基于MSP430的多功能乳腺理疗仪的设计研究

赵曙，牛金海，郭佳卉，李红

1. 上海交通大学 生物医学工程学院，上海 200240；2. 中国福利会国际和平妇幼保健院，上海 200030

引言

WHO经过全面综合研究及专家协商后提出，婴幼儿出生后的最初6个月应进行纯母乳喂养，以实现最佳生长和发育[1]。大多数的妇女和家庭都知道母乳喂养的好处，大量的科学研究也证实了母乳喂养可以促进婴儿的生长发育和智力发育[2-5]，让母代和子代受益一生。但是现实情况是母乳喂养状况不容乐观，根据对上海14所二级以上医院产科的母乳喂养及健康教育状况调查显示，70.6%的产妇孕期即决定纯母乳喂养，但产后纯母乳喂养率仅为24.8%。在喂哺过程中常常碰到诸多问题，其中乳房肿胀、乳汁淤积居问题之首[6]。另外产褥期乳腺炎也是产后哺乳期妇女的常见病，以初产妇多见，常常继发于乳头皲裂、乳房过度充盈和乳腺管阻塞[7]。93.4%的受访产妇希望获得帮助，85.6%的产妇需要帮助缓解乳房不适[6]。这些数据表明，哺乳人群普遍都有得到支持措施的强烈需求。本研究拟设计一个便携式的乳腺理疗仪，建立早期干预和预防措施，帮助产妇坚持母乳喂养。

1 现状调研

冷敷、热敷、低频电刺激作为物理康复手段可有效缓解乳房肿胀、疼痛及乳汁淤积症状，可预防乳腺炎的发生[7-10]，是临床较常用的物理治疗手段。其中，低频电脉冲疗法是基于低频脉冲电流的生理作用和治疗作用，其主要表现为兴奋神经细胞组织、镇痛和促进局部血液循环[11]。这是由于人体所有细胞在某种程度上都具有兴奋能力，当频率低于1 kHz且波形、频率不断变换的低频电脉冲作用于人体时，组织中的离子会发生定向运动，消除细胞膜极化状态，使离子浓度和分布发生显著变化，从而影响人体组织功能。有文献表明，低频脉冲疗法具有促进围绕乳腺腺泡的肌细胞收缩和疏通乳腺管的作用，改善充血及局部肿胀，从而预防产后乳汁淤积[12-15]。

根据约翰·霍普金斯妇产科手册（第4版）所述，产后2～4天通常为乳房肿胀期，需要冷敷。当乳管阻塞时（乳房有压痛的肿胀，不伴有全身症状或发热）可通过热敷和按摩乳房缓解（有炎症时禁用）[8]。然而，目前市场上具有《医疗器械注册证》资质的理疗仪功能单一，通常是电刺激功能与恒温冷、热敷功能三取其一，而且设备体积一般都较大，需要在医疗机构中床旁进行，同时设备成本高昂，动辄几万元的费用。家庭中也有采取较简单的物理冷敷袋或热敷袋，缺点是无法控制温度（可能导致冻伤或灼伤）及保证温度的恒定。

本研究的创新在于将产后哺乳人群作为关注对象，从实际问题出发，结合临床诊疗方案，研发专用于哺乳期的乳腺理疗仪，集低频电刺激与冷热敷功能于一体，掌式便携带，成本低。既可在妇产科医院作为辅助诊疗手段，也方便个人在家庭使用，减少在哺乳期往返医院治疗的痛苦。

2 总体设计方案

乳腺理疗仪的设计目标主要是小型化、家庭化，因此首选使用电池供电（1.5～9.0 V）。与线路供电治疗仪相比，缺点是输出的峰值幅值比较低；优点是体积小、便携，允许患者在刺激过程中移动。其性能取决于电池寿命[16]。从外形设计上，要使产品方便手持，保证使用时的个人化、私密化；从硬件设计上，要注意低能耗、高效的数据处理，人机接口的布局尽可能地通过外在视觉形态使内部结构功能明确化[17]；从软件上，要实现友好的人机互动，简单易使用。为了实现上述设计目标，本设计选取TI公司的MSP430单片机作为微处理器。该微处理器是一种超低功耗的混合信号处理器，常常被用于电池供电的仪器仪表中。

本系统主要由电源模块、单片机控制模块、人机接口模块、电刺激输出模块和温度控制模块构成。其中电源模块为内置锂电池电源电路，输出电压3.7 V；微控制器采用MSP430FG437芯片，是一种16位超低功耗MCU，32 KB闪存、1 KB RAM、12位ADC、双DAC、DMA、3个OPAMP和128段LCD微控制器，其具有超低功耗、高性能、实时控制等特点；人机接口模块包括键盘输入电路和64×128分辨率OLED显示屏；电刺激输出模块包括升压电路和交流电输出模块；温度控制模块包括整流稳压滤波电路、温度传感器和TEC驱动电路。其系统结构如图1所示。

2.1 低频脉冲电刺激模块

电源采用锂电池3.7 V输出，通过稳压电路和隔离电路升压至40 V（设计值）。升压电路采用TPS61170-Q1单片高压开关稳压器，采用2 mm×2 mm QFN 封装的1.2 A开关和高压升压转换器。FB引脚可调节为基准电压1.229 V，最高输出电压约为38 V。

图1 整体硬件结构

单片机根据从键盘输入的低频电脉冲模式，调取软件代码生成特定算法，自动计算并设置片内定时器模块的控制寄存器，由单片机的相应I/O口输出预设的几种不同脉冲波形。通过与人体接触的乳腺专用电极片，输出到需要进行低频理疗的部位。本项目中用以电刺激典型脉冲波形如图2所示，脉冲宽度范围为5～300 μs，这个区间范围镇痛效果较好；频率范围为50～100 Hz，即脉冲周期为10～20 ms可调。软件预设了不同参数的脉冲宽度及周期分别命名为模式A、模式B，模式C，电流刺激强度默认为0.5 mA。

图2 典型脉冲波形图

根据人对低频电刺激的耐受程度不同，输出的电流强度可在治疗前及治疗中随时调节。低频电流通过电极片向人体输出，电极片采用圆形开口形状（图3），可以很好地包裹刺激部位；硅胶材料具有导电性能良好、柔韧、安全可靠、可重复使用等特点，适用于家用低频理疗仪器。

图3 乳腺电极片

2.2 恒温控制模块

温度输出的核心部件是低功耗直流半导体制冷片（Thermo Electric Cooler，TEC），利用帕尔帖效应达到加热及制冷的效果。帕尔帖效应是指当有电流通过不同的导体组成的回路时，除产生不可逆的焦耳热外，在不同导体的接头处随着电流方向的不同会分别出现吸热、放热现象。当电流从TEC元件的N型半导体材料流向P型半导体材料时会吸收热量，这一个端面为冷面；当电流从P型材料流向N型材料时会放出热量，这一端面为热面。帕尔贴效应示意图，见图4。

图4 帕尔贴效应示意图

通电之后，接触面的附近在单位时间放出或者吸收的热量（珀尔帖热Qp）与电流强度成正比[18]，即：

π为帕尔贴系数，与温差电势率有关：

式中，αp、αn为P和N型半导体材料的温差电动势，αp为正，αn为负；T对应接头上的绝对温度。

本系统采用的TEC元件工作温度为-40℃～85℃，满足系统所需的温度设定范围，且无振动、无噪音。半导体制冷片在工作时，加热的一面需要散热才能维持TEC的长期稳定使用。本研究的散热材料采用石墨降温散热片，其特点是柔软轻薄易剪裁、热阻低、耐高温、远优于金属的超高导热性能。

温度控制模块通过在脉冲输出口外接电路实现，输出波形经过桥式整流电路、稳压电路、低通滤波器变换为5 V直流电压，加载到继电器及半导体制冷片。接温度探头1个，用于反馈冷热敷材料实际表面温度。在热敷模式下，当表面温度小于设定温度，继电器吸合，半导体制冷片正常工作；表面温度大于等于设定温度时，半导体制冷片的供电被切断；在冷敷模式下则反之。

2.3 软件设计

本软件系统设计采用Code Composer Studio IDE V6作为集成开发环境，简称CCS V6，是Texas Instruments公司开发的专用于TI微控制器和嵌入式处理器产品的开发环境，包含一整套用于开发和调试嵌入式应用的工具。它提供了高效的C编译器、源码编辑器、项目构建环境、调试器、跟踪和分析等其他多种功能。其主要组件构成包括TMS320C54x集成代码产生工具、CCS集成开发环境、DSP/BIOS实时内核插件及其应用程序接口API、实时数据交换的RTDX插件以及相应的程序接口API、由TI公司以外的第三方提供的各种应用模块插件。软件流程图如图5所示。

3 开机测试

本项目已完成PCB电路板制版以及单片机程序烧录，由锂电池供电，并外接电极片或TEC制冷片（两者不能同时使用）。经开机测试初步达到设计效果，实物图如图6所示。

图5 软件流程图

图6 电路制板实物图

由于目前尚处于实验室测试阶段，不能进入临床进行性能及功能验证，以下测试均在实验室完成。开机测试的OLED显示界面如图7所示。

图7 OLED屏显示

进入电刺激治疗模式后，用1 K电阻模拟人体负载，用示波器对模式A、模式B、模式C的电刺激波形CH1、CH2分别进行记录，A=0.5 mA。示波器波形如图8所示。

图8 波形输出测试

在热敷模式下，将温度设定至38℃，在系统稳定后对冷热敷材料的表面温度每隔30 s进行一次采样记录，并描记出温度曲线，如图9所示。

图9 温度输出测试

4 讨论

本系统的冷热敷功能部分采用的是采样、继电器控制的方式来实现恒温控制，实验室里的温度测试曲线存在1℃的上下波动，因此并未实现真正意义上的恒温。原因分析如下：① 继电器控制方式存在一定热惯性；② 测温使用的温度传感器精度仅为0.5℃；③ 由于所购买温度传感器的形状为圆柱形，与冷热面的贴合通过胶粘带固定，接触面积小，不利于温度的快速感应。基于以上分析，本系统在后期改进中，可采用PID模糊控制来优化温度的稳定，并选择高精度微型化的探头。

低频电脉冲理疗仪是家庭医疗保健的常用仪器，可穿戴化、智能化、高可靠性是未来的发展趋势[19]。本文设计的基于MSP430的低频电脉冲理疗仪，可以按照设定输出电刺激波形，掌式便携，体积较目前医疗机构在用的立式或台式低频电刺激治疗仪大大缩小，且无需连接交流电，使用更轻松便捷。不同于其他功能单一的低频电刺激理疗仪，本项目初步研制的设备集低频电刺激与冷热敷功能于一体，并能设定温度，较家庭粗放的冷/热敷模式迈进一步。本研究在设计上尚有许多不足，亟待进一步的改进。