MCU为中心由小到大向外扩展的原则[8]。首先测试各模块电源系统,然后测试核心控制系统,进而测试串口、飞梭按钮、触摸屏等接口和外设。万用表和示波器是进行硬件测试的必备工具,万用表主要用来测试各模块电压是否正常,示波器主要用来测试仿真生物波的输出是否跟强度参数值成线性关系。

  输出波形的幅值与强度成线性之后,需要对电路的放大模块进行调试,通过调节电位器使得放大后的模块呈现最大线性不失真的状态。

  3.2 软件测试

  基于通过测试的治疗仪电路板,在Visual TFT中进行控件选择和界面设计后下载至触摸屏,通过串口通信将触摸屏上修改的参数传输给控制系统进行波形频率、幅值、持续时间的实时调节。不管在何时修改参数,系统都需要及时响应并输出波形。

4 结论

  该柜机推车式膀胱神经和肌肉电刺激仪采用STM32F100系列作为核心控制芯片,通过串口与触摸屏进行数据的传输和反馈,结合外围的波形放大电路、继电器控制电路、电源模块以及飞梭按钮等,产生符合人体仿真学的生物波并结合参数进行相应强度(幅值)、频率以及持续时间的调节,从而达到对人体膀胱神经的刺激,帮助患者顺利排尿,减轻患者的痛苦,在临床上具有良好的疗效。

  参考文献:

  [1]高键,代少升.便携式神经原性膀胱治疗仪的研制[J].医疗卫生装备,2007(28):7-8.

  [2]霍彩娟.膀胱治疗仪对长期留置尿管环镇的疗效观察[J].中国药物经济学,2012(4):47-48.

  [3]张滔.基于STM32单片机DMA机制的多通道数据采集[J].黑龙江科技信息,2013(30):27-27.

  [4]黄智伟,王兵,朱卫华.STM32F 32位ARM微控制器应用设计与实践[M]. 北京:北京航空航天大学出版社,2014.

  [5]刘先昆,潘红兵,纪圣谋,等.基于单片机系统采用DMA块传输方式实现高速数据采集[J].电子技术应用,2000(7):7-8.

  [6]张贵杰.基于STM32的医用控温毯控制系统的设计[D].大连理工大学.2015.

  [7]陈仨珂.带按键的旋转编码开关在单片机系统中的应用[J].机电工程技术,2012(41)115-117.

  [8]叶涛,李艳,朱学峰,等.基于嵌入式系统的膀胱肿瘤热灌注治疗仪[J].华南理工大学学报(自然科学版),2010(40):131-136.

  本文来源于《电子产品世界》2018年第5期第46页,欢迎您写论文时引用,并注明出处。



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