单片机控制的韩氏穴位神经刺激仪
各种顽固性疼痛是人类常见的症状, 疼痛治疗一向是医学临床深感棘手的问题之一, 各国的疼痛研究专家研究了各种治疗手段和方法, 力图在最大限度解除病人的痛苦的同时, 尽可能减少药物剂量和治疗的负作用。在我国古老的医学宝库中, 用针灸方法治疗疼痛具有悠久的历史, 50 年代中期以来医学界试图将其应用于现代外科临床, 并自60 年代起组织专门力量对针灸镇痛机理进行了深入研究探索, 从临床和基础两方面开展了大量研究工作, 逐渐揭示出了针刺镇痛的原理: 通过穴位神经刺激可动员和激活体内的镇痛系统释放出阿片肽等物质, 从而产生镇痛作用。实践证明, 与药物治疗相比, 穴位神经刺激的负作用小, 不会产生药物依赖等不良后果。研究发现, 在采用低频脉冲刺激时, 不同频率的刺激通过不同的神经通路,使神经系统释放不同种类的阿片肽, 作用于不同类型的阿片受体而发挥作用, 其中频率在2Hz 左右的刺激主要引起脑啡肽释放, 而频率在100Hz 左右的刺激则主要使强啡肽的释放增加, 它们分别通过体内的μ/δ 受体和 k 受体介导而发挥镇痛作用。另一方面, 当体内阿片物质过多时, 会促使机体生成一些物质来对抗阿片的作用, 因而持续的刺激会使镇痛效果逐渐减弱, 发生耐受现象[ 1] 。上述一系列发现用现代神经科学手段揭示了低频电刺激镇痛的科学道理。在这一领域, 我国著名生理学家、中国科学院院士韩济生教授领导的研究集体作出了突出的贡献, 受到了世界神经生理科学领域和临床领域的重视。根据韩济生教授的研究成果和临床实践, 经过优选刺激参数, 针对临床实际应用设计的韩氏穴位神经刺激仪( Han. s Acupoint Nerve Stimulator, H. A. N. S) , 通称韩氏仪,已在国内外临床实践中得到了应用, 并已证实对顽固难治的神经血管性疼痛, 肩、颈、腰、腿疼痛和脊髓损伤肌肉痉挛疼痛及癌症疼痛等有显著疗效[ 2] [ 3] 。本文介绍的LH-202 新型韩氏穴位神经刺激仪采用先进的单片机测量和控制技术, 结合优选的刺激参数和自动控制功能, 使该仪器具有较高的技术性能。
1 仪器的主要技术特点和参数
根据穴位神经刺激的神经化学理论与生理学的闸门控制学说, 为使仪器达到有效刺激和良好的使用性能, 对仪器提出了一系列技术要求:
1. 1 仪器要具有优选的刺激参数: 由于不同频率的刺激激活体内不同种类的阿片系统, 为达到最佳的刺激效果, 要使机体内三种主要的阿片类物质( 脑啡肽, B-内啡肽, 强啡肽) 同时释放出来。为此, 仪器应具有与之对应的不同频率的刺激输出, 将各种频率合理组合, 自动切换。为使不同频率的刺激强度协调, 低频和较高频率刺激的感觉强度基本相同, 并同时达到最佳效果, 要求脉冲宽度随频率自动变化。本仪器设置了7 种不同的刺激脉冲波形, 可以适应多种治疗需要。
1. 2 仪器要具有可控的恒流脉冲输出:根据人体组织的电生理特性可知, 皮肤和皮下组织可等效为阻-容网络, 且其阻抗随位置和通过的电流密度而变化。研究表明, 电刺激的作用是靠持续一定时间的电流, 即注入人体的电荷量而产生的。为达到有效刺激,仪器应自动保证电流的输出不受人体阻抗变化的影响, 始终具有稳定均匀的刺激, 并使刺激的作用深度大, 范围广, 感觉舒适。为此在电路设计中采用可控的恒流输出电路, 在采用9V 电池供电时, 输出幅度可达0~ 50mA。
1. 3 刺激脉冲应是对称的双向脉冲波:为消除电刺激产生的组织极化现象, 使刺激脉冲为正负交替、正负向完全对称、直流分量为零的刺激波形, 这样可以达到最佳的治疗效果。
1. 4 仪器具有两路独立的输出通道, 具有同步和交替两种输出方式: 由于机体经过一定时间的刺激会产生耐受现象, 因此要控制每次刺激的剂量。仪器同步方式工作时两对电极同时输出刺激脉冲, 协同工作, 可用于急性治疗开始阶段的诱。交替方式工作时两对电极交替输出刺激脉冲, 其效果与同步方式基本相同, 但由于各对电极的刺激时间减少一半, 不易产生耐受现象, 适用于慢性疼痛的病人。
1. 5 仪器具有一系列自动检测和保护功能: 为使仪器达到良好的使用效果, 设置了多种检测与保护功能, 主要包括: (1) 输出电极开路自动检测和保护: 在仪器使用中若电极出现接触不良(开路) 现象, 当电极再次接通时, 患者会由于突然的刺激而产生不适, 为此设计了开路自动检测功能, 当电极接触不良时单片机检测到信号, 自动限制输出脉冲强度, 并在液晶显示屏上给出提示。(2) 电池电量不足检测和提示: 仪器采用电池供电, 电池的过量消耗会影响刺激效果, 因此要对电池电压进行监测, 当电池能量不足时加以提示并自动关机。(3) 按键锁定功能: 由于仪器采用全按键调节, 在携带中使用时会由于触动按键而改变刺激参数, 因此设置了按键锁定功能, 当处于锁定状态时参数被锁定, 不会由于触动按键而改。(4) 定时功能: 持续长时间的刺激会使机体产生耐受, 减弱治疗效果,一般人经过30min 的治疗即可达到较好的效果, 因此采用单片机定时, 30min 自动关机。
1. 6 为提高仪器的性能, 采用单片机作为仪器核心, 全按键控制波形和刺激方式选择及刺激强度调整, 由单片机准确控制所有参数, 液晶显示屏( LCD) 定量显示, 从而保证了仪器的精度和可靠性。
2 仪器的电路原理
根据上述技术要求, 确定了以单片机为核心的电路方案, 仪器原理如图1 所示。仪器分为单片机控制电路, 输出电路和电源电路三部分。 仪器的电源部分完成电源的稳压,仪器的开、关机和电池电压检测任务, 采用了电源控制芯片STP1141, 具有使用简便, 性能可靠, 功耗低并可自动关断等特点。单片机部分主要完成以下任务: （1） 系统的各种定时, 如波形的脉宽、频率, 同步和交替计时, 波形自动切换计时, 显示刷新等。（2）利用脉宽调制( PWM) 技术实现输出强度的控制, 输出强度从 0到50mA分为50 档, 并可对输出进行调频或调幅处理。（3）对电极开路、电池电压、电源等进行监测和控制。（4）按键扫描和参数调节, 并在LCD 上显示各种状态和参数, 包括两路输出的强度, 脉冲参数, 输出方式, 定时时间等。
为使仪器达到小体积, 低功耗, 高性能的要求, 选用美国国家半导体公司( National Semiconductor) 的COP842 型单片机。COP 系列是面向控制的单片机系统[ 4] [ 5] , 其核心CPU 采用改进的哈佛体系结构, 用先进的MMCMOS 工艺制造, 片内具有足量的ROM 和RAM, 采用Nat ional Semiconductor 公司注册的 Micro Wire-Plus 三线多功能串行接口和 8 位并行 I/ O 口, I/ O 口的每位均能分别单独编程。芯片具有多种封装形式, 因此体积小, 功耗低, 功能强, 适应范围广。COP 系列单片机具有高效的指令系统, 近70% 指令是单字节, 单周期的, 采用10MHz 时钟频率时机器指令周期为1μs。基于上述优点, 对LH-202型治疗仪选用系列中较简单的COP842, 即可达到设计的功能要求, 且具有很好的性能价格比。在图1 硬件基础上通过合理设计单片机程序, 仪器实现了上述各项功能。系统采用100Ls 定时中断作为时基信号, 进行PWM电流强度控制和输出脉冲宽度处理, 并在每个脉冲边沿进行电极开路检测, 以5ms 作为PWM 重复周期, 这样可得到50个不同的PWM 电平。软件采用5ms 作为程序主流程循环周期, 在此层次上进行脉冲频率控制, 按键扫描和参数调整, 显示刷新等处理, 然后在计时达到整秒时进行波形切换处理, 实现频率混合和同步/交替处理。并进行电池电压监测, 电源管理和显示闪动等处理, 程序采用有层次的结构化和模块化设计, 极大地方便了程序的编制和修改。
仪器的输出电路主要完成输出强度设定、双向脉冲波生成、功率放大、恒流驱动和开路检测等任务, 一个通道输出电路的原理如图2 所示。由单片机产生的PWM 脉冲串经过低通滤波后转化为一定强度的电平, 用于规定输出电流的幅度, 由单片机端口产生的两个不同时刻的脉冲信号分别控制两个模拟开关, 通过恒流驱动电路确定变压器原边某一侧工作, 从而在变压器副边产生不同极性的输出脉冲。输出电流通过取样电阻对恒流源电路构成反馈, 可以达到很好的恒流特性。为实现电极开路的检测, 在变压器原边设置了取样电路, 当变压器副边开路时, 由于电感作用, 在驱动脉冲的下降沿将产生反冲,使取样三极管5401 导通, 单片机对此信号进行监测, 即可判别输出是否开路。
3 仪器的应用情况
本仪器研制完成后已通过了医疗器械管理部门的生产鉴定, 得到了生产许可证, 并在多家医院进行了临床使用。实践证明对顽固难治的神经血管性疼痛, 肩、颈、腰、腿疼痛和脊髓损伤肌肉痉挛疼痛及癌症疼痛等均有显著疗效。目前已有医院利用本仪器开展了配合麻醉药物, 进行复合麻醉用于开颅与开胸等临床手术的研究, 实践表明: 通过仪器诱导, 调动体内镇痛系统与药物协同作用, 可以明显减少药物吸入浓度和吸入量, 使病人术后恢复较快而平稳; 仪器亦可用于术后的镇痛。有的医院将仪器用于突发神经性耳聋,脑癫痫的治疗, 收到特有的明显疗效。实际应用表明, 通过临床医学工作者和工程技术人员的不断探索和改进, 结合现代神经科学研究成果和先进的电子技术的韩氏穴位神经刺激仪, 在临床和家庭保健中具有广阔的应用前景。本仪器是在韩济生教授和刘亦鸣教授的关心和指导下完成的, 在此表示衷心的感谢。
参 考 文 献
1 韩济生. 1/ 4 世纪的求索. 生理科学进展. 1992. 23 ( 2) : 102
2 第二届东西方疼痛会议论文集. 1992, 10. 北京.
3 第三届东西方疼痛会议论文集, 1995, 5. 北京.
4 COP8 Microcontroller Databook. 1994 Edit ion. National Semi-conduct or. Sant a Clara. CA. USA. 1994.
5 邱惠彬等译. NSC 单片微型计算机COP888 用户手册. 东南大学出版社. 1992。