基于MSP430的無極性恒流電刺激器的設計

電刺激治療方法是當今臨床康復和日常物理治療最常用和最重要的手段之一，具有鎮(zhèn)痛、消腫、消炎、脫敏、緩解肌肉痙攣、加強組織張力、促進恢復正常的神經(jīng)傳導和調(diào)節(jié)功能等治療作用。無極性微分型指數(shù)波形，由電荷相等的正負脈沖波構成，負指數(shù)脈沖起神經(jīng)纖維去極化作用，正脈沖起電荷平衡的作用，具有避免組織損傷的特點[1,2,3]。

　　本文提出了一種雙極性恒流電刺激器的設計方案，并給出了具體的實現(xiàn)方法，該刺激器可用于合成多種信號調(diào)幅的無極性指數(shù)脈沖，不僅能滿足治療效果，還兼顧了刺激的安全性。

　　2、系統(tǒng)硬件結構與設計

　　系統(tǒng)硬件結構包括MSP430F4270主控芯片、信號合成模塊以及信號輸出模塊，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)硬件結構框圖

　　調(diào)幅信號產(chǎn)生方式采用了數(shù)字式波形發(fā)生器方式[4]，預先把所需要的調(diào)幅信號產(chǎn)生的波形以某一采樣率數(shù)字化成為波形數(shù)據(jù)，存儲到MSP430的FLASH中，刺激開啟時，再把這一波形所對應的數(shù)據(jù)根據(jù)刺激參數(shù)以一定的頻率送到片內(nèi)的12位數(shù)-模轉換電路，輸出的就是需要的調(diào)幅信號。這種波形發(fā)生器方式克服了純硬件電路方式產(chǎn)生每一種波形幾乎都需要一種特定的電子電路硬件和靈活性不高的缺點。

　　2.1 MSP430F4270主控芯片

　　超低功耗單片機MSP430F4270的工作電壓為1.8V-3.6V，晶振為32.768kHz的低速晶振，活動模式的功耗僅為250μA，使系統(tǒng)具有較低的動態(tài)功耗；具有32KBFLASH，用于存儲程序和較大量的調(diào)幅信號波形數(shù)據(jù)；內(nèi)置12位D/A轉換器用于調(diào)幅波形數(shù)據(jù)的片內(nèi)數(shù)模轉換，輸出特定頻率和幅度的調(diào)幅信號；TimerA定時器用于產(chǎn)生特定頻率的方波調(diào)制信號和外圍電路控制信號。另外，MSP430還五種低功耗模式，可以通過軟件控制芯片的工作方式，進行系統(tǒng)狀態(tài)的實時調(diào)度，使整個系統(tǒng)達到最低的功耗并發(fā)揮其最優(yōu)的性能[5,6] 。

　　2.2 信號合成模塊

　　包括方波調(diào)制電路和微分電路兩部分，信號合成原理如圖2所示。

圖2 信號合成原理圖

　?。?）調(diào)幅電路：實現(xiàn)方波信號調(diào)幅，電路如圖3。

圖3 調(diào)幅電路

　　MSP430單片機P1.2口輸出方波脈沖，D/A輸出調(diào)幅信號，晶體管起到高速開關電路的作用，放大器工作為跟隨器。晶體管的截止時間由基極方波脈沖（V2）的高電平?jīng)Q定。當基極電壓V2>UBE時（晶體管UBE約為0.7V），晶體管導通，D/A轉換輸出電路的電流直接流向地，后級放大器輸入為0，輸出Vout為0；當基極電壓U2

　?。?）微分電路：用于將方波整形為指數(shù)波。微分電路分為無源器件和有源器件的形式，有源微分電路具有更好的性能，并便于電路前后級之間的阻抗匹配，電路如圖4。電容Cx具有防止電路產(chǎn)生振蕩，抑制高頻增益和減少輸出噪聲的作用。

　　微分電路的輸出電壓Vo和輸入電壓Vin之間為微分關系，如圖5所示。

　　2.3 信號輸出模塊

　　在單電源供電電路中，不能直接輸出雙極性信號，信號輸出模塊的信號調(diào)理過程如圖6所示。

圖6 信號輸出調(diào)理

　　(1) 全波整流電路：實現(xiàn)將微分后的雙極性刺激信號全波整流為單極性信號。采用完全無需二極管并可在單電源供電情況下運行的全波整流，具有處理滿擺幅的輸入和輸出、消除二極管壓降的影響和實現(xiàn)高精度的小信號整流的特點，電路如圖7所示。

圖7 全波整流電路

　　其中，R3=R4=2R2，當VIN>0V時，則運放A為跟隨器，其輸出VHALF等于VIN/2，而運放B作用為一個減法器，其輸出電壓VOUT = VIN。當VIN＜=0V時，則VHALF = 0V，此時電路是一個單位增益反相器，輸出VOUT = -VIN，時相關系如圖8所示。

　　(2) 雙極性控制電路：用于控制單極性信號的偶次周期時間間隔內(nèi)得到反極性的電流輸出，實現(xiàn)單極性信號的雙極性輸出。采用了單片機MSP430產(chǎn)生的極性相反的一組脈沖和三極管來控制輸出極性的轉換。三極管工作在開關狀態(tài)，通過脈沖信號控制不同組合三極管的導通和關閉來實現(xiàn)負載上電流的流向，從而實現(xiàn)極性的控制，其原理如圖9所示。

圖9 雙極性控制原理

　　當開關K1和K4閉合，并且K2和K3斷開時，負載RL上的電流方向由左向右；而當開關K2和K3閉合，并且K1和K4斷開時，負載RL上的電流方向由右向左，實現(xiàn)了單極性信號在負載上的雙極性輸出。

　　(3) 恒流源輸出電路：實現(xiàn)輸出幅度的控制以及恒定電流輸出，輸出電流不受負載變動的影響。電路由軌到軌單電源運算放大器MCP6004、CMOS管、電源以及刺激電極(即負載RL)組成，如圖10所示。

圖10 壓控恒流輸出電路

　　供電電壓足夠高時，輸出電流的幅度由輸入電壓與電阻RL的比值來決定，而與輸出的負載無關。

　　3、系統(tǒng)軟件設計

　　軟件程序包括主程序和時鐘中斷程序，程序流程如圖11、12所示。主程序進行變量初始化、片內(nèi)（D/A、液晶驅(qū)動、TimerA）模塊以及端口的初始化，然后打開總中斷進入低功耗模式。時鐘中斷程序用于監(jiān)測治療時間，并根據(jù)刺激參數(shù)產(chǎn)生特定頻率、幅度的隨機信號和外圍電路控制信號，完成刺激信號的合成和輸出控制。

圖11 主程序流程　圖12 時鐘中斷流程

　　4、結果

　　通過修改MSP430單片機FLASH中下載的調(diào)幅信號波形數(shù)據(jù)，而無需改變?nèi)魏诬浖陀布Y構，無極性恒流電刺激器就可以輸出各種的不同信號調(diào)幅的無極性指數(shù)脈沖，如隨機信號調(diào)幅的無極性指數(shù)脈沖，圖13所示。

圖13 隨機信號調(diào)幅的無極性指數(shù)脈沖

　　5、結論

　　無極性恒流電刺激器采用了MSP430微控制器，可以根據(jù)需要輸出各種信號調(diào)幅的無極性指數(shù)脈沖，而無需更改軟件和硬件結構，具有靈活性好、輸出電流不受負載阻抗變化、安全可靠的特點； 另外，設計結合了便攜式設計方法，采用體積貼裝芯片, 也無需外接D/A轉換器件、液晶驅(qū)動模塊等,減小了整機的體積,提高了整機的性價比。

　　參考文獻

　　[1] Hambrecht F T. Neural Prostheses. Ann Rev Biophys and Bioeng, 1979, 8: 239-267

　　[2] Mortimer J T. Motor Prostheses, Handbook of Physiology. Section 1:The Nervous System. Volume I, Motor Control, Part I, American Physiology Society, Bethesda, Maryland, 1981, 2:155-187

　　[3] Lilly J C.Injury and excitation by electric currents: A the balance pulse-pair waveform. In: Electrical Stimulation of the Brain, Sheer, D.E(ed), Chapter 6, Austin, University of Texas Press, 1961

　　[4] 李強,干敏梁.基于直接數(shù)字頻率合成技術的腦循環(huán)功能治療儀.生物醫(yī)學工程學雜志,2005; 22 (1) : 144

　　[5] 李剛,阮三元.一種基于MSP430的可充電腦起搏器的設計.電子技術應用.2005(7):40-42

　　[6] 胡大可.MSP430系列FLASH型超低功耗16位單片機[M].北京航空航天大學出版社,2001