干扰电治疗仪的模拟电路实现

董铭祥  申庆丰  苏建坡  马凤英

（郑州大学物理工程学院1，河南郑州450001;

翔宇医疗设备有限责任公司2，河南安阳456300）

摘要：针对当前干扰电治疗仪普遍存在功能单一、成本较高的问题，提出了一种基于模拟电路的系统方案。系统以Atmega128为主控制器，设计了干扰电系统的硬件电路和软件程序。利用直接数字频率合成( DDS)芯片AD9835生成调制波；利用单片机自带的脉冲宽度调制( PWM)产生载波；利用数字电位器实现调制度的控制，最终输出两路调制频率、调制度和差频频率独立可调的干扰电治疗波形。临床试验证明该治疗仪工作稳定，治疗效果良好。

关键词：电治疗仪模拟电路数字电位器调制信号频率人机交互载波滤波器

O引言

  随着人们生活压力的不断增大，疾病也越来越多，理疗因其具有安全性和有效性的特点而受到越来越多的关注。干扰电疗法作为理疗的一种，是指同时将两组或三组不同频率的中频正弦电流交叉输入人体，在体内产生干扰电场以治疗疾病的方法。该疗法对神经痛、关节炎、胃下垂、腰椎病等均有较好的疗效。常见的干扰电治疗仪有些是基于FPGA技术，开发难度大、周期长；还有些设计过于简单，不能有效治疗疾病。本文设计了一种基于DDS和数字电位器的干扰电治疗仪，不仅降低了硬件成本和开发难度，而且取得了很好的治疗效果。

1治疗仪系统设计概述

本文设计的干扰电治疗仪的系统框图如图1所示，由电源供应模块、人机交互模块、单片机、调制波电路、载波电路及乘法器电路等部分组成。

2  治疗仪硬件设计

2.1电源设计

  系统需要4种不同的电压，分别是5V、-8 V、+12 V和-12 V。电源模块电路均采用直流开关电源供电，并由电容滤波电路处理输出。5V输出给单片机、DDS芯片和数字电位器供电，-8 V输出给乘法器做参考电压，±l2 V输出给运放供电。

2.2  人机交互设计

  系统采用迪文科技公司的10英寸(1英寸=25.4 mm)工业串口屏DMT80600实现人机交互，分辨率为800 px×600 px。启动前通过触摸屏可以进行治疗处方选择和自编处方参数设置；启动后可以实时显示治疗状态。治疗处方共有6种，其中固定处方5个，参数已经设定好，直接启动即可；自编处方1个，可以选择不同模式和参数。点击启动按钮，触摸屏将选择好的处方和参数以指定的协议格式发送给单片机，运行时屏幕实时显示治疗剩余时间和状态信息。

2.3调制波电路设计

该电路采用DDS芯片和数字电位器组合设计，输出频率和幅度可控的低频调制波，电路如图2所示。

DDS芯片采用的是AD9835，它是一款高性能可编程的波形发生器，可以很方便地产生正弦波形。单片机与AD9835的接口如图2所示，MCLK是数字时钟输入端，由外部24 MHz晶振提供；SData是16 bit串行数据输入端；FSYNC是数据同步信号输入端；SCLK是串行时钟输入端；I。UT为波形输出端。当FSYNC为低电平时，在每个SCLK时钟下降沿，单片机通过SData引脚向AD9835写入频率控制字。输出正弦波的频率f。。可以由下式确定：

式中：M为单片机输出的频率控制字；fM。LK为数字时钟频率；Ⅳ为相位累加器的字长。

DDS输出信号VD。。由数字电位器的VH端输入，VW端输出VL~ VD。。可调信号。X9315的功能图如图3所示，其中CS是片选端，U/D是方向选择端，INC是计数控制端。当CS为低电平时，在每个INC端口电平下降沿，对5位计数器进行递增或递减运算（取决于U/D端状态）。计数器输出解码后用于选择滑动片接通电阻阵列32个开关中的位置，则VW可表示为：

式中：D为5位计数器的值，控制输出信号幅度的变化。最后经过运算放大器NE5532进行滤波放大处理，输出频率和幅度可控的正弦调制波。

2.4载波电路设计

载波利用单片机自带的PWM功能产生，同样利用数字电位器实现幅度控制，电路如图4所示。

Atmega128有4个定时计数器，选择16位定时计数器1。设置其工作于快速PWM模式，TOP值为寄存器OCRIA的值，匹配时电平取反，则在OCIA引脚可以输出占空比50%的方波信号。输出的PWM频率由下式得出：

式中：Ⅳ为分频因子，未分频时等于1坑扯为系统时钟，等于18. 432 MHz。初始化时设置OCRIA=1 843，得到fPWM =5 kHz。

系统工作时，单片机根据处方和参数的设置情况，调节OCRIA的值，从而改变载波信号频率。PWM信号经由数字电位器X9315实现幅度控制。这里采用具有低通幅度函数的巴特沃斯滤波器，定义阶巴特沃斯低通滤波器的幅度函数为：

通常情况下滤波器阶数越高，性能越优。但增加阶数伴随而来的是电路复杂，成本增高。在满足给定技术指标的前提下，选取滤波器的最低阶数。设给定容许的最大通带衰减a1(dB)和最小阻带衰减a2(dB)、过渡带下限频率w．( rad/s)、截止频率w：(rad/s)以及容许的最大过渡带TW，令：

对于巴特沃斯滤波器，n值的推导公式为：

利用式(6)，可以写成：

系统要求，a．=3 dB，a。=20 dB．w。=5 000 Hz，过渡带TW不超过1700 Hz，由式(8)得出：

代人式(7)，得出满足上述要求的巴特沃斯滤波器的最低阶数为：

阶数n必须取整数，故得n=8。

3软件设计

图5所示为软件流程图。

软件主要包括主程序、串口中断程序、定时器中断程序、处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数调用；串口中断程序完成指令接收并解析；定时器中断程序实现载波差频输出。

4临床验证与结果分析

  临床试验在河南省中医药研究院附属医院脑血管科进行，选择明确诊断为由腰椎间盘突出等引起的疼痛的患者60例，并随机分为验证组30例，对照组30例，主要从临床应用的安全性、有效性两个方面进行评价。评价标准如下。

  (1)安全性评价。在正常使用条件下，通过受试者实际使用，判定有无不良反应和副作用发生。

  (2)疗效评价方法。疼痛评定指标，采用疼痛视觉模拟量表( visual analogue scale，VAS)对病人疼痛程度进行自评。方法是在白纸上画一条10 cm的直线，一端表示无疼痛，一端表示难以忍受的剧烈疼痛，患者根据自己的感受，在直线上画一点，医师用直尺测量从起点到患者确定痛点的距离，用测量的数字表示疼痛强度。治疗前、中、后分别测量。运用尼莫地平法对病人的疗效进行判定，即采用VAS加权计算法。疼痛减轻的百分数=(A -B)/A×100，其中A为用药前VAS评分，B为用药后VAS评分。

  ①临床痊愈：(A -B)/A x100≥75%：

  ②显效：(A -B)/A x100≥50% ~75%：

  ③有效：(A --B)/A x100≥25% ~50%：

  ④无效：（A-B)/A×100< 25%。

表1所示为两组疗效判定情况比较。验证组的疾病疗效分析有效率90%，对照组有效率93.3%，两组差异没有统计学意义，说明该干扰电治疗仪的疗效与对照组干扰电治疗仪相当。安全性评价显示：两组均无不良反应发生，说明该设计临床应用是安全的。

5结束语

  本文基于DDS和数字电位器设计的干扰电治疗仪，电路结构清晰，功能完善。创新点有：使用多电压供电，避免了复杂的电压转换电路，电路更稳定；直接利用数字电位器实现调制波和载波的幅度控制，减小了软件开发难度；利用8阶巴特沃斯滤波器对方波进行滤波，输出正弦载波，降低了硬件成本。