基于MSP430的無極性恒流電刺激器的設(shè)計(jì)

電刺激治療方法是當(dāng)今臨床康復(fù)和日常物理治療最常用和最重要的手段之一，具有鎮(zhèn)痛、消腫、消炎、脫敏、緩解肌肉痙攣、加強(qiáng)組織張力、促進(jìn)恢復(fù)正常的神經(jīng)傳導(dǎo)和調(diào)節(jié)功能等治療作用。無極性微分型指數(shù)波形，由電荷相等的正負(fù)脈沖波構(gòu)成，負(fù)指數(shù)脈沖起神經(jīng)纖維去極化作用，正脈沖起電荷平衡的作用，具有避免組織損傷的特點(diǎn)[1,2,3]。

　　本文提出了一種雙極性恒流電刺激器的設(shè)計(jì)方案，并給出了具體的實(shí)現(xiàn)方法，該刺激器可用于合成多種信號(hào)調(diào)幅的無極性指數(shù)脈沖，不僅能滿足治療效果，還兼顧了刺激的安全性。

　　2、系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)包括MSP430F4270主控芯片、信號(hào)合成模塊以及信號(hào)輸出模塊，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖

　　調(diào)幅信號(hào)產(chǎn)生方式采用了數(shù)字式波形發(fā)生器方式[4]，預(yù)先把所需要的調(diào)幅信號(hào)產(chǎn)生的波形以某一采樣率數(shù)字化成為波形數(shù)據(jù)，存儲(chǔ)到MSP430的FLASH中，刺激開啟時(shí)，再把這一波形所對應(yīng)的數(shù)據(jù)根據(jù)刺激參數(shù)以一定的頻率送到片內(nèi)的12位數(shù)-模轉(zhuǎn)換電路，輸出的就是需要的調(diào)幅信號(hào)。這種波形發(fā)生器方式克服了純硬件電路方式產(chǎn)生每一種波形幾乎都需要一種特定的電子電路硬件和靈活性不高的缺點(diǎn)。

　　2.1 MSP430F4270主控芯片

　　超低功耗單片機(jī)MSP430F4270的工作電壓為1.8V-3.6V，晶振為32.768kHz的低速晶振，活動(dòng)模式的功耗僅為250μA，使系統(tǒng)具有較低的動(dòng)態(tài)功耗；具有32KBFLASH，用于存儲(chǔ)程序和較大量的調(diào)幅信號(hào)波形數(shù)據(jù)；內(nèi)置12位D/A轉(zhuǎn)換器用于調(diào)幅波形數(shù)據(jù)的片內(nèi)數(shù)模轉(zhuǎn)換，輸出特定頻率和幅度的調(diào)幅信號(hào)；TimerA定時(shí)器用于產(chǎn)生特定頻率的方波調(diào)制信號(hào)和外圍電路控制信號(hào)。另外，MSP430還五種低功耗模式，可以通過軟件控制芯片的工作方式，進(jìn)行系統(tǒng)狀態(tài)的實(shí)時(shí)調(diào)度，使整個(gè)系統(tǒng)達(dá)到最低的功耗并發(fā)揮其最優(yōu)的性能[5,6] 。

　　2.2 信號(hào)合成模塊

　　包括方波調(diào)制電路和微分電路兩部分，信號(hào)合成原理如圖2所示。

圖2 信號(hào)合成原理圖

　　（1）調(diào)幅電路：實(shí)現(xiàn)方波信號(hào)調(diào)幅，電路如圖3。

圖3 調(diào)幅電路

　　MSP430單片機(jī)P1.2口輸出方波脈沖，D/A輸出調(diào)幅信號(hào)，晶體管起到高速開關(guān)電路的作用，放大器工作為跟隨器。晶體管的截止時(shí)間由基極方波脈沖（V2）的高電平?jīng)Q定。當(dāng)基極電壓V2>UBE時(shí)（晶體管UBE約為0.7V），晶體管導(dǎo)通，D/A轉(zhuǎn)換輸出電路的電流直接流向地，后級(jí)放大器輸入為0，輸出Vout為0；當(dāng)基極電壓U2

　?。?）微分電路：用于將方波整形為指數(shù)波。微分電路分為無源器件和有源器件的形式，有源微分電路具有更好的性能，并便于電路前后級(jí)之間的阻抗匹配，電路如圖4。電容Cx具有防止電路產(chǎn)生振蕩，抑制高頻增益和減少輸出噪聲的作用。

　　微分電路的輸出電壓Vo和輸入電壓Vin之間為微分關(guān)系，如圖5所示。

　　2.3 信號(hào)輸出模塊

　　在單電源供電電路中，不能直接輸出雙極性信號(hào)，信號(hào)輸出模塊的信號(hào)調(diào)理過程如圖6所示。

圖6 信號(hào)輸出調(diào)理

　　(1) 全波整流電路：實(shí)現(xiàn)將微分后的雙極性刺激信號(hào)全波整流為單極性信號(hào)。采用完全無需二極管并可在單電源供電情況下運(yùn)行的全波整流，具有處理滿擺幅的輸入和輸出、消除二極管壓降的影響和實(shí)現(xiàn)高精度的小信號(hào)整流的特點(diǎn)，電路如圖7所示。

圖7 全波整流電路

　　其中，R3=R4=2R2，當(dāng)VIN>0V時(shí)，則運(yùn)放A為跟隨器，其輸出VHALF等于VIN/2，而運(yùn)放B作用為一個(gè)減法器，其輸出電壓VOUT = VIN。當(dāng)VIN＜=0V時(shí)，則VHALF = 0V，此時(shí)電路是一個(gè)單位增益反相器，輸出VOUT = -VIN，時(shí)相關(guān)系如圖8所示。

　　(2) 雙極性控制電路：用于控制單極性信號(hào)的偶次周期時(shí)間間隔內(nèi)得到反極性的電流輸出，實(shí)現(xiàn)單極性信號(hào)的雙極性輸出。采用了單片機(jī)MSP430產(chǎn)生的極性相反的一組脈沖和三極管來控制輸出極性的轉(zhuǎn)換。三極管工作在開關(guān)狀態(tài)，通過脈沖信號(hào)控制不同組合三極管的導(dǎo)通和關(guān)閉來實(shí)現(xiàn)負(fù)載上電流的流向，從而實(shí)現(xiàn)極性的控制，其原理如圖9所示。

圖9 雙極性控制原理

　　當(dāng)開關(guān)K1和K4閉合，并且K2和K3斷開時(shí)，負(fù)載RL上的電流方向由左向右；而當(dāng)開關(guān)K2和K3閉合，并且K1和K4斷開時(shí)，負(fù)載RL上的電流方向由右向左，實(shí)現(xiàn)了單極性信號(hào)在負(fù)載上的雙極性輸出。

　　(3) 恒流源輸出電路：實(shí)現(xiàn)輸出幅度的控制以及恒定電流輸出，輸出電流不受負(fù)載變動(dòng)的影響。電路由軌到軌單電源運(yùn)算放大器MCP6004、CMOS管、電源以及刺激電極(即負(fù)載RL)組成，如圖10所示。

圖10 壓控恒流輸出電路

　　供電電壓足夠高時(shí)，輸出電流的幅度由輸入電壓與電阻RL的比值來決定，而與輸出的負(fù)載無關(guān)。

　　3、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　軟件程序包括主程序和時(shí)鐘中斷程序，程序流程如圖11、12所示。主程序進(jìn)行變量初始化、片內(nèi)（D/A、液晶驅(qū)動(dòng)、TimerA）模塊以及端口的初始化，然后打開總中斷進(jìn)入低功耗模式。時(shí)鐘中斷程序用于監(jiān)測治療時(shí)間，并根據(jù)刺激參數(shù)產(chǎn)生特定頻率、幅度的隨機(jī)信號(hào)和外圍電路控制信號(hào)，完成刺激信號(hào)的合成和輸出控制。

圖11 主程序流程　圖12 時(shí)鐘中斷流程

　　4、結(jié)果

　　通過修改MSP430單片機(jī)FLASH中下載的調(diào)幅信號(hào)波形數(shù)據(jù)，而無需改變?nèi)魏诬浖陀布Y(jié)構(gòu)，無極性恒流電刺激器就可以輸出各種的不同信號(hào)調(diào)幅的無極性指數(shù)脈沖，如隨機(jī)信號(hào)調(diào)幅的無極性指數(shù)脈沖，圖13所示。

圖13 隨機(jī)信號(hào)調(diào)幅的無極性指數(shù)脈沖

　　5、結(jié)論

　　無極性恒流電刺激器采用了MSP430微控制器，可以根據(jù)需要輸出各種信號(hào)調(diào)幅的無極性指數(shù)脈沖，而無需更改軟件和硬件結(jié)構(gòu)，具有靈活性好、輸出電流不受負(fù)載阻抗變化、安全可靠的特點(diǎn)； 另外，設(shè)計(jì)結(jié)合了便攜式設(shè)計(jì)方法，采用體積貼裝芯片, 也無需外接D/A轉(zhuǎn)換器件、液晶驅(qū)動(dòng)模塊等,減小了整機(jī)的體積,提高了整機(jī)的性價(jià)比。

　　參考文獻(xiàn)

　　[1] Hambrecht F T. Neural Prostheses. Ann Rev Biophys and Bioeng, 1979, 8: 239-267

　　[2] Mortimer J T. Motor Prostheses, Handbook of Physiology. Section 1:The Nervous System. Volume I, Motor Control, Part I, American Physiology Society, Bethesda, Maryland, 1981, 2:155-187

　　[3] Lilly J C.Injury and excitation by electric currents: A the balance pulse-pair waveform. In: Electrical Stimulation of the Brain, Sheer, D.E(ed), Chapter 6, Austin, University of Texas Press, 1961

　　[4] 李強(qiáng),干敏梁.基于直接數(shù)字頻率合成技術(shù)的腦循環(huán)功能治療儀.生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)雜志,2005; 22 (1) : 144

　　[5] 李剛,阮三元.一種基于MSP430的可充電腦起搏器的設(shè)計(jì).電子技術(shù)應(yīng)用.2005(7):40-42

　　[6] 胡大可.MSP430系列FLASH型超低功耗16位單片機(jī)[M].北京航空航天大學(xué)出版社,2001