基于电磁场技术的周围神经损伤康复治疗仪的设计

王祖铭，严郁（通信作者），季倩云，曲振宇，肖富男

1 南京中医药大学附属医院设备处 （江苏南京 210029）；2 常州市第一人民医院医学装备科 （江苏常州 213003）

周围神经损伤是临床常见、多发疾病，我国大约有2 000万人正在遭受周围神经损伤带来的肢体麻木、疼痛甚至畸形、残疾的困扰，并且每年增长约200万人次[1]。虽然显微外科手术技术的发展为损伤神经修复及功能恢复提供了良好的基础，但是显微外科手术后周围神经再生是不完整的，而且比较缓慢，短时间内无法恢复。即使在经过足够长的神经再生时间之后，许多患者仍表现出感觉异常的症状。在接受神经损伤修复后，只有不足50%患者的运动和感觉功能恢复能达到满意的效果[1-2]。因此，如何促进神经再生，改善再生神经功能，恢复肢体功能，是周围神经损伤患者康复领域的一大难题。本研究介绍了一种新型周围神经损伤康复治疗仪， 该治疗仪将周围神经损伤再生的基础理论研究成果与传统中医康复治疗理论相结合，可利用外加电势的方法来促进损伤的周围神经加速生长。以期为周围神经损伤患者的全面康复提供一种全新的治疗方法和治疗平台。

1 医学机制与参数设计

当发生周围神经损伤后，损伤的神经断端回缩，远端轴突、髓鞘发生Waller变性，雪旺细胞分裂增殖，断端回缩球表面长出轴突支芽（生长锥），在雪旺细胞的引导下，以每天2～4 mm的速度向靶器官方向生长，直至终末器官恢复功能。因此，周围神经修复后，要经过变性、再生，穿越修复处瘢痕及终末端器官生长成熟等过程，生长周期长，功能恢复慢[1-4]。

现代康复医学研究表明，通过适当的康复治疗可以促进神经修复，加快患者的康复速度[5-16]。目前临床上主要采用针刺、物理治疗、功能性电刺激等传统中医康复治疗方法促进神经修复。这3种康复治疗方法都能有效地促进损伤神经的修复，减轻患者的痛苦[5-6，9-12]。

现代医学生理学研究表明，直流电场存在于所有发育和再生的动物组织中，其存在对组织修复和发育具有很大的潜在影响[6，11-14]。国内外长期研究证明，人体周围神经由于外伤等原因损伤被切断后，其神经纤维可以再生[11-14]。在再生神经断口前端生长锥处会聚集大量正离子，带有很强的正电荷，即在再生神经近端会产生正向电位[14]。如果在其生长方向的远端加载一定量的反向电荷及负向电位，则会加快神经的生长速度，从而促进神经功能恢复，可极大地缩短患者的康复周期，并减轻其痛苦[14-16]。

根据上述基础理论研究成果，并结合传统中医康复治疗手段，本治疗仪的设计采用电磁场技术，在人体损伤部位施加相对神经生长远端的负向电位，以提高损伤神经的生长速度。本设计的核心技术在于精确确定对神经生长远端施加负电荷以形成的电位差值范围，这将直接关系到所施加负电荷是否能加快神经生长速度。同时，为保证电压输出误差控制在±10%以内，本设计利用极板间的电容值判定极板间距，通过微处理器及数据库比对值输出相应的治疗电压值；通过采用带宽120 M的高速运算放大器构成的高精度可调伺服直流电源，微处理器控制，输出电压精度以20 mV递增或递减，输出端电压近乎零波动，从而保证输出电场的稳定性；另外，本设计采用多级滤波、隔离与屏蔽等多种手段，阻断网电源及其他外来干扰，以保证设备工作的稳定性。

2 硬件设计

周围神经损伤康复治疗仪的硬件设计如图1所示，包括电源模块、单片机中心控制模块、电场发生模块、电场强度设置模块和显示模块。220 V交流电通过隔离滤波单元为电源模块供电，然后通过单片机中心控制模块控制电场强度设置模块，为电场发生器模块提供输出电场参数，再通过治疗电极输出特定治疗电场。液晶显示模块显示当前治疗信息。

单片机中心控制模块控制处理器采用STC12C5A60S2单片机。STC12C5A60S2是8051系列单片机，该处理器具有处理速度快、功耗低、抗干扰能力强、控制精度高、通用性好等优点。电源模块采用ESP-15-36，有短路保护、过载保护和过电压保护。电压模块采用LM2596，具有完善的保护电路、电流限制、热关断电路等功能，LM2596系列开关电压调节器是降压型电源管理单片集成电路，具有很好的线性和负载调节特性，只要添加少量的外部元件就可以使用该电压调节器，其可调输出电压范围为1.2～37.0 V。该调节器内部集成有频率补偿和固定频率发生器，开关频率为150 kHz，与低频开关调节器相比较，可以使用更小规格的滤波元件。另外该调节器在特定的输入电压和输出负载条件下，输出电压的误差可以保证在±4%范围，振荡频率误差在±15%范围，完全符合误差控制在±10%的设计技术要求。显示模块采用LCM12864J图形点阵液晶显示器，此显示器的连接十分可靠，采用6位控制总线和8位并行数据总线输入输出，适配M6800系列时序，可实现全屏幕点阵，能够显示治疗模式选择、治疗强度选择、治疗时间设定，控制简单方便。

图1 周围神经损伤康复治疗仪硬件设计

该治疗仪包括关机、待机和治疗3种状态。关机状态下，只有电源控制转换芯片处于关断休眠模式，其他部分完全断电，整机功耗极低；待机状态指治疗仪已经通电，用户可以选择治疗模式、治疗强度、治疗时间等；当治疗仪处于治疗状态时，患者会明显感到脉冲电流的刺激，并可调整治疗强度、治疗时间，并可选择终止治疗。

该治疗仪通过电极片在人体四肢及躯干损伤部位产生相对神经生长端正向电位的负向电位，电极片包括人体四肢用和躯干用，分为全缠绕型和粘贴型等不同型号，以针对不同患者的治疗需要。

3 软件设计

周围神经损伤康复治疗仪的软件设计如图2所示，主要包括键处理程序、电场电压调节程序、显示屏驱动程序、电极脱落检测程序和治疗模式控制程序。

图2 周围神经损伤康复治疗仪软件设计

键处理程序主要包括治疗模式选择、治疗强度调节、治疗时间设定、键盘锁定、开始/结束、紧急停止等相关治疗设置。治疗模式选择键可以对连续波、脉冲波、混合波等3种治疗模式进行选择；治疗强度调节键可以根据临床治疗需要调节不同的治疗强度，通过微处理器控制电场发生模块产生相应的治疗电压值；时间设定键可以设定所需治疗时间；键盘锁定键可以锁定键盘防止误触，在锁定状态时按下键盘上除了此键外的任何键，治疗仪均无反应，再次按下此键时将会解锁键盘；开始/结束键分别代表治疗的开始和结束；紧急停止键可以将当前治疗紧急停止，防止因意外对治疗部位产生损伤。

治疗电压调节程序主要调节治疗仪的电场电压，以确保治疗仪更加精确地产生促使神经生长的电位场，设计要求电位差值范围为100～250 mV/mm。如果需要调节治疗电压，就进入电压调节程序流程，确认当前参数，启动治疗。

显示屏驱动程序是针对所选128×64 点阵图形液晶控制器进行编程，可显示治疗模式选择、治疗强度选择、治疗时间设定，为治疗仪提供良好的人机交互界面。

电极脱落检测程序用来检测电极是否脱落，其是利用微处理器IO 端口中断功能，在10 s内如果IO上没有输入脉冲引起的中断，则可判断电极脱落，此时治疗仪内部会发出警报声，提醒医护人员重新调整电极位置。

治疗模式控制程序是治疗仪的核心功能模块，主要用于控制主机的3种工作模式，包括连续波、脉冲波和混合波。其原理是通过对微控制器的节拍定时器、16位定时器进行编程操作，设置定时器寄存器不同参数，就能够产生频率、占空比可调的脉冲输出。治疗时，输出功率5～100 mW连续可调，可任意设置，误差＜±5%。

该治疗仪的工作流程如图3所示。按开机键，治疗仪首先进行微控制器初始化、LCD初始化，选择治疗模式，确定治疗强度，调节治疗时间，启动治疗。治疗开始后，治疗仪电极脱落检测程序每10秒检测1次，如果发生脱落则停止治疗，并报警提醒医护人员重新安装电极，再按开始键，治疗继续。

图3 周围神经损伤康复治疗仪软件流程

4 小结

周围神经损伤康复治疗仪是利用外加电势的方法来促进损伤的周围神经加速生长，可大大提高神经生长速度，使神经生长速度达到正常恢复的几倍以上。应用此方法对周围神经损伤患者进行康复治疗，可以大大提高神经再生速度，加快神经损伤修复进程，缩短愈合期，增强愈合效果，从而极大地提高患者的生命质量。该康复治疗仪结合中西医基础理论和实验研究成果而设计，具有明确的理论依据和作用机制，开创性地解决了传统中医理疗不能解决的神经损伤修复进程缓慢、愈后效果不佳、作用机制不明的问题。目前该设备的硬件设计与软件设计已完成，但设备安全性和有效性尚需临床研究进一步证实。