CN110833656A - 一种恒流输出的中频治疗仪系统 - Google Patents

Abstract

本发明一种恒流输出的中频治疗仪系统属于医用康复治疗设备领域，涉及一种中频治疗仪能实现恒流输出的系统。该系统由控制模块、波形调制模块、强度调节模块和恒流放大模块组成，实现载波的生成、调制、强度调节、放大和输出。控制模块其输入端与检测反馈模块相连接，控制模块的输出端分别与显示模块、报警模块、存储模块相连接；控制模块还与波形调制模块和强度调节模块连接。波形调制模块采用的是幅值调制，将一个高频载波信号与低频调制信号相乘，使得高频信号的幅值随低频信号幅值的变化而变化。该系统在单片机的控制下实现恒流输出，保证患者的安全。有存储功能，方便记录，提升了治疗仪的实用性和便捷性。

Description

一种恒流输出的中频治疗仪系统

技术领域

本发明属于医用康复治疗设备领域，涉及一种中频治疗仪能实现恒流输出的系统。

背景技术

中频电疗法目前在临床中广泛使用,通过调制后的多种低频电信号，对特定的部位进行刺激，有镇痛、促进局部血液循环、锻炼骨骼肌与提高平滑肌的紧张度等作用。

经过市场调研，目前国内市场上的中频治疗仪多数为单一波形的中频电产品，疗效单一，会导致使用者长时间使用后产生对单一信号适应性，很难适应多种治疗需求。更重要的，治疗仪应该具备相应的安全保护功能，如果治疗仪安全性不好，不仅不能达到康复的目的，还有可能损害患者的健康。市场上多数治疗仪采用变压器放大输出，治疗过程中会因为负载的不稳定而输出电流产生较大波动，也没有电极片短路和断路保护。例如，发明专利CN201610005434.X《一种中低频治疗仪治疗处方波形的调制方法和电路》中，波形放大采用高频变压器进行升压后连接电极片输出到人体。当接入电极片的阻抗发生变化，不能自动调整变压器的输入电压，导致变压器输出电压不会随着阻抗变化而变化，作用到人体的电流会发生突变，与设定电流不同，可能会造成危险。

现在多数治疗仪还使用LCD屏幕或数码管显示，采用传统的键盘操作，人机交互性差，不能直观反映设定参数，导致患者在治疗时对输出强度和治疗模式不清晰。治疗仪体型普遍过大，既不利于携带，也不便于操作。

发明内容

本发明要解决的问题是针对现有产品的缺陷：由于电极片所贴的距离和人体的部位不同，会导致接入的阻抗不同，使用传统的变压器放大方法下会引起电流变化，发明了一种恒流输出的中频治疗仪系统。该系统采用恒流源放大电路，实现了恒流输出，不会因为负载变化而产生波动，不会对患者产生因电流过大的带来的疼痛感和安全问题。还能够检测电极片输出状态，在电极片短路和断路时及时采取控制，进一步增加安全性。使用触控屏设定和显示治疗参数、显示设定参数，提高人机交互性，方便直观。

本发明所采用的技术方案是一种恒流输出的中频治疗仪系统，该系统具有显示模块、报警模块、存储模块和电源模块，其特征是，系统还具有控制模块、波形调制模块、强度调节模块、恒流功率放大模块、检测反馈模块；实现载波的生成、调制、强度调节、放大和恒流输出；

所述的控制模块其输入端与检测反馈模块相连接，控制模块的输出端分别与显示模块、报警模块、存储模块相连接；控制模块还与波形调制模块和强度调节模块连接，负责控制其他芯片，接收其他芯片采集的数据，并进行处理；内部定时器生成可调1到9kHz的高频方波信号。生成的高频方波信号进入波形调制模块进行幅值调制，调制出所需要的低频波形信号；经过幅值调制后的低频调制信号经过强度调节模块进行电流强度调节，经过强度调节的低频信号通过恒流放大模块进行功率放大；经过恒流放大的强度调节信号通过电极片直接作用于患者，实现治疗；

所述的波形调制模块采用的是幅值调制，将一个高频载波信号与低频调制信号相乘，使得高频信号的幅值随低频信号幅值的变化而变化；本系统的高频载波是1到9kHz的方波，通过单片机控制波形调制模块，调制出多种低频信号，包括正弦波、三角波、梯形波、尖峰波、矩形波和锯齿波。这些低频调制信号组合，生成多种处方。

波形调制模块电路包括三极管U1、数模转换器U2、运算放大器U3、电阻R1和电阻R2；其中，三极管U1的B级连接电阻R1一端和单片机PE8引脚，E级连接+5V电源，C级连接数模转换器U2的第六引脚REFIN和电阻R2的一端；电阻R1的另一端连接+5V电源，电阻R2的另一端连接GND；数模转换器U2的DEN、SCLK、

DOUT引脚连接单片机的PD0到PD3引脚，AGND引脚连接GND，OUT引脚连接运算放大器U3的正输入端引脚1，VDD引脚连接+5V；运算放大器U3的负输入端引脚2连接输出端引脚4,引脚5连接+15V，引脚3连接GND，引脚4输出OUT信号连接运算放大器U4的REFIN引脚；

所述的强度调节模块包括数模转换器U4和运算放大器U5；其中，数模转换器U4的DEN、SCLK、

DOUT引脚连接单片机的PD4到PD7引脚，AGND引脚连接GND，OUT引脚连接运算放大器U5的正输入端引脚1，VDD引脚连接+5V；运算放大器U5的负输入端引脚2连接输出端引脚4,引脚5连接+15V，引脚3连接GND，引脚4连接运算放大器IC1的正输入端引脚1；

所述的恒流功率放大模块是本系统的关键，实现了在不同负载下电流强度几乎不变；恒流功率放大模块是由运算放大器和大功率场效应管组成的压控恒流源，利用电流反馈实现了恒流输出；模块具体组成为：运算放大器IC1，MOS管M1，电阻R41、R42、R43、R44、R45、R46、R47，DCDC模块，电容C41、C42，电感L1，保险丝F2、F3，磁珠CZ1和抑制二极管D1；其中，运算放大器IC1的引脚2连接电阻R43的一端，引脚3连接GND，输出端引脚4连接电阻R42的一端，引脚5连接+15V；电阻R42的另一端连接电阻R41的一端和MOS管M1的G级；电阻R43的另一端连接电阻R44的一端和MOS管M1的S级，电阻R41和R44的另一端连接GND；MOS管M1的D级连接电阻R45、R46的一端和电极片的OUT_B端；电阻R45的另一端连接电极片的OUT_A端和+100V电源，电阻R46的另一端连接反馈采集端V-BACK和电阻R47的一端，电阻R47的另一端连接GND；DCDC模块的+VI端连接保险丝F2的一端和电容C41的正端，VI端连接GND，+Vo端连接磁珠CZ1的一端和二极管D1的负端，Vo端连接二极管D1的负端和GND；电容C41的负端连接GND，电阻F2的另一端连接+15V，CZ1的另一端连接CZ2的一端，CZ2的另一端连接保险丝的F3的一端，保险丝的F3的另一端连接电感L1，电感L1的另一端连接+100V电源和电容C42的一端，电容C42的另一端连接GND；

所述检测反馈模块是通过V-BACK采集的电压经过op2运算放大器进行放大，以便单片机的ADC引脚对其采集，ZM4727为保护二极管防止电压过大，烧坏单片机；

当电极短路时100V的电压只有R46和R47对其进行分压，V-BACK的电压为：

当电极片开路时，100V由R45，R46和R47分压，V-BACK的电压为：

返回的电压值不同，ADC采集读取的数字不一样，可以判断电极片是否脱落或短路，即时停止输出，避免对人体或电路产生危害。

本发明有益效果是该系统在单片机的控制下实现恒流输出，保证了电流输出不会随人体负载阻抗的变化而变化，保证患者的安全。通过使用触摸彩屏，改善了人机交互性，能存储患者信息。可以检测电极片的短路和断路，进一步确保了安全性。符合国家相关医疗产品电磁兼容和电气安全等要求。采用恒流源放大电路，实现了恒流输出，不会因为负载变化而产生波动，不会对患者产生因电流过大的带来的疼痛感和安全问题。能够检测电极片输出状态，在电极片短路和开路时及时采取控制，进一步增加安全性。采用7寸触摸屏幕操控，人机交互好，治疗仪处方多，可以适应多种治疗需求，载波频率和电流强度都可以调整，有存储功能，方便记录，提升了治疗仪的实用性和便捷性。

附图说明

图1为本发明系统中各个电路模块的连接示意图。

图2为本发明的波形调制模块的电路结构图。

图3为本发明的强度调节模块的电路结构图。

图4为本发明的恒流功率放大模块的电路结构图。

图5为本发明的检测反馈模块的电路结构图。

具体实施方式

下面结合附图和技术方案详细说明本发明的具体实施。

图1为本发明中频治疗仪系统各组成电路模块的连接示意图。系统组成包含控制模块、波形调制模块、强度调节模块、恒流放大模块、显示模块、报警模块、存储模块、检测反馈模块和电源模块。

其中，控制模块是系统的控制部分，控制波形调制模块中数模转换器的输入信号的电压幅值的大小，来实现高频方波信号的幅值调制；控制强度调节模块的数模转换器的输入信号来实现低频调制信号的强度调节；控制报警模块的蜂鸣器的发声；控制显示模块串口屏的数据显示和读取触摸屏按键触摸返回键值；控制存储模块EEPROM的数据读取和写入。接受检测反馈模块采集的电压值，利用AD接口实现对采样电压的读取，实现对电极片断路或短路的检测。并且生成1到9kHz的可调高频方波信号，供后级波形调制模块使用。

实施例中，单片机选择STM32F103ZET6，最高主频为72MHZ，内部RAM为256K，含有12位的模数转化芯片和多个16位定时器。PD0到PD3引脚控制波形调制模块的DAC，PD4到PD7引脚控制强度调节的DAC，均采用SPI时序控制。PD8引脚控制蜂鸣器是否报警。显示模块由7寸彩屏组成，实现了治疗参数的设定和显示。串口屏幕选择迪文科技的7寸串口屏，人机界面的开发可以借助PC软件来进行组态设计，把人机交互和控制过程完全分开，只需要通过串口读写变量存储器的代码。跟单片机的接口为PA10/USART1_RX，PA9/USART1_TX。存储模块选用EEPROM型号AT24C02，支持I2C总线数据传送协议，使用PB8/IICSCL和PB9/IICSDA引脚进行数据保存和读取。利用单片机内部的逐次逼近型AD通道PA0来对采集的反馈电压进行数字化转换，判断电极片状态。利用定时器控制PE8引脚产生1到9K的PWM波形。

波形调制模块对单片机产生高频方波信号进行幅值调制后生成低频调制信号，强度调节模块对低频调制信号进行强度调节后输出强度调节信号，恒流放大模块对强度调节后的信号进行功率放大，最后通过贴片电极输出到患者治疗部位。

电源模块与所有的模块电路相连接，实现将交流电220V的转化直流电48V，之后通过DCDC模块隔离转化为±15V和+5V，通过线性电源模块将+5V转化为+3.3V。转化的电压为各个模块的芯片供电。

图2为本发明的波形调制模块的电路结构图。中频电治疗采用的是幅值调制，将一个高频载波信号与低频调制信号相乘，使得高频信号的幅值随低频信号幅值的变化而变化。低频调制信号是连续的模拟信号，单片机不能连续控制其幅值，将低频调制信号离散化。根据采样定理，进行模拟到数字信号的转换过程中，当采样频率大于模拟信号中最高频率的2倍以上时，采样之后的数字信号完整地保留了原始信号中的信息。低频调制信号的频率是1到100Hz，采样频率取低频调制信号的150倍，频率为150Hz到15000Hz，可以还原低频调制信号信息。先将低频调制信号的一个周期内的连续波形离散为时间间隔相同为150个点，之后将每个点的电压幅值进行数字化。由于使用的是10位串行DAC模块进行幅值调制，所以最高幅值为2¹⁰-1＝1023，最低为0。低频调制信号的幅值范围为0-5V，0V对应DAC的数字0，5V对应DAC的数字1023，将离散的150个点的电压转换为DAC数字。控制模块按照对应低频调制信号的150倍频率对DAC进行控制，将电压幅值的数字输入到DAC，对高频载波信号进行幅值控制，就可以对高频载波信号进行幅值调制，调制后的信号由运算放大器组成的电压跟随器进行功率放大，不失真的输出到后级电路。

具体实施是通过单片机定时器控制PWM波信号PE8进入数模转换器U2型号为TLC5615的REFIN引脚，单片机控制的片选SS引脚选通U2，控制MOSI、SCK和MISO引脚对输入的高频方波信号进行波形调制。数模转化器是10位串口输入的，使用SPI通讯方式，使用单片机定时器2设定定时中断频率为低频调制信号的150倍，每次进入中断中将事先离散好的150个点的对应的电压数字化的值输入到数模转换器中，控制高频方波信号的幅值，实现幅值调制。经过调制后的低频调制信号通过运算放大器U3组成的电压跟随器进行功率进行放大，进行阻抗匹配，输出到强度调节模块。

图3为本发明的强度调节模块的电路结构图。经过幅值调制后的低频调制信号经过强度调节模块进行电流强度调节。电流强度从0到50mA可调，当电流强度大于10mA时显示屏上有明显的提示标志。强度调节实质上也是对输入的低频调制信号的幅值调制，同样也采用数模转换器DAC来实现，将低频调制信号输入到DAC模块，通过单片机对DAC模块控制，来调节输入的低频调制信号的幅值后输出。当采用10位DAC时，调节档数为2¹⁰，从0到1023可以选择。当单片机控制DAC的输入为1023时，对输入的低频调制信号幅值增益为1，当输入为512时，对输入的低频调制信号幅值增益为0.5，输入到DAC的低频调制信号的电压幅值可以由单片机控制。强度调节信号经过由运算放大器组成的电压跟随器进行功率放大后输出到后级电路。

具体实施是低频调制信号从数模转换器U4型号为TLC5615的REFIN输入进行强度调节，单片机通过CS引脚选定芯片工作，通过对DI、SCLK和DOUT引脚控制来对幅值大小控制，达到强度控制。强度调节信号经过数模转换器U4的OUT引脚输出，经过运算放大器U5组成的电压跟随器进行功率放大，输出信号标号为ZP OUT，输出到恒流功率放大模块。

图4为本发明的恒流功率放大模块的电路结构图。经过强度调节的信号通过恒流放大模块进行功率放大。恒流放大模块是本系统的关键，实现了在不同负载下电流强度恒定。恒流放大模块是由运算放大器和大功率场效应管组成的压控恒流电路，利用电流反馈实现了恒流输出。场效应管工作于饱和区时，漏电流I_d(电极片输出电流)近似为电压U_GS控制的电流。栅极电流相对很小，可忽略不计，流过负载的电流I_d(电极片输出电流)近似等于流过采样电阻R44电流I_s。运算放大器作为电压跟随器，U₊＝U_-＝U_out，且I_d＝I_s＝U_-/R44，所以I_d＝U₊/R44，电路的输入电压U₊控制流过电极片的电流I_d，即流过负载的电流不随电极片负载的阻值变化而变化。

具体实施是IC1运放OP07和MOS管IRF830组成了恒流放大电路，运算放大器相当于电压跟随器，U₊＝U_-＝U_out，R43电阻值很小，R44的电压近似于U_-相当于ZP OUT端U₊的电压。MOS管工作在饱和区，G级输入电流很小,从D级输入的电流几乎等同于从S级流出的电流。该电流数值为V_{ZP OUT}/R44的值，不会随着OUT_A和OUT_B两电极之间的阻抗产生电流突变，实现了恒流，保证人体安全。R45为保护电阻，防止电极片脱落造成阻抗过大对电路产生的影响，R46和R47实现分压，以便V-BACK电压的采集，该电压可以检测电极片是否脱落或者短路。

根据设计，流过负载的电流从0到50mA，负载一般为500Ω，所以恒流源的电压为+25V，本系统为了保证输出电流稳定选用电压为+100V，使用DC-DC升压模块实现。DC-DC模块型号为GSA15100HS实现了15V电压到100V高压的转换，通过F2保险丝对15V电源进行保护，当发生短路等意外时，F2自动熔断保护电路。同样的，在100V的输出处，F3保险丝对100V电源处进行保护，发生意外时及时熔断，避免意外发生。加入电感L1和电容C42目的是使100V电压更加稳定。D1为TVS瞬态抑制二极管，可以防止电压突变。CZ1为磁珠，抑制高频噪声和尖峰干扰。

图5为本发明中频治疗仪的检测反馈模块的电路结构图。通过V-BACK采集的电压经过op2运算放大器进行放大，以便单片机的ADC引脚对其采集，ZM4727为保护二极管防止电压过大，烧坏单片机。

当电极短路时100V的电压只有R46和R47对其进行分压，V-BACK的电压为：

当电极片开路时，100V由R45，R46和R47分压，V-BACK的电压为：

返回的电压值不同，ADC采集读取的数字不一样，可以判断电极片是否脱落或短路，即时停止输出，避免对人体或电路产生危害。

本发明采用恒流源放大电路，实现了恒流输出，不会因为负载变化而产生波动，不会对患者产生因电流过大的带来的疼痛感和安全问题。能够检测电极片输出状态，在电极片短路和开路时及时采取控制，进一步增加安全性。采用7寸触摸屏幕操控，人机交互好，治疗仪处方多，可以适应多种治疗需求，载波频率和电流强度都可以调整，有存储功能，方便记录。

Claims (1)

1.一种恒流输出的中频治疗仪系统，该系统具有显示模块、报警模块、存储模块和电源模块，其特征是，系统还具有控制模块、波形调制模块、强度调节模块、恒流功率放大模块、检测反馈模块；实现载波的生成、调制、强度调节、放大和恒流输出；

所述的控制模块其输入端与检测反馈模块相连接，控制模块的输出端分别与显示模块、报警模块、存储模块相连接；控制模块还与波形调制模块和强度调节模块连接，负责控制其他芯片，接收其他芯片采集的数据，并进行处理；内部定时器生成可调1到9kHz的高频方波信号；生成的高频方波信号进入波形调制模块进行幅值调制，调制出所需要的低频波形信号；经过幅值调制后的低频调制信号经过强度调节模块进行电流强度调节，经过强度调节的低频信号通过恒流放大模块进行功率放大；经过恒流放大的强度调节信号通过电极片直接作用于患者，实现治疗；

所述的波形调制模块采用的是幅值调制，将一个高频载波信号与低频调制信号相乘，使得高频信号的幅值随低频信号幅值的变化而变化。本系统的高频载波是1到9kHz的方波，通过单片机控制波形调制模块，调制出多种低频信号，包括正弦波、三角波、梯形波、尖峰波、矩形波和锯齿波。这些低频调制信号组合，生成多种处方。

波形调制模块电路包括三极管U1、数模转换器U2、运算放大器U3、电阻R1和电阻R2；其中，三极管U1的B级连接电阻R1一端和单片机PE8引脚，E级连接+5V电源，C级连接数模转换器U2的第六引脚REFIN和电阻R2的一端；电阻R1的另一端连接+5V电源，电阻R2的另一端连接GND；数模转换器U2的DEN、SCLK、

DOUT引脚连接单片机的PD0到PD3引脚，AGND引脚连接GND，OUT引脚连接运算放大器U3的正输入端引脚1，VDD引脚连接+5V；运算放大器U3的负输入端引脚2连接输出端引脚4,引脚5连接+15V，引脚3连接GND，引脚4输出OUT信号连接运算放大器U4的REFIN引脚；

所述的强度调节模块包括数模转换器U4和运算放大器U5；其中，数模转换器U4的DEN、SCLK、

DOUT引脚连接单片机的PD4到PD8引脚，AGND引脚连接GND，OUT引脚连接运算放大器U5的正输入端引脚1，VDD引脚连接+5V；运算放大器U5的负输入端引脚2连接输出端引脚4,引脚5连接+15V，引脚3连接GND，引脚4连接运算放大器IC1的正输入端引脚1；

所述的恒流功率放大模块是本系统的关键，实现了在不同负载下电流强度几乎不变；恒流功率放大模块是由运算放大器和大功率场效应管组成的压控恒流源电路，利用电流反馈实现了恒流输出；模块具体组成为：运算放大器IC1，MOS管M1，电阻R41、R42、R43、R44、R45、R46、R47，DCDC模块，电容C41、C42，电感L1，保险丝F2、F3，磁珠CZ1和抑制二极管D1；其中，运算放大器IC1的引脚2连接电阻R43的一端，引脚3连接GND，输出端引脚4连接电阻R42的一端，引脚5连接+15V；电阻R42的另一端连接电阻R41的一端和MOS管M1的G级；电阻R43的另一端连接电阻R44的一端和MOS管M1的S级，电阻R41和R44的另一端连接GND；MOS管M1的D级连接电阻R45、R46的一端和电极片的OUT_B端；电阻R45的另一端连接电极片的OUT_A端和+100V电源，电阻R46的另一端连接反馈采集端V-BACK和电阻R47的一端，电阻R47的另一端连接GND；DCDC模块的+VI端连接保险丝F2的一端和电容C41的正端，VI端连接GND，+Vo端连接磁珠CZ1的一端和二极管D1的负端，Vo端连接二极管D1的负端和GND；电容C41的负端连接GND，电阻F2的另一端连接+15V，CZ1的另一端连接CZ2的一端，CZ2的另一端连接保险丝的F3的一端，保险丝的F3的另一端连接电感L1，电感L1的另一端连接+100V电源和电容C42的一端，电容C42的另一端连接GND；

所述检测反馈模块是通过V-BACK采集的电压经过op2运算放大器进行放大，以便单片机的ADC引脚对其采集，ZM4727为保护二极管防止电压过大，烧坏单片机；

当电极短路时100V的电压只有R46和R47对其进行分压，V-BACK的电压为：

当电极片开路时，100V由R45，R46和R47分压，V-BACK的电压为：

返回的电压值不同，ADC采集读取的数字不一样，可以判断电极片是否脱落或短路，即时停止输出，避免对人体或电路产生危害。

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