基于ARM的电针治疗仪设计*

★ 汪灿华（江西中医药大学计算机学院 南昌330004）

基于ARM的电针治疗仪设计*

★ 汪灿华**（江西中医药大学计算机学院 南昌330004）

针对目前现有电针治疗仪的不足，提出基于A R M微处理器和u C/O S-II实时操作系统的电疗仪设计方案。该方案利用A R M产出P W M波，然后通过低通滤波、电压放大以及电压电流转换，最终以输出恒定电流作用于人体，有效地克服了人体穴位电刺激适应现象，且参数调节精准，操作界面友好，样机运行稳定。

电针；嵌入式；微处理器；脉宽调制

1 引言

电疗仪器虽然属于医疗电子仪器的一个小分支，但是对人类的贡献也是很大的。目前，对于神经类的疾病（如头痛、腰、肩、腿痛）的治疗，主要还是借助于电疗仪进行的，这是因为电疗的基本治疗作用是调节神经和肌肉的兴奋性，改善血液循环和物质代谢，具有镇痛、消肿、消炎等功效。然而，现今的电针治疗仪还存在很多缺陷，比如：存在穴位电刺激适应现象、调节参数不精确、保护措施不到位、人机界面不友好等[1]。作为应用于临床的医疗仪器，设计一种基于ARM的高精度、高性能的仪器,对临床医疗和针灸推广非常必要，也很有意义。

2 系统工作原理

本电疗仪采用ARM7微处理器LPC2290芯片为核心，由LPC2290产生PWM波（脉宽调制波形）[2]，该波形经过二阶RC低通滤波网络后输出直流电压信号，然后经过电压放大，最后经过电压电流转换电路输出电流信号作用于人体。整个电疗仪系统框图如图1所示：由于人体接收的是稳定的电流信号，非线性变化的人体穴位电阻不能改变电疗仪的输出，从而可以克服穴位电刺激适应现象。另外，为了保证电疗仪的安全性。一方面，采用过流信号采集电路控制微处理器的最大输出信号，从而防止人体电击伤。另一方面，考虑到电荷的积累会使人体神经组织产生永久性损伤[3]，本系统输出双极性脉冲以使人体神经组织所获得的总电荷为零。

图1 电疗仪系统组成框图

3 电疗信号处理电路设计

3.1 应用PWM产生电疗信号理论分析 PWM波是一种具有一定周期，占空比可调的方波信号。如图2所示。

图2 典型PWM波形

该PWM波的高低电平分别为Vh和Vt，可以表达为[4]：

其中，T是ARM脉冲的基本周期，即ARM每隔T时间计数一次，N是PWM波一个周期的计数脉冲个数，n是PWM波一个周期中高电平脉冲的个数，k是谐波次数，t为时间。由于任意满足Dirichlet条件的周期函数都可以展开成傅立叶级数，所以上式的函数展开成傅立叶级数，得到式：

从上式中可以看出，式中第一项为为直流分量，第二项为1次谐波分量，第三项为大于1次谐波分量。式中的直流分量与n成线性关系，并随着n从0变到N，直流分量相应的从V1变化到Vh。因此，只要滤掉除直流分量之外的谐波，并且调整占空比，就可得到各种所需的电疗信号。

3.2 滤波与电平调整电路设计 该电路由三级构成，第一级是RC二阶低通滤波器，第二级是由TC1029构成的电压跟随器，第三级是TC1029构成的电平调整电路，如图3所示：

图3 滤波与电平调整电路

3.3 电压放大与电压电流转换电路设计

经过调整电路后的电压信号输出峰峰值为3.3V。还需要进一步处理，即电压放大，和电压电流转换。电路如图4所示：

图4 电压放大与电压电流转换电路

图4电路采用LM6211运放芯片，其中，U4构成电压放大电路，U5和U6构成电压电流转换电路。同样根据虚短、虚断可计算出：

因而，V5的峰峰值为80V;

因而，电疗仪最终的输出电流I0峰峰值为1mA。

3.4 过流信号采集电路设计 采样信号从电疗仪的电极输出端经过电平转换直接连接至ARM输入口，然后把采集的电流信号反馈给ADC（数模转换）处理，得到相应的数字数据，当采样的数据超过设定的电流时，CPU产生中断结束治疗。

4 软件设计

本电疗仪软件系统以uC/OS-II实时操作系统为平台，采用UCGUI图形界面，通过创建多任务以及多任务间通信等机制，实现电疗波形的控制输出。软件系统框架如图5所示：

图5 电疗仪软件系统框架图

图6 系统运行主界面

其中，主任务负责其他任务的创建，并且响应开始治疗按钮；波形选择任务响应波形选择按钮进行输出波形的选择；人体电流采集任务用来不断的采集人体电信号，如果超过规定值，则停止电疗信号的输出；屏幕扫描任务不断地进行屏幕扫描，一旦有触摸，就会触发相应的操作；治疗停止任务响应停止治疗按钮，停止电疗信号的输出。软件系统运行界面如图6、图7所示：

图7 电针输出波形

5 结语

本电疗仪采用ARM微处理器和uC/OS-II实时操作系统为平台,外接简洁的信号调理电路就能产生各种所需的电疗波形。系统性能强、功耗低、体积小；软件操作界面友好、波形调节精度高、安全性较好、并且能有效克服人体穴位电刺激现象，值得向医疗机构以及针灸爱好者推荐使用。

［1］杨育霞，雍明超.电针治疗仪安全性问题及对策[J].中国针灸，2009，29（4）：339-341.

［2］周立功.ARM嵌入式系统基础教程[M].北京：北京航空航天大学出版社，2008：317-331.

［3］Tehovnik E J.Electrical stimulation of neural tissue to evoke behavior responses[J].Journal of Neuroscience Methods,1996,65 (1)：1-17.

［4］王兆安.电力电子技术 [M].北京：机械工业出版社，2001：150-165.

［5］康华光.电子技术基础（模拟部分）[M].北京：高等教育出版社，2005：29-30.

The Design of Electro-acupuncture Instrument Based on ARM

WANG Can-Hua
Computer College of JiangxiUniversity of TCM,Nanchang 330004,China.

In view of the current deficiency of electro-acupuncture instrument,a new design was work out based on ARM and uC/ OS-II.First of all,PWM waveform was generated by the ARM microprocessor.Secondly,the PWM waveswas processed through the low pass filter,a voltage amplifier and voltage to current conversion circuit.Lastly,a constant currentwas output to the human body. The prototype designed in this paper is not only friendly,stable and adjustabe easierly,but also can overcome the electric stimulation adaptation of the human body acupointeffectively.

Electro-acupuncture；Embeded；MCU；PWM

T P 301

A

2014-06-06）编辑：薛铁瑛

江西中医药大学校级科研课题（2012Z R007）；江西省科技支撑计划项目（20133BBG70087）。

**作者简介：汪灿华（1978-），男，硕士，讲师。研究方向：医疗电子教学与科研。E-m a il：390921890@qq.co m。