基于DSP Builder的脉冲治疗仪的波形设计

王永周

（河北大学 电子信息工程学院，河北 保定071000）

传统的脉冲治疗仪采用模拟分立元件或向ROM中填写大量的波形数据来产生波形，波形的种类和样式受到电路硬件或ROM中数据的限制，灵活性和稳定性相对较差[1]。采用FPGA器件用DSP Builder模块实现脉冲治疗仪的波形，具有设计简单灵活、外围电路少、可靠性高、现场可编程等优点。

1 脉冲治疗仪

1.1 脉冲治疗仪的原理

脉冲治疗仪采用频率、相位和振幅可调的各种波形的电脉冲来实现对相应疾病的治疗，治疗时随着电脉冲信号的变化患部肌肉会产生不断抽动，从而改善人体镇痛、调整内脏功能、提高机能状态，临床运用广泛，副作用较小。

脉冲治疗仪的临床治疗机制是[2]：人体组织是由水分、无机盐和带电的胶体组成的复杂电解质导电体，当脉冲电作用于机体时，使带电的离子定向运动，消除细胞膜的极化现象，使离子的浓度及分布发生显著变化，从而使组织的生理代谢发生改变；另一方面，通过作用于淋巴管壁和血管壁的神经感受器，经植物神经中枢反射到局部，促使毛细血管扩张，血管壁的渗透性增加，改善了供给和营养，提高了组织细胞的活力，再生过程得到加强。因而，不同的脉冲波形、频率变换和刺激强度具有不同的治疗作用。

1.2 脉冲治疗仪输出波形的特点

脉冲治疗仪主要是基于电疗法原理来设计的，通常情况下，电疗法大致有低频疗法(1 Hz～999 Hz)、中频疗法(1 000 Hz～9 999 Hz)、高频疗法(10 000 Hz以上)3种。3种疗法相比较，低频波的疗效好而渗透力较差，高频波的渗透力好，但单纯使用则治疗效果不理想，会使肌体产生抗电耐受性。为弥补各种波的不足往往将低、中、高频波组合起来，使作用的深度和治疗的效果均获得明显的提高[3]。

输出波形大多为不同频率和幅度的正弦波、方波、矩形波、锯齿波、指数波等。临床治疗实践表明[3-4]，尖波多用于治疗瘫痪，方波常用于治疗痛症、痉挛和炎症，正弦波多用于治疗神经痛、神经炎、肌炎和肌萎缩。不同的疏波、密波和不同的间断波组合成不同的脉冲组，使之产生不同的治疗效果。为消除电刺激产生的极化现象，输出波形应为正、负交替，正负向完全对称，直流分量完全为零，这样可以达到最佳的治疗效果。

2 直接数字频率合成技术

直接数字频率合成DDS(Direct Digital Frequency Synthesis)是从相位概念出发直接合成所需波形的一种频率合成技术[5]，具有频率转换快、分辨率高、频率合成范围宽、相位噪声低且相位可控制等优点。其基本原理如图1所示。

图1 直接数字频率合成原理

若频率控制字为K，相位累加器为N位，参考时钟频率为 fclk，则输出频率为 fout=(fclk/2N)×K，当 K=1时，DDS为最小频率输出，因此DDS的最小频率分辨率（或称步长）为Δfmin=fclk/2N。根据奈奎斯特抽样定律，DDS的输出上限频率为时钟频率的1/2，即 fout≤fclk/2，由于实际输出低通滤波器的非理想特性，工程上可实现的频率上限为。DDS的输出波形由波形查找表中的数据来决定。

3 基于DSP Builder的波形设计

3.1 基本波形的设计

利用DSP Builder模块构建基于DDS技术的各种频率、相位、幅度可调的基本波形[6]，如图2所示。

图2中，端口Input1为频率控制字输入端，端口Input为相位控制字输入端，端口Input2为波形选择控制端，端口Input3为振幅控制端，端口Output为波形输出端，LUT为查找表模块，通过相应的设置可产生各种波形。该系统模块可以实现基本波形的输出，并且可以调整基本波形的频率、相位和振幅。

设定时钟频率为fclk，输出脉冲波形的最低频率为fout，具体的波形设计如下：

(1)产生矩形波的LUT模块的Matlab array可设置为：

(2)产生正弦波的LUT模块的Matlab array可设置为：

(3)产生三角波形的LUT模块的Matlab array可设置为：

(4)产生指数波的LUT模块的Matlab array可设置为：

(5)产生锯齿波的LUT模块的Matlab array 可设置为：

(6)产生梯形波的LUT模块的Matlab array可设置为：

图2 基本波形的DSP Builder系统模块

依据以上设置得到无极性的矩形波、正弦波、三角波、指数波、锯齿波、梯形波的Modelsim仿真波形，如图3所示。

3.2 组合波形的设计

在波形输出上采用几种基本波形交替输出、疏密波组合输出以及具有间歇的动态输出，可以削弱人体的适应性。通过VHDL编程实现了多种波形相互交叉输出而且可以对每一种基本波形进行频率、振幅、相位和输出时间的设定。图4是产生组合波形的流程图，图5是正弦波、三角波、指数波、梯形波、矩形波的交互输出的Modelsim仿真波形效果。

3.3 利用DSP Builder模块构建调制波

三组基于DDS技术的DSP Builder模块相互嵌套组成了对任何一种基本波形进行频率和幅度调制的系统，可以实现可设定频率与幅度的任意基本波形对另一种基本波形进行频率和幅度调制。通过对相关参数的设置，可以得到各种调制波形的输出[7-8]。系统模块设计如图6所示。

临床证明[2]，中频电波中，2 kHz左右的电波对腹泻等疾病有很好的疗效，而6 kHz～8 kHz的电波又具有按摩作用，为了同时达到这两种效果，可以通过一定频率的正弦波对指数波进行幅度调制来实现。系统模块的参数设置如下：

(1)产生波形的时钟频率为0.5 MHz；

(2)载波指数波的波形设计LUT3模块的Matlab array为：

图3 基本波形的Modelsim仿真

图4 组合波形的产生流程

图5 组合波形的Modelsim仿真

(3)载波指数波的相位控制字即模块Constant6的值为0；

(4)载波指数波的频率控制字即模块Constant4的值为5；

(5)调幅波正弦波的波形设计LUT4模块的Matlab array为：

511×sin([0:2×pi/2ˆ15:2×pi])

(6)调幅波正弦波的相位控制字即模块Constant7的值为 0；

(7)调幅波正弦波的频率控制字即模块Constant8的值为 9；

(8)调幅波正弦波的振幅控制字即模块Constant10的值为 0.001 5。

图6 产生调制波形的DSP Builder系统模块

用输出的正弦波对指数波进行幅度调制，调制波形的Modelsim仿真及频谱如图7所示，输出波的频谱同样包含 2 kHz～3 kHz和 7 kHz～8 kHz两个频段。

图7 调制波形的Modelsim仿真及频谱

脉冲电疗法属康复医学中的物理治疗学领域，可用于众多疾病的治疗和康复，因此在临床理疗和家庭护理中得到广泛应用。随着电疗法研究的深入，对电子治疗仪的输出波形提出了更加复杂的要求。本文给出了基于DSP Builder的脉冲波形设计方法，采用此方法对参数进行设置可以产生满足各种医疗需求的电脉冲，从而使治疗仪达到最佳治疗效果，而且可以方便灵活地实现对产品的优化升级。

[1]邓亲恺.现代医学仪器设计原理[M].北京：科学出版社，2009.

[2]乔志恒.理疗学[M].北京：华夏出版社，2013.

[3]金荣疆，张宏.物理治疗学[M].北京：人民卫生出版社，2012.

[4]李刚，张旭.生物医学电子学[M].北京：电子工业出版社，2008.

[5]白居宪.直接数字频率合成[M].西安：西安交通大学出版社，2007.

[6]王康佳，刘诗伟，孙番典.基于 Matlab/DSP Builder任意波形信号发生器的两种设计[J].现代电子技术，2011，34(3)：179-181.

[7]肖炎根.基于DSP Builder的AM信号发生器的设计[J].电子技术，2010，47(3)：37-40.

[8]雷国伟，林兴元，舒强，等.基于 DSP Builder的通用调制信号发生器设计[J].电视技术，2009，33(2)：18-19.