單片機(jī)控制的韓氏穴位神經(jīng)刺激儀

各種頑固性疼痛是人類常見的癥狀,疼痛治療一向是醫(yī)學(xué)臨床深感棘手的問題之一,各國的疼痛研究專家研究了各種治療手段和方法,力圖在最大限度解除病人的痛苦的同時(shí),盡可能減少藥物劑量和治療的負(fù)作用。在我國古老的醫(yī)學(xué)寶庫中,用針灸方法治療疼痛具有悠久的歷史,50年代中期以來醫(yī)學(xué)界試圖將其應(yīng)用于現(xiàn)代外科臨床,并自60年代起組織專門力量對針灸鎮(zhèn)痛機(jī)理進(jìn)行了深入研究探索,從臨床和基礎(chǔ)兩方面開展了大量研究工作,逐漸揭示出了針刺鎮(zhèn)痛的原理:通過穴位神經(jīng)刺激可動員和激活體內(nèi)的鎮(zhèn)痛系統(tǒng)釋放出阿片肽等物質(zhì),從而產(chǎn)生鎮(zhèn)痛作用。實(shí)踐證明,與藥物治療相比,穴位神經(jīng)刺激的負(fù)作用小,不會產(chǎn)生藥物依賴等不良后果。研究發(fā)現(xiàn),在采用低頻脈沖刺激時(shí),不同頻率的刺激通過不同的神經(jīng)通路,使神經(jīng)系統(tǒng)釋放不同種類的阿片肽,作用于不同類型的阿片受體而發(fā)揮作用,其中頻率在2Hz左右的刺激主要引起腦啡肽釋放,而頻率在100Hz左右的刺激則主要使強(qiáng)啡肽的釋放增加,它們分別通過體內(nèi)的μ/δ受體和k受體介導(dǎo)而發(fā)揮鎮(zhèn)痛作用。另一方面,當(dāng)體內(nèi)阿片物質(zhì)過多時(shí),會促使機(jī)體生成一些物質(zhì)來對抗阿片的作用,因而持續(xù)的刺激會使鎮(zhèn)痛效果逐漸減弱,發(fā)生耐受現(xiàn)象[1]。上述一系列發(fā)現(xiàn)用現(xiàn)代神經(jīng)科學(xué)手段揭示了低頻電刺激鎮(zhèn)痛的科學(xué)道理。在這一領(lǐng)域,我國著名生理學(xué)家、中國科學(xué)院院士韓濟(jì)生教授領(lǐng)導(dǎo)的研究集體作出了突出的貢獻(xiàn),受到了世界神經(jīng)生理科學(xué)領(lǐng)域和臨床領(lǐng)域的重視。根據(jù)韓濟(jì)生教授的研究成果和臨床實(shí)踐,經(jīng)過優(yōu)選刺激參數(shù),針對臨床實(shí)際應(yīng)用設(shè)計(jì)的韓氏穴位神經(jīng)刺激儀(Han.sAcupointNerveStimulator,H.A.N.S),通稱韓氏儀,已在國內(nèi)外臨床實(shí)踐中得到了應(yīng)用,并已證實(shí)對頑固難治的神經(jīng)血管性疼痛,肩、頸、腰、腿疼痛和脊髓損傷肌肉痙攣疼痛及癌癥疼痛等有顯著療效[2][3]。本文介紹的LH-202新型韓氏穴位神經(jīng)刺激儀采用先進(jìn)的單片機(jī)測量和控制技術(shù),結(jié)合優(yōu)選的刺激參數(shù)和自動控制功能,使該儀器具有較高的技術(shù)性能。

1儀器的主要技術(shù)特點(diǎn)和參數(shù)
根據(jù)穴位神經(jīng)刺激的神經(jīng)化學(xué)理論與生理學(xué)的閘門控制學(xué)說,為使儀器達(dá)到有效刺激和良好的使用性能,對儀器提出了一系列技術(shù)要求:
1.1儀器要具有優(yōu)選的刺激參數(shù):由于不同頻率的刺激激活體內(nèi)不同種類的阿片系統(tǒng),為達(dá)到最佳的刺激效果,要使機(jī)體內(nèi)三種主要的阿片類物質(zhì)(腦啡肽,B-內(nèi)啡肽,強(qiáng)啡肽)同時(shí)釋放出來。為此,儀器應(yīng)具有與之對應(yīng)的不同頻率的刺激輸出,將各種頻率合理組合,自動切換。為使不同頻率的刺激強(qiáng)度協(xié)調(diào),低頻和較高頻率刺激的感覺強(qiáng)度基本相同,并同時(shí)達(dá)到最佳效果,要求脈沖寬度隨頻率自動變化。本儀器設(shè)置了7種不同的刺激脈沖波形,可以適應(yīng)多種治療需要。
1.2儀器要具有可控的恒流脈沖輸出:根據(jù)人體組織的電生理特性可知,皮膚和皮下組織可等效為阻-容網(wǎng)絡(luò),且其阻抗隨位置和通過的電流密度而變化。研究表明,電刺激的作用是靠持續(xù)一定時(shí)間的電流,即注入人體的電荷量而產(chǎn)生的。為達(dá)到有效刺激,儀器應(yīng)自動保證電流的輸出不受人體阻抗變化的影響,始終具有穩(wěn)定均勻的刺激,并使刺激的作用深度大,范圍廣,感覺舒適。為此在電路設(shè)計(jì)中采用可控的恒流輸出電路,在采用9V電池供電時(shí),輸出幅度可達(dá)0~50mA。
1.3刺激脈沖應(yīng)是對稱的雙向脈沖波:為消除電刺激產(chǎn)生的組織極化現(xiàn)象,使刺激脈沖為正負(fù)交替、正負(fù)向完全對稱、直流分量為零的刺激波形,這樣可以達(dá)到最佳的治療效果。
1.4儀器具有兩路獨(dú)立的輸出通道,具有同步和交替兩種輸出方式:由于機(jī)體經(jīng)過一定時(shí)間的刺激會產(chǎn)生耐受現(xiàn)象,因此要控制每次刺激的劑量。儀器同步方式工作時(shí)兩對電極同時(shí)輸出刺激脈沖,協(xié)同工作,可用于急性治療開始階段的誘。交替方式工作時(shí)兩對電極交替輸出刺激脈沖,其效果與同步方式基本相同,但由于各對電極的刺激時(shí)間減少一半,不易產(chǎn)生耐受現(xiàn)象,適用于慢性疼痛的病人。
1.5儀器具有一系列自動檢測和保護(hù)功能:為使儀器達(dá)到良好的使用效果,設(shè)置了多種檢測與保護(hù)功能,主要包括:(1)輸出電極開路自動檢測和保護(hù):在儀器使用中若電極出現(xiàn)接觸不良(開路)現(xiàn)象,當(dāng)電極再次接通時(shí),患者會由于突然的刺激而產(chǎn)生不適,為此設(shè)計(jì)了開路自動檢測功能,當(dāng)電極接觸不良時(shí)單片機(jī)檢測到信號,自動限制輸出脈沖強(qiáng)度,并在液晶顯示屏上給出提示。(2)電池電量不足檢測和提示:儀器采用電池供電,電池的過量消耗會影響刺激效果,因此要對電池電壓進(jìn)行監(jiān)測,當(dāng)電池能量不足時(shí)加以提示并自動關(guān)機(jī)。(3)按鍵鎖定功能:由于儀器采用全按鍵調(diào)節(jié),在攜帶中使用時(shí)會由于觸動按鍵而改變刺激參數(shù),因此設(shè)置了按鍵鎖定功能,當(dāng)處于鎖定狀態(tài)時(shí)參數(shù)被鎖定,不會由于觸動按鍵而改。(4)定時(shí)功能:持續(xù)長時(shí)間的刺激會使機(jī)體產(chǎn)生耐受,減弱治療效果,一般人經(jīng)過30min的治療即可達(dá)到較好的效果,因此采用單片機(jī)定時(shí),30min自動關(guān)機(jī)。
1.6為提高儀器的性能,采用單片機(jī)作為儀器核心,全按鍵控制波形和刺激方式選擇及刺激強(qiáng)度調(diào)整,由單片機(jī)準(zhǔn)確控制所有參數(shù),液晶顯示屏(LCD)定量顯示,從而保證了儀器的精度和可靠性。

2儀器的電路原理
根據(jù)上述技術(shù)要求,確定了以單片機(jī)為核心的電路方案,儀器原理如圖1所示。儀器分為單片機(jī)控制電路,輸出電路和電源電路三部分。儀器的電源部分完成電源的穩(wěn)壓,儀器的開、關(guān)機(jī)和電池電壓檢測任務(wù),采用了電源控制芯片STP1141,具有使用簡便,性能可靠,功耗低并可自動關(guān)斷等特點(diǎn)。單片機(jī)部分主要完成以下任務(wù):（1）系統(tǒng)的各種定時(shí),如波形的脈寬、頻率,同步和交替計(jì)時(shí),波形自動切換計(jì)時(shí),顯示刷新等。（2）利用脈寬調(diào)制(PWM)技術(shù)實(shí)現(xiàn)輸出強(qiáng)度的控制,輸出強(qiáng)度從0到50mA分為50檔,并可對輸出進(jìn)行調(diào)頻或調(diào)幅處理。（3）對電極開路、電池電壓、電源等進(jìn)行監(jiān)測和控制。（4）按鍵掃描和參數(shù)調(diào)節(jié),并在LCD上顯示各種狀態(tài)和參數(shù),包括兩路輸出的強(qiáng)度,脈沖參數(shù),輸出方式,定時(shí)時(shí)間等。



為使儀器達(dá)到小體積,低功耗,高性能的要求,選用美國國家半導(dǎo)體公司(NationalSemiconductor)的COP842型單片機(jī)。COP系列是面向控制的單片機(jī)系統(tǒng)[4][5],其核心CPU采用改進(jìn)的哈佛體系結(jié)構(gòu),用先進(jìn)的MMCMOS工藝制造,片內(nèi)具有足量的ROM和RAM,采用NationalSemiconductor公司注冊的MicroWire-Plus三線多功能串行接口和8位并行I/O口,I/O口的每位均能分別單獨(dú)編程。芯片具有多種封裝形式,因此體積小,功耗低,功能強(qiáng),適應(yīng)范圍廣。COP系列單片機(jī)具有高效的指令系統(tǒng),近70%指令是單字節(jié),單周期的,采用10MHz時(shí)鐘頻率時(shí)機(jī)器指令周期為1μs。基于上述優(yōu)點(diǎn),對LH-202型治療儀選用系列中較簡單的COP842,即可達(dá)到設(shè)計(jì)的功能要求,且具有很好的性能價(jià)格比。在圖1硬件基礎(chǔ)上通過合理設(shè)計(jì)單片機(jī)程序,儀器實(shí)現(xiàn)了上述各項(xiàng)功能。系統(tǒng)采用100Ls定時(shí)中斷作為時(shí)基信號,進(jìn)行PWM電流強(qiáng)度控制和輸出脈沖寬度處理,并在每個(gè)脈沖邊沿進(jìn)行電極開路檢測,以5ms作為PWM重復(fù)周期,這樣可得到50個(gè)不同的PWM電平。軟件采用5ms作為程序主流程循環(huán)周期,在此層次上進(jìn)行脈沖頻率控制,按鍵掃描和參數(shù)調(diào)整,顯示刷新等處理,然后在計(jì)時(shí)達(dá)到整秒時(shí)進(jìn)行波形切換處理,實(shí)現(xiàn)頻率混合和同步/交替處理。并進(jìn)行電池電壓監(jiān)測,電源管理和顯示閃動等處理,程序采用有層次的結(jié)構(gòu)化和模塊化設(shè)計(jì),極大地方便了程序的編制和修改。
儀器的輸出電路主要完成輸出強(qiáng)度設(shè)定、雙向脈沖波生成、功率放大、恒流驅(qū)動和開路檢測等任務(wù),一個(gè)通道輸出電路的原理如圖2所示。由單片機(jī)產(chǎn)生的PWM脈沖串經(jīng)過低通濾波后轉(zhuǎn)化為一定強(qiáng)度的電平,用于規(guī)定輸出電流的幅度,由單片機(jī)端口產(chǎn)生的兩個(gè)不同時(shí)刻的脈沖信號分別控制兩個(gè)模擬開關(guān),通過恒流驅(qū)動電路確定變壓器原邊某一側(cè)工作,從而在變壓器副邊產(chǎn)生不同極性的輸出脈沖。輸出電流通過取樣電阻對恒流源電路構(gòu)成反饋,可以達(dá)到很好的恒流特性。為實(shí)現(xiàn)電極開路的檢測,在變壓器原邊設(shè)置了取樣電路,當(dāng)變壓器副邊開路時(shí),由于電感作用,在驅(qū)動脈沖的下降沿將產(chǎn)生反沖,使取樣三極管5401導(dǎo)通,單片機(jī)對此信號進(jìn)行監(jiān)測,即可判別輸出是否開路。




3儀器的應(yīng)用情況
本儀器研制完成后已通過了醫(yī)療器械管理部門的生產(chǎn)鑒定,得到了生產(chǎn)許可證,并在多家醫(yī)院進(jìn)行了臨床使用。實(shí)踐證明對頑固難治的神經(jīng)血管性疼痛,肩、頸、腰、腿疼痛和脊髓損傷肌肉痙攣疼痛及癌癥疼痛等均有顯著療效。目前已有醫(yī)院利用本儀器開展了配合麻醉藥物,進(jìn)行復(fù)合麻醉用于開顱與開胸等臨床手術(shù)的研究,實(shí)踐表明:通過儀器誘導(dǎo),調(diào)動體內(nèi)鎮(zhèn)痛系統(tǒng)與藥物協(xié)同作用,可以明顯減少藥物吸入濃度和吸入量,使病人術(shù)后恢復(fù)較快而平穩(wěn);儀器亦可用于術(shù)后的鎮(zhèn)痛。有的醫(yī)院將儀器用于突發(fā)神經(jīng)性耳聾,腦癲癇的治療,收到特有的明顯療效。實(shí)際應(yīng)用表明,通過臨床醫(yī)學(xué)工作者和工程技術(shù)人員的不斷探索和改進(jìn),結(jié)合現(xiàn)代神經(jīng)科學(xué)研究成果和先進(jìn)的電子技術(shù)的韓氏穴位神經(jīng)刺激儀,在臨床和家庭保健中具有廣闊的應(yīng)用前景。本儀器是在韓濟(jì)生教授和劉亦鳴教授的關(guān)心和指導(dǎo)下完成的,在此表示衷心的感謝。

參考文獻(xiàn)
1韓濟(jì)生.1/4世紀(jì)的求索.生理科學(xué)進(jìn)展.1992.23(2):102
2第二屆東西方疼痛會議論文集.1992,10.北京.
3第三屆東西方疼痛會議論文集,1995,5.北京.
4COP8MicrocontrollerDatabook.1994Edition.NationalSemi-conductor.SantaClara.CA.USA.1994.
5邱惠彬等譯.NSC單片微型計(jì)算機(jī)COP888用戶手冊.東南大學(xué)出版社.1992。