穿戴式慢性软组织损伤电疗仪的研制

2014-02-05谢晶晶种银保

中国医学装备 2014年9期

谢晶晶种银保赵安*

穿戴式慢性软组织损伤电疗仪的研制

谢晶晶①种银保①赵安①*

目的：研制一种可穿戴的慢性软组织损伤电疗仪，用于人体肩、背和腰等部位的低频电脉冲治疗。方法：将织物电极固定在弹性背心特定位置上，确保电极与使用者紧密接触。以MSP430单片机为核心，产生低频治疗脉冲，再经过功放电路和织物电极作用于人体，同时通过电极阻抗监测电路，避免产生打火灼伤人体皮肤。基于蓝牙技术实现智能手机控制终端与单片机的无线数据通信和测控。结果：可穿戴电疗仪使用方便、安全可靠，便于日常工作繁忙的上班族在工作时间的治疗和康复。结论：电疗仪的穿戴式设计方便患者进行慢性软组织损伤长时间持续治疗，有利于及时控制病情，节约就医时间，具有良好的应用前景。

电治疗仪；可穿戴；织物电极；阻抗监测；智能手机

谢晶晶,女,(1990- ),本科学历，实习生。第三军医大学新桥医院医学工程科，研究方向：可穿戴医学仪器。

[First-author’s address]Department of Equipment Management, Xinqiao Hospital, The Third Military Medical University, Chongqing 400037, China.

常见的慢性软组织损伤如颈椎病、肩周炎及腰腿痛等，给人们的工作、生活带来了不利的影响。随着人们工作生活节奏加快，长时间伏案工作，关节缺乏必要的活动，导致其功能逐渐减退，易引发慢性软组织损伤。慢性软组织损伤易反复发作、根治困难，需要进行长时间、不间断地治疗。而便携式治疗仪虽然功能齐全、便于携带，但电极的安放等操作需他人帮助方能完成，采用有线连接，无隐藏式设计，不利于患者健康信息的隐私保护，给其使用者带来心理负荷。为此，本研究设计的可穿戴医疗仪器能够为患者提供隐藏式设计和简单的操作，为使用者提供完善的解决方案[1-2]。可穿戴是一种新颖的设计理念，与人们穿戴的普通衣物相同，因而具有很好的人机界面，是一种安全、低生理心理负荷的新技术[3]。微型化、低功耗、安全性和互操作是可穿戴治疗设备设计的基本要求[4]。

结合市场需求研制了一种可以对人体肩、背、腰等部位慢性软组织损伤进行低频电脉冲治疗的电疗仪。采用集成织物电极的弹性背心、MSP430单片机等低功耗元器件和电极接触质量监测技术实现了可穿戴，基于智能手机和蓝牙通信实现隐藏式无线测控技术，具有安全性和隐蔽性好、智能化程度高、操控简便及穿着舒适等特点。

1 穿戴式慢性软组织损伤电疗仪的结构

穿戴式慢性软组织损伤电疗仪主要由集成织物电极的弹性背心、MSP430测控单元、电极-皮肤接触阻抗监测单元和无线测控单元4部分组成。

1.1 穿戴衣设计

为了将电脉冲治疗技术与可穿戴技术更好地结合，设计为集成织物电极的弹性背心式穿戴衣。特定形状的导电织物电极按照治疗部位的要求，镶嵌缝合在弹性背心上而形成。弹性背心采用弹性透气纤维材料制成，采用棉质面料制成不同的尺寸、规格，穿着舒适、透气，同时又能保持一定的弹性，保持背心与皮肤的紧密接触[5]。导电织物电极由一块两边都布满了碳纳米管的导电布内包裹软海绵构成，利用海绵受挤压后的弹力来确保导电布和人体皮肤充分接触[6]。由于碳纳米管不仅具有良好的导电性，并且有很强的吸附能力，因此很适合用来制作织物电极。同时利用导电布进行电极连线的布线，并将利用柔性PCB制成的测控板隐藏在背心的口袋中，测控板产生的脉冲通过织物电极作用于人体进行治疗。

穿戴衣上3对治疗电极，分布于颈肩、后背及腰椎部的位置。为了选择相应的电极进行不同部位的治疗，在电路中采用一片内部具有3个独立可选的单刀双掷(SPDT)开关的低导通电阻(2 Ω)芯片ADG733，分别于肩、背及腰部位的电极相连，设计程序控制ADG733芯片的某个通道工作，达到选择性治疗患痛部位的目的(如图1所示)。

图1 慢性软组织损伤电疗仪穿戴衣示意图

1.2 电路设计

测控板的主要功能是产生幅度可调的、两种不同占空比的低频治疗脉冲，并经过功率放大和隔离后施加到织物电极；监测电极与皮肤的接触阻抗；单片机通过蓝牙模块与作为控制终端的智能手机进行双向数据与命令传输，以实现智能测控与便捷的操作。测控板电路结构如图2所示。

图2 测控板电路结构图

测控板以MSP430F1611单片机为核心，是一款16位超低功耗单片机，符合低功耗设计的要求。其内含的两个定时器模块，可通过程序产生占空比可调的PWM波形作为治疗脉冲。其内部集成的D/A数模转换通道、数模转换后的电压控制信号可便捷地对治疗脉冲的幅值进行控制，而不需要添加额外的转换芯片，简化了电路，电路简单易于小型化设计。脉冲再经电压跟随器、功率放大，达到不同治疗计划的输出功率(最大8 W)后对人体进行治疗。

本电路设计与传统的电极采用粘贴式设计不同，其电极板是穿戴式帖附设计。实际使用中因为运动、流汗等因素，电极与皮肤之间可能出现位移、接触不良或短路等现象，使得接触电阻会发生变化。极限情况下会因为接触电阻的瞬间增大或减小产生打火现象，急剧产生的热量会灼伤皮肤[7]。故治疗过程中需监测电极与皮肤之间的接触阻抗，其原理与监护仪呼吸阻抗监测相类似[8]。与正常情况下的接触阻抗进行比较后，监测电路反馈阻抗变化信息回单片机，MSP430通过其集成的比较器CA0捕获阻抗的异常增大，瞬间切断治疗电极选通开关ADG733，防止治疗脉冲的不安全输出，确保使用安全。

1.3 智能终端设计

近年来快速普及的智能手机，为可穿戴设备的设计提供了一种理想的智能终端平台。基于智能手机强大的运算处理能力、便捷的无线通信能力、友好的用户界面，易于构建便捷实用的可穿戴医学仪器测控平台[9]。在本项目设计中，利用自带微型天线的蓝牙模块IDS-BM4A，测控板基于串口通信协议传输数据到蓝牙智能手机，进行分析处理和显示[10]。MSP430单片机作为下位机，可以接收上位机通过蓝牙模块发送的数据指令，进一步处理和响应，如治疗模式选择命令。发送数据时利用MSP430单片机内部的ADC12采集输出电流、电极接触阻抗等信号，将转换的数字量通过SPI模式传递给IDS-BM4A。数据经蓝牙无线传输发送给手持终端，手持终端读取后，处理显示或报警。

2 穿戴式慢性软组织损伤电疗仪系统软件设计

系统软件基于模块化、结构化的程序设计采用标准的C语言编写，主要包括测控板单片机MSP430上的主程序、中断服务程序、智能手机的控制子程序及串口通信程序等，蓝牙通信功能步骤为：蓝牙模块自身初始化端口、初始化蓝牙硬件、HCI流量控制设置、查询、建立连接、进行ACL数据传输和断开连接等[11]。

2.1 智能终端模块软件设计

智能手机中集成了丰富的资源，如蓝牙、液晶及存储等，并且可通过内嵌的操作系统直接对数据进行操作，因此，相对于传统的嵌入式系统开发模式，基于智能手机的应用开发具备更好的资源以及较低的系统开发难度[12]。本项目以Visual Studio.NET 2008为开发工具，在Windows Mobile操作系统下编程实现智能手机应用程序，其主要功能分为两部分：①通信控制，包括蓝牙设备的搜索、配对、连接和断开，通过选择连接设备后再配对连接；②数据采集和控制，包括数据的接收、显示和存储，治疗参数的输入和发送，设定参数监测和异常报警。

(1)蓝牙查寻连接。系统设计时将手机作为客户端、蓝牙模块作为服务端，即利用手机去搜索并连接蓝牙模块，实现数据的互通。

(2)手机与测控板模块通信与显示。蓝牙连接成功后利用Con.openDataInputStream打开输入流、Con. openDataOutputStream打开输出流，通过手机上read或write方法进行数据通信。在通信过程中主要实现手机控制测控板模块、手机接收来自测控板模块的数据并显示，其中手机控制测控板模块主要包括治疗模式、刺激参数的发送，开始和停止命令的发送。

2.2 测控板模块软件设计

在系统未运行时，MSP430单片机会一直处于超低功耗模式中，其他电路的供电被关闭，以此达到降低功耗的目的(如图3所示)。

图3 MSP430单片机程序图

当单片机接收到手机发送的控制数据时，单片机会从低功耗模式中被唤醒，开始判断接收的控制指令，并判断指令功能，执行相应操作[13]。确定相应功能后，再根据输入的内容执行相应操作，如通过改变MSP430数模转换程序的输入数值来控制改变刺激强度[14]。

3 结语

目前，本电疗仪完成了原型样机的设计和制作，并开展了系列试验，包括主要治疗参数的检测；反复实验和调整阻抗监测电路，得到了电极与人体之间接触阻抗的一般安全范围，在电极与人体接触不良时会及时的停止治疗；开展了治疗有效性、穿着舒适性、使用便利性体验及问卷反馈；智能手机与测控板之间的无线通信有效距离和条件；在治疗过程中，用户离开手机较远距离或忘带手机时，主控板智能切换到自主模式的试验。试验结果表明，穿戴式慢性软组织损伤电疗仪各项指标均达到了预期目标，工作频率10～200 Hz；正脉冲宽度450 μS；正脉冲幅度≤100 mA[15]。用户可以根据个人需求，选择不同的处方(脉冲波形、强度、时间和治疗部位)，且各项数据将会显示在智能手机上，使用安全、方便且隐蔽，具有良好的应用前景。

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Research on development of wearable electrotherapy instrument for chronic soft tissue lesion/

XIE Jing-jing, CHONG Yin-bao, ZHAO An// China Medical Equipment,2014,11(9):79-81.

Objective:To develop a wearable electro-therapeutic apparatus for chronic soft tissue lesion, which used low frequency electric pulse to treatment the shoulder, back and waist of human body.Methods:The fabric electrodes are fixed on specific position of the elastic vest. The vest elasticity ensures that the electrode and the users are in close contact. MSP430 microcontroller is used as the core of control board. Low frequency pulses for treatment are generated by PWM mode of MSP430 Timer1, then pass through the power amplifier and are added to human body by fabric electrodes. Meanwhile the impedance between electrodes is monitored to avoid the striking fire burns the skin of the human body and ensure user’s safety. The wireless data communication and control between intelligent mobile phone and MSP430 microcontroller are achieved by Bluetooth technology.Results:The developed wearable electrotherapy instrument is easy to operate, safe and reliable, convenient for the daily busy office workers treatment and rehabilitation in working time.Conclusion:It is very fitful for long-term therapy and save the time.

Electrical therapeutic apparatus; Wearable; Textile electrode; Impedance monitoring; Intelligent mobile phone

1672-8270(2014)09-0079-03

R197.324

10.3969/J.ISSN.1672-8270.2014.09.026