0 引言
脑血管病是我国常见病、多发病，是引起我国人群疾病谱中最主要的致残因素之一。脑血管病导致患者肢体肌肉力量下降，如何增强肌力始终是一个康复治疗的重要 问题[1]。对于肌力在Ⅱ级及Ⅱ级以下患者，最常采用的康复治疗方法是低频电刺激疗法。肌肉电刺激的机理是通过电刺激的物理方法激发肌肉被动有节律收缩，从而改善肌肉血液循环及营养供应，促进神经兴奋性及传导功能恢复，可以提高肌肉和韧带张力、加快神经再生过程及运动功能恢复[2,3]。常用的低频脉冲电流能够刺激人体的感觉和运动神经，引起神经的兴奋反应而不会损伤神经。因此，在医学领域经常应用不同参数的低频脉冲电流刺激机体来治疗疾病。
但是，如仅仅用单向电刺激，缺少主动训练，肌力训练效果不佳。国产的被动型电刺激治疗仪在肌肉主动训练中效果不理想。国外的生物反馈治疗仪(如丹麦danmeter公司和加拿大thought公司的生物反馈治疗仪)，通过利用提取患者表面肌电信号参与控制输出刺激电流的大小，效果很好，但价钱昂贵，大部分国内医疗机构和患者承担不起[4,5]。针对上述情况，本文设计了一种新型信号式功能性电刺激治疗仪，通过声和光的指令提示患者进行功能电刺激治疗，让患者参与主动训练，可以更有效地加快患者康复的速度。本仪器体积小、携带方便、使用安全、造价低廉，特别适合于乡村社区卫生中心和经济不发达地区。
1 硬件系统设计
信号式功能性电刺激治疗仪主要由微处理器控制和存储单元、电源和升压电路、触摸式液晶显示屏电路、提示语音录放电路、输出电流检测和保护电路与刺激电极组成，其整体框架如图1所示。
1.1 控制和存储单元
控制器主要完成按键响应、参数显示和声光提示信号的输出，生成脉冲信号驱动脉冲变压器控制各通道刺激输出，根据实际检测刺激电流大小决定各刺激通道输出的通断。控制器采用 5 1 系列P80C552单片机，片上具有8路10位A/D转换，可以满足刺激电流检测的需要。
存储芯片采用 ATMEL 公司的E2PROM 芯片AT28C64，它通过MCU的P2和P0口和微处理器连接。除存储电刺激的运行程序外，存储芯片还存储了处方医生开具的7种治疗处方参数，并可存储医生在使用过程中根据患者实际病况设定的治疗处方参数。
1.2 电源和升压电路
本仪器由外接直流+9V供电，或由内部电池供电。为了提高录、放音的稳定性，确保ISD4002 语音芯片能正常工作(工作电压 2.7～3.3V)，采用1117S-3.3产生稳定的3.3V作为语音芯片ISD4002的工作电源;采用串联电源管理芯片 7805 产生稳定+5 V电源供给控制单元的MCU和其他工作电路。从MCU输出的脉冲经三极管功率放大后送到升压变压器产生约 60V 刺激电压，经刺激电极作用到患处。
1.3 键盘和显示电路
参数的输入和查询采用触摸屏的方式。触摸式液晶显示屏主要完成以下任务：1)参数的输入和显示信号输出，实现人机交互;2)参数调节及显示刷新，操作者可通过触摸键盘调节电刺激的参数(包括刺激脉冲的频率和脉宽)和治疗时间，并可以保存设定的治疗方案和调出原有的治疗处方。
触摸键盘通过外部中断源0端口和MCU连接，触摸事件采取中断方式控制。
1.4 提示语音录放电路
提示语音指导患者按要求收缩或放松肌肉，达到主动治疗的目的。为方便不同语言区或方言区使用方便，仪器设计了录音电路。语音芯片采用美国ISD公司的ISD4002芯片，其工作于SPI 串行接口。SPI 是由 Motorola 公司推出的一种同步串行数据传输协议，常作为单片机外设芯片串行扩展接口[6]。通过对按键功能选择电路操作，由MCU控制语音芯片进行录/ 放音，如图2所示。
录音时，开关S2打到高电平并按住S1键不放，即可通过麦克风录音。此时，麦克风将音频信号转化成电信号，在语音芯片内完成转换和存储。S1松开后录音停止，再按则录下一段。本仪器录有“注意!开始治疗。”、“收缩!”和“放松。”3段语音，分别用作治疗开始时的提示和治疗过程中的指令。放音时，读取语音芯片中的信号，采用经典的功放电路LM386进行功率放大，经扬声器将电信号还原成音频信号.
1.5 输出电流检测和保护电路
为满足医生根据不同病况治疗的需要，仪器设计了实时刺激电流检测电路。电流检测一般是串联一个电阻到被检测电路，通过检测该电阻两端的电压来测算流经该回路的电流。为了减少此电阻对原有回路的影响，电阻值必须尽可能的小，检测出来的电压必须经过放大才能被MCU检测到。放大电路选用 AD 公司的高性能集成单电源仪表放大器AD623，它能在单电源(3～12V)下提供满电源幅度的输出，允许使用单个增益设置电阻进行增益编程，以得到良好的用户灵活性，电流检测电路如图3 所示。
图 3 中，R21 为增益设置电阻，其值大小和放大倍数满足如下关系[7]
R21 = 100k /(G-1) (1)
根据设计目标，刺激电流大小为0～100mA，故增益电阻R21选4.7k 。R20为串入电流刺激回路的高性能检测电阻，取值 0.22 。AD623 通过对 R20上的电压差分放大送到MCU的A/D端口，经转换后送到液晶屏显示输出。同时，为了保证不因刺激电流过大灼伤肌体组织，检测电流参与仪器的控制：当刺激电流大于一定阈值，通过MCU关断输出光耦，使刺激电极没有脉冲电流输出。
为保证电源和人体的安全隔离，提高仪器的安全性，脉冲变压器二次侧采用浮地隔离设计。运放AD623 要正常工作，其参考地必须和电源地连通，故本仪器的电流检测电路设计在变压器的一次侧。通过检测变压器一次侧电流的大小和变压器变比参数就可以知道变压器二次侧刺激电流的大小。
2 软件系统设计
2.1 仪器工作介绍
仪器分为处方模式和自由编程模式两种工作模式，默认工作模式为处方模式。在处方模式下，E2PROM中事先存储了处方医生编写的7种治疗处方，治疗时根据不同病况选用不同的治疗处方;在自由编程治疗模式下，医生可根据患者病况和经验自编程序处方，通过控制面板预先调节和设定刺激脉冲的幅值、脉宽，刺激频率、治疗时间等。仪器具有2组独立输出通道，可同时进行两组肌肉或两人同时的治疗，可用于双侧比较。特别地，能检测刺激治疗时刺激电流的大小，显示在LCD上，供医生或患者监测。并且，通过微处理器控制单元，若刺激电流过大，刺激电流电路将被切断，并发出报警，提醒医生或患者注意，从而提高使用的安全性。
系统在上电后，首先进行系统参数的初始化，包括定时器/计数器的初始化、ISD4002和LCD的初始化等。初始化完成后，LCD显示开机画面，执行按键扫描程序，判断有无键按下，如有键按下则转向按键处理程序，同时液晶显示屏上显示相应的界面，医生可以根据界面提示完成各种操作。医生根据患者病况选择一组或两组输出配合治疗。在选择好治疗处方后，启动机器，仪器即可自动地按程序输出有特定治疗作用的系列低频电流，输出电流大小可根据病人的耐受限度自由调节。治疗时间显示为倒计时，当处方程序运行结束时，机器自动切断输出电流，并发出提示音响。
治疗过程由多个刺激周期组成。一个刺激周期的工作过程分为 3阶段：提示准备阶段、治疗输出阶段和放松中继阶段如图4所示。在提示准备阶段和放松中继阶段，扬声器分别发出“收缩!”和“放松。”的提示指令，同时面板上的LED灯闪烁，提醒患者注意。在患者准备好接受刺激后，电刺激仪输出刺激脉冲，进入治疗输出阶段。此时，控制面板上的LED灯停止闪烁并保持常亮，表示仪器正处于治疗输出阶段。在治疗输出阶段后，进入放松中继阶段。在放松中继阶段松弛肌肉，准备接受下一次刺激治疗。
2.2 软件设计
仪器软件系统主要完成按键输入、参数显示、语音录放、声光指令提示、刺激电流检测和刺激过程控制。软件采用模块化程序设计，分为主程序、中断服务子程序、录放音子程序、触摸屏控制及输出显示子程序、电流检测子程序。图5是主程序流程图。
3 结论
本治疗仪具有2组独立输出通道，内存处方医生开具的7种治疗处方和自由编程治疗模式，可通过微控制器编程实现治疗脉冲的幅值、脉宽、频率、治疗时间的控制，利用控制面板和液晶显示实现人机交互，通过声和光的指令提示方便医生和患者进行功能电刺激治疗。脉冲变压器二次侧浮地隔离和输出光耦隔离两级隔离设计，保证了电源和人体的安全隔离，提高了仪器的安全性。本仪器体积小、携带方便、使用安全、造价低廉，特别适合于乡村社区卫生中心和经济不发达地区。
参考文献：
[1] 燕铁斌,窦祖林.实用瘫痪康复[M].北京:人民卫生出版社,1999.
[2] CHESTERTON LS, FOSTER NE,CHRISTINE CC,et al.Effects of TENS frequency,intensity and stimulation siteparameter maNIpulation on pressure pain thresholds in healthyhuman subjects [J].Pain,2003,106(1-2):73-80.
[3] 乐安,杨刚,吴江,等.脉冲电刺激对内皮细胞形态和功能的影响[J].生物医学工程学杂志,2008,28(3)694-698.
[4] https://www.danmeter.cn/
[5] https://www.thoughttechnology.com/
[6] 范寒柏,陈旭升,李雪梅.基于ISD4000 系列芯片智能录放系统设计[J].电子技术应用,2007,11:44-49.
[7] 张君,赵杰.仪表放大器AD623 的性能与应用[J].仪表技术,2002,5:45-46.
作者简介：张东衡(1974 -)，男，湖南衡阳人，讲师，硕士，主要研究方向为医疗器械设计与检测。
