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基于DDS的智能脑电治疗仪的系统设计
作者:文/cca    访问量:2286   发布时间:2004-05-16


     本课题组的研究方向是“电子信息处理及智能控制”。2004届硕士研究生李强在导师的指导下参加了课题“智能脑电治疗仪系统”的研究和设计,完成了原理样机的制作,在此基础上撰写了《基于DDS的智能脑电治疗仪的系统设计》论文,并在EI检索的核心期刊“生物医学工程杂志”发表了相关的文章。
  课题的研制背景和研究意义
     功能电刺激(Functional Electrical Stimulation,FES)技术是随着现代电子技术、计算机技术和生物材料技术的发展而发展起来的一种新的康复训练方法,能为截瘫和偏瘫患者的肌肉功能重建和锻炼提供有效手段。
     应用TENS(Transcutaneous Electrical Nerve Stimulation)疗法原理,使用恒流或恒压、一定频率的波形施加于人体肌肉组织,在人体肌肉组织中产生电阻性发热、神经肌肉的电兴奋及其他生化反应,从而具有解痉镇痛、消炎、改善血液循环等疗效。
     目前市面上常见的电脉冲针灸治疗仪或理疗仪,其输出的脉冲刺激大部分为等幅脉冲波,由于刺激强度无变化或变化少,作用于人体易产生适应性,强的刺激则易产生烧灼刺激感。我们使用低频锯齿波、正弦波、三角波来作为调制的脉冲,刺激电压的幅度在-36V~36V之间可调。此种输出波形对人体神经系统适应度较大,是最理想的输出治疗波形。提出了一种由单片机控制的基于DDS( Direct Digital Synthesis)技术的变幅调频脉冲波的产生方法,使波形的频率、幅度、形状实现可编程。
     与徐州安信医疗设备有限公司合作,我们着手研制和开发本智能脑电治疗仪。
  课题的研究方法
     本系统采用高性能单片机AT89C55为控制核心,运用先进的DDS(直接数字频率合成)技术来实现输出波形可编程。
     AT89C系列单片机是美国ATMEL公司推出的一种高性能价格比单片机。器件采用8031内核,指令系统与MCS-51系列完全兼容。片内均集成有闪烁存储器,采用电擦除,可重复编程,编程速度是一般EPROM的数十倍。AT89C55单片机是AT89C系列中结构最紧凑、功能较齐全、性价比很高的一款单片机,片内有20K字节的FLASH ROM,以及256字节的片内RAM,它不仅具有80C31单片机的所有功能,而且增加了程序及数据存储器空间,更多级别的中断功能,支持更高频率的晶振,使用起来功能更强大,更方便。
     在软件开发上,单片机传统的编程语言采用汇编语言。本课题采用高级语言C-51编程,提高了编程效率、增强了可移植性,为今后仪器型号升级提供了方便。C是一种源于编写UNIX操作系统的语言,它是一种结构化语言,可产生压缩代码。C结构是以括号{}而不是字和特殊符号的语言。C可以进行许多机器级函数控制而不用汇编语言。与汇编相比,它有许多优点。
  系统的组成及采用的先进技术
     本系统由若干模块组成,包括:频率控制模块、LCD液晶显示模块、动态负载恒流输出模块、电源模块、键盘模块等。下面择要介绍:
     信号频率的修改通过控制单片机P1口输出波形的时序周期来实现。本系统采用固定定时器时间常数TH,TL,也就是把治疗波形的最小周期作为定时器时间来确定定时器的时间常数TH,TL,系统时钟周期为500us。在增加频率值来改变周期数的时候,通过多次循环来达到效果。如要治疗波形的周期为8ms,则只需要循环最小4ms的治疗波形值的周期二次,同样12ms就只要循环3次。此方法的优点是不用占用程序控制器的空间,但是不能随意定周期时间,只能进行4ms的周期翻倍。由于在此治疗仪中,对频率不像其他仪器那么准确,只要在一定的范围内有所变化,就可以达到治疗频率改变的效果了。所以选用了这种方法。
本系统的人机界面是薄膜键盘和高分辨率点阵式(320×240)LCD液晶显示屏。本系统采用320×240点阵的小点距、高分辨率、白色背景的LCD器件,采用SED1335作控制器。SED1335是日本SEIKOEPSON公司出口的液晶显示控制器,是一种高性能LCD液晶控制器。它可以接收来自八位微处理器的数据,并产生点阵液晶驱动信号。它有两种驱动方式,一种为图形方式,另一种为字符方式。在图形方式下,外接RAM的一位数据控制LCD上一个像素点的亮与灭,若该位为高电平,则对应像素点亮。在字符方式下,字符的显示是通过把字符代码存储到外接RAM中,控制时根据字符代码来确定其在内部字符发生器ROM中的地址,从中取出相应的点阵数据。
     限于篇幅,其它模块在此不一一介绍。
     如前所述,李强同学在导师的指导下,通过自己的艰苦努力,从广查资料、研究同类产品、确定总体方案、器件选择、做各类实验到制作电路板、编程、调试程序…作了大量的工作。毕业时完成了本课题第一阶段任务——原理样机设计。在此基础上,撰写出硕士论文,得到评审专家一致好评。并在EI检索的核心期刊“生物医学工程杂志”发表了相关的文章。

 指导教师  干敏梁