干擾電治療儀的模擬電路實現(xiàn)
董銘祥 申慶豐 蘇建坡 馬鳳英
（鄭州大學物理工程學院1，河南鄭州450001;
翔宇醫(yī)療設備有限責任公司2，河南安陽456300）
摘要：針對當前干擾電治療儀普遍存在功能單一、成本較高的問題，提出了一種基于模擬電路的系統(tǒng)方案。系統(tǒng)以Atmega128為主控制器，設計了干擾電系統(tǒng)的硬件電路和軟件程序。利用直接數(shù)字頻率合成( DDS)芯片AD9835生成調制波；利用單片機自帶的脈沖寬度調制( PWM)產(chǎn)生載波；利用數(shù)字電位器實現(xiàn)調制度的控制，最終輸出兩路調制頻率、調制度和差頻頻率獨立可調的干擾電治療波形。臨床試驗證明該治療儀工作穩(wěn)定，治療效果良好。
關鍵詞：電治療儀模擬電路數(shù)字電位器調制信號頻率人機交互載波濾波器
O引言
隨著人們生活壓力的不斷增大，疾病也越來越多，理療因其具有安全性和有效性的特點而受到越來越多的關注。干擾電療法作為理療的一種，是指同時將兩組或三組不同頻率的中頻正弦電流交叉輸入人體，在體內產(chǎn)生干擾電場以治療疾病的方法。該療法對神經(jīng)痛、關節(jié)炎、胃下垂、腰椎病等均有較好的療效。常見的干擾電治療儀有些是基于FPGA技術，開發(fā)難度大、周期長；還有些設計過于簡單，不能有效治療疾病。本文設計了一種基于DDS和數(shù)字電位器的干擾電治療儀，不僅降低了硬件成本和開發(fā)難度，而且取得了很好的治療效果。
1治療儀系統(tǒng)設計概述
本文設計的干擾電治療儀的系統(tǒng)框圖如圖1所示，由電源供應模塊、人機交互模塊、單片機、調制波電路、載波電路及乘法器電路等部分組成。
2 治療儀硬件設計
2.1電源設計
系統(tǒng)需要4種不同的電壓，分別是5V、-8 V、+12 V和-12 V。電源模塊電路均采用直流開關電源供電，并由電容濾波電路處理輸出。5V輸出給單片機、DDS芯片和數(shù)字電位器供電，-8 V輸出給乘法器做參考電壓，±l2 V輸出給運放供電。
2.2 人機交互設計
系統(tǒng)采用迪文科技公司的10英寸(1英寸=25.4 mm)工業(yè)串口屏DMT80600實現(xiàn)人機交互，分辨率為800 px×600 px。啟動前通過觸摸屏可以進行治療處方選擇和自編處方參數(shù)設置；啟動后可以實時顯示治療狀態(tài)。治療處方共有6種，其中固定處方5個，參數(shù)已經(jīng)設定好，直接啟動即可；自編處方1個，可以選擇不同模式和參數(shù)。點擊啟動按鈕，觸摸屏將選擇好的處方和參數(shù)以指定的協(xié)議格式發(fā)送給單片機，運行時屏幕實時顯示治療剩余時間和狀態(tài)信息。
2.3調制波電路設計
該電路采用DDS芯片和數(shù)字電位器組合設計，輸出頻率和幅度可控的低頻調制波，電路如圖2所示。
DDS芯片采用的是AD9835，它是一款高性能可編程的波形發(fā)生器，可以很方便地產(chǎn)生正弦波形。單片機與AD9835的接口如圖2所示，MCLK是數(shù)字時鐘輸入端，由外部24 MHz晶振提供；SData是16 bit串行數(shù)據(jù)輸入端；FSYNC是數(shù)據(jù)同步信號輸入端；SCLK是串行時鐘輸入端；I。UT為波形輸出端。當FSYNC為低電平時，在每個SCLK時鐘下降沿，單片機通過SData引腳向AD9835寫入頻率控制字。輸出正弦波的頻率f。�？梢杂上率酱_定：
式中：M為單片機輸出的頻率控制字；fM。LK為數(shù)字時鐘頻率；Ⅳ為相位累加器的字長。
DDS輸出信號VD。。由數(shù)字電位器的VH端輸入，VW端輸出VL~ VD。�？烧{信號。X9315的功能圖如圖3所示，其中CS是片選端，U/D是方向選擇端，INC是計數(shù)控制端。當CS為低電平時，在每個INC端口電平下降沿，對5位計數(shù)器進行遞增或遞減運算（取決于U/D端狀態(tài)）。計數(shù)器輸出解碼后用于選擇滑動片接通電阻陣列32個開關中的位置，則VW可表示為：
式中：D為5位計數(shù)器的值，控制輸出信號幅度的變化。最后經(jīng)過運算放大器NE5532進行濾波放大處理，輸出頻率和幅度可控的正弦調制波。
2.4載波電路設計
載波利用單片機自帶的PWM功能產(chǎn)生，同樣利用數(shù)字電位器實現(xiàn)幅度控制，電路如圖4所示。
Atmega128有4個定時計數(shù)器，選擇16位定時計數(shù)器1。設置其工作于快速PWM模式，TOP值為寄存器OCRIA的值，匹配時電平取反，則在OCIA引腳可以輸出占空比50%的方波信號。輸出的PWM頻率由下式得出：
式中：Ⅳ為分頻因子，未分頻時等于1坑扯為系統(tǒng)時鐘，等于18. 432 MHz。初始化時設置OCRIA=1 843，得到fPWM =5 kHz。
系統(tǒng)工作時，單片機根據(jù)處方和參數(shù)的設置情況，調節(jié)OCRIA的值，從而改變載波信號頻率。PWM信號經(jīng)由數(shù)字電位器X9315實現(xiàn)幅度控制。這里采用具有低通幅度函數(shù)的巴特沃斯濾波器，定義階巴特沃斯低通濾波器的幅度函數(shù)為：
通常情況下濾波器階數(shù)越高，性能越優(yōu)。但增加階數(shù)伴隨而來的是電路復雜，成本增高。在滿足給定技術指標的前提下，選取濾波器的最低階數(shù)。設給定容許的最大通帶衰減a1(dB)和最小阻帶衰減a2(dB)、過渡帶下限頻率w．( rad/s)、截止頻率w：(rad/s)以及容許的最大過渡帶TW，令：
階數(shù)n必須取整數(shù)，故得n=8。
3軟件設計
圖5所示為軟件流程圖。
軟件主要包括主程序、串口中斷程序、定時器中斷程序、處方配置程序和模式配置程序。其中，主程序完成初始化和配置函數(shù)調用；串口中斷程序完成指令接收并解析；定時器中斷程序實現(xiàn)載波差頻輸出。
4臨床驗證與結果分析
臨床試驗在河南省中醫(yī)藥研究院附屬醫(yī)院腦血管科進行，選擇明確診斷為由腰椎間盤突出等引起的疼痛的患者60例，并隨機分為驗證組30例，對照組30例，主要從臨床應用的安全性、有效性兩個方面進行評價。評價標準如下。
(1)安全性評價。在正常使用條件下，通過受試者實際使用，判定有無不良反應和副作用發(fā)生。
(2)療效評價方法。疼痛評定指標，采用疼痛視覺模擬量表( visual analogue scale，VAS)對病人疼痛程度進行自評。方法是在白紙上畫一條10 cm的直線，一端表示無疼痛，一端表示難以忍受的劇烈疼痛，患者根據(jù)自己的感受，在直線上畫一點，醫(yī)師用直尺測量從起點到患者確定痛點的距離，用測量的數(shù)字表示疼痛強度。治療前、中、后分別測量。運用尼莫地平法對病人的療效進行判定，即采用VAS加權計算法。疼痛減輕的百分數(shù)=(A -B)/A×100，其中A為用藥前VAS評分，B為用藥后VAS評分。
①臨床痊愈：(A -B)/A x100≥75%：
②顯效：(A -B)/A x100≥50% ~75%：
③有效：(A --B)/A x100≥25% ~50%：
④無效：（A-B)/A×100< 25%。
表1所示為兩組療效判定情況比較。驗證組的疾病療效分析有效率90%，對照組有效率93.3%，兩組差異沒有統(tǒng)計學意義，說明該干擾電治療儀的療效與對照組干擾電治療儀相當。安全性評價顯示：兩組均無不良反應發(fā)生，說明該設計臨床應用是安全的。
5結束語
本文基于DDS和數(shù)字電位器設計的干擾電治療儀，電路結構清晰，功能完善。創(chuàng)新點有：使用多電壓供電，避免了復雜的電壓轉換電路，電路更穩(wěn)定；直接利用數(shù)字電位器實現(xiàn)調制波和載波的幅度控制，減小了軟件開發(fā)難度；利用8階巴特沃斯濾波器對方波進行濾波，輸出正弦載波，降低了硬件成本。
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