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1. 引言 電刺激療法被廣泛應用于促使神經(jīng)細胞或肌肉纖維興奮等臨床醫學(xué)與醫學(xué)研究領(lǐng)域。自1971年Galvani取得的對蛙腿刺激的實(shí)驗成功以來(lái)，它便被廣泛應用于臨床醫療和生理學(xué)研究。它在減輕組織痛，肌肉加固，心率調節，藥物的電離子滲入療法，等方面有著(zhù)廣泛的應用，并且效果顯著(zhù)。 功能性電刺激療法相比于其它療法，如藥物注入療法，激光療法，傳統的超聲波與電磁振蕩療法等，有著(zhù)明顯的優(yōu)勢。電荷刺激是FES中在發(fā)生在組織中刺激的本質(zhì)。從簡(jiǎn)單的單通道刺激儀，到復雜的可編程的多通道的電學(xué)刺激儀，有越來(lái)越多的電學(xué)刺激儀被開(kāi)發(fā)出來(lái)，并應用于各種FES康復領(lǐng)域。在最近的幾年里，可攜式的電刺激儀已被投入到醫學(xué)研究和醫學(xué)臨床，并受到越來(lái)越多醫學(xué)專(zhuān)家與患者的好評。 近年來(lái)，隨著(zhù)計算機應用技術(shù)的高速發(fā)展，各種高智能化的專(zhuān)業(yè)型FES應用設備被廣泛研制，并且刺激更趨精細和功能更趨完備。例如，在各種癱瘓患者康復鍛煉過(guò)程中，通過(guò)編制肌肉的力量與耐力訓練程序，為重新獲得站立，行走能力而研制的助行系統，在國外已獲若干進(jìn)展。 綜合國內國外的研究成果，FES應用設備的智能化和數字化程序越來(lái)越高，但是體積大，成本高，穩定性不夠，并且需要通用的具有相關(guān)功能的小型FES應用設備進(jìn)行維護和校準。這種價(jià)格高昂的大型設備，一方面，需要高性能微機作為主機，進(jìn)行數據分析；另一方面，需要復雜的高性能微型單片機應用系統，如基于嵌入式系統或DSP系統進(jìn)行終端設計，以控制脈沖發(fā)放和高速采集并處理數據。并且需要一條高速度，高可靠性的通信信道進(jìn)行數據交換。 2 硬件電路設計 體外神經(jīng)刺激儀的原理框圖如圖1所示，主要由MCU、鍵盤(pán)模塊、顯示模塊、電源模塊、電極以及AD/DA轉換通道組成。 MCU為控制中心，它控制液晶顯示模塊，DA，AD。鍵盤(pán)中含有的儀器開(kāi)關(guān)鍵，可以控制電源。本設計中MCU選用AT89C52，主要考慮到它內含用8KB flash ROM,并且含有三個(gè)定時(shí)中斷，這些特有的資源對該系統的設計非常有利。因為系統需要占用定時(shí)器０去確定信號輸出的頻率，定時(shí)器１去確定信號輸出的脈寬，還需要定時(shí)器２來(lái)決定阻抗鳴聲的頻率。 鍵盤(pán)電路主要實(shí)現各種模式選擇和參數的設定，采用常見(jiàn)的掃描碼鍵盤(pán)實(shí)現。在CPU與鍵盤(pán)接口模塊中，通過(guò)擴展外部中斷0接入CPU，這樣更加增強了鍵盤(pán)信息的響應度。電源電路向系統提供可靠的、高穩定的電源。本設計中電極和AD/DA轉換通道是硬件設計的關(guān)鍵。系統的DA器件采用的是12位的TLV5619器件。該器件最大的特點(diǎn)是轉換速度快，且幾乎沒(méi)有時(shí)延。電路圖如圖2所示。 在對DA的操作中，也是通過(guò)尋址來(lái)實(shí)現操作，高位地址是通過(guò)P2.6(H4ADDR)和P2.5(DACADDR)來(lái)線(xiàn)選。其中，P2.6（H4ADDR）為高4位數據鎖存器地址，P2.5(DACADDR)為低八位數據鎖存器地址。由于CPU的數據總線(xiàn)寬只有8位，所以需要一個(gè)擴展的鎖存器來(lái)鎖存高4位。在本系統中，我們采用的是SN74HC573AN來(lái)實(shí)現的。具體的操作如下，先通過(guò)P2.6(H4ADDR)，將需要進(jìn)行DA的CODE的高4位打入SNHC573中鎖存，再能過(guò)寫(xiě)操作，將CODE的低8位寫(xiě)至DA中，由于這一步的寫(xiě)操作開(kāi)啟啟了DA器件TLV5619的鎖存，同時(shí)也會(huì )將高4位CODE寫(xiě)入DA中，因為SN74HC573AN的輸出端低4位和DA器件TLV5619的高4位相連。寫(xiě)入操作完成后，由于LDAC一直有效，所以立即啟動(dòng)DA轉換。 本系統采用的是單通道串行輸出A/D芯片TLC1549，逐次比較型10位A/D器件。該器件有6個(gè)工作方式：區別主要是CS是否連續為低電平；支持快速、慢速：決定于I/O CLOCK周期。區別于普通的單通道串行輸出A/D芯片如DS18B20,其具有獨立的時(shí)鐘與數據線(xiàn)接口。 3．軟件設計 軟件設計在本系統設計方案中占有重要地位，各種功能的實(shí)現依賴(lài)于系統的各個(gè)處理模塊。系統中，如果按功能來(lái)劃分模塊，并不能實(shí)現系統的分割，因為，各功能模塊的關(guān)系非常緊密，如液晶顯示模塊與鍵盤(pán)控制模塊，液晶顯示模塊與DA/AD模塊均有著(zhù)緊密的關(guān)系。不能完全把它們隔離開(kāi)來(lái)。但考慮到51單片機應用系統的特性，可以將系統按照服務(wù)模塊進(jìn)行分割。具體劃分如下： （1）主程序模塊（包括系統初始化） （2）外部中斷0服務(wù)模塊 （3）定時(shí)中斷0服務(wù)模塊 （4）定時(shí)中斷1服務(wù)模塊 （5）定時(shí)中斷2服務(wù)模塊 （6）數據定義模塊 這五個(gè)模塊實(shí)際上就是各應用程序，它們之間即互斥，又相關(guān)，互斥的是爭達CPU周期，相關(guān)的時(shí)，通過(guò)綬沖區中數據進(jìn)行信息交換。并且在各中斷服務(wù)間，優(yōu)先級是固定的，這將大大簡(jiǎn)化了程序的設計。 在主模塊中，系統初始化包括堆棧的定義，通用寄存器組0的選擇，內存緩沖區的初始化，中斷及中斷優(yōu)選級的設置，開(kāi)啟外部中斷0(給用戶(hù)控制權)；液晶及顯示初始化，具體包括液晶的初始化，界面信息的顯示,操作參數的初始值顯示；接下來(lái)的就電極間阻抗的測量及顯示。當然，在沒(méi)有啟動(dòng)顯示阻抗前，主程序是不進(jìn)行阻抗測量與顯示的。只是一直在等待。主程序模塊流程圖見(jiàn)圖3.1 圖3主程序模塊流程圖 4.結論 基于以上談到的情況，本設計方案是專(zhuān)門(mén)針對于低成本，便攜式的，高安全性，高可靠性，通用型，寬頻段的FES應用環(huán)境。其可以作為臨床醫學(xué)或醫學(xué)實(shí)驗的關(guān)鍵設備，也可作為大型的智能FES應用設備的輔助校準設備，其應用有著(zhù)廣泛的前景。 該設計方案最大的特點(diǎn)就是可靠性高，方便易用，刺激頻率范圍寬，適用于頭部，頸椎，腰間盤(pán)，生殖系統，排泄系統，下肢神經(jīng)中樞等的刺激。并且通過(guò)特制的植入式電極，還可應用于體內刺激。本產(chǎn)品還可以作為一些國外大型FES應用設備的校準與測試儀器。該應用型設計方案可以充實(shí)我國在低成本，便攜式，通用型，智能化數字控制電刺激治療儀應用方案的空缺，其產(chǎn)品將會(huì )為更多的肌體不健全患者帶來(lái)福音。 本文作者的創(chuàng )新點(diǎn)：采用MC51系列單片機的設計出了可靠性高，方便易用，刺激頻率范圍寬，適用范圍廣的體外神經(jīng)刺激儀。 |
