基于ARM微控制器的旋转电极电刺激仪

唐成方

技术应用

基于ARM微控制器的旋转电极电刺激仪

唐成方

（深圳市艾尔曼医疗电子仪器有限公司，广东 深圳 518055）

神经肌肉电刺激仪基于传统中医学针灸原理，是中医学经络理论与现代电子技术相结合的产物。电刺激仪产生的电刺激信号功效类似中医的针灸按摩手法，作用于患者表面神经肌肉，可促进患者康复。基于ARM微控制器设计一种电刺激仪，采用旋转电极，利用光电MOS固态继电器驱动电极实现旋转功能。经实验验证，旋转电极电刺激仪相对于固定电极电刺激仪，治疗效果更佳。

电极；ARM微控制器；光电MOS固态继电器；电刺激

0 引言

随着科学技术的不断进步，电子医疗仪器在人们日常医疗保健中应用越来越普及。神经肌肉电刺激仪因能提高神经肌肉疼痛疗效而得到广泛应用[1]。神经肌肉电刺激仪一般采用固定电极，存在如下问题：固定电极通过中心位置的导电扣与主机相连，因电极具有一定电阻，电极面积稍大时，周边治疗强度明显弱于中心点。本文设计一种基于ARM微控制器的旋转电极电刺激仪（以下简称电刺激仪），将主机输出分别切换至6个圆形分布的小电极上，以减少电流在电极上的损耗，使电极与患者电性均匀接触，提高治疗效果。

1 电刺激仪硬件设计

电刺激仪硬件原理框图如图1所示，主要包括降压转换电路、调压电路、ARM微控制器M058LDN、信号调制电路、开关电源、LCD触摸屏、电极A和电极B等，其中前4个部分构成电刺激仪主控板。

1.1 开关电源

开关电源为电刺激仪直流供电，其设计从安全性、可靠性和满足EMC认证等方面考虑。开关电源输入电压为交流220 V，输出电压为直流12 V；12 V直流电压通过降压转换电路转换为5 V和6V给相关电路供电。同时12 V直流电压为调压电路提供电压输入。

图1 电刺激仪硬件原理框图

1.2 调压电路

调压电路产生变压器初级所需的调制信号即调幅电压VDC[2]，该电压经变压器放大后得到电刺激仪所需的波形幅度。调压电路主芯片EUP3453是一款采用电流模式脉宽调制架构的降压型DC-DC变换器，可提供高达3 A的负载电流，在4.75 V～40 V宽输入电压范围内稳定工作，通过外部分压电阻调节实现0.92 V～15 V的输出电压，具有较好的线性调整率和负载调整率[3]。调压电路原理图如图2所示。

PWM信号来自M058LDN，频率为100 kHz。EUP3453输入电压为直流12 V，通过调节PWM的占空比，可得到不同的输出电压VDC，供给变压器的初级输入端。VDC经变压器放大后可得到最大幅度为90 V的电极输出信号。

管脚FB的反馈阈值电压为0.92 V，根据基尔霍夫电流定律[4]，可得

(VDC−0.92)/1= 0.92/2+ (0.92−Vop)/3

取1= 62 kΩ，2= 10 kΩ，3= 15 kΩ

VDC = (0.92/10 + (0.92−Vop)/15)×62+0.92

Vop变化范围为0 V ~2.5 V，故VDC变化范围为0.09 V（≈0）~10.43 V。

图2 调压电路原理图

1.3 降压转换电路

降压转换电路主要由EUP3453和5 V电压输出稳压器LN6214P502PR构成，可将12 VDC转换为 5 VDC和6VDC。其中5 VDC用于整个系统逻辑控制电路的供电；6 VDC用于信号调制电路PNP三极管的发射极供电。

1.4 ARM微控制器

电刺激仪的ARM微控制器采用M058LDN和MINI54FDE，它们均是以ARM Cortex -M0为内核的32位微控制器，MINI54FDE在资源配置方面稍弱于M058LDN[5,6-7]。M058LDN用于主控板，实现系统主体功能控制；MINI54FDE用于旋转电极A，控制电极的旋转切换。

1.5 信号调制电路

调压电路的输出电压VDC用于调制信号，其电压幅度变化较缓慢，最大频率为100 Hz。载波信号由微控器M058LDN产生，是一对互补的PWM方波信号即PWMA和PWMB，频率为80 kHz。调制信号对载波信号进行调制，将这2种信号分别加载至信号调制电路可得到想要的波形[2]。信号调制电路由推挽控制电路和变压器组成，如图3所示。其中推挽控制电路和变压器初级对信号进行调制，变压器对调制后的波形进行放大。

1.6 LCD触摸屏

LCD触摸屏是电刺激仪的人机接口，可输入工作时间、模式、波形强度、波形频率等参数。由于波形强度和波形频率的档位较多，为使用户有较好的体验感，参数设置采用滑动方式。

1.7 电极A和电极B

电极A是旋转电极，治疗时放在治疗区域。它利用微控器MINI54FDE控制6个较小电极依次轮流工作，6个电极在物理位置上按顺时针排成圆形。电极轮流切换工作时像在顺时针旋转，使人体感觉类似机器手或人手在按摩。这种用电子驱动代替传统机械的方式，可避免机械马达长期工作而出现故障，更加安全可靠。旋转电极电路如图4所示。

图3 信号调制电路原理图

图4 旋转电极电路原理图

电刺激仪利用光电MOS固态继电器EL640切换电极，可克服普通器件带来的转换干扰。EL640输入侧（发光侧）含有AlGaAs红外光LED，输出侧包括1个光电二极管阵列和2个串接的高压MOS管。输入侧红外光LED导通后，其光耦合到输出侧光电二极管阵列，使输出侧高压MOS管导通。

电极A由在物理位置上围成一个圆的6个小电极组成，电极信号out来自主控板上的变压器输出端子4，即图3中的OUT1，控制6个小电极的信号（POL1~ POL6）来自MINI54FDE。MINI54FDE受控于主控板上的M058LDN，后者发出相应的启动命令和时序同步信号，使电极A上的6个小电极停止或依次按顺时针轮流工作。电极控制信号POL1~ POL6中的某个信号为低电平时，对应的EL640输出侧MOS管导通，POLE1~ POLE6中相对应的电极会接收来自OUT1的变压器输出信号。

电极B作为参考端，治疗时贴在治疗区域以外的地方。其由单个较大的普通导电自粘电极片组成，并和主控板上的变压器输出端子5，即图3中的OUT2直接相连。

2 电刺激仪软件设计

电刺激仪软件主要由主控板M058LDN主程序、定时器1中断服务程序、电极A控制程序组成，软件流程框图分别如图5(a)、图5(b)、图5(c)所示。

图5 软件设计流程框图

2.1 主控板M058LDN主程序

1）初始化M058LDN系统时钟和I/O端口配置，产生一对互补的PWM载波和调节电压VDC的PWM；同时初始化中断定时器、LCD屏控制器、蜂鸣器等参数的默认值。

2）按键值读取及判断处理，通过按键对电刺激仪进行参数设定、启动或停止。电刺激仪共有5个模式，模式1~模式5。除模式1所有电极同时工作无需切换外，其余4个模式都需要切换电极，6个小电极依次轮流工作，形成旋转效果。为此，电刺激仪启动后置P02 = 1，再置1个电极切换标识Electrode _Switched_Flag。定时器中断服务程序根据该标识及时间序列判断轮到哪个电极切换，并从P03发送1个3 ms脉冲告知电极A切换电极；电极A控制程序从P02端口获取启动命令，从P03获取脉冲信号切换电极。

3）产生波形输出并更新LCD屏显示。

2.2 定时器中断服务程序

中断定时器每1 ms产生1次中断，中断服务程序根据Electrode _Switched_Flag标识判断是否有电极切换；若有，获取模式种类产生相应波形；端口P03发送1个3 ms脉冲信号给电极A完成电极切换。

2.3 电极A控制程序

初始化完成后，判断是否有启动命令；若有，判断是否有电极切换脉冲；若有，则切换电极；若没有，即在模式1状态，所有电极同时开启。电极切换就是关闭当前工作的电极，打开下一个要工作的电极。

2.4 波形算法

电刺激仪模式1的波形频率为5 Hz～11 Hz，波形输出无需电极切换，此种模式波形实现较容易，由主控板主程序产生即可。其余4种模式的波形在M058LDN定时器中断服务程序产生，为固定频率，波形输出需电极切换，有较高的相似性。

图3中，载波的频率和幅度固定不变，改变VDC即可得到不同的变压器输出波形，对此波形进行不同时刻的切换可得到5模式的波形。电刺激仪使用的波形是调节VDC电压幅度产生周期性的菱形波，具体算法：上半周调节PWM使其占空比逐渐增大，从而使VDC电压幅度从最小值0逐渐增大到最大值；下半周调节PWM使其占空比逐渐减小，从而使VDC电压幅度逐渐从最大值减小到最小值，由此在变压器输出端产生上下左右都对称的菱形波。

3 实验验证

取60位患有背部神经肌肉疼痛的患者为实验对象，患者主要因坐姿不正确或久坐不动引起肌肉损伤和劳损；年龄分布：25至34岁20人，35至44岁20人，45至54岁20人。将3个年龄段的人平均分为参照组和研究组，每组各30人。参照组使用固定电极电刺激仪，研究组使用本文设计的旋转电极电刺激仪进行对比治疗。治疗时间：每日1次，每次30 min，一个疗程30次。实验数据如表1所示。

表1 两组患者治疗效果比较

由表1可知：研究组总治疗有效率高于参照组。相比于固定电极电刺激仪，本文设计的旋转电极电刺激仪对背部神经肌肉疼痛患者的治疗效果更佳。

4 结论

本文设计一种基于ARM微控制器的旋转电极电刺激仪。通过LCD触摸屏输入电刺激信号的强度和工作模式等参数；通过微控制器程序得到相应的电脉冲波形，再经变压器升压处理生成电刺激信号。该电刺激仪对背部神经肌肉疼痛的患者进行理疗试验，治疗效果明显高于固定电极电刺激仪。该治疗仪架构简单，符合YY 0607-2007标准[8]，已经通过广东省药品监督管理局的注册检验并进行小批量试产。

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[7] Nuvoton Technology Corporation. Mini51 DE Series Datasheet[EB/OL]. (2019-11-01)[2021-03-14]. https://www. nuvoton.com.cn/export/resource-files/DS_Mini51DE_Series_ EN_Rev1.04.pdf.

[8] 国家食品药品监督管理局.YY 0607-2007/IEC 60601-2-10:1987, Medical electrical equipment-Part 2: -Particular requirements for the safety of nerve and muscle stimulators [S]. 北京:中国标准出版社,2007.

Rotating Electrode Electrical Stimulator Based on ARM Microcontroller

Tang Chengfang

(Shenzhen Elmmedicare Medical Electronic Instrument Co. Ltd, Shenzhen 518055, China)

Neuromuscular electrical stimulator is based on the principle of acupuncture and moxibustion in traditional Chinese medicine. It is the combination of meridian theory of traditional Chinese medicine and modern electronic technology. The effect of electrical stimulation signal produced by electrical stimulator is similar to that of acupuncture and massage in traditional Chinese medicine. It acts on the surface nerves and muscles of patients and can promote the rehabilitation of patients. An electrical stimulator based on ARM microcontroller is designed. The rotating electrode is used and the photoelectric MOS solid-state relay is used to drive the electrode to realize the rotating function. Experimental results show that the treatment effect of rotating electrode electrical stimulator is better than that of fixed electrode electrical stimulator.

electrode; ARM microcontroller; photoelectric MOS solid state relay; electrical stimulation

唐成方，男，1963年5月生，硕士，工程师，主要研究方向：嵌入式系统应用。E-mail: cilsa@126.com

TP368.1

A

1674-2605(2021)03-0009-06

10.3969/j.issn.1674-2605.2021.03.009