CN108671395B - 一种嵌入式的人机交互型膀胱功能障碍治疗仪 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种嵌入式的人机交互型膀胱功能障碍治疗仪，包括电源转换模块、嵌入式系统控制模块、触摸显示屏、通信模块、波形分流放大模块、继电器模块、继电器驱动模块、线性变压器模块以及电极输出模块，所述嵌入式系统控制模块的IO端与波形分流放大模块的输入端，所述波形分流放大模块包括运算放大器、电位器和功率放大器，通过运算放大器对嵌入式系统控制模块产生的仿真生物波进行缓冲放大并输出两路仿真生物波形，再经过电位器以及功率放大器对每路仿真生物波形进行最大线性不失真放大，并输入到继电器模块的输入端。
Description
技术领域
本发明属于电疗器械技术领域，特别设计采用嵌入式系统控制产生强度、频率、时间可控的仿真生物波，通过双通道多频率的模式去刺激膀胱神经从而达到治疗膀胱功能障碍的治疗仪。
背景技术
导致膀胱功能障碍的原因有很多，如脊髓损伤、中枢神经系统病变、某些药物的副作用、产后以及过量饮酒等，其主要表现为残余尿增多、尿潴留及尿失禁等，若治疗不及时，则可能引发上尿路感染，严重者可能引起全身性感染甚至肾功能衰竭而死亡。随着科技的发展，膀胱功能障碍疾病可以通过一些有创手术如插尿管、植入刺激器等对患者进行治疗，但患者要承受手术带来的巨大痛苦及高额费用，同时也限制患者的活动范围，降低患者的生活质量。而传统的药物疗法不仅很难恢复膀胱功能，还会有一定的副作用。
近年来，随着电子技术的迅速发展和医疗实践的治疗需要，越来越多的信息技术被应用到医学领域，电刺激已经成为治疗膀胱功能障碍非常重要的手段，但目前已有的膀胱功能障碍治疗仪存在一定的缺陷：1)设备价格昂贵。该设备的开发需要涉及电子工程学、生物医学、医疗器械设计等多个不同的领域，综合性较强，设计难度较大，采用微处理器及分立元器件设计，导致硬件电路板的设计体积较大，工作稳定性差，设备价格相对昂贵，难以得到广泛应用和普及。2)设备输出波形仿真度低。该设备主要是利用脉冲信号，模拟人体排尿时神经元产生的一系列生理电脉冲信号，来刺激控制膀胱收缩的肌肉，如一种便携式无创神经原性膀胱治疗仪(CN200910104124.3)采用将不同占空比的PWM调制脉冲转换成具有相同幅值的指数波脉冲作为方针生物波，其脉冲波形与人体生物波相差甚远，达不到最佳治疗效果。3)设备界面单调，操作方法复杂。现有的设备大多采用液晶显示屏，修改参数采用按键和旋钮进行控制，操作可控性差，并且设备运行时易出现误操作，对治疗过程存在一定的安全隐患。
发明内容
针对现有膀胱功能障碍治疗仪价格昂贵、输出波形仿真度低、界面操作复杂且存在安全隐患等缺陷，本发明设计了一种嵌入式的人机交互型膀胱功能障碍治疗仪。
本发明涉及的嵌入式的人机交互型膀胱功能障碍治疗仪，一种嵌入式的人机交互型膀胱功能障碍治疗仪，包括电源转换模块、嵌入式系统控制模块、触摸显示屏、通信模块、波形分流放大模块、继电器模块、继电器驱动模块、线性变压器模块以及电极输出模块，所述嵌入式系统控制模块的IO端与波形分流放大模块的输入端，所述波形分流放大模块包括运算放大器、电位器和功率放大器，通过运算放大器对嵌入式系统控制模块产生的仿真生物波进行缓冲放大并输出两路仿真生物波形，再经过电位器以及功率放大器对每路仿真生物波形进行最大线性不失真放大，并输入到继电器模块的输入端，所述继电器模块的输出端与线性变压器模块的输入端连接，所述线性变压器模块的输出端与电极输出模块连接，所述继电器模块的控制端与继电器驱动模块连接，所述继电器驱动模块与嵌入式系统控制模块连接，所述嵌入式系统控制模块通过继电器驱动模块控制继电器开关，通过继电器的开关来控制仿真生物波形的输出方向和持续治疗的时间，并将仿真生物波形经过线性变压器模块放大后传输给电极输出模块，由电极片刺激膀胱收缩肌进行恢复和治疗，所述触摸显示屏通过通信模块与嵌入式系统控制模块连接，所述电源转换模块给治疗仪供电。
进一步地，所述波形分流放大模块包括第一运算放大器、第二运算放大器、第三运算放大器、第一电位器、第二电位器、第一功率放大器和第二功率放大器，所述嵌入式系统控制模块的IO端与第一运算放大器的同向输入端连接，所述第一运算放大器组成第一电压跟随器，所述第一运算放大器的输出端经接地电阻分别与第二运算放大器的同向输入端、第三运算放大器的同向输入端连接，所述第二运算放大器和第三运算放大器构成第二电压跟随器和第三电压跟随器，所述第二运算放大器的输出端经分压电阻与第一电位器连接，所述第三运算放大器的输出端经分压电阻与第二电位器连接，所述第一电位器的输出端经电容与第一功率放大器的输入端连接，所述第二电位器的输出端经电容与第二功率放大器的输入端连接，第一功率放大器和第二功率放大器输出两路仿真生物波形。
进一步地，所述继电器控制模块包括第一三极管、第二三极管、第一分压电路单元、第二分压电路单元，所述嵌入式系统控制模块的两个输出端分别经过第一分压电路单元、第二分压电路单元连接至第一三极管的控制端、第二三极管的控制端，所述第一三极管和第二三极管的集电极与电源转换模块的输出端连接，所述第一三极管和第二三极管的集电极用于控制继电器模块。
进一步地，所述嵌入式系统控制模块包括微处理器、复位单元、晶振单元和发光二极管，所述复位单元、晶振单元和发光二极管分别与微处理器连接，所述电源转换模块给嵌入式系统控制模块供电。
进一步地，所述通信模块采用RS-232收发器，触摸显示屏通过RS232收发器与微处理器进行数据交互。
进一步地，所述电源转换模块包括二极管整流桥和线性稳压器，输入电压经过二极管整流桥整流并由线性稳压器转化输出12VDC电源、5VDC电源、-5VDC电源和3.3VDC电源，以满足各电路模块的用电需求。
进一步地，所述触摸显示屏采用16位真彩色RGB显示屏。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：该治疗仪采用反应速度快灵敏度高的触摸屏进行参数设置和操作，并设置一键锁屏功能，使得界面操作更方便，安全性更高。同时主控芯片产生的波形仿真率高，并对波形进行分路和多级线性不失真的放大，增强输出波形的稳定性，提高治疗仪的治疗效果。此外，该治疗仪也采用常见的成本低稳定性高的元件，具有现代集成电路低功耗、低成本、高性能的特点，使得治疗仪能更好的造福于普通消费者。
附图说明
图1所示为本发明中的结构框图。
图2所示为本发明中的嵌入式系统控制模块的电路图。
图3所示为本发明中的通信模块的电路图。
图4所示为本发明中的波形分流放大模块、继电器模块和线性变压器模块的电路结构图。
图5所示为本发明中的电源转换模块的电路图。
图6所示为本发明的程序流程图。
具体实施方式
为使本发明的内容更加清楚，下面结合附图，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。应当注意，为了清楚的目的，附图和说明中省略了与本发明无关的、本领域普通技术人员已知的部件的表示和描述。
如图1，一种嵌入式的人机交互型膀胱功能障碍治疗仪，包括电源转换模块、嵌入式系统控制模块、触摸显示屏、通信模块、波形分流放大模块、继电器模块、继电器驱动模块、线性变压器模块以及电极输出模块，所述嵌入式系统控制模块的IO端与波形分流放大模块的输入端，所述波形分流放大模块包括运算放大器、电位器和功率放大器，通过运算放大器对嵌入式系统控制模块产生的仿真生物波进行缓冲放大并输出两路仿真生物波形，再经过电位器以及功率放大器对每路仿真生物波形进行最大线性不失真放大，并输入到继电器模块的输入端，所述继电器模块的输出端与线性变压器模块的输入端连接，所述线性变压器模块的输出端与电极输出模块连接，所述继电器模块的控制端与继电器驱动模块连接，所述继电器驱动模块与嵌入式系统控制模块连接，所述嵌入式系统控制模块通过继电器驱动模块控制继电器开关，通过继电器的开关来控制仿真生物波形的输出方向和持续治疗的时间，并将仿真生物波形经过线性变压器模块放大后传输给电极输出模块，由电极片刺激膀胱收缩肌进行恢复和治疗，所述触摸显示屏通过通信模块与嵌入式系统控制模块连接，所述电源转换模块给治疗仪供电。
如图2，图2所示了嵌入式系统控制模块的电路图，所述嵌入式系统控制模块包括微处理器、复位单元、晶振单元和发光二极管，所述复位单元、晶振单元和发光二极管分别与微处理器连接，所述电源转换模块给嵌入式系统控制模块供电，嵌入式系统控制模块以ARM Cortex-M3内核的32位微处理器作为控制模块的控制核心，所述电源转换模块输出3.3VDC电源经滤波之后给微控制器、复位单元、发光二极管D20供电，微控制器低电平控制发光二极管导通。
如图3，图3所示了通信模块的电路图，通信模块采用RS-232收发器，触摸显示屏通过RS232收发器与微处理器进行数据交互，RS-232收发器的型号为SP3232E，可以满足触摸显示屏与微控制器之间的数据通讯需求。
如图4，图4所示了波形分流放大模块、继电器模块和线性变压器模块的电路结构图，所述波形分流放大模块包括第一运算放大器U30A、第二运算放大器U30B、第三运算放大器U30C、第一电位器RW50、第二定位器RW51、第一功率放大器U31和第二功率放大器U32，所述嵌入式系统控制模块的IO端(微控制器的PA4端)与第一运算放大器U30A的同向输入端连接，所述第一运算放大器U30A组成第一电压跟随器，所述第一运算放大器U30A的输出端经接地电阻R50分别与第二运算放大器U30B的同向输入端、第三运算放大器U30C的同向输入端连接，所述第二运算放大器U30B和第三运算放大器U30C构成第二电压跟随器和第三电压跟随器，所述第二运算放大器U30B的输出端经分压电阻R51与第一电位器RW50连接，所述第三运算放大器U30C的输出端经分压电阻R52与第二电位器RW51连接，所述第一电位器RW50的输出端经电容C52与第一功率放大器U31的输入端连接，所述第二电位器RW51的输出端经电容C53与第二功率放大器U32的输入端连接，第一功率放大器U31和第二功率放大器U32输出两路仿真生物波形，输入到继电器模块的输入端。所述继电器模块包括两个继电器(SM1和SM2)，所述线性变压器模块包括两个线性变压器(BT1和BT2)，一个继电器和一个线性变压器串联，总共构成两个支路，以控制第一功率放大器U31和第二功率放大器U32输出的仿真生物波输出到线性变压器中，由线性变压器进行电压放大后输入至电极输出模块，两个电极输出模块中的电极片刺激膀胱收缩肌进行恢复和治疗。本发明的膀胱功能障碍治疗仪的波形分流放大模块中主要包含两类重要的芯片，分别为具有4路输入的运算放大器TL084C(U30)和功率放大器TDA2822M(U31\U32)。波形分流放大模块先通过TL084C的同相输入电压跟随电路将产生的仿真生物波单路波形转换成稳定同步的两路波形并分别传输给TDA2822M进行最大线性不失真放大。最大线性不失真的放大通过TDA2822M输入端与TL084C输入端之间连接的电位器(RW50/RW51)进行调节，从而保证了仿真生物波波形的稳定性和仿真度。
所述继电器控制模块包括第一三极管Q50、第二三极管Q51、第一分压电路单元、第二分压电路单元，所述嵌入式系统控制模块的两个输出端分别经过第一分压电路单元、第二分压电路单元连接至第一三极管Q50的控制端、第二三极管Q51的控制端，所述第一三极管Q50和第二三极管Q51的集电极与电源转换模块的输出端连接，电源转换模块提供12VDC电源，所述第一三极管和第二三极管的集电极用于控制继电器模块，为了防止电流回流，第一三极管Q50和第二三极管Q51的集电极与电源转换模块的输出端之间连接有二极管D50和二极管D51。
如图5，所述电源转换模块包括二极管整流桥和线性稳压器，输入电压经过二极管整流桥整流并由线性稳压器转化输出12VDC电源、5VDC电源、-5VDC电源和3.3VDC电源，以满足各电路模块的用电需求，5VDC电源和-5VDC电源给运算放大器供电，12VDC电源给功率放大器、继电器驱动模块供电，3.3VDC电源给控制模块供电。
本发明的膀胱功能障碍治疗仪采用16位真彩色RGB显示屏的触摸屏来作为人机交互界面，通过MAX232串口通信模块与嵌入式控制系统模块通讯连接，以ARM Cortex-M3内核的32位微处理器作为控制模块的核心，对数字化的生物波进行直接存储器读取的方式产生一组仿真生物波，对波形进行分流放大后形成两组生理电脉冲信号，使得输出的波形仿真度高,微处理器通过继电器驱动模块来控制继电器模块，根据继电器的闭合来控制波形输出的方向和持续治疗的时间，并将波形经过变压器放大后传输给电极输出模块，由电极片刺激膀胱收缩肌进行恢复和治疗。此外，利用带有一键锁屏功能的触摸屏进行人机交互界面来设置波形的频率、强度、持续时间参数，再由心电监护电极输送到人体膀胱周围的皮肤穴位，来刺激控制膀胱收缩的肌肉，最终达到治疗和缓解膀胱残余尿增多、尿潴留及尿失禁等疾病。
嵌入式系统控制模块采用ARM32位的Cortex-M3CPU，最高工作频率72MHz，对数字化的生物波产生仿真度高的波形，并将波形传输进行分流放大，通信模块与嵌入式系统的连接实现触摸屏界面的人机交互，体现现代集成电路低功耗、低成本、高性能的特点。触摸屏采用16位真彩色RGB显示屏，结合通信模块对参数、模式和状态进行控制，并设置了一键锁屏功能，人机交互界面设计简单，操作方便，安全性高。
如图6，图6所示了治疗仪的流程图，开始上电，参数初始化，通过触摸显示屏进行治疗模型选择，治疗模型有两类，分别为同步模式和异步模式，主要控制两个电极片上波形输出的波形，同步模式时两个电极片同时治疗，异步模式时两个电极片交替治疗；治疗仪处于停止治疗状态，确定是否需要修改参数，如果需要则设置参数，可修改的参数分别为治疗时间、治疗频率和持续时间，参数确认后，通过触摸屏点击确认分析仪是否治疗，在确认治疗之后，然后再确认是否锁屏，如果锁屏则以之前设定的参数开始治疗，如果不锁屏则重新确定是否需要修改参数，如果需要，则重新设置参数，开始治疗过程中仅能对治疗频率、治疗强度和持续时间参数进行修改，确认参数后，治疗仪则以重新设定的参数开始治疗，如果治疗时间小于等于零，治疗结束则停止治疗，此时自动解除锁屏，参数初始化，是否返回到模式选择，如果不返回，则确定是否需要修改参数，进入下一次治疗程序；如果治疗时间大于零，则确定是否需要解锁，如果不需要解锁，则继续治疗，如果需要解锁，则确认是否需要暂停治疗，如果不暂停，则继续治疗，如果暂停，则治疗仪暂停治疗，解除锁屏，治疗强度清零，确定是否修改参数，此时可修改参数为治疗频率和持续时间，确认之后，进入是否停止，不停止，则判断是否治疗，进入下一次治疗程序，如果停止，解除锁屏，参数初始化，判定是否返回到模式选择界面，如果不返回，则进入停止治疗状态。治疗仪的一键锁屏功能是在治疗过程中可以一键设置，锁屏之后将不能对参数进行修改，除非人为解锁或者治疗结束停止治疗时自动解锁，可以有效避免在治疗过程对参数设置的误操作，防止医疗事故的发生，提高了治疗仪自身的安全性。
以上仅表达了本发明的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (5)
1.一种嵌入式的人机交互型膀胱功能障碍治疗仪，其特征在于，包括电源转换模块、嵌入式系统控制模块、触摸显示屏、通信模块、波形分流放大模块、继电器模块、继电器控制模块、线性变压器模块以及电极输出模块，所述嵌入式系统控制模块的IO端与波形分流放大模块的输入端，所述波形分流放大模块包括运算放大器、电位器和功率放大器，通过运算放大器对嵌入式系统控制模块产生的仿真生物波进行缓冲放大并输出两路仿真生物波形，再经过电位器以及功率放大器对每路仿真生物波形进行最大线性不失真放大，并输入到继电器模块的输入端，所述继电器模块的输出端与线性变压器模块的输入端连接，所述线性变压器模块的输出端与电极输出模块连接，所述继电器模块的控制端与继电器控制模块连接，所述继电器控制模块与嵌入式系统控制模块连接，所述嵌入式系统控制模块通过继电器控制模块控制继电器开关，通过继电器的开关来控制仿真生物波形的输出方向和持续治疗的时间，并将仿真生物波形经过线性变压器模块放大后传输给电极输出模块，由电极片刺激膀胱收缩肌进行恢复和治疗，所述触摸显示屏通过通信模块与嵌入式系统控制模块连接，所述电源转换模块给治疗仪供电；
所述波形分流放大模块包括第一运算放大器、第二运算放大器、第三运算放大器、第一电位器、第二电位器、第一功率放大器和第二功率放大器，所述嵌入式系统控制模块的IO端与第一运算放大器的同向输入端连接，所述第一运算放大器组成第一电压跟随器，所述第一运算放大器的输出端经接地电阻分别与第二运算放大器的同向输入端、第三运算放大器的同向输入端连接，所述第二运算放大器和第三运算放大器构成第二电压跟随器和第三电压跟随器，所述第二运算放大器的输出端经分压电阻与第一电位器连接，所述第三运算放大器的输出端经分压电阻与第二电位器连接，所述第一电位器的输出端经电容与第一功率放大器的输入端连接，所述第二电位器的输出端经电容与第二功率放大器的输入端连接，第一功率放大器和第二功率放大器输出两路仿真生物波形；
所述继电器控制模块包括第一三极管、第二三极管、第一分压电路单元、第二分压电路单元，所述嵌入式系统控制模块的两个输出端分别经过第一分压电路单元、第二分压电路单元连接至第一三极管的控制端、第二三极管的控制端，所述第一三极管和第二三极管的集电极与电源转换模块的输出端连接，所述第一三极管和第二三极管的集电极用于控制继电器模块。
2.如权利要求1所述的一种嵌入式的人机交互型膀胱功能障碍治疗仪，其特征在于，所述嵌入式系统控制模块包括微处理器、复位单元、晶振单元和发光二极管，所述复位单元、晶振单元和发光二极管分别与微处理器连接，所述电源转换模块给嵌入式系统控制模块供电。
3.如权利要求2所述的一种嵌入式的人机交互型膀胱功能障碍治疗仪，其特征在于，所述通信模块采用RS-232收发器，触摸显示屏通过RS232收发器与微处理器进行数据交互。
4.如权利要求1所述的一种嵌入式的人机交互型膀胱功能障碍治疗仪，其特征在于，所述电源转换模块包括二极管整流桥和线性稳压器，输入电压经过二极管整流桥整流并由线性稳压器转化输出12VDC电源、5VDC电源、-5VDC电源和3.3VDC电源，以满足各电路模块的用电需求。
5.如权利要求1所述的一种嵌入式的人机交互型膀胱功能障碍治疗仪，其特征在于，所述触摸显示屏采用16位真彩色RGB显示屏。
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