体外冲击波治疗仪控制系统设计

马红霞 丁薇 佟河亭

摘要：  针对气压弹道式冲击波治疗仪的结构及用途，本文基于气压弹道式冲击波治疗仪工作原理，对体外冲击波治疗仪控制系统进行设计。给出了气压弹道式体外冲击波的工作原理，采用气动回路作为体外冲击波治疗仪动力系统，该系统由气动控制回路和单片机构成，同时采用STC89C51单片机对气动回路的激发压力和频率进行控制，实现了治疗仪工作频率可在1～10 Hz内任意设定，对于不同病症，每次疗程冲击次数可动态调整和实时显示;利用压力施压指示器装置，根据患者症状和治疗部位施加不同的压力，得到相应的冲击波能量，拓展了应用范围，进一步提高治疗效果，该系统方案简单，操作方便，成本较低。该研究对体外病症治疗具有较高的应用价值。

关键词：  体外冲击波; 气压传动; 单片机控制; 治疗频率

中图分类号： TP368.1; O354.5  文献标识码： A

体外冲击波治疗是一种介于保守和手术疗法之间的新型无创治疗手段，具有无副作用、无恢复期且又立竿见影的良好治疗效果，目前逐渐在临床上得到广泛的应用。气压弹道式体外冲击波治疗仪[1] 是利用压缩气体产生的能量以及程序控制驱动弹筒内的子弹体，使子弹体以脉冲式冲击方式撞击治疗头，将脉冲压力波转换为高精准的弹道式冲击波，经过耦合剂进入人体，并以放射状扩散的方法传送至治疗部位，对骨肌疾病具有较好的治疗作用[2] 。目前，国外冲击波治疗仪的发展水平较高，德国Zimmer冲击波治疗仪[3] 不但便于携带，而且已经拥有独特的“软冲击”技术，在同等强度下使脉冲更平滑，显著降低刺痛感;瑞士的STORZ体外冲击波治疗仪[4] ，已经能够精确控制治疗能量。由于这些国外产品设备复杂、价格昂贵[5] ，主要应用在三甲医院。近年来，随着我国产业技术的不断发展，国产体外冲击波治疗仪的功能也在不断进步和完善[6] ，但国产冲击波治疗仪控制系统一般采用触摸屏设置参数会存在因频繁操作导致故障的问题，对于某些用户不够简单直接。因此，本文针对气压弹道式冲击波治疗仪的结构及用途，采用简单的气动控制回路，使用编程灵活，成本较低且智能化较高的单片机，并结合机械式开关进行参数控制，操作简单直接，且不易发生故障，既经济实惠又方便了用户的使用。该研究具有广阔的应用前景。

1 气压弹道式冲击波的实现

1.1 工作原理

气压弹道式体外冲击波的产生是利用压缩空气产生的压力脉冲波去驱动弹丸，使弹丸获得一个初始速 度，并以这个速度撞向刚性治疗头的尾端，使治疗头前端获得的能量通过耦合剂作用于人体，以放射状扩散的方法传送至治疗部位[7] 。气压弹道式冲击波产生的原理如图1所示。

治疗头前端获得的能量可以使人体组织中的一种高活性神经肽类物质减少、阻止神经原性炎症反应，同时伴随被治疗组织中生长因子的释放和干细胞的活化[8] ，对人体有镇痛、代谢激活效应、刺激微血管再生以及成骨作用。对于不同的症状，需要的能量大小也不一样，且能量大小又同压力、频率和治疗次数有关，所以合理控制这些参数的组合，对治疗效果至关重要。

1.2 气动控制回路

采用气动回路作为体外冲击波治疗仪动力系统[9 11] ，用单片机控制气动回路中两位三通电磁阀10的通断，实现对压力冲击波的控制。气动控制回路原理图如图2所示。

治疗前准备，启动设备，用户首先通过气动三联件5中减压阀设定系统压力，同时换向阀9通电，利用精密减压阀6调整治疗仪脉冲压力，再通过面板按键设置工作次数和工作频率;治疗时，由单片机控制两位三通电磁阀10的通断，实现对治疗仪的频率控制，促成脉冲压力;工作过程中，压缩气源通过冷却器2，气动三联件5，精密减压阀6，两位三通电磁阀9和电磁阀10进入治疗仪枪筒内，驱动弹丸运动，撞击治疗头同时产生能量。

2 硬件电路设计

STC89C51单片机主要由中央处理器、存储器和I/O接口芯片组成[12] 。STC89C51单片机具有集成度高、速度快、功耗低、性能高、体积小等特点，可以与各种电路模块形成一个智能化系统[13] 。因此，本文采用STC89C51单片机实现所有控制功能，让电路协调工作。

2.1 总体设计框图

本设计系统以单片机为核心[14] ，利用汇编语言，实现对电磁阀的控制及冲击波治疗仪的按键显示信息等，系统设计框图如图3所示。由图3可以看出，实现体外冲击波治疗仪控制功能的硬件系统，由按键模块、电磁阀驱动模块、液晶屏显示器（liquid crystai display，LCD）模块和蜂鸣器模块等组成。其工作内容是用户通过按键请求，确认弹丸撞击治疗头的总次数和频率，并将请求信息发送给单片机，单片机通过控制电磁阀，实现弹丸撞击治疗头的总次数和频率。LCD显示模块能够完成弹丸的实时撞击次数、设置撞击次数和频率显示。当弹丸完成目标撞击后，蜂鸣器模块对用户产生提醒。

2.2 单片机系统原理

根据系统设计框图，选择需要的元器件，并利用Proteus ISIS软件[15] 连接线路，绘出仿真电路。单片机系统原理图如图4所示。

1） 单片机最小系统。80C51单片机的最小系统一般包括电源电路、晶振电路和复位电路[16] 。晶振电路由两个30 pF的电容和11.0592 MHz的晶体组成。复位电路由电阻、电容和RE-SET按键组成，可以完成手动复位和上电复位。

2） 按键模块。本控制系统的键盘采用6个独立式按键，能够实现对弹丸撞击次数和频率上下限的调整，S1为频率上限增加，S2为频率下限减少，S3为次数上限增加，S4位次数下限减少，S5为开始键，S6为清零键。由P1.0 ～P1.5 输入，控制次数可从0调整至9999，控制频率可从1调整至10。

3） EEPROM电路。采用AT24C02芯片作为串行EEPROM的存儲器，能够实现读写100万次，数据保存长达100 a，常用于在关机和断电时保存数据[17] 。因此，将弹丸撞击次数和频率的阈值存储在EEPROM芯片AT24C02中，并可通过S1～S4按键上调或下调，保证掉电仍保存上次数据。

4） LCD显示电路。为显示用户设置的弹丸撞击次数和频率以及弹丸的实时撞击次数，采用LCD102显示。电路中接有可变电阻，调节显示屏亮度。由P0和P2.5 ～P2.7 等11个I/O口控制，但因为P0内部不提供上拉电阻，是集电极开路输出，无法输出高电平，因此自接一个上拉排阻。

5） 蜂鸣器电路及电磁阀模块。当弹丸撞击次数达到用户预设次数时，单片机通过P3.0 输出，控制蜂鸣器发出报警来提示使用者。利用三极管和继电器驱动电磁阀打开或关闭。P3.1 控制电磁阀9的通断;P3.7 控制电磁阀10的通断。使用P3.2 （外部中断0）监测弹丸的实时撞击次数;利用P3.4 （定时器中断0）控制脉冲方波的周期来控制弹丸撞击频率。

3 软件部分设计

采用C语言进行软件部分的设计。检测弹丸的撞击次数和控制电磁阀的开关频率分别使用了外部中断0和定时器中断0，其他部分如LCD显示、I2C总线通信、延时程序等均由其子程序完成[18] 。使用模块化分层设计思想，将一个复杂的功能拆分成多个子函数来实现，通过调用不同函数，实现其综合目的，也便于日后调试和修改[19] 。

电磁阀开启次数。由P3.7 输入控制电磁阀开关，用引线将P3.2 与P3.7 相接，利用跳变沿触发外部中断0监测电磁阀开启次数[20] 。控制电磁阀开启次数程序如图5所示。

电磁阀频率。电磁阀的开关频率在1～10 Hz，利用定时器0定时1 ms，对1 ms进行计数，可得1～10 Hz的方波脉宽，计数值分别为500，250，167，125，100，83，72，63，56和50。控制电磁阀频率程序如图6所示。

4 结束语

本文主要对冲击波治疗仪的结构进行研究，分析了冲击波治疗仪的结构原理及运行過程，设计了基于51单片机的控制系统，完成了硬件电路和软件编程。与大多数国内采用触摸屏不同，本文通过使用编程灵活，成本较低且智能化较高的单片机，并结合机械式开关进行冲击波治疗仪的参数控制，操作简单直接且不易发生故障，既经济实惠又方便了用户使用。该研究具有广阔的应用前景。

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Pneumatic and Control of Pneumatic Ballistic Shock Wave Therapeutic Instrument

MA Hongxia1， DING Wei2， TONG Heting1

（1. School of Electromechanic Engineering， Qingdao University， Qingdao 266071， China; 2. Sports Medicine Rehabilitation Center of East Hospital of Qingdao Municipal Hospital， Qingdao 266071， China）

Abstract：  According to the structure and application of pneumatic ballistic shock wave therapy instrument， the control system of extracorporeal shock wave therapy instrument is designed based on the working principle of pneumatic ballistic shock wave therapy instrument. The working principle of pneumatic ballistic extracorporeal shock wave is given， and the pneumatic circuit is used as the dynamic system of extracorporeal shock wave therapy instrument. The system is composed of pneumatic control circuit and single chip microcomputer， and the excitation pressure and frequency of pneumatic circuit are controlled by STC89C51 single chip microcomputer. The operating frequency of the therapeutic instrument can be set arbitrarily within 1～10 Hz. For different diseases， the impact times of each course can be dynamically adjusted and displayed in real time The pressure indicator device is used to apply different pressure according to the symptoms and treatment site of the patients， to obtain the corresponding shock wave energy， to expand the scope of application， and to further improve the therapeutic effect. The system is simple， easy to operate and low in cost. This study has high application value for the treatment of disease in vitro.

Key words： extracorporeal shock wave; pneumatic transmission; MCU control; treatment frequency