专利名称：低功耗中频电疗仪的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种低功耗中频电疗仪，特别涉及一种由多种低频波形调制的低功耗中频电疗仪。
在理疗领域，通常将频率低于1KHz的脉冲电流治疗疾病的方法称为低频脉冲电疗法，将频率在1-100KHz的脉冲电流治疗疾病的方法称为中频电疗法，这两类电流对感觉神经、运动神经和植物神经均有刺激作用。前者的缺点在于皮肤的阻抗大，不能耐受较大电流，作用不能深入人体组织，治疗时有刺痛感，长期治疗易引起皮肤刺激损伤。中频电疗虽可克服上述缺点，但对运动、感觉神经的刺激作用不如低频脉冲电流明显，而对植物神经及内脏功能的调整作用却优于低频脉冲电流。另外，由于恒定幅度的中频电流易于为人体适应，因此目前常用由低频波形调制的中频电流，实际上，它只是用0.1-150Hz的低频波形对2-8KHz的中频正弦波或脉冲波进行调幅，使其幅度随低频调制波形发生变化的调幅中频电流。这样，低频波形调制的中频电流则兼有低频和中频电流的生理学特点，具有较好的治疗效果。所用的低频调制波形有锯齿波、指数波、三角波、尖波、方波、阶梯波和正弦波等，所用的调制方式有连调、间调、变调和断调等，其调幅度也可在0-100％连续变化。
在现有技术中，原西德DE3335849A1号专利公开说明书，披露了一种由微处理器控制的双路输出中频干扰电疗机。我国自1985年实施专利法以来，也有许多与微电脑控制的中频电疗仪相关的中国专利，例如申请号为90103834、名称为“微片机控制的函数中频电疗仪”的CN1015960B号中国专利，就是一件与本发明最相关的已有技术。上述中国专利含有微型电脑或单片机的特征，并且采用数模变换器(DAC)进行直接数控调幅，但在其中频电流输出电路中，却采用了先对信号衰减在进行功率放大的结构，因此存在着电源功耗大、信号动态范围窄、带宽小和不利于小型化等缺陷；此外，上述专利也没有设置治疗电极开路保护电路及其相应的计算机中断服务程序，因此在治疗过程中，患者可能由于诸如治疗电极接触不良或移动电极位置而受到电击。
针对现有技术中所存在的缺陷，本发明的一个目的在于提供一种低频调制中频电疗仪，它具有低功耗、大的输出动态范围和频带宽脉冲传输畸变小的特点，适合家庭和体育运动现场便携使用；本发明的另一个目的在于提供一种低频调制中频电疗仪，它带有适于各种调制方式的治疗电极开路保护电路及相应的计算机中断服务程序，使患者免受电击的痛苦，同时也大大地方便了医护人员在治疗过程中的调试工作，可以带电变换极板，不需停机操作。
为了实现上述目的，本发明的低功耗中频电疗仪包括操作键、数码管显示器、微计算机控制的发波单元、中频信号源、患者治疗电流指示电表和直流电源。所述微计算机控制的发波单元含有单片微计算机，其片内程序存储器设置操作程序、附有检查波形控制码子程序的取方程序、发波处理程序、发波程序、治疗程序和低频调制波形编码数据库；8位乘法数模变换器，在所述单片微计算机的控制下，根据所述单片微计算机输出的低频调制波形编码数据和所述中频信号源的调幅度可调电位器W3输出的中频参考电压实行乘法数模变换，输出低频调制的中频电流；双输入加法运算放大器，其反相输入端之一与所述8位乘法数模变换器的输出端Iout1连接，另一反相输入端经电阻R1与中频信号源的调幅度可调电位器W2输出的中频电压连接，实现调幅度可变的低频调制中频电压合成输出，其中R1等于所述8位乘法数模变换器的反馈电阻Rfb；晶体管互补对管射极或源极输出级，其基极或栅极与所述双输入加法运算放大器的输出端连接，射极或源极与所述8位乘法数模变换器的反馈电阻Rfb连接；脉冲变压器，其初级线圈经隔直电容与所述晶体管互补对管射极或源极输出级的输出端连接，次极线圈与导电的治疗电极相接，向患者提供治疗电流。所述中频信号源含有中频脉冲或正弦波振荡器；治疗电流调节电位器W1及其零位检测电路；调幅度调节电位器W2和W3，所述电位器W2、W3是二同轴电位器，其输出电压之和等于电位器W1的输出电压。所述直流电源含有直流电压变换器，将所述中频脉冲或正弦波振荡器的输出电压经倍压整流，变换为较高的直流电压，作所述双输入加法运算放大器的电源。
为了实现上述目的，本发明所述微计算机控制的发波单元，进一步含有治疗电极开路保护电路和在所述片内程序存储器设置治疗电极开路保护中断服务程序。所述治疗电极开路保护电路包括采样电阻，串联在所述脉冲变压器次极线圈内，其输出电压V12与向患者提供的治疗电流成正比；二检波放大电路，分别对所述采样电阻输出电压V12和所述晶体管互补对管射极或源极输出级的输出电压V4进行半波检波和放大；“异”门电路，对所述二检波放大电路输出的中频半波电压V13、V14进行“异”逻辑判别，只有当V13＝0，V14≠0时，方输出TTL电平的中频半波脉冲，向所述单片微计算机提供有效的中断信号。
为了实现上述目的，本发明所述直流电源是单电源，外部输入电源是由双线馈送的交流低压电或无极性要求的直流电压，内部采用全波整流和三端稳压器或等分压器电路。
为了实现上述目的，本发明所述单片微计算机片内程序存储器所设置程序的数据格式是(1)采用波形号、μs入口地址、延时系数n和周期数四个特征量，发生和识别不同的低频调制波形；(2)波形在一周期T内分为200点，相邻两点的延时Δt＝T/200；(3)延时Δt＝n×10(μs)+(μs延时)；(4)μs延时入口分为40μs，38μs，36μs，34μs和32μs；(5)周期T从10-0.008S，分辨率为0.4ms，相当于频率从0.1-119Hz；(6)波形号从00H-0BH，代表指数波、前斜锯齿波、后斜锯齿波、方波、尖波、三角波、正弦波、阶梯波、零等幅波、43H等幅波、86H等幅波和0C8H等幅波；(7)发波数量按波形周期T的个数为准，可以在1-65536中设定；(8)治疗程序设置三级循环嵌套，设有小、中、大循环识别码、循环次数和返回地址。
本发明的低功耗中频电疗仪的优点在于中频电流功率输出级的电路简单，输出动态范围大，频带宽，省电，例如对于12伏直流电源预计可节约50％以上，并且本发明特有的治疗电极开路保护电路及其相应程序适于任何调制方式，特别适于断调的中频电流，可使患者免遭电击的痛苦，也方便了医护人员的调试工作。
下面结合附图，通过对一个实施例的详细说明，所属领域的技术人员可以进一步了解本发明的突出的实质性特点和显著的进步。
图1是本发明的工作原理方框图；图2是本发明主要部分的电路图；图3是本发明的等分压器单电源原理图；图4是本发明的操作程序流程图；图5是本发明的治疗程序或处方程序的格式；图6是本发明的取方程序流程图；图7是本发明的检查波形控制码子程序流程图8是本发明的发波处理程序流程图；图9是本发明的发波程序流程图；图10是本发明的治疗电极开路保护中断服务程序流程图；图11是根据图1所示的单通路低功耗中频电疗仪构成多通路低功耗中频电疗仪的一种实施方案。
如图1所示，单片微计算机1、8位乘法数模变换器2、双输入加法运算放大器3、晶体管互补对管射极或源极输出级4和脉冲变压器5构成本发明所述微计算机控制的发波单元；中频脉冲或正弦波振荡器6、治疗电流调节电位器W17、电位器W1零位检测电路8、二同轴调幅度调节电位器W2和W39构成本发明的所述中频信号源；含有全波整流器和三端稳压器或等分压器电路的单电源10、和直流电压变换器11构成本发明的直流电源；采样电阻12、二检波放大电路13和14和“异”门电路15构成本发明的治疗电极开路保护电路；检波放大电路16和直流电表17构成本发明所述的患者治疗电流指示电表；操作键18和数码管显示器19与所述单片微计算机的I/O接口连接。
如图2所示，本发明所述单片微计算机可选用ATMEL公司生产的AT89C51型单片机，其片内程序存储器为4K字节的闪速可编程可擦除只读存储器(PEROM)，另有128字节RAM，32个I/O线，5个两级中断源，片内振荡器和时钟电路等。在所述PEROM中设置本发明的操作程序、附有检查波形控制码子程序的取方程序、治疗程序或称处方程序、发波处理程序、发波程序、低频调制波形数据库和治疗电极开路保护中断服务程序。在本电疗仪启动并选择好所需治疗程序后，单片微计算机1由其PO口，即8位漏极开路双向I/O口，输出二进制代码波形数据DB0-DB7。本发明所述8位乘法数模变换器(DAC)选用NATIONAL SEMICONDUCTOR公司生产的DAC0832型低功耗CMOS集成电路，其引脚8为中频参考电压Vref输入端，接调幅度电位器W3。其引脚7、6、5、4、16、15、14、13为DB0(LSB)-DB7(MSB)二进制代码波形数据输入端。本发明所述双输入加法运算放大器可选用LM324型集成电路，其反相输入端与上述DAC的引脚11连接，并经电阻R1(R1＝Rfb)与调幅度电位器W2连接。由双极型或场效应晶体管互补对管T1和T2所组成的射极或源极输出级对所述运算放大器的输出进行功率放大，其射极或源极输出反馈到所述DAC的引脚9。脉冲变压器Tp的初级线圈是所述射极或源极输出级的交流负载，其次级线圈经采样电阻R2与治疗电极连接，向患者提供中频治疗电流。因此，DAC，运算放大器和射极或源极输出级构成功率乘法数模变换器，根据Vref和DB0-DB7，DAC在单片微计算机控制下执行乘法运算，射极或源极输出级的输出电压Vout＝-Vref(DB7…DB0)10/256，例如，当(DB7…DB0)为(00010000)时，其十进制等效数(00010000)10＝16，则Vout＝-Vref/16，这表明所述功率乘法数模变换器实质上是数控衰减器。
中频脉冲或正弦波振荡器6的输出电压V6加到治疗电流调节电位器W1上，并向由T4、T5、D9-D12及其他元件组成的直流电压变换器提供振荡信号，W1输出的可调电压V7是二调幅度调节电位器W2和W3的输入电压，W2输出电压V9是所述运算放大器的一反相输入电压，W3输出电压Vref是DAC的参考电压，W2、W3是二同轴电位器，V7＝V9+Vref，因此，射极或源极输出级的合成输出电压V4＝Vout+V9是调幅度0-100％连续可变的低频调制中频电压。此外，V7还是W1零位检测电路8的被检测电压，该检测电路可以是由放大器、检波电路和TTL电平输出级的级联，当W1不在零位时，输出有效中断信号给单片微计算机，并在其操作程序中进行电位器W1回零判定。
图2所示的本发明的直流电源，由D1-D5、W7906型三端稳压器及其他元件组成的单电源10和所述直流电压变换器11构成，由于直流电压变换器向所述双输入加法运算放大器提供较高的直流电压，例如±15-±18伏，因此，其输出电压动态范围增大，又由于该运算放大器电压增益为1，其后为射极或源极输出级，因此本发明的中频电流输出电路又有较宽的通频带。
图2所示采样电阻R2上的电压V12与患者治疗电流成正比，此电压经二极管D6和LM324型运算放大器检波放大后，输出电压V13加到“异”门的一输入端，射极或源极输出级的输出电压V4，经二极管D7和LM324型运算放大器检波放大后，输出电压V14加到“异”门的另一输入端，由晶体管T3及相关元件构成的“异”门电路对二输入电压V13、V14进行“异”逻辑判定，当V13≠0、V14≠0或者V13＝0、V14＝0，“异”门电路输出电压V15为TTL高电平，只有当V13＝0、V14≠0时，V15方输出有效的TTL低电平半波中频脉冲，作为单片微计算机的中断信号，由其执行治疗电极开路保护中断服务程序，使患者免受电击的痛苦。
采样电阻R2上的电压V12经放大、二极管D8检波和滤波后输出电压V16，供患者治疗电流指示电表17指示用。其他如操作键、数码管显示器和外接晶体G1等电路等皆属常规供用，对所属领域的技术人员是熟知的常识。
图3是可以代替图2所示单电源电路的等分压器电路。单电源输入为双线的低压交流电或无极性要求的直流电压，例如12伏直流电压源。
以上是对本发明实施例的硬件部分的详细说明，下面结合程序流程图，对本发明实施例的软件部分作详细介绍。
本发明所述单片微计算机片内程序存储器PEROM，可存储本发明的操作程序、附有检查波形控制码子程序的取方程序、发波处理程序、发波程序、治疗或处方程序、低频调制波形编码数据库和治疗电极开路保护中断服务程序。所述治疗或处方程序设置三级循环嵌套，设有小、中、大循环识别码、循环次数和返回地址。本发明所采用的低频调制波形有前斜锯齿波、后斜锯齿波、方波、指数波、尖波、三角波、正弦波、阶梯波、零等幅中频双向方波、33％等幅中频双向方波、68％等幅中频双向方波、100％等幅中频双向方波等十二种波形。后四种波形由专用的发波程序完成，前八种波形编码数据存放在PEROM中。本发明的低频调制频率为0.1-119Hz，以波形的周期数来实现，由波形号、μs入口地址、延时系数n和波形周期数四个特征量表征不同的波形、不同的低频调制波形频率和发送波形的数量。本发明有五个不同的延时入口，延时分别为40μs、38μs、36μs、34μs和32μs，延时系数n就是10μs的延时次数量，一个波形周期分为200点，两点之间的时间为Δt，T＝200×Δt，
因此当延时系数n和μs入口地址确定后，Δt即可由上式确定，由此，周期T或波形的频率也随之确定。
图4所示本发明的操作程序完成对本电疗仪的初始化、显示、清功率输出和按键的控制等功能。一开机首先置1号治疗程序号并由数码管显示器显示，关闭功率输出；此后，讯问选择键和启/停键，当有选择键按下时，依次加1显示治疗程序号，延时1/4秒，加1到处方号最大值后自动重回1号，如此循环显示治疗程序号，抬手即停在某一所选治疗程序号上；当按下启/停键后，程序讯问抬手信号，抬手后，判断电位器W1回零位否？如未回零，程序返回初始化，若回零，程序进入启动状态；启动先打开绿色治疗工作状态灯，然后根据处方号查找处方首地址并保存，续处理中建立马上要执行的处方地址，将它存入R0寄存器中；根据处方号跳到相应的页面去完成取方工作。
图5画出了本发明所述治疗程序或处方程序的格式。
图6所示的本发明取方程序完成对发波参数的提取工作。将决定波形的四项参数，即波形号，μs入口，n值和周期T的个数送入相应的寄存器，其中波形号区←波形号，R2←μs入口地址，R6、R3←n15-18、n7-0，R5、R4←T15-8、T7-0，然后执行检查波形控制码子程序。
图7所示的本发明检查波形控制码子程序首先检查送来的数据是不是治疗波形？若是，则返回去准备发波，若不是，先保存两个数据，一个可能是下次发波的续地址存入R7，另一个可能是返回地址存入R0；再判别是否是OAAH-OCCH的循环码？若是，则执行相应的小、中、大循环处理，这三个循环处理程序都是在没有循环次数时建立新的循环次数，有循环次数时则完成循环次数减1操作，若为零，则返回到操作程序的续处理，按R7中的新处方地址继续工作，若不为零，程序跳到操作程序中的启动1处，完成新的循环。若不是循环码，则跳到发波处理程序中的结束程序。
取方后，程序跳到发波处理程序，如图8所示。该程序先保护下次要执行的新处方地址，再判别是00H-07H号波还是08H-0BH号波，若是00H-07H号波，则产生相应的页面，这些页面存储着相应的波形数据200个字节和发波程序；页面找到后送外设状态字，如显示的灯码、工作状态灯、关蜂鸣器，这是一步刷新的工作，以防这些外设被意外地破坏，完成后再讯问启/停键？若有按键，则手动关机，关闭工作状态指示绿灯，功率输出置零，判别抬手？若抬手，则完成结束；若未按启/停键，则跳到00H-07H相应的页面去发波或发波2的页面去发波，发波程序完成发波、相邻两点的延时和周期T个数的控制。如果还没有发完所规定的周期T个数，程序跳到发波处理程序中的初始点，继续完成刷新外设，判别启/停键，跳回发波程序再继续发波，如果完成周期T个数，程序跳回操作程序中的续处理点开始新的波形发波工作；08H-0BH号波是由发波2号程序完成，它与发波程序没有什么不同，只是发波时发出所规定的一个常量值，如00H，43H，86H和0C8H。
图9所示本发明的发波程序首先完成恢复n值的操作，此后将波形数据送入累加器A，累加器A中的数据(A)输出给DAC，完成发波操作；根据治疗程序中给出的μs入口地址跳到相应的入口处，在本程序中有五个μs入口，其分辨率为2μs；进入入口后，完成10×n(μs)延时操作，之后，判定发波点数-1＝0？若不为零，返回到发波程序开始部分，完成恢复n值的工作，若为零，则完成周期T的个数-1＝0？的判定，若不为零，则跳到发波处理程序的初始入口，完成刷新外设和判别启/停键的工作，若为零，则跳到操作程序的续处理程序。
图10所示本发明的治疗电极开路保护中断服务程序是在开路保护提请中断时所执行的程序。首先保护现场，然后建立一个延时量并将一个小保护值输出给DAC，此值不为零，但也不会使患者感到不适；此后，判别是否有中断申请，即INTo＝0？有中断申请则继续以上工作，没有中断申请则延时减量，不等于零返回到小保护值送DAC，等于零时完成DAC增量工作，此时DAC增量是遵从增加小量再延时；再判别中断申请？即INTo＝0？还有中断申请则还要回到前边小保护值程序中去，没有中断则讯问DAC满度否？没有满度则继续DAC增量、延时、判中断，DAC满度则恢复现场，返回原程序。在本中断服务程序中，几乎是在时时讯问中断？这对治疗电极接触不良或接触电阻过大都有相当好的保护作用，也有利于医护人员的调试工作，防止患者受到电击。
以上所说明的本发明的实施例，是单通路输出的中频电疗仪，只适于一个患者进行治疗，对于家庭或运动现场是非常经济适用的；在有多患者的场合，例如在医院中，多通路输出的中频电疗仪则是更需要的，此时，如果将几个本发明所述微计算机控制的发波单元的I/O接口与一控制计算机的总线相连，相应的几个中频信号源(包括正弦中频信号、脉冲中频信号、调制度调节、治疗电流调节及其零位检测电路等)也挂到总线上，再配置多通路输入的模数变换器ADC，就可以组成一台独立多通路的中频电疗仪，如图11所示；各路输出的V16除接各路患者治疗电流指示电表17外，还送到模数变换器ADC的输入端，控制计算机完成对各治疗通路中的微计算机控制的发波单元和中频信号源的控制，并通过读ADC，对各治疗通道的患者治疗电流进行测试和控制。由于有多路模数变换器ADC，各治疗通道可以工作在两种状态，一个是电压源状态，一个是电流源状态，该电流源是程控的电流源，不是硬件的电流源，所以在治疗电极开路时，不会造成输出电压突然变大的情况，也就不会造成电击。由于各路的中频信号源也是独立的，当用正弦波中频信号时，两路联合使用并保持两路中频频差，就可实现中频干扰电流疗法。图11中所示的患者治疗电流控制器可以改变中频电流流向，适应不同的治疗功能。
以上所描述的实施例，详细地说明了本发明的构思和技术特征，所属领域的普通技术人员据此可以设计出与本实施例实质上等同的其他实施方式，例如，省去本发明所述的调幅度调节电路或者省去本发明的治疗电极开路保护电路等特征，然而这些改变并未能脱离本发明的实质性特点，因而也必然落入本发明的权利要求保护范围之内。
权利要求
1.低功耗中频电疗仪，包括操作键，数码管显示器，微计算机控制的发波单元，中频信号源，患者治疗电流指示电表和直流电源，其特征在于(1)所述微计算机控制的发波单元的组成是单片微计算机，其片内程序存储器设置操作程序、附有检查波形控制码子程序的取方程序、发波处理程序、发波程序、治疗程序和低频调制波形编码数据库；8位乘法数模变换器，在所述单片微计算机的控制下，根据所述单片微计算机输出的低频调制波形编码数据和所述中频信号源的调幅度可调电位器W3输出的中频参考电压实行乘法数模变换，输出低频调制的中频电流；双输入加法运算放大器，其反相输入端之一与所述8位乘法数模变换器的输出端Iout1连接，另一反相输入端经电阻R1与中频信号源的调幅度可调电位器W2输出的中频电压连接，实现调幅度可变的低频调制中频电压合成输出，其中R1等于所述8位乘法数模变换器的反馈电阻Rfb；晶体管互补对管射极或源极输出级，其基极或栅极与所述双输入加法运算放大器的输出端连接，射极或源极与所述8位乘法数模变换器的反馈电阻Rfb连接；脉冲变压器，其初级线圈经隔直电容与所述晶体管互补对管射极或源极输出级的输出端相接，次极线圈与导电的治疗电极相接，向患者提供治疗电流；(2)所述中频信号源包括中频脉冲或正弦波振荡器、治疗电流调节电位器W1及其零位检测电路和调幅度调节电位器W2和W3，所述电位器W2、W3是二同轴电位器，其输出电压之和等于电位器W1的输出电压；(3)所述直流电源设有直流电压变换器，将所述中频脉冲或正弦波振荡器的输出电压经倍压整流，变换为较高的直流电压，作所述双输入加法运算放大器的电源。
2按照权利要求1所述的低功耗中频电疗仪，其特征在于所述微计算机控制的发波单元设有治疗电极开路保护电路和在所述片内存储器设置治疗电极开路保护中断服务程序，所述治疗电极开路保护电路包括采样电阻，串联在所述脉冲变压器次级线圈电路内，其上之电压与向患者提供的治疗电流成正比；二检波放大电路，分别对所述采样电阻输出电压V11和所述晶体管互补对管射极或源极输出级的输出电压V4进行半波检波和放大；“异”门电路，对所述二检波放大电路输出的中频半波脉冲V12、V13进行“异”逻辑判别，只有当V13＝0，V14≠0时，方输出TTL电平的有效中频半波脉冲，向所述单片微计算机提供外部中断信号。
3.按照权利要求2所述的低功耗中频电疗仪，其特征在于所述直流电源是单电源，外部输入电源是双线馈送的交流低压电或无极性要求的直流电压，内部采用全波整流器和三端稳压器或等分压器电路。
4.按照权利要求1-3所述的低功耗中频电疗仪，其特征在于所述单片微计算机片内程序存储器所设置程序的数据格式是(1)采用波形号、μs入口地址、延时系数n和周期数四个特征量，发生和识别不同的低频调制波形；(2)波形在一周期T内分为200点，相邻两点的延时Δt＝T/200；(3)延时Δt＝n×10(μs)+(μs延时)；(4)μs延时入口分为40μs，38μs，36μs，34μs和32μs；(5)周期T从10-0.008s，分辨率为0.4ms，相当于频率从0.1-119Hz；(6)波形号从00H-0BH，代表指数波、前斜锯齿波、后斜锯齿波、方波、尖波、三角波、正弦波、阶梯波、零等幅波、43H等幅波、86H等幅波和0C8H等幅波；(7)发波数量按波形周期T的个数为准，可以在1-65536中设定；(8)治疗程序设置三级循环嵌套，设有小、中、大循环识别码、循环次数和返回地址。
全文摘要
本发明涉及低功耗中频电疗仪,特别涉及由多种低频波形调制的低功耗中频电疗仪。该中频电疗仪由操作键、数码管显示器、微计算机控制的发波单元、中频信号源、患者治疗电流指示电表和直流电源构成。其实质性特点在于所述微计算机控制的发波单元由单片微计算机、功率数模变换器、脉冲变压器组成,并设有调幅度调节和治疗电极开路保护电路及其中断服务程序。具有耗电省、输出动态范围大和频带宽的特点,还可使患者免受治疗过程中由于治疗电极接触不良或开路所出现的电击,适于家庭及运动现场使用。
文档编号A61N1/32GK1176832SQ9711647
公开日1998年3月25日 申请日期1997年9月23日 优先权日1997年9月23日
发明者罗长力, 靳彤 申请人:罗长力, 靳彤