基于LabVIEW和AVR单片机的镇痛仪系统实现

摘要：通过对穴位施加低频的脉冲电压刺激穴位神经释放内源性物质，从而达到减轻疼痛的作用已经被证实。基于此医学原理，本系统使用LabVIEW编写上位机控制界面，通过NIVISA模块驱动USB进行实时通信，采用高性能AVR主控芯片设计下位机，从而实现宽范围数字升压(12～100V)的高质量互补对称脉冲波稳定输出特性。在疼痛疾病的治疗以及医疗保健治未病等领域将有广泛的应用。
关键词：LabVIEW；USB通信；DC—DC升压；AD采集

    疼痛治疗一向是临床医学深感棘手的问题之一，在疼痛治疗领域，穴位刺激镇痛一直备受推崇，即通过对穴位施加低频的脉冲电压实现对神经系统的刺激，使其释放阿片肽，达到减轻疼痛的目的。上世纪80年代以来，电子技术在疾病诊疗领域的取得广泛应用，穴位刺激镇痛治疗仪器成为其中的一个研究热点，韩式仪是其中的一个典型代表。随着电子技术便携化和智能化的发展，利用当前最新技术革新产品，研发新型镇痛医疗器械势在必行。
    针对镇痛仪电路研发要求，以及人体对低电频生理反映的特征，设计了基于LabVIEW和AVR单片机的一个精度高、稳定可靠、抗干扰能力强、功耗低、可扩展性强的医疗器械镇痛仪。

1 系统总体介绍
    本系统包括上位机模块、通信模块和下位机模块，其中上位机采用LabVIEW软件编写的人机交互界面，使用方便，具有良好的可视化效果和可扩展性；通信部分采用即插即用的USB通信模块，其传输数据速率快，能满足对下位机监控数据实时反馈的要求；下位机模块主要由脉冲发生电路、升压电路和互补对称脉冲输出电路组成，其中主控芯片采用ATMEL公司的Atmega128，可接收上位机控制命令，完成各种模式下的脉冲强度精确调制以及控制对称治疗脉冲输出。升压电路采用Maxim Integrated Products公司的MAX1771DC／DC升压芯片和AD公司的AD52 41系列数字电位器，实现精确可调的数字升压，系统功能框图如图1所示。

2 系统软硬件及其组成
2．1 上位机LabVIEW人机交互界面
    上位机软件用于用户信息管理和系统的实时控制。其中包括下位机数据的实时采集的即时显示，以及存储用户的治疗资料等。软件采用图形化编程语言编写，其开发时间短、通用性强、数据处理准确简单、可移植性强，界面设计的人性化，使操作方便，具有良好的可视化效果和可扩展性，上位机流程图如图2所示。

    上位机可提供管理患者信息，选择治疗模式，控制治疗强度的功能，同时实现治疗波形的实时显示，使患者和医护人员对治疗情况一目了然。系统运行之前需录入患者相关信息，系统将在治疗结束后自动生成该患者治疗情况的记录报表，并提供打印功能，可用于医学对比分析以及对本系统的治疗效果评估等。医护人员可根据患者情况选择系统目前提供的七种治疗模式中适合患者的模式，并且控制不同模式下的刺激强度，以达到最佳治疗效果。操作界面如图3所示。

    此外系统还具有音乐辅助模块、定时功能模块、帮助系统以及扩展功能等一些列模块供使用者选择，使操作效率达到最大化。
2．2 USB串行通信模块的实现
    USB (Universal Serial Bus)接口是近年来应用在PC领域的新型接口技术。它基于单一的总线接口技术来满足多种应用领域的需求；它的即插即用、支持热插拔、易于扩展等特性极大地方便了用户的使用，已逐渐成为现代数据传输的发展趋势。USB的便携性、高数据传输速度等非常适合本系统。
    USB控制器选用CH376，它可以工作于主机和设备两种工作方式，设备工作方式完全兼容CH372。它具有方便的内置固件模式和灵活的外置固件模式。内置固件模式下屏蔽了相关的USB协议，自动完成标准的USB枚举配置过程，完全不需要本地端控制器作任何处理，简化了单片机的固件编程。该芯片内部集成了PLL倍频器、USB接口SIE、数据缓冲区、被动并行接口、命令解释器、通用的固件程序等主要部件，内部具有5个物理端点，采用端点2的上传作为批量数据的发送端点，选择端点2的下传端点作为批量数据的接收端点，在这种情况下，上传下传端点的缓冲区各占64个字节。

    本文采用LabVIEW自带的通用的驱动程序NIVISA作为USB设备的底层驱动程序，并且利用程序中的块传输节点，即VISA READ和VISA WRITE可以方便的实现数据的收发，完成上位机和下位机通信需求。
2．3 下位机主控升压输出电路
   下位机根据接收到的上位机控制命令控制脉冲发生模块和升压模块执行相应操作，并向上位机反馈信息。
    以Atmega128单片机作为下位机控制核心，编程输出可变频可变占空比的PWM刺激脉冲。Atmega128芯片具有PWM波输出引脚，对其编程可实现高质量PWM波输出，编程TWI来控制AD5241芯片的输出阻值来调制MAX1771 DC—DC升压电路以实现多级可调升压，对称脉冲模块可实现输出稳定脉冲波。通过Atmega128内置AD捕获输出脉冲，考虑到输出信号的幅度在12～100V之间，而AD模块选用的基准电压为5．0V，因此将输出电压经电阻分压器接入模拟输入通道，然后再将采集到的模拟电压值传送到上位机，并编程乘以相应的倍数，实现输出强度的复现。下位机功能实现流程图如图5所示。

3 输出脉冲波形
    将上位机操作界面通过USB模块与下位机系统相连进行系统测试，通过操作上位机控制界面向下位机发送相应控制指令实现数字升压强度调节和对称脉冲波形输出。图6给出了用TektronixTDS2014示波器两路通道捕获其中的模式二(100Hz方波，0．2ms脉宽)的输出波形。

4 结束语
    本系统是基于PC机的上位机控制界面与产生波形的下位机的结合，实现精确可调的数字升压和实时可控的互对称脉冲输出。脉冲输出波形和电压范围的调节能满足不同使用者的需求，使用数字电位器代替模拟电位器使系统的控制更加灵活方便，互补对称输出电路能保障输出电压的稳定，同时保障了使用者的安全。USB通信使上位机和下位机之间的连接更加的方便快捷，利于系统的快速反应和智能诊疗。本系统稳定性好，安全性高，界面易于操作，应用前景十分广阔。