摘要：通過對穴位施加低頻的脈沖電壓刺激穴位神經(jīng)釋放內(nèi)源性物質(zhì)，從而達到減輕疼痛的作用已經(jīng)被證實?；诖酸t(yī)學原理，本系統(tǒng)使用LabVIEW編寫上位機控制界面，通過NIVISA模塊驅(qū)動USB進行實時通信，采用高性能AVR主控芯片設(shè)計下位機，從而實現(xiàn)寬范圍數(shù)字升壓(12～100V)的高質(zhì)量互補對稱脈沖波穩(wěn)定輸出特性。在疼痛疾病的治療以及醫(yī)療保健治未病等領(lǐng)域?qū)⒂袕V泛的應(yīng)用。
關(guān)鍵詞：LabVIEW；USB通信；DC—DC升壓；AD采集

    疼痛治療一向是臨床醫(yī)學深感棘手的問題之一，在疼痛治療領(lǐng)域，穴位刺激鎮(zhèn)痛一直備受推崇，即通過對穴位施加低頻的脈沖電壓實現(xiàn)對神經(jīng)系統(tǒng)的刺激，使其釋放阿片肽，達到減輕疼痛的目的。上世紀80年代以來，電子技術(shù)在疾病診療領(lǐng)域的取得廣泛應(yīng)用，穴位刺激鎮(zhèn)痛治療儀器成為其中的一個研究熱點，韓式儀是其中的一個典型代表。隨著電子技術(shù)便攜化和智能化的發(fā)展，利用當前最新技術(shù)革新產(chǎn)品，研發(fā)新型鎮(zhèn)痛醫(yī)療器械勢在必行。
    針對鎮(zhèn)痛儀電路研發(fā)要求，以及人體對低電頻生理反映的特征，設(shè)計了基于LabVIEW和AVR單片機的一個精度高、穩(wěn)定可靠、抗干擾能力強、功耗低、可擴展性強的醫(yī)療器械鎮(zhèn)痛儀。

1 系統(tǒng)總體介紹
    本系統(tǒng)包括上位機模塊、通信模塊和下位機模塊，其中上位機采用LabVIEW軟件編寫的人機交互界面，使用方便，具有良好的可視化效果和可擴展性；通信部分采用即插即用的USB通信模塊，其傳輸數(shù)據(jù)速率快，能滿足對下位機監(jiān)控數(shù)據(jù)實時反饋的要求；下位機模塊主要由脈沖發(fā)生電路、升壓電路和互補對稱脈沖輸出電路組成，其中主控芯片采用ATMEL公司的Atmega128，可接收上位機控制命令，完成各種模式下的脈沖強度精確調(diào)制以及控制對稱治療脈沖輸出。升壓電路采用Maxim Integrated Products公司的MAX1771DC／DC升壓芯片和AD公司的AD52 41系列數(shù)字電位器，實現(xiàn)精確可調(diào)的數(shù)字升壓，系統(tǒng)功能框圖如圖1所示。

2 系統(tǒng)軟硬件及其組成
2．1 上位機LabVIEW人機交互界面
    上位機軟件用于用戶信息管理和系統(tǒng)的實時控制。其中包括下位機數(shù)據(jù)的實時采集的即時顯示，以及存儲用戶的治療資料等。軟件采用圖形化編程語言編寫，其開發(fā)時間短、通用性強、數(shù)據(jù)處理準確簡單、可移植性強，界面設(shè)計的人性化，使操作方便，具有良好的可視化效果和可擴展性，上位機流程圖如圖2所示。

    上位機可提供管理患者信息，選擇治療模式，控制治療強度的功能，同時實現(xiàn)治療波形的實時顯示，使患者和醫(yī)護人員對治療情況一目了然。系統(tǒng)運行之前需錄入患者相關(guān)信息，系統(tǒng)將在治療結(jié)束后自動生成該患者治療情況的記錄報表，并提供打印功能，可用于醫(yī)學對比分析以及對本系統(tǒng)的治療效果評估等。醫(yī)護人員可根據(jù)患者情況選擇系統(tǒng)目前提供的七種治療模式中適合患者的模式，并且控制不同模式下的刺激強度，以達到最佳治療效果。操作界面如圖3所示。

    此外系統(tǒng)還具有音樂輔助模塊、定時功能模塊、幫助系統(tǒng)以及擴展功能等一些列模塊供使用者選擇，使操作效率達到最大化。
2．2 USB串行通信模塊的實現(xiàn)
    USB (Universal Serial Bus)接口是近年來應(yīng)用在PC領(lǐng)域的新型接口技術(shù)。它基于單一的總線接口技術(shù)來滿足多種應(yīng)用領(lǐng)域的需求；它的即插即用、支持熱插拔、易于擴展等特性極大地方便了用戶的使用，已逐漸成為現(xiàn)代數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌l(fā)展趨勢。USB的便攜性、高數(shù)據(jù)傳輸速度等非常適合本系統(tǒng)。
    USB控制器選用CH376，它可以工作于主機和設(shè)備兩種工作方式，設(shè)備工作方式完全兼容CH372。它具有方便的內(nèi)置固件模式和靈活的外置固件模式。內(nèi)置固件模式下屏蔽了相關(guān)的USB協(xié)議，自動完成標準的USB枚舉配置過程，完全不需要本地端控制器作任何處理，簡化了單片機的固件編程。該芯片內(nèi)部集成了PLL倍頻器、USB接口SIE、數(shù)據(jù)緩沖區(qū)、被動并行接口、命令解釋器、通用的固件程序等主要部件，內(nèi)部具有5個物理端點，采用端點2的上傳作為批量數(shù)據(jù)的發(fā)送端點，選擇端點2的下傳端點作為批量數(shù)據(jù)的接收端點，在這種情況下，上傳下傳端點的緩沖區(qū)各占64個字節(jié)。

    本文采用LabVIEW自帶的通用的驅(qū)動程序NIVISA作為USB設(shè)備的底層驅(qū)動程序，并且利用程序中的塊傳輸節(jié)點，即VISA READ和VISA WRITE可以方便的實現(xiàn)數(shù)據(jù)的收發(fā)，完成上位機和下位機通信需求。
2．3 下位機主控升壓輸出電路
   下位機根據(jù)接收到的上位機控制命令控制脈沖發(fā)生模塊和升壓模塊執(zhí)行相應(yīng)操作，并向上位機反饋信息。
    以Atmega128單片機作為下位機控制核心，編程輸出可變頻可變占空比的PWM刺激脈沖。Atmega128芯片具有PWM波輸出引腳，對其編程可實現(xiàn)高質(zhì)量PWM波輸出，編程TWI來控制AD5241芯片的輸出阻值來調(diào)制MAX1771 DC—DC升壓電路以實現(xiàn)多級可調(diào)升壓，對稱脈沖模塊可實現(xiàn)輸出穩(wěn)定脈沖波。通過Atmega128內(nèi)置AD捕獲輸出脈沖，考慮到輸出信號的幅度在12～100V之間，而AD模塊選用的基準電壓為5．0V，因此將輸出電壓經(jīng)電阻分壓器接入模擬輸入通道，然后再將采集到的模擬電壓值傳送到上位機，并編程乘以相應(yīng)的倍數(shù)，實現(xiàn)輸出強度的復(fù)現(xiàn)。下位機功能實現(xiàn)流程圖如圖5所示。

3 輸出脈沖波形
    將上位機操作界面通過USB模塊與下位機系統(tǒng)相連進行系統(tǒng)測試，通過操作上位機控制界面向下位機發(fā)送相應(yīng)控制指令實現(xiàn)數(shù)字升壓強度調(diào)節(jié)和對稱脈沖波形輸出。圖6給出了用TektronixTDS2014示波器兩路通道捕獲其中的模式二(100Hz方波，0．2ms脈寬)的輸出波形。

4 結(jié)束語
    本系統(tǒng)是基于PC機的上位機控制界面與產(chǎn)生波形的下位機的結(jié)合，實現(xiàn)精確可調(diào)的數(shù)字升壓和實時可控的互對稱脈沖輸出。脈沖輸出波形和電壓范圍的調(diào)節(jié)能滿足不同使用者的需求，使用數(shù)字電位器代替模擬電位器使系統(tǒng)的控制更加靈活方便，互補對稱輸出電路能保障輸出電壓的穩(wěn)定，同時保障了使用者的安全。USB通信使上位機和下位機之間的連接更加的方便快捷，利于系統(tǒng)的快速反應(yīng)和智能診療。本系統(tǒng)穩(wěn)定性好，安全性高，界面易于操作，應(yīng)用前景十分廣闊。