（生物医学工程专业论文）电刺激经络导通法及刺激装置的研究.pdf

a b s t r a c t m e r i d i a nt h e o r yi st h ef o u n d a t i o no ft r a d i t i o n a lc h i n e s em e d i c i n e r i n ga n dl u o c o n n e c tt h et h ei n s i d eo r g a n sa n dt h el i m b s a a c u p o i n t sl i eo nt h ep a t h so fj i n ga n d l u oa c u p u n c t u r ei sb a s e do i lt h ec o r r e l a t i o no f i n gl u o ，a c u p o i n t sa n dt h ei n s i d e o r g a n s a c u p u n c t u r ei s aa n c i e n tt h e r a p e u t i c sw i t hal o n gh i s t o r y b yf a rm a n ym o d e r n p h y s i c a lt h e r a p e u t i cm e t h o d sa p p e a ro n t h eb a s i so ft h ea n c i e n tt h e o r y t h er e l e v a n t i n s t r u m e n t sa r ew i d e l ya p p l i e dt ot r e a th e m i p l e g i a ，r h e u m a t i s m ，a r t h i r i t i sl u m b a ra n d c e r v i c a ld i s e a s e a n dn e u r o m u s c u l a rd i s e a s e ，e t ct h es u r f a c ee l e c t r o d e sa n dt h e m i c r o p r o c e s s o rp l a yi m p o r t a n t r o l e so nt h en e wi d e ao fs t i m u l a t i o na i m e da td r e d g i n g m e r i d i a na n d a c u p i o n t t h es t i m u l a t i o nt o d r e d g em e r i d i a n a n da c u p i o n ti n t e n d st ot r e a t p a t i e n tb y r e g u l a t i n gt h ee n e r g yo nt h ew h o l em e r i d i a ns t r i p t h em a i nt a s ko ft h ep r o j e c ti st o d e s i g n o n ek i n do fs t i m u l a t o ra c c o r d i n gt ot h et h e o r yo fd r e d g i n gm e r i d i a na n d a c u p i o n ta n d t h er u l e so f e l e c t r i c a ls t i m u l a t i o n t h e p a p e rm a i n i yc o v e r i n g t h r e e a s p e c t s ： t h et h e o r e t i c a lp a r t si n c l u d et h es u m m a r i z a t i o ni nr e s e a r c ho f j i n ga n dl u o ，t h e m e c h a n i s m o f d r e d g i n gm e r i d i a n a n d a c u p i o n t ，t h em o d e lo f a c u p o i n t si m p e d a n c e a n d a n a l y s i so f c u r r e n td e n s i t yd i s t r i b u t i o ni nt h et i s s u eu n d e rt h ee l e c t r o d e s t h es e c o n d p a r tf o c u s e s o nt h ed e s i g no f t h e t h e r a p e u t i c a li n s t r u m e n t t h ec o r eo f t h ei n s t r u m e n ti sm a d eo fm c us s t 8 9 e 5 5 4a n dc p l de p m 7 0 6 4 s i tg e t st h eu s e r s i n f o r m a t i o n , d i s p l a y st h ec u r r e n ts t a t u sb yl e da n dc o n t r o l st h e o u t p u to fe a c hc h a n n e l t h et y p i c a lo u t p u ti sac h a i no f b i p o l a rr e c t a n g u l a rp u l s e s t h ep a r a m e t e r ss u c ha s f r e q u e n c y , w i d t ho fe a c hp u l s ea n dt h e i n t e r v a lb e t w e e n s u c c e s s i v ep u l s e sw i t hi n v e r s ep o l a r i t yc a nb e c h a n g e de a s i l y i np r o g r a m t h ec l i n i c a le x p e r i m e n ti sh e l do nt h ea c c e s s o r i a lh o s p i t a lo fc h i n e s em e d i c i n e c o l l e g eo ft i a n j i n t h et h e r a p e u t i c a lp r o c e s s i s c o m f o r t a b l e ，c o n v e n i e n t ，e a s i l y c o n t r o la sc o m p a r e dw i t ht r a d i t i o n a ln e e d l ea c u p u n c t u r ea d d i t i o n a l l yt h ee f f e c to f t h e a n a l o g u eo f c o n d u c t i v i t ya l o n gt h em e r i d i a nl i n e si sa c h i e v e d k e y w o r d s ：d r e d g i n g m e r i d i a na n d a c u p i o n t ；e l e c t r i c a ls t i m u l a t i o n ；t h e r a p e u t i c i n s t r u m e n t ； 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得盘查盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：乌嚣知 签字日期：w 口 年，月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解鑫壅叁堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨壅盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：乌嚼劾 签字日期：”；年j 上月f 广日 翩签意多， 签字日期：。_ ；年 以矿 工玛| r b 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 经络学说是综合研究人体经络系统的循行分布、生理功能、病理变化及其 与脏腑关系的一种学说。它是祖国医学理论体系的重要组成部分。该理论把经 络描述成沟通体表与脏腑的途径，同时也是机体环境和外环境联系的主要通道。 经络交错成网，所有器官都作为这个网络的一个有形成分，相互联系，相互影 响，各个部分之间的状态就决定了机体的健康水平。在这种理论的指导下，形 成了多种采用体外干预经络状态的治疗方法，针灸疗法就是此理论的典型应用。 针灸及其衍生出来的各种疗法因其在许多病症上独有的疗效，又重新吸引 了研究者的注意力，越来越多的国外研究机构也参与到经络的研究当中。研究 者正从各个角度开展了对经络的研究，企图用更科学、直观的方法来阐释中医 理论，揭示经络的奥妙。可能人们对经络研究的着眼点不同，但近来的研究成 果无一例外的证明了经络的客观存在。经络的存在，可以说就是对中医理论最 大的肯定。与此相关中医疗法也勃发了新的活力。 经络导通刺激是在传统针灸基础上发展起来的一种较新的基于经络理论的 中医疗法。得益于电子技术的发展，采用表皮电极的电针刺激被许多针灸医师 采用，因其舒适、无创等优点深受患者喜爱，并且许多产品已经进入家庭。从 普通针具到电针，再到表皮电极替代针刺，体现了从传统中医到现代中医的过 渡。在电针的基础上，经络导通刺激也就提了出来。经络导通刺激也就是根据 经络内属脏腑、外络枝节，行气血、营阴阳的特点提出了通过一定的外来刺激， 调节经络上各穴位点的气血运行状态，使经络活动的气血运行恢复平衡，也就 同时实现机体康复。天津中医学院陆小左教授由于行医实践的需要，提出经络 导通治疗仪的设想。该仪器具有多路输出通道，各路刺激输出按照经络导通治 疗所选穴位分布程序控制，产生一种模拟的经络传导的效果，增加针灸疗效， 仪器采用表皮电极，使整个治疗过程舒适、方便。 针灸疗法广泛用于颈腰椎疾病、关节性疾病、神经肌肉疾病、植物神经功 能紊乱，以及由于中风、脑外伤、外周神经损伤造成的运动、感觉功能障碍等 疾病。穴位导通电刺激治疗作用的机理尚无定论，研究者在实验过程中，除了 肯定经络刺激产生的许多特异现象之外，也试图寻找科学的解释经络本质的理 论。经络具有的循经低阻、高电位、高振动声现象，以及经络刺激产生的循经 感传现象和与此相伴随的循经肌电发放、血流图变化等，都说明经络作为一个 第一章绪论 统一的整体存在，并在生命活动中具有重要地位。经络研究关乎古老中医的发 展，解释经络本质并利用经络理论治病救人是从事中医理论研究和实践者的责 任。 1 - 2 国内外研究现状 许多独特的经络现象刺激了国内外对经络的研究兴趣，关于经络的许多理 化现象已被普遍认可，许多中医治疗手段也逐渐被西方国家接受，对于电刺激 来说，穴位刺激和一般的神经肌肉刺激是并存的。可以根据刺激输出形式、刺 激频率、刺激强度、刺激作用部位或刺激的目的对这些仪器进行分类。现在主 要根据刺激脉冲的频率来进行化分，比如直流电药物离子导入仪器、低频治疗 机、中频治疗机和高频治疗机。同时在同一频率范围里也包括细致的分类，比 如侧重于促进局部血液循环的间动电流即输出为5 0 赫兹交流电经整流后叠加 在直流基础上而成的密波、疏波或断续波等几种波形；中频电疗又根据电流的 性质分为等幅和低频调制等：刺激作用部位不同也是决定仪器特点的主要依据， 若对失神经支配的肌肉进行电刺激，就要求刺激强度大、脉冲宽和变比大，并 且随失神经支配程度不同又有很大变化；对于经皮电刺激，对刺激运动神经或 感觉神经为目的刺激要求也有很大不同。作用部位分类比如神经刺激、肌肉刺 激、穴位刺激等；根据刺激目的划分的方法主要指功能电刺激或特殊目的的刺 激。所以说，当前电刺激产品纷繁复杂，许多新产品还不断走出实验室。从文 献上看，现在关于功能电刺激的实验仪器已经很是发达，能够控制机体完成诸 如站立、行走、上下楼梯、抓握等复杂的动作。早在1 9 8 7 年p e c k h a m 等成功设 计了多达2 6 通道的f e s 系统，控制整个下肢运动。c o o p e r 等( 1 9 8 8 ) 采用了 声控的f e s 系统。许多采用植入电极的刺激系统也进入应用阶段。 在国内虽然基于针灸理论的电刺激仪器很多，但大部分要么刺激电极较少， 要么输出参数不便调节，对于实际临床应用来说，由于个体差异，刺激参数往 往都是因人而异的，因此实际应用过程中方便参数设置是个很重要的问题，但 太部分仪器都缺少这样的功能。许多造价昂贵的电脑治疗仪除了价格因素外， 其实现方式主要是中频或高频治疗。 市场现存的z d l - 4 0 1 系列谢氏经络导平治疗仪具有的三种功能，导平针灸、 导平推拿和导平输气，存在三个频率选择项2 5 h z 、l o h z 和6 0 h z ，其输出参数 不能灵活控制，也不能根据治疗实际需要调整治疗方案。另外一些基于中医治 疗思想的电疗产品，也都不具备导通治疗的功能，主要侧重于按摩保健或镇痛 功能。因此，我们研制的经络导通仪器作为专为经络导通刺激实现而设计的仪 2 第一章绪论 器不但可以作为一种实验仪器，同时也有进入市场的优势。 1 3 本文的主要工作 本文的工作主要分为三部分，经络研究及电刺激相关理论部分；经络导通 治疗仪的研制；仪器调试与实验。以下是本文的主要内容简介： ( 一) 传统经络理论和当代经络研究进展，以及经络导通治疗机理。这部 分主要总结了国内外经络研究的进展，凡进行经络研究，总要试图阐释经络的 本质，各种对经络本质的解释观点又都基于客观的经络的现象，现代的广泛的 研究工作积累了大量经络与神经、脉管系统以及分子水平结构的相互关系的知 识。这一部分是经络导通治疗思想的源泉，连同电刺激理论，同时作为指导仪 器设计的基础， ( - - ) 该部分简要介绍了人体穴位电刺激时两穴位问回路形成的等效电路 模型，作为整个电路的一部分，等效电路会影响到仪器的工作状态。这里讲的 主要是皮下组织的r c 三元件等效电路模型，c o l e - c o l e 理论模型，全电路生 物阻抗阻容模型，讨论电极面积大小，电极间距对等效电路模型的影响作用。 同时也介绍了一种通过镜像电荷法对电刺激中穴位下电流密度分析的理论。这 些理论是了解电刺激仪器工作过程中人体组织响应，电场与组织相互作用关系 的理论基础，为仪器设计和使用提供指导。 ( 三) 仪器系统的硬件设计。在经络理论、电刺激理论的指导下，设计仪 器系统。 硬件设计包括了单片机及外围电路设计，如键盘、显示部分；电源及升压 电路设计，为了方便输出电压的程序控制，升压电路采用占孔比可调的高频脉 冲驱动的开关变压器的方式；为了减小p c b 板空间，采用a 1 t e r a 公司的可编程 逻辑器件e p m t 0 6 4 s 设计了调整脉冲占空比电路和通道控制开关电路：输出控制 阵列设计，该部分为了获得双极性刺激脉冲，采用隔离变压器而不是光耦来控 制输出：穴位探测电路，设计了独立的穴位探测电路，由于皮肤电阻方法进行 穴位定位客观可行，虽有文献报道电极与皮肤的接触压力情况并不会显著的影 响穴位探测，而实际情况的确受到对电极施加的压力和皮肤状况的影响，因此 方便快捷的穴位探测电路还有待改进。a l t e r a 公司的可编程逻辑器件e p m ? 0 6 4 s 具有在系统编程( i s p ) 功能，通过自制的下载电缆，方便的进行电路设计、仿 真、修改等。并且仪器控制核心电路、电源与升压电路和输出阵列控制电路分 别设计，方便的进行电路功能扩展，刺激通道可以扩展到2 4 路。 ( 四) 仪器系统的软件设计部分。该部分的主要功能是实现人一机交互，控 第一章绪论 制刺激过程。经络刺激输出的参数对应于不同的按键，可以在手动控制方式下 方便的设置刺激参数。对于成形的刺激程序可以以固定处方的形式存储在m c u 的f l a s h 存储器里，通过菜单按键调用。因为m c u 具有4 0 k 片上f l a s h 存储器， 并具有在线编程功能，因此，可以方便的把治疗处方程序通过与p c 串口线写入 仪器。 ( 五) 该部分分为仪器性能测试和临床试验两部分，对于仪器的工作性能 的测试是把人体组织等效为纯电阻负载，观察当负载变化时刺激输出的变化。 该部分显示了仪器恒压工作的能力和最大电流输出能力。同时研究对正常人穴 位刺激时个别穴位的刺激有感阈值和振颤阈值。以及电极面积与刺激输出强度 的关系。临床试验5 0 人次，实验过程中，刺激参数设置主要依据是病人主诉， 实验结果显示不同病人对刺激要求不同。 4 第二章经络理论研究现状与经络导通治疗机理 2 1 引言 第二章经络理论研究现状与经络导通治疗机理 传统中医对经络的描述主要停留在主观经验的水平上，以至于对于现代的 研究者来说。很难从古医书籍中找到经络存在的解剖证据，也正因为此，中医 理论迟迟不能让西方医学体系接纳。近几十年的研究，相继发现了经络许多独 特的理化性质，这不仅有力说明经络作为一个整体结构的客观存在，也为经络 研究打开了大门。基于经络理论的各种疗法日渐兴起，各种仪器相继出现，经 络导通治疗思想提出仍主要依据了传统经络理论，作为这种疗法的指导思想， 也在现代医学实践中不断我到科学的证据。 2 2 经络研究综述 2 2 1 经络现象 正是因为经络存在许多特有的现象，才吸引了许多研究者的注意，试图 来阐释其机理，许多现象直观可见，而许多性质又是在研究中借助现代的手段 发现的。许多经络现象是直观可见的，比如针刺穴位时沿经线皮肤表现出了的 一些特异现象，出现白色或红色线状改变，这种现象可持续数十秒至几小时， 或者循经出现皮丘带、湿疹样线、线状出汗或线状神经性皮炎等。二是循经皮 肤病现象。循经皮肤病分布在经络线上，该病走向与经线基本一致，宽厘米量 级，如循经贫血痣、皮脂腺痣和神经性皮炎等。对于经络线上其它的解剖、理 化和生化性质都是在现代研究中发现的，这些研究成果都一定程度的加深了人 们对经络的理解。为了更清晰的了解经络并利用经络的性质治疗疾病，这里也 总结一下经络、穴位的一些其它性质。 2 2 2 经穴分布线上的解剖结构 研究发现，穴位与结缔组织、神经末梢分布、血管 2 1 、淋巴管嘲都有密切 的联系。主要经脉纵长走行，与络脉交织成网，但从其分布的范围来看，处于 经络上的穴位点有着复杂的解剖结构也是不足为奇的。经络、穴位首发于古人 针灸之术，对于主要依靠经验治疗的古医生来说，其治疗之法也无外乎主观感 第二章经络理论研究现状与经络导通治疗机理 受作为第一凭据，因此，从穴位、经络的渊源分析，穴位与神经的关系，尤其 是感觉神经的关系是穴位的首要特征。同时，在血管，淋巴分布密集的区域， 作为主要依靠简单物理干预治疗的古人来说，也肯定首先进入他们的视野。 现代经络研究，越来越多的借用了现代的手段，来诠释古人的发现1 4 j 。沈 雪勇等吲研究了胃经腧穴与结缔组织结构的关系，在3 具尸体上观察了胃经颈 以下3 7 个腧穴，结果发现2 2 穴与筋膜相关，8 穴与骨膜相关，6 穴与血管神经 鞘膜相关，1 穴与关节囊相关。刘芳等【6 】研究了骨间膜胆经沿线的血管密度状 况，用视窗内血管分布面积百分比作为衡量标准，在悬钟、阳铺、光明及外丘 等穴位处血管密度较高，平均为2 8 ，8 3 ，而非穴位处则较低，平均值为8 2 4 ， 两者比较结果p o 0 5 。余安胜等【7 l 观察到，足三里穴的淋巴管分支集中，与对 照组相比发现有明显不同。欧阳紫蓉等【g 】的研究认为胎心经同淋巴管走行一致， 在四肢、躯干及胸腹部的穴位是微淋巴束聚集的地方。应用分层大体解剖的方 法对成人尸体及4 9 条游离上肢和2 4 条游离下肢进行了仔细观察，发现十二经 脉和任脉的3 2 4 个穴位中有3 2 3 个在针周范围内有脊神经或脑神经支配，说明 腧穴与周围神经有密切的联系，且穴位处的神经分布和相应脏器的神经分布属 相同脊髓节段。其它关于穴位处肥大细胞、激素以及胞内酶的研究也都似乎证 明着穴位的特殊性。或许这些解剖结构和组织构成正是经络表现出其特有理化 性质的物质基础。 2 2 3 循经线低阻、高电位、高振动声、循经肌电发放等理化现象 经脉线同时表现出低阻、高电位、高振动声等【9 特点，现在关于经脉线的 这些特性几成普遍接受的结论，也正是利用经穴的这种特性实现穴位客观定位。 福建中医药研究院的吴宝华等【”】对经络的这些性质进行了系统的研究，比如对 心包经的研究就发现，心包经上测试点的皮肤阻抗明显低于两侧对照点 ( p 00 0 1 ) ，该结果提示皮肤低阻点是循心包经路线分布的。他们对1 5 名受试 者的心包经皮肤低阻点的皮肤电位进行了测试，结果在1 5 名受试者的4 5 个测 试水平中经线上皮肤低阻点的皮肤电位高于两侧对照点者有3 9 个水平，没有出 现低于两侧对照点的水平。表明心包经前臂段皮肤低阻点的皮肤电位高于两侧 非低阻对照点，差异极为显著( p 口公式( 3 1 9 ) ， z - - y 船，加警a 心n l l _ tl 公式( 3 2 0 ) 玎 l ( ，一d ) ：+ z2 】i + ( ，+ 口) 2 + = ：】j j 为刺激电压；a 为电极半径 e = 一v 西 j = d 匹 公式( 32 1 ) 公式( 3 2 2 ) 盯为皮下组织的电导率。e 为组织内电场强度分布，j 为组织内电流密度， 为标量电势，a 为电极半径，r 为空间矢量的模。根据公式( 3 2 0 ) 分别计算 在三种介质中的电势函数，解边界条件并取极限，然后获得组织内电流密度分 布。并获得以下一些有益结论： ( 1 ) 穴位电极下面的电场与电流密度场的分布是不均匀的，但是对称的； ( 2 ) 在垂直深度相同的每一层面上，靠近电极面处的电位值和电流密度值 最大，离电极越远，则电位值越小； ( 3 ) 对于不同深度的层面，离电极越近的层面电位值越大。 在该模型的对庐1 0 m m 电极的仿真计算中发现，只有1 0 的电流到达1 0 r a m 处。电极下电流密度分布如图3 5 所示： 第三章穴位电阻抗与组织内电流密度模型分析 厉渐惑 巡燃岁 图3 5 a图3 5 b 从分析的结果可见，电极下电流密度在电极边缘处较大，电极中心较小。 当刺激电流较大时，必须保证电极与穴位点皮肤的良好接触，否则，会破坏电 流密度的分布情况，产生电流猝然集中而发生强烈痛感。由于穴位高电导性， 在穴位电极下，电流密度分布会有一定程度的纠正，即电极下电流分布趋于均 匀。 3 6 总结 采用皮肤阻抗方法确定穴位位置，在注入皮下电流极小的情况下( 几微安 至几十微安) ，组织受检测条件的影响较小，阻抗测量值稳定，重复性高，受电 极与皮肤接触压力【”】影响较小，般皮肤阻抗在几百千欧姆的范围，穴位点处 的阻抗低于非穴位点处，大多数穴位都能靠这种办法定位。 对于刺激电流较大的治疗过程来说，人体阻抗或者组织内电流密度分布都 因人而异，并受到实验条件的限制，但总体来说，电流密度仍是影响外周神经 尚未完全损毁病人的主要因素。单纯考虑直流阻抗成分的话，人体阻抗值介于 几千欧与几十千欧之间，对于3 0 m a 电流刺激来说，输出电压几十伏至几百伏。 一般把电流介于0 - 一3 0 m a 之间强度的刺激定义为小电流刺激，对于恒压脉冲刺 激来说，神经无损病人刺激有感的阈值电流强度要小于这个值。在固定两个穴 位之间，组织特性恒定的情况下，平均刺激电流密度与电极面积成反比。当电 极面积较小时，在相同电压值下，电流密度集中，会因为皮下皮质腺，汗腺开 孔造成电流密度迸一步集中而产生强烈的刺激感。同时穴位区域并不是理想点 状，因此刺激电极面积较大，该仪器采用45 4 5 c m 2 的导电橡胶电极。由于组 织的阻容特性，因此在穴位刺激时必须考虑刺激频率对穴位间人体阻抗的影响， 穴位间阻抗对仪器性能的影响。通常在脉冲刺激过程中，人体电容介于几十n f 到几百n f 之间。 同时，为了使仪器满足中风或者外周神经损伤病人的经络导通刺激要求， 2 1 第三章穴位电阻抗与组织内电流密度模型分析 必须考虑这些人失神经情况对刺激强度的要求。 另外，相同极性的脉冲序列比极性相反的脉冲序列产生的刺激感强烈。采 用脉冲序列刺激会导致不同的感受阈值和感觉反应。这取决于刺激电极间距和 脉冲频率。这种现象被认为是各个脉冲刺激在时间上的一种积累效应。 第四章经络导通治疗仪硬件系统设计 4 1 引言 第四章经络导通治疗仪硬件系统设计 经络导通治疗要实现动态时序的经穴刺激，而达到模拟经络传导，实现经 络疏通的目的。因此，在仪器设计过程中不但要考虑一般经皮电刺激仪器设计 的要求，同时要兼顾为实现经络导通对仪器的特殊要求。由于皮肤阻抗的存在， 并且不同穴位点的电阻抗不同，受皮下组织成分的影响，皮肤阻抗从几千欧直 至上兆欧。为了使输入穴位的刺激电流达到基强度的要求，刺激输出幅度就必 须达到一定的电压值。并且，穴位刺激或经络传导主要以感觉信号为特征，因 此，对不同的病人，尤其神经肌肉损伤的病人，对刺激的感受闽差异很大，因 此，刺激输出必须能够根据不同的病人，同一病人不同的穴位实现方便的调节。 经络导通刺激般在一条经络或几条经络上根据辩证取穴理论，多点穴位 进行刺激。为模拟经络感传作用，实现对经络上取定穴位点进行动态有序刺激， 采用单片机作为控制单元，开启或关闭刺激输出。 为满足同电极下组织内无电荷积累，避免组织损伤或影响刺激过程中组 织电性质变化，采用双极性脉冲波形实现电荷交换平衡。另外，脉冲刺激脉冲 有效宽度，对于双向矩形脉冲刺激两不同极性脉冲间隔也是刺激的重要参数， 对于这些参数，在经络导通治疗中都是根据需要可调的。 4 2 整体设计框图 硬件设计主要包括控制单元，电源与升压电路单元，输出控制阵列和独立 的穴位探测电路。 控制单元采用5 l 系列单片机，为了省去扩充片外存储器( 数据存储器r a m 和程序存储器r o m ) 的麻烦，选用具有片上4 0 k f l a s h 存储器，并具有在线编 程模式的s s t 8 9 e 5 5 4 r c 单片机【3 卯。该部分的主要工作是读取按键信息、显示 参数、控制脉冲变压器驱动脉冲的占空比和控制各通道刺激输出。 h d 7 2 7 9 a 是一种具有串行接口，可同时驱动8 位共阴式数码管或6 4 只独 立的l e d 的智能显示驱动芯片。该芯片同时还可连接多达6 4 键的键盘矩阵， 单片即可完成显示键盘接口的全部功能。仪器采用三位数码管显示刺激参数，6 个独立的l e d 指示当前状态。同时通过9 个按键进行参数设置和运行控制。在 典型模式下，6 个参数全部可手动设置，分别对应着输出脉冲幅度、宽度、同 一通道两脉冲间的t 日q n 隙、相邻通道的时f b - n 隔，以及治疗时间，菜单模式 设置。参数设置过程中，每按下对应参数的按键，三位数码管显示当前参数值， 然后通过增加键或减小键改变对应参数的设置值，同时显示设置后的参数值a 电源和升压电路部分是模拟电路设计部分的关键所在，该部分采用开关电 源的设计思路实现升压，通过控制驱动开关变压器脉冲的占空比而实现对升压 电路电压幅度的程序控制。为了提高电压调节过程中输出的响应速度，脉冲变 压器的驱动脉冲频率选定为1 0 0 k h z ，占空比8 级可调。 输出控制阵列作为刺激电源和人体的接口，控制刺激脉冲的极性、脉冲宽 度和相邻脉冲间隙。输出控制阵列独立控制各个通道的刺激输出，使得刺激程 序实现起来更加灵活。 脉冲变压器驱动脉冲占空比的设置和各通道刺激输出控制采用可编程逻辑 器件( c p l d ) 实现，在m a x p l u si i e 3 6 】集成开发环境下，采用作图法方便的实 现c p l d 设计，把分立器件集成到一片c p l d 中，大大节省了空间。 仪器整体框图如下： ；2 3 2 串行接口 ( m a x 2 3 2 ) 陲盘l怛示l 0 可前 。、 键盘、显示接口 ( h d 7 2 7 9 a ) 单片机 ； 占空比调整电路 路p 爿 s s t 8 9 e 5 5 4 奠 吼。 爿 i 通道选择脉冲电 b f ；rl n 输出控制阵列 图4 - 1 ：系统硬件框图 2 4 第四章经络导通治疗仪硬件系统设计 4 3s s t 8 9 e 5 5 4 r c 单片机及外围电路 s s t 8 9 e 5 5 4 r c 单片机是与8 0 5 1 完全兼容的8 位微处理器。之所以采用这 款单片机主要是因为其大容量的s u p e r f l a s he 2 p r o m 和在线编程的便利。器件 提供了4 0 k 字节的在线可编程f l a s h 存储器。存储器分为两部分，可根据用户 需要进行配置。该单片机同时具有1 k 片上r a m ，片上r a m 分为四部分：可 直接间接寻址的低1 2 8 字节；间接寻址的高1 2 8 字节；直接寻址的1 2 8 字节特 殊功能寄存器；7 6 8 字节扩展r a m ，清除辅助寄存器( a u x i l i a r yr e g i s t e r ) 的 e x t r a m 位后，通过访问外部数据存储器的方式寻址，在这种情况下访问内部 r a m 并不影响p o ，p 2 端口和读写输入输出端1 2 1 状态。前三部分r a m 情况和 8 0 5 l 单片机完全相同，扩展的7 6 8 字节r a m 大大增强了程序处理能力。并且 堆栈指针可位于内部2 5 6 字节的任何位置。 器件内部f l a s h 存储器通过两种方式进行编程和擦除操作。外部主机编程 模式( e h p m ) 和在线编程模式f t a p m ) 。 e h p m 模式允许用户不通过内部c p u 直接对f l a s h 存储器进行编程或擦 除。在r s t 输入高电平时，使p s e n 岸从逻辑高电平变为逻辑低电平，器件就 进入了e h p m 模式，只要r s t = l ，p s e n 牡o ，器件就始终处于e f i p m 模式下。 在外部主机模式下，只有进行了读入器件d 的操作之后，才会响应其它的外 部命令，真正进入了外部主机编程模式。在诸如m c u 编程器或p c 机控制开发 板的控制下通过重新分配的i o 管脚访问内部f l a s h 存储器。 当在线编程( i na p p l i c a t i o np r o g r a m m i n gi a p ) 模式时，微处理器c p u 进 入i a p 模式。在这种工作模式下，允许c p u 执行其中一个存储体的用户代码， 另外一个存储体处于并行的擦除或写入过程，甚者，当两个存储体都处在编程 或擦除状态时，c p u 同时从外部存储器读取代码。位于s f r 区的m a i l b o x r e g i s t e r 监控了存储体的擦除和写入过程。在i a p 模式下，c p u 内核和f l a s h 控制器脱 离外部时钟控制。但一个内部振荡器被启动，作为编程和擦除操作的时钟基准。 这个内部振荡器只有在需要的时候才被打开，而当f l a s h 操作完成后就立即被 关闭。在在线编程模式下，器件允许位于一个存储体的i a p 代码对另外一个存 储体进行操作，但不能对代码所在存储体进行操作，如果i a p 代码位于外部 r a m ，那么，操作存储器就取决于存储区的选择状态。这些特点，使得只要通 过与计算机串口相连，就能方便的进行程序下载，并能够存储设定的参数信息。 因为这种在线编程模式，在电路设计中，预留了在线编程模式下器件f l a s h 存储器编程时和计算机通讯的串行接口。接口电路如图4 2 。 第四章经络导通治疗仪硬件系统设计 图4 - 2 ：串行接口电路 直接使用s s t 公司的提供的s s t e a s y l a p l l f 软件，就能够方便的对8 9 e 5 5 4 进行编程或仿真。接口电路简单，在u v i s i o n 2 集成开发环境下，随时把修改后 的程序下载到器件中。 4 3 1 键盘显示部分 该部分采用串行专用键盘显示接口芯片h d 7 2 7 9 a ，其具有自主动态扫描的 功能，尽可能的减少了占用m c u 的时间。它的主要特点如下： ( 1 ) 串行接口，无需外围元件就可直接驱动数码关或l e d 阵列； ( 2 ) 各位独立控制译码不译码和消隐闪烁特性； ( 3 ) ( 循环) 左移( 循环) 右移指令； ( 4 ) 具有段寻址指令，方便控制独立的l e d ； ( 5 ) 内含去抖动电路。 因为i - i d 7 2 7 9 a 和m c u 之间进行串行通讯，具有自主扫描和内部去抖功能， 因此，电路连接简单。 图4 - 3 ：键盘显示接口 当有按键按下时，k e y 管脚出现低电平，用此低电平作为外部触发事件开 启中断，每次被触发后，读取按键信息，并做出相应处理。用这种方式，最大 可能的节省了c p u 的工作量。 仪器使用三位数码管显示刺激参数，六位独立l e d 指示工作状态，分别对 2 6 应于待设置的参数。 4 3 2 占空比调整和通道选择调制脉冲单元 为了节省制板空间，便于功能扩充，采用m a x7 0 0 0 系列大规模可编程逻 辑器件( c p l d ) 设计占空比调整电路和通道选择控制脉冲单元。 c p l d 因其设 计灵活、集成度高、节省空间、抗干扰能力强等优点，广泛用在各种仪器设计 的场合。为了适应不同层次硬件设计人员的应用，各c p l d 厂商都提供了功能 强大的集成开发环境。其中，a l t e r a 公司的m a x 7 0 0 0 系列是其中一款很受欢 迎的产品，该公司提供的集成开发软件m a xp l u si i 也深受工程人员喜爱。 m a x7 0 0 0 系列可编程逻辑器件是基于第二代多阵列矩阵结构，高性能的 e 2 r o m 可编程逻辑器件；m a x 7 0 0 0 系列器件都提供了内嵌的i e e es t d 1 1 4 9 j t a g 接口，在电源电压5 伏时进行在线编程；5 纳秒的端端逻辑延迟，最 高可达1 7 54 m 的时钟频率。大多m a x7 0 0 0 s 系列器件都有通过4 脚j t a g 接 口在系统可编程功能( i n s y s t e mp r o g r a m m a b i l i t yi s p ) ，i s p 功能允许用户在硬 件开发调试过程中高效、快速的重复下载测试。编程过程不需要外加电源，只 要利用外部单5 伏电源，器件内部就能产生编程e 2 p r o m 单元的高编程电压。 在线编程期间，i o 管脚三态，避免板上冲突。 所采用的e p m 7 0 6 4 s l c 8 4 1 0 3 ”，8 4 - p i np l c c 封装，管脚分配如下： 表4 - 1 ：e p m 7 0 6 4 管脚定义 专用管脚 i n p u t ，g c l k l8 3 i n p u t g c l r n1 i n p u t o e l8 4 i n p u t o e 2 g c l k 2 ( 3 ) 2 t d i ( 4 ) 1 4 t m s ( 4 ) 2 3 t c k ( 4 ) 6 2 t o o ( 4 ) 7 1 g n d 7 ，1 9 ，3 2 ，4 2 ，4 7 ，5 9 ，7 2 ，8 2 v c c i n t ( s vo n l y ) 3 4 3 v c c i o ( 3 3 v o r5 v ) 1 3 ，2 6 ，3 8 ，5 3 ，6 6 ，7 8 n o c o n n e c t ( n c ) 第四章经络导通治疗仪硬件系统设计 匦型运! 巡旦区i 从上图可见，e p m 7 0 6 4 s 计有6 4 个用户可用管脚，除去1 6 个输入管脚外， 其它4 8 个管脚都可用作通道输出控制，因此，该控制核心单元可以实现对2 4 路输出控制单元的控制。 m a xp l u si i 集成开发环境，提供了c p l d 设计、仿真、综合和编程功能， 在硬件设计时，既可以使用图形编辑器，也可以应用v h d l 等硬件描述语言方 式进行产品设计。一般情况下，采用硬件描述语言设计基本元件，再用图形编 辑器设计系统原理框图。在这里，采用c p l d 实现脉冲宽度调整和输出通道选 择调制脉冲生成功能。频率固定，通过调节脉冲的占空比来改变输出电压的原 理见后文“电源与脉冲变压器的设计”。输入脉冲频率1 6 m 赫兹，输出脉冲频 率1 0 0 k 赫兹，最大占空比1 2 ，八级可调。c p l d 设计顶层原理框图如图4 - 5 。 ! 哆。“* 一忡，p 聃 ，! 一曼 髀 静? ! 。”* ：l 彝荛磊 i 砻圣：| | | | 艮：壹| | 。i 巨 ：甥嘉察鸶滓坚誓一 7 t i _ j 皿q 烨j 嵩j 一 “n 醉* 善j 域：。辆辅； 图4 5 ：占空比控制电路和通道选择控制脉冲c p l d 由m c u 产生通道选择矩形脉冲和5 0 k h z 高频脉冲与操作后的调制脉冲， 该脉冲作用在隔离变压器上，经过低通滤波后控制高压管的开关而实现输出和 嚣i | | 删卿瞿二 第四章经络导通治疗仪硬件系统设计 极性控制，详见后文“输出控制阵列”一节。输出通道选择调制脉冲波形如图 4 4 。 输出通道选择3 0 k 输入脉冲m c u 控制信号 图4 - 4 ：输出通道选择 4 4 电源与升压电路 采用串联电源管理芯片7 8 0 5 产生稳定5 伏电源供给控制单元的m c u 和 c p l d 。升压电路产生正负1 1 0 伏刺激电压经过开关作用的高压三极管作用在 人体上。由于人体皮肤阻抗的存在，因此，对于使用表皮电极的皮肤电刺激来 说，输出电压必须大于某一下限才能引起有效的感觉或运动反应。从实验结果 来看，对于不同的病人，对刺激强度的耐受能力有很大的差别，尤其对例如中 风等上运动神经元损伤的病人，其对刺激强度的要求几乎相当于正常人的3 倍。 因此，为了使该仪器能够适用的范围更广，其输出能力的上限能够满足失神经 支配病人的要求。对于经络导通刺激来说，各个刺激脉冲输出有一定的时间间 隔，间隔时间长短取决于相邻穴位位置远近，对于这种接连的脉冲输出方式， 刺激瞬时输出功率要较大，同时，刺激脉冲的宽度也捡验升压电路的输出能力， 实验发现，在一个脉冲输出期间，幅度降落很少，几乎可以看作恒压刺激。对 于脉冲储能升压电路，采用脉冲变压器作为能量储存和传输器件，驱动脉冲的 频率、占空比、变压器初次级的变比共同决定了升压电路的输出能力。为了维 持恒压输出能力，输出刺激脉冲频率不能过高，经络导通刺激频率低于5 0 赫兹， 仪器在这个频率范围里能够保证恒压输出。仪器采用变压器隔离b u c k b o o s t 型单端反激式变换器实现升压作用。 4 4 1 变压器隔离b u c k b o o s t 型单端反激式变换器原理 变压器隔离b u c k - b o o s t 型单端反激式变换器p 8 1 电路构成简单，一般由脉冲 变压器、高速开关管、整流管和储能电容构成。变压器起到直流隔离和储存传 输能量的作用。其工作原理简介如图4 - 6 ： 当高压开关功率管t 受脉冲激励而导通时( t 。内) ，输入电压、七加到高 频变压器t r 的原边绕组n 1 ，有电流f 。= ，但次级绕组感生电压逆向加在二极 2 9 墨婴兰丝竺量望塑芝堡堡竺墨堕塑盐 管d 上，因此，在这段时间里，次级绕组中无电流流过，但能量储存在变压器 t r 中。在f 研期间，开关管t 被关断，t r 次级绕组上电压极性颠倒，二极管d = ；习， 7 l 一 1r 嗡 l 图4 - 6 ：单端反激式变换器原理 导遇，变压器储存的能量经二极管d 传输到储能电容c 。上，如此往复，使其 达到饱和。 设绕组1 的电感量为l 。，n ：的电感量为三：，忽略管子饱和压降吃，在t 导通时流过l 的电流f 。= i 。为 在f 。终了时，f 。的幅值为 ：堡f 厶 ，= 兰z a f o 公式( 4 1 ) 公式( 4 2 ) 在。期间，开关管截止，流过次级绕组：的电流j 2 2 j 。为 州：，一笔， 娥4 _ 3 ) 式中，为输出电压，：，是绕组2 开始瞬时电流的幅值。显然，存在 ，。，1 = ，：，：，即获得如下关系 公式( 4 4 ) 当厶和厶为常数时，电流f 。和如将随时间线性变化。 单端反激变换器在稳态时也有两种工作方式：变压器磁化电流连续工作方 式和变压器磁化电流断续工作方式。从式( 4 7 ) 可以看出，在。终了时，f 2 0 的方式称为连续工作方式；在。终了前，屯：o 的方式称为断续工作方式。 在单端变换器中，由于变压器的磁通妒只工作于磁滞回线一侧，故磁通在 一个脉冲周期内的增量和减量必须相等，即所谓的“磁通复位”，否则，磁通会 随工作时间延长而逐渐增加，导致变压器的磁饱和而损坏高压开关管。磁通复 m 一心 = p r 第四章经络导通治疗仪硬件系统设计 位是单端变换器必须满足的条件。 要满足上述条件，高频开关管予一个脉冲周期的。和。期间施加在高频 变压器原边绕组l 上的幅秒数应当相当，即磁通遵守幅秒平衡规律： 亭i 砷- o 或者 亭i 斧一。 在，d 期间，v l = k 在锄期间，：= 一 对连续工作方式，应满足 = 等 由上式得到输出电压与输入电压k 之比m 为 m ：堡：丝旦 屹n i 1 一d 其中，d 为占空比， n ：