王梓鑒,馬東偉,蔣雪萍,顏迪新,胡佳成

(1.中國計量大學(xué) 計量測試工程學(xué)院,浙江 杭州 310018；2.杭州市質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督檢測院,浙江 杭州 310019)

電針治療儀是結(jié)合電子儀器技術(shù)及中醫(yī)灸療法的一類設(shè)備,其在針灸的基礎(chǔ)上加入低頻(0～100 Hz)連續(xù)波脈沖信號,于針刺處產(chǎn)生接近人體生物電的毫安級電流,達到針刺和電流相結(jié)合治愈患者的效果[1]。電針治療儀可代替中醫(yī)針灸的人手行針,具有疏通經(jīng)絡(luò)、鎮(zhèn)痛止痙、增強抗病能力的功效[2]。近年來,它在臨床醫(yī)學(xué)領(lǐng)域逐漸被醫(yī)生和患者所接受。這種儀器中關(guān)鍵參數(shù)的準確性直接關(guān)系到患者的生命安全,因此對其進行定期校準具有十分重要的意義。

目前國內(nèi)尚無可專用于電針治療儀的校準裝置[3],檢測機構(gòu)普遍采用外殼漏電流測量儀、萬用表、示波器等儀器對電針治療儀的單個測量參數(shù)進行校準[4-6],不能同時校準全部關(guān)鍵參數(shù),因此無法評估電針治療儀整體裝置的準確性與可靠性。針對上述問題,研制一套專用于電針治療儀關(guān)鍵參數(shù)校準的裝置勢在必行。為此,根據(jù)浙江省地方技術(shù)規(guī)范JJF1123—2015《電針治療儀校準規(guī)范》,我們研制了能夠同時對電壓峰峰值、外殼漏電流、輸出閉鎖、直流分量、連續(xù)波頻率進行檢測的電針治療儀校準裝置。設(shè)計高精度的電壓衰減、跟隨、放大以及電平移位等電路對電針治療儀關(guān)鍵參數(shù)進行處理,以保證硬件電路轉(zhuǎn)換精度并得到電壓值,其范圍為0～3.3 V；使用STM32單片機內(nèi)部的12位A/D采集電壓值并將采集結(jié)果顯示在LCD上。最后通過實驗驗證,本裝置整體設(shè)計滿足電針治療儀校準裝置的技術(shù)指標要求。

1 系統(tǒng)設(shè)計

1.1 校準原理

本校準裝置的工作原理如圖1。電針治療儀輸出非對稱雙向脈沖波,校準裝置對波形進行處理并顯示電壓峰峰值、外殼漏電流、輸出閉鎖等關(guān)鍵參數(shù)測量值,判斷是否滿足浙江省地方技術(shù)規(guī)范JJF1123—2015《電針治療儀校準規(guī)范》,以完成對其校準。

圖1 電針治療儀校準裝置的工作原理Figure 1 Principle of electro-acupuncture instrument calibration device

1.2 技術(shù)指標

根據(jù)JJF(浙)1123—2015《電針治療儀校準規(guī)范》,對電針治療儀校準裝置的技術(shù)指標要求如表1。

表1 電針治療儀校準裝置技術(shù)指標

Table 1 Technical specifications of electro-acupuncture instrument calibration device

檢測參數(shù) 測量范圍最大允許誤差/%電壓峰峰值/V0～10±1.0外殼漏電流/μA0～200±1.0輸出閉鎖/mV0～5±1.0直流分量/mV0～5±1.0連續(xù)波頻率/Hz0～500±1.0

2 電針治療儀校準裝置整體方案

2.1 裝置的機械設(shè)計

對電針治療儀校準裝置整體進行便攜式、輕量化等設(shè)計。在實現(xiàn)校準功能的基礎(chǔ)上,完成裝置各模塊電路的接口設(shè)計,簡化裝置結(jié)構(gòu)、提高可操作性,其實物如圖2。設(shè)計手柄1方便裝置攜帶,裝置通過EN+接口3與EN-接口4檢測電針治療儀輸出的微弱差分信號,電針治療儀的外殼漏電流信號通過AC+接口5與AC-接口6被裝置檢測,最后經(jīng)LCD2顯示檢測值。

1—手柄;2—LCD;3—EN+接口;4—EN-接口;5—AC+接口;6—AC-接口圖2 電針治療儀校準裝置實物圖Figure 2 Physical map of the electroacupuncture instrument calibration device

2.2 裝置的硬件電路設(shè)計

硬件電路采用模塊化設(shè)計,分別為電源模塊、功能選擇模塊、信號處理模塊以及STM32最小系統(tǒng)模[7-8]。其中,電源模塊通過LM2596、LM7905以及LM1117等芯片將12 V電壓轉(zhuǎn)換成信號處理芯片及STM32單片機所需的±5 V、3.3 V電壓；功能選擇模塊通過控制繼電器導(dǎo)通與斷開,對不同參數(shù)測量自動切換；信號處理模塊將測量參數(shù)轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的電壓值；STM32最小系統(tǒng)模塊對電壓信號進行采集、處理并顯示。其硬件系統(tǒng)如圖3。由于STM32最小系統(tǒng)模塊及電源模塊已經(jīng)非常成熟,以下不贅述。

圖3 硬件系統(tǒng)流程框圖Figure 3 Block diagram of the hardware system

2.2.1 功能選擇模塊

功能選擇模塊由兩個繼電器模塊和兩個譯碼器組成,其模塊流程如圖4。

圖4 功能選擇模塊流程框圖Figure 4 Block diagram of the function selection module

由于電針治療儀輸出的信號為差分信號,因此需要兩路分別輸出。在圖4中,輸出端out1對應(yīng)輸出端out5；輸出端out2對應(yīng)輸出端out6,以此類推。不同的輸出端對應(yīng)不同的處理電路,因此,當電針治療儀校準裝置校準不同測量參數(shù)時,需通過譯碼器輸出高低電平來控制繼電器的通斷,使得待校準量進入相對應(yīng)的處理電路。

2.2.2 信號處理模塊

信號處理模塊是本校準裝置的核心模塊,具體包括外殼漏電流校準模塊、直流分量校準模塊、輸出閉鎖校準模塊、連續(xù)波頻率校準模塊、電壓峰峰值校準模塊。由于在信號測量過程中,電針治療儀發(fā)出的連續(xù)波頻率與電壓峰峰值信號的幅值較大,因此在所有信號進行放大處理之前,首先需對上述兩類信號進行幅值衰減處理。信號經(jīng)過放大之后,采用二階巴特沃斯濾波器對其進行降噪濾波。連續(xù)波頻率信號經(jīng)過濾波后,進入推挽輸出比較電路輸出高低電平信號；其他信號經(jīng)過濾波后,均進入電壓放大及電平移位電路輸出0～3.3 V的電壓信號[9-11]。其信號處理模塊轉(zhuǎn)換電路如圖5。圖5中:a為幅值衰減電路,對電針治療儀輸出的信號進行電壓峰峰值衰減；b為儀表放大電路,采用AD620芯片保證輸出信號精準放大；c為濾波電路,采用OP07芯片對信號進行二階巴特沃斯濾波,濾除大于500 Hz的信號；d為電壓放大電路,對濾波后的有效信號進行放大；e為電平移位電路,采用AD8065芯片對信號進行1.5 V電壓值抬高；f為推挽輸出比較電路,采用LMV7235M5芯片實現(xiàn)輸出高低電平信號。

圖5 信號處理模塊轉(zhuǎn)換電路圖Figure 5 Circuit diagram of signal processing module

2.3 裝置的軟件程序設(shè)計

軟件采用模塊化設(shè)計,主要包括四個部分:系統(tǒng)初始化模塊；測量參數(shù)校準界面模塊；界面顯示模塊；實時更新模塊。其程序流程如圖6。

圖6 軟件流程圖Figure 6 Software flow diagram

首先,系統(tǒng)進行初始化,具體包括LCD顯示界面以及微處理器的初始化。其次判斷icon_id(定義的界面識別參數(shù))的值,進入不同的測量參數(shù)校準界面。然后進入界面顯示模塊,最后實時更新顯示界面數(shù)值。

3 實驗及數(shù)據(jù)處理

針對其內(nèi)部信號處理部分的各個測量參數(shù)校準模塊設(shè)計溯源實驗,得到實驗數(shù)據(jù)。對各個測量參數(shù)溯源實驗數(shù)據(jù)進行處理和分析,判斷其是否符合校準規(guī)范要求。采用研制的電針治療儀校準裝置對電針治療儀輸出的測量參數(shù)進行檢測,評價儀器功能。

3.1 電針治療儀校準裝置溯源實驗

電針治療儀校準裝置的電壓峰峰值、外殼漏電流、輸出閉鎖、直流分量、連續(xù)波頻率測量參數(shù)均已經(jīng)過廣州廣電計量檢測股份有限公司檢測,得到以下測試結(jié)果數(shù)據(jù),并對其進行分析。

3.1.1 電壓峰峰值校準模塊溯源實驗

針對電針治療儀校準裝置中電壓峰峰值校準模塊,選取DG1062信號發(fā)生器設(shè)計溯源實驗。信號發(fā)生器的電壓峰峰值輸出精度為0.1級,范圍為0～10 V。采用標準交流電壓峰峰值為2.0 V、4.0 V、6.0 V、8.0 V、10.0 V,頻率為40 Hz,正弦波信號進行實驗,通過校準裝置中的輸出閉鎖校準模塊獲得實際測量值,將兩者進行對比,分析得到結(jié)果如表2。

表2 電壓峰峰值溯源測試實驗結(jié)果

Table 2 Experimental results of voltage peak-to-peak traceability test

設(shè)定標準值/V實際測量值/V相對誤差/%2.01.9920.404.04.009-0.236.05.9890.188.07.9560.5510.010.051-0.51

從表2中可知,電針治療儀校準裝置中電壓峰峰值校準模塊的最大相對誤差為0.55%,不大于1.0%,符合校準裝置的技術(shù)指標要求。

3.1.2 外殼漏電流校準模塊溯源實驗

針對電針治療儀校準裝置中外殼漏電流校準模塊,選取DG1062信號發(fā)生器和無感電阻設(shè)計溯源實驗。信號發(fā)生器的交流電壓輸出精度為0.1級,范圍為0～AC20 V,無感電阻精度為0.1級。采用標準交流電壓值為10.0 mV、50.0 mV、80.0 mV、100.0 mV、150.0 mV、200.0 mV,頻率為40 Hz,占空比為50%的脈沖信號串聯(lián)1 K無感電阻進行實驗。其輸出標準交流電流值為10 μA、50 μA、80 μA、100 μA、150 μA、200 μA,通過校準裝置中的外殼漏電流校準模塊獲得實際測量值,將兩者進行對比,分析得到結(jié)果如表3。

表3 外殼漏電流溯源測試實驗結(jié)果

Table 3 Experimental results of shell leakage current traceability test

設(shè)定標準值/μA實際測量值/μA相對誤差/%10.09.9910.9050.049.6000.0880.079.7920.26100.099.4500.55150.0149.4300.38200.0199.3200.34

從表3中可知,電針治療儀校準裝置中的外殼漏電流校準模塊的最大相對誤差為0.90%,不大于1.0%,符合校準裝置的技術(shù)指標要求。

3.1.3 輸出閉鎖校準模塊溯源實驗

針對電針治療儀校準裝置中輸出閉鎖校準模塊,選取DG1062信號發(fā)生器設(shè)計溯源實驗。信號發(fā)生器的交流電壓輸出精度為0.1級,范圍為0～AC20 V。采用標準交流電壓值為1.0 mV、2.0 mV、3.0 mV、4.0 mV、5.0 mV,頻率為40 Hz,占空比為50%的脈沖信號作為標準信號進行實驗,通過校準裝置中的輸出閉鎖校準模塊獲得實際測量值,將兩者進行對比,分析得到結(jié)果如表4。

表4 輸出閉鎖溯源測試實驗結(jié)果

Table 4 Experimental results of output latching traceability test

設(shè)定標準值/mV實際測量值/mV相對誤差/%1.00.9960.402.01.9950.253.02.9990.034.03.9990.025.04.9890.22

從表4中可知,電針治療儀校準裝置中的輸出閉鎖校準模塊的最大相對誤差為0.40%,不大于1.0%,符合校準裝置的技術(shù)指標要求。

3.1.4 直流分量校準模塊溯源實驗

針對電針治療儀校準裝置中直流分量校準模塊,選取DG1062信號發(fā)生器設(shè)計溯源實驗。信號發(fā)生器的直流電壓輸出精度為0.1級,范圍為0～20 V。采用標準直流電壓值為1.0 mV、2.0 mV、3.0 mV、4.0 mV、5.0 mV,頻率為0.1 μHz,占空比為100%的脈沖信號進行實驗,通過校準裝置中的直流分量校準模塊獲得實際測量值,將兩者進行對比,分析得到結(jié)果如表5。

表5 直流分量溯源測試實驗結(jié)果

Table 5 Experimental results of DC component traceability test

設(shè)定標準值/mV實際測量值/mV相對誤差/%1.00.9920.802.01.9850.753.02.9960.134.03.9960.105.04.9970.06

從表5中可知,電針治療儀校準裝置中的直流分量校準模塊的最大相對誤差為0.80%,不大于1.0%,符合校準裝置的技術(shù)指標要求。

3.1.5 連續(xù)波頻率校準模塊溯源實驗

針對電針治療儀校準裝置中連續(xù)波頻率校準模塊,選取DS4052示波器設(shè)計溯源實驗。示波器的精度為0.1級,范圍為0～500 MHz。采用標準頻率為10 Hz、50 Hz、100 Hz、200 Hz、300 Hz、400 Hz、500 Hz的正弦波信號進行實驗,通過校準裝置中的連續(xù)波頻率校準模塊獲得實際測量值,將兩者進行對比,分析得到結(jié)果如表6。

表6 連續(xù)波頻率溯源測試實驗結(jié)果

Table 6 Experimental results of continuous wave frequency traceability test

設(shè)定標準值/Hz實際測量值/Hz相對誤差/%10.010.012-0.1250.050.200-0.04100.0100.060-0.06200.0200.280-0.14300.0300.150-0.05400.0400.320-0.08500.0500.200-0.04

從表6中可知,電針治療儀校準裝置中的連續(xù)波頻率校準模塊的最大相對誤差為-0.14%,不大于1.0%,符合校準裝置的技術(shù)指標要求。

3.2 電針治療儀性能測試實驗

為驗證電針治療儀校準裝置的功能和性能,采用該校準裝置對蘇州華佗醫(yī)療器械有限公司SDZ-II型電針治療儀(250 Ω負載下)進行校準測試,結(jié)果如表7。

表7 SDZ-II型電針治療儀關(guān)鍵參數(shù)測試數(shù)據(jù)與分析表

Table 7 Test data and analysis table of key parameters of SDZ-II electro-acupuncture treatment instrument

檢測參數(shù)測量值JJF(浙)1123-2015《電針治療儀校準規(guī)范》最大電壓峰峰值/V9.963≤10(誤差:≤±30%)外殼漏電流/μA47.694≤100(誤差:≤±10%)輸出閉鎖/mV2.316≤2.5(誤差:≤±10%)直流分量/mV0.0000(誤差:≤±10%)連續(xù)波頻率/Hz100.041≤100(誤差:≤±30%)

測試結(jié)果表明SDZ-II型電針治療儀性能符合JJF(浙)1123—2015《電針治療儀校準規(guī)范》要求,本文研制的電針治療儀校準裝置功能可行。

4 結(jié) 論

本文根據(jù)浙江省地方技術(shù)規(guī)范JJF1123—2015《電針治療儀校準規(guī)范》,針對電針治療儀的關(guān)鍵參數(shù)研制電針治療儀校準裝置。通過實驗證明,本電針治療儀校準裝置的電壓峰峰值、外殼漏電流、輸出閉鎖、直流分量、連續(xù)波頻率的最大相對誤差分別為0.55%、0.90%、0.40%、0.80%、-0.14%,均可滿足校準裝置的技術(shù)指標要求,并且其性能可靠。因此,本文研制的電針治療儀校準裝置可用于三甲及以上醫(yī)院對電針治療儀進行檢測,并為電針治療儀參數(shù)的準確性和安全診療提供測試保障。