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基於MSP430的多功能乳腺理療儀的設計研究

來源 : 中國醫療設備雜誌2019年第4期
update : 2019/06/17

引言
WHO 經過全面綜合研究及專家協商後提出,嬰幼兒出生後的最初6 個月應進行純母乳餵養,以實現最佳生長和發育[1]。大多數的婦女和家庭都知道母乳餵養的好處,大量的科學研究也證實了母乳餵養可以促進嬰兒的生長發育和智力發育[2-5],讓母代和子代受益一生。但是現實情況是母乳餵養狀況不容樂觀,根據對上海14 所二級以上醫院產科的母乳餵養及健康教育狀況調查顯示,70.6% 的產婦孕期即決定純母乳餵養,但產後純母乳餵養率僅為24.8%。在喂哺過程中常常碰到諸多問題,其中乳房腫脹、乳汁淤積居問題之首[6]。另外產褥期乳腺炎也是產後哺乳期婦女的常見病,以初產婦多見,常常繼發於乳頭皸裂、乳房過度充盈和乳腺管阻塞[7]93.4% 的受訪產婦希望獲得幫助,85.6% 的產婦需要幫助緩解乳房不適[6]。這些資料表明,哺乳人群普遍都有得到支援措施的強烈需求。本研究擬設計一個可擕式的乳腺理療儀,建立早期干預和預防措施,幫助產婦堅持母乳餵養。

1 現狀調研
冷敷、熱敷、低頻電刺激作為物理康復手段可有效緩解乳房腫脹、疼痛及乳汁淤積症狀,可預防乳腺炎的發生[7-10],是臨床較常用的物理治療手段。其中,低頻電脈衝療法是基於低頻脈衝電流的生理作用和治療作用,其主要表現為興奮神經細胞組織、鎮痛和促進局部血液迴圈[11]。這是由於人體所有細胞在某種程度上都具有興奮能力,當頻率低於1 kHz 且波形、頻率不斷變換的低頻電脈衝作用于人體時,組織中的離子會發生定向運動,消除細胞膜極化狀態,使離子濃度和分佈發生顯著變化,從而影響人體組織功能。有文獻表明,低頻脈衝療法具有促進圍繞乳腺腺泡的肌細胞收縮和疏通乳腺管的作用,改善充血及局部腫脹,從而預防產後乳汁淤積[12-15]

根據約翰· 霍普金斯婦產科手冊(第4 版)所述,產後2~4 天通常為乳房腫脹期,需要冷敷。當乳管阻塞時(乳房有壓痛的腫脹,不伴有全身症狀或發熱)可通過熱敷和按摩乳房緩解(有炎症時禁用)[8]。然而,目前市場上具有《醫療器械註冊證》資質的理療儀功能單一,通常是電刺激功能與恒溫冷、熱敷功能三取其一,而且設備體積一般都較大,需要在醫療機構中床旁進行,同時設備成本高昂,動輒幾萬元的費用。家庭中也有採取較簡單的物理冷敷袋或熱敷袋,缺點是無法控制溫度(可能導致凍傷或灼傷)及保證溫度的恒定。

本研究的創新在於將產後哺乳人群作為關注物件,從實際問題出發,結合臨床診療方案,研發專用於哺乳期的乳腺理療儀,集低頻電刺激與冷熱敷功能於一體,掌式便攜帶,成本低。既可在婦產科醫院作為輔助診療手段,也方便個人在家庭使用,減少在哺乳期往返醫院治療的痛苦。

2 總體設計方案
乳腺理療儀的設計目標主要是小型化、家庭化,因此首選使用電池供電(1.5~9.0 V)。與線路供電治療儀相比,缺點是輸出的峰值幅值比較低;優點是體積小、便攜,允許患者在刺激過程中移動。其性能取決於電池壽命[16]。從外形設計上,要使產品方便手持,保證使用時的個人化、私密化;從硬體設計上,要注意低能耗、高效的資料處理,人機介面的佈局盡可能地通過外在視覺形態使內部結構功能明確化[17] ;從軟體上,要實現友好的人機互動,簡單易使用。為了實現上述設計目標,本設計選取TI 公司的MSP430 單片機作為微處理器。該微處理器是一種超低功耗的混合信號處理器,常常被用於電池供電的儀器儀錶中。

本系統主要由電源模組、單片機控制模組、人機介面模組、電刺激輸出模組和溫度控制模組構成。其中電源模組為內置鋰電池電源電路,輸出電壓3.7 V ;微控制器採用MSP430FG437 晶片,是一種16 位超低功耗MCU32 KB 快閃記憶體、1 KB RAM12 ADC、雙DACDMA3 OPAMP 128 LCD 微控制器,其具有超低功耗、高性能、即時控制等特點;人機介面模組包括鍵盤輸入電路和64×128 解析度OLED 顯示幕;電刺激輸出模組包括升壓電路和交流電輸出模組;溫度控制模組包括整流穩壓濾波電路、溫度感測器和TEC 驅動電路。其系統結構如圖1 所示。


1 整體硬體結構

2.1 低頻脈衝電刺激模組
電源採用鋰電池3.7 V 輸出,通過穩壓電路和隔離電路升壓至40 V(設計值)。升壓電路採用TPS61170-Q1 單片高壓開關穩壓器,採用2 mm×2 mm QFN 封裝的1.2 A 開關和高壓升壓轉換器。FB 引腳可調節為基準電壓1.229 V,最高輸出電壓約為38 V

單片機根據從鍵盤輸入的低頻電脈衝模式,調取軟體代碼生成特定演算法,自動計算並設置片內計時器模組的控制寄存器,由單片機的相應I/O 口輸出預設的幾種不同脈衝波形。通過與人體接觸的乳腺專用電極片,輸出到需要進行低頻理療的部位。本項目中用以電刺激典型脈衝波形如圖2 所示,脈衝寬度範圍為5~300 μs,這個區間範圍鎮痛效果較好;頻率範圍為50~100 Hz,即脈衝週期為10~20 ms 可調。軟體預設了不同參數的脈衝寬度及週期分別命名為模式A、模式B,模式C,電流刺激強度默認為0.5 mA


2 典型脈衝波形圖

根據人對低頻電刺激的耐受程度不同,輸出的電流強度可在治療前及治療中隨時調節。低頻電流通過電極片向人體輸出,電極片採用圓形開口形狀(圖3),可以很好地包裹刺激部位;矽膠材料具有導電性能良好、柔韌、安全可靠、可重複使用等特點,適用於家用低頻理療儀器。


3 乳腺電極片

2.2 恒溫控制模組
溫度輸出的核心部件是低功耗直流半導體製冷片(Thermo Electric CoolerTEC),利用帕爾帖效應達到加熱及製冷的效果。帕爾帖效應是指當有電流通過不同的導體組成的回路時,除產生不可逆的焦耳熱外,在不同導體的接頭處隨著電流方向的不同會分別出現吸熱、放熱現象。當電流從TEC 元件的N 型半導體材料流向P 型半導體材料時會吸收熱量,這一個端面為冷面;當電流從P 型材料流向N 型材料時會放出熱量,這一端面為熱面。帕爾貼效應示意圖,見圖4


4 帕爾貼效應示意圖

通電之後,接觸面的附近在單位時間放出或者吸收的熱量(珀爾帖熱Qp)與電流強度成正比[18],即:

Qp = π×I (1)

π 為帕爾貼係數,與溫差電勢率有關:

π = (αp - αn)×T (2)

式中,αp、αn P N 型半導體材料的溫差電動勢,αp 為正,αn 為負;T 對應接頭上的絕對溫度。

本系統採用的TEC 元件工作溫度為-40 ~85℃,滿足系統所需的溫度設定範圍,且無振動、無噪音。半導體製冷片在工作時,加熱的一面需要散熱才能維持TEC 的長期穩定使用。本研究的散熱材料採用石墨降溫散熱片,其特點是柔軟輕薄易剪裁、熱阻低、耐高溫、遠優於金屬的超高導熱性能。

溫度控制模組通過在脈衝輸出口外接電路實現,輸出波形經過橋式整流電路、穩壓電路、低通濾波器變換為5 V直流電壓,載入到繼電器及半導體製冷片。接溫度探頭1 個,用於回饋冷熱敷材料實際表面溫度。在熱敷模式下,當表面溫度小於設定溫度,繼電器吸合,半導體製冷片正常工作;表面溫度大於等於設定溫度時,半導體製冷片的供電被切斷;在冷敷模式下則反之。

2.3 軟體設計
本軟體系統設計採用Code Composer Studio IDE V6 作為整合式開發環境,簡稱CCS V6,是Texas Instruments 公司開發的專用於TI 微控制器和嵌入式處理器產品的開發環境,包含一整套用於開發和調試嵌入式應用的工具。它提供了高效的C 編譯器、源碼編輯器、專案構建環境、調試器、跟蹤和分析等其他多種功能。其主要元件構成包括TMS320C54x集成代碼產生工具、CCS 整合式開發環境、DSP/BIOS 即時內核外掛程式及其應用程式介面API、即時資料交換的RTDX 外掛程式以及相應的程式介面API、由TI 公司以外的協力廠商提供的各種應用模組外掛程式。軟體流程圖如圖5 所示


5 軟體流程圖

3 開機測試
本專案已完成PCB 電路板製版以及單片機程式燒錄,由鋰電池供電,並外接電極片或TEC 製冷片(兩者不能同時使用)。經開機測試初步達到設計效果,實物圖如圖6 所示。


6 電路制板實物圖

由於目前尚處於實驗室測試階段,不能進入臨床進行性能及功能驗證,以下測試均在實驗室完成。開機測試的OLED 顯示介面如圖7 所示。


7 OLED屏顯示

進入電刺激治療模式後,用1 K 電阻類比人體負載,用示波器對模式A、模式B、模式C 的電刺激波形CH1CH2 分別進行記錄,A=0.5 mA。示波器波形如圖8 所示。


8 波形輸出測試 注:a. 模式A 電刺激輸出波形;b. 模式B電刺激輸出波形;c.模式C電刺激輸出波形。

在熱敷模式下,將溫度設定至38℃,在系統穩定後對冷熱敷材料的表面溫度每隔30 s 進行一次採樣記錄,並描記出溫度曲線,如圖9 所示。


9 溫度輸出測試

4 討論
本系統的冷熱敷功能部分採用的是採樣、繼電器控制的方式來實現恒溫控制,實驗室裡的溫度測試曲線存在1℃的上下波動,因此並未實現真正意義上的恒溫。原因分析如下:① 繼電器控制方式存在一定熱慣性;② 測溫使用的溫度感測器精度僅為0.5 ;③ 由於所購買溫度感測器的形狀為圓柱形,與冷熱面的貼合通過膠粘帶固定,接觸面積小,不利於溫度的快速感應。基於以上分析,本系統在後期改進中,可採用PID 模糊控制來優化溫度的穩定,並選擇高精度微型化的探頭。

低頻電脈衝理療儀是家庭醫療保健的常用儀器,可穿戴化、智慧化、高可靠性是未來的發展趨勢[19]。本文設計的基於MSP430 的低頻電脈衝理療儀,可以按照設定輸出電刺激波形,掌式便攜,體積較目前醫療機構在用的立式或臺式低頻電刺激治療儀大大縮小,且無需連接交流電,使用更輕鬆便捷。不同于其他功能單一的低頻電刺激理療儀,本專案初步研製的設備集低頻電刺激與冷熱敷功能於一體,並能設定溫度,較家庭粗放的冷/ 熱敷模式邁進一步。

本研究在設計上尚有許多不足,亟待進一步的改進。

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