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1. 引言 電刺激療法被廣泛應用于促使神經細胞或肌肉纖維興奮等臨床醫學與醫學研究領域。自1971年Galvani取得的對蛙腿刺激的實驗成功以來，它便被廣泛應用于臨床醫療和生理學研究。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，等方面有著廣泛的應用，并且效果顯著。 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，有著明顯的優勢。電荷刺激是FES中在發生在組織中刺激的本質。從簡單的單通道刺激儀，到復雜的可編程的多通道的電學刺激儀，有越來越多的電學刺激儀被開發出來，并應用于各種FES康復領域。在最近的幾年里，可攜式的電刺激儀已被投入到醫學研究和醫學臨床，并受到越來越多醫學專家與患者的好評。 近年來，隨著計算機應用技術的高速發展，各種高智能化的專業型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程中，通過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功能的小型FES應用設備進行維護和校準。這種價格高昂的大型設備，一方面，需要高性能微機作為主機，進行數據分析；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系統進行終端設計，以控制脈沖發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行數據交換。 2 硬件電路設計 體外神經刺激儀的原理框圖如圖1所示，主要由MCU、鍵盤模塊、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。鍵盤中含有的儀器開關鍵，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,并且含有三個定時中斷，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器０去確定信號輸出的頻率，定時器１去確定信號輸出的脈寬，還需要定時器２來決定阻抗鳴聲的頻率。 鍵盤電路主要實現各種模式選擇和參數的設定，采用常見的掃描碼鍵盤實現。在CPU與鍵盤接口模塊中，通過擴展外部中斷0接入CPU，這樣更加增強了鍵盤信息的響應度。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。該器件最大的特點是轉換速度快，且幾乎沒有時延。電路圖如圖2所示。 在對DA的操作中，也是通過尋址來實現操作，高位地址是通過P2.6(H4ADDR)和P2.5(DACADDR)來線選。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的數據總線寬只有8位，所以需要一個擴展的鎖存器來鎖存高4位。在本系統中，我們采用的是SN74HC573AN來實現的。具體的操作如下，先通過P2.6(H4ADDR)，將需要進行DA的CODE的高4位打入SNHC573中鎖存，再能過寫操作，將CODE的低8位寫至DA中，由于這一步的寫操作開啟啟了DA器件TLV5619的鎖存，同時也會將高4位CODE寫入DA中，因為SN74HC573AN的輸出端低4位和DA器件TLV5619的高4位相連。寫入操作完成后，由于LDAC一直有效，所以立即啟動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,其具有獨立的時鐘與數據線接口。 3．軟件設計 軟件設計在本系統設計方案中占有重要地位，各種功能的實現依賴于系統的各個處理模塊。系統中，如果按功能來劃分模塊，并不能實現系統的分割，因為，各功能模塊的關系非常緊密，如液晶顯示模塊與鍵盤控制模塊，液晶顯示模塊與DA/AD模塊均有著緊密的關系。不能完全把它們隔離開來。但考慮到51單片機應用系統的特性，可以將系統按照服務模塊進行分割。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服務模塊 （3）定時中斷0服務模塊 （4）定時中斷1服務模塊 （5）定時中斷2服務模塊 （6）數據定義模塊 這五個模塊實際上就是各應用程序，它們之間即互斥，又相關，互斥的是爭達CPU周期，相關的時，通過綬沖區中數據進行信息交換。并且在各中斷服務間，優先級是固定的，這將大大簡化了程序的設計。 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，中斷及中斷優選級的設置，開啟外部中斷0(給用戶控制權)；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；接下來的就電極間阻抗的測量及顯示。當然，在沒有啟動顯示阻抗前，主程序是不進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，本設計方案是專門針對于低成本，便攜式的，高安全性，高可靠性，通用型，寬頻段的FES應用環境。其可以作為臨床醫學或醫學實驗的關鍵設備，也可作為大型的智能FES應用設備的輔助校準設備，其應用有著廣泛的前景。 該設計方案最大的特點就是可靠性高，方便易用，刺激頻率范圍寬，適用于頭部，頸椎，腰間盤，生殖系統，排泄系統，下肢神經中樞等的刺激。并且通過特制的植入式電極，還可應用于體內刺激。本產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，其產品將會為更多的肌體不健全患者帶來福音。 本文作者的創新點：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刺激儀。 |
