基于嵌入式的膀胱神經和肌肉電刺激儀

作者 陳香 葉露林 朱麟 江蘇信息職業技術學院(江蘇 無錫 214153)

　　陳香(1989-)，女，碩士，研究方向：單片機及數據處理。

摘要：研制一種柜機推車式醫用膀胱神經和肌肉電刺激儀。該治療儀采用STM32系列芯片作為系統的控制核心，產生一組符合人體生理學的仿真生物波，對膀胱神經和肌肉進行刺激，最終達到緩解和治療尿失禁、膀胱殘余尿和尿潴留等疾病的目的。與已有的同類儀器相比，該治療儀具有模式多樣、外觀精美、操作方便以及成本低等特點，可以滿足不同患者的需求。

0 引言

　　作為內分泌科的一類常見疾病，膀胱類的疾病主要表現為殘余尿增多、尿潴留及尿失禁等。膀胱類的發病原因各不相同，如生活不規律、酗酒、脊髓神經受壓迫或損傷、藥物的副作用以及產后恢復不佳等，若不及時治療，則可能引發上尿路感染，進而引起全身性感染和腎功能衰竭而導致患者死亡^[1]。傳統的治療方法可以通過手術植入刺激儀或者插導尿管，但手術中病人需要承受巨大的痛苦，并且術后的生活受到限制，生活質量下降。

　　隨著信息技術的發展，醫療設備被廣泛應用到臨床和治療中，膀胱神經和肌肉電刺激儀也因需而生。該治療儀利用嵌入式系統低成本、低功耗、高性能等特點，產生一組仿真生物波，經過放大和穩定后，以低頻的方式多方位地刺激膀胱，使其產生緩慢的收縮和伸張運動，從而幫助患者鍛煉膀胱及括約肌功能^[2]，實現減緩痛苦和治療的目的。

1 治療儀硬件設計

　　膀胱神經和肌肉電刺激儀要完成仿真生物波的產生和兩路輸出波形參數調節兩大主要功能。針對兩個功能需求進行硬件的控制系統設計和外圍電路的設計。

　　1.1 治療儀硬件構成

　　膀胱神經和肌肉電刺激儀的硬件系統主要由電源轉換模塊、控制系統、觸摸屏和按鈕、信號隔離放大模塊以及繼電器控制輸出模塊組成，如圖1所示。當接入220 V交流電壓后，經過AC適配器將電壓轉換成直流電壓，并經過電源轉換模塊將電壓分成3路，分別給后面的模塊提供穩定的3.3 V、5 V和12 V電壓。嵌入式系統采用STM32[3-4]作為核心控制系統，主要用于仿真生物波的產生、觸摸屏的通訊、參數的設置和飛梭按鈕的設計。觸摸屏為用戶提供參數設置的可視化界面操作簡單易上手，飛梭按鈕作為觸摸屏失靈時的備用參數設置操作。信號隔離將控制系統產生的波形進行兩路分流并分別送至對應的波形放大模塊進行放大。繼電器模塊根據設置的參數控制波形的持續時間以及不用模式電極信號輸出。

　　1.2 治療儀控制系統設計

　　膀胱神經和肌肉電刺激儀的控制系統是整個硬件系統的核心部分，采用STM32F100系列芯片的強大功能來完成硬件編程，最終實現治療儀參數設置和治療，其控制系統的功能說明如圖2。

　　膀胱神經和肌肉電刺激儀的控制系統需要實現以下功能：仿真生物波的產生及頻率幅度的可調、治療模式選擇、系統與觸摸屏參數的通信、治療中時間的設置和飛梭按鈕的功能，并配合外圍電路使得電極中的波形具有治療的效果。

　　仿真生物波是有著特定規律的波形，需要電壓按照其線性的規律進行幅值放縮和調節單個完整波形的頻率，該波形由引腳PA4采用TIM/CAD/DMA[3,5]相結合的方式來產生，其中CAD負責調節幅值，TIM負責調節頻率，再結合外圍電路對波形進行分流和線性不失真的放大。飛梭按鈕由引腳PB12、PB13、PB14的外部中斷實現，分別對應正轉、反轉和按下三個狀態。觸摸屏與控制系統之間采用MAX232的方式進行通訊，將界面設置的參數和狀態傳輸給系統后進行相應的功能實現。定時器功能主要用于治療時間和持續時間的控制。模式選擇由引腳PA1和引腳PA2的I/O功能實現，其輸出電壓控制外圍電路繼電器的打開和閉合，分別命名為JK1和JK2，不同模式與兩個引腳邏輯值之間的關系見表1。

　　1.3 仿真波形的產生

　　膀胱神經和肌肉電刺激儀主要是利用嵌入式系統的控制技術產生可控的有規律的仿真模擬生物電波來刺激膀胱壁的逼尿肌，時期有節奏地緩慢舒縮，恢復逼尿肌的收縮記憶，促進損壞神經的修復，幫助恢復逼尿肌的收縮功能。

　　膀胱神經和肌肉電刺激儀的仿真波形由兩組仿真生物波的數值組成，其值范圍為0~4095，每組數據包含1200個數值，將其看成兩個數組sbit[1200]和sbit_1[1200]，數據量較大。為了提高數據傳輸速度，同時減輕CPU的負擔，采用DMA(直接存儲器存取)進行快速的數據傳送。為了保證在任何治療頻率下都能輸出完整的仿真波形，還需要結合治療頻率可調的最大數值來計算DAC每次寫入數據的頻率，通過TIM來驅動DAC的節奏，頻率與TIM需要配置的參數之間的關系為式(1)：

(1)

　　其中，治療頻率max為已知的最大治療頻率值，SYSCLK為系統時鐘，PreScaler為時鐘分頻數，Period為計數器值，由式(1)可以計算出需要配置參數的數值。

2 治療儀的軟件設計

　　膀胱神經和肌肉電刺激儀采用的顯示屏為觸摸屏^[6]，加上系統設計中的飛梭按鈕，可以通過兩種方式進行輸出波形的調節和時間等參數的設置。既可以讓用戶根據自己的喜好選擇參數設置方式，又保證了系統運行的穩定性和可靠性。

　　2.1 觸摸屏及飛梭按鈕

　　膀胱神經和肌肉電刺激儀配備帶有觸摸屏的LCD顯示屏，可支持圖形人機界面。治療儀顯示屏界面基于VisualTFT圖形界面軟件進行設計，人機界面架構圖如圖3所示，有三個子界面，分別為歡迎界面、選擇界面和主控界面。其中歡迎界面顯示該治療儀的名稱、型號、公司以及版本號的相關信息;選擇界面主要選擇不同的治療模式：同步治療和異步治療;主控界面分為參數設置和啟停控制兩個部分，其中參數設置包含治療時間、治療頻率、持續時間和治療強度四個參數，啟停控制可進行治療儀的開始治療、暫停治療、停止和返回四種狀態的切換。

　　當治療儀的觸摸屏失靈或者習慣旋鈕操作者，按一下按鍵啟用飛梭按鈕進行操作。飛梭按鈕采用旋轉編碼開關^[7]進行設計，通過旋轉編碼開關的左旋和右旋分別實現屏幕上參數和不同模式間的跳轉選擇和參數數值的設置，旋轉編碼開關按下來達到確認參數修改以及治療儀啟停狀態的控制，提高了系統整體的穩定性和可靠性。

　　2.2 治療儀整體流程

　　膀胱神經和肌肉電刺激儀從上電開始到一個治療結束，參數設定都必須遵循著特定的規則，避免在治療過程中給患者帶來不適，甚至加重痛苦，治療中一共有四個啟停控制狀態決定當前參數能否設置和修改，主控界面上由兩個觸摸按鍵“開始治療”和“返回”進行切換控制，“開始治療”和“暫停治療”交替切換，“停止”和“返回”交替切換，治療中、暫停治療和未治療(結束治療和治療前)三種不同狀態的界面顯示和相互之間的轉換控制以及與參數設置的關系如圖4所示。

　　膀胱神經和肌肉電刺激儀可以設置的參數有四個，其中治療時間是治療儀產生波形輸出電極信號的總時間，只能在治療前進行設置;治療頻率和持續時間用來控制產生波形的頻率和維持時間，可以在治療的任何狀態進行調整;治療強度控制波形輸出的幅值，即電壓的大小，為防止開始的電壓太大給患者帶來不適，該參數只有在治療開始后才可以調節，暫停或停止治療時該參數值立刻清零，每次調節都是從0開始并且要緩慢地遞增;治療儀自動結束也會回到未治療的狀態。

3 治療儀的軟硬件測試

　　膀胱神經和肌肉電刺激儀采用STM32系列芯片作為核心控制系統，并結合觸摸屏或者飛梭按鈕通過MAX232的串口傳輸參數來控制電極片波形輸出的頻率、幅值、持續時間等。每臺治療儀在進行組裝形成一個完整的產品時，需要結合治療儀的技術參數和使用說明，分別對系統進行了硬件測試和軟件測試，保證儀器整體性能的穩定性和可靠性，為臨床使用提供安全可靠的治療效果。

　　3.1 硬件測試

　　膀胱神經和肌肉電刺激儀采用PCB設計制作電路板，測試遵循先強電后弱電、電壓由高到低、范圍以MCU為中心由小到大向外擴展的原則[8]。首先測試各模塊電源系統，然后測試核心控制系統，進而測試串口、飛梭按鈕、觸摸屏等接口和外設。萬用表和示波器是進行硬件測試的必備工具，萬用表主要用來測試各模塊電壓是否正常，示波器主要用來測試仿真生物波的輸出是否跟強度參數值成線性關系。

　　輸出波形的幅值與強度成線性之后，需要對電路的放大模塊進行調試，通過調節電位器使得放大后的模塊呈現最大線性不失真的狀態。

　　3.2 軟件測試

　　基于通過測試的治療儀電路板，在Visual TFT中進行控件選擇和界面設計后下載至觸摸屏，通過串口通信將觸摸屏上修改的參數傳輸給控制系統進行波形頻率、幅值、持續時間的實時調節。不管在何時修改參數，系統都需要及時響應并輸出波形。

4 結論

　　該柜機推車式膀胱神經和肌肉電刺激儀采用STM32F100系列作為核心控制芯片，通過串口與觸摸屏進行數據的傳輸和反饋，結合外圍的波形放大電路、繼電器控制電路、電源模塊以及飛梭按鈕等，產生符合人體仿真學的生物波并結合參數進行相應強度(幅值)、頻率以及持續時間的調節，從而達到對人體膀胱神經的刺激，幫助患者順利排尿，減輕患者的痛苦，在臨床上具有良好的療效。

　　參考文獻：

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　　本文來源于《電子產品世界》2018年第5期第46頁，歡迎您寫論文時引用，并注明出處。