一种家用睡眠治疗仪的设计与实现

    黄冬来　承志

    

    摘 要：经颅微电流刺激疗法（CES）是一种非创伤性治疗抑郁症、焦虑症、失眠症等的非药物物理治疗法，市场上已经出现了诸多电刺激治疗相关产品，但只具有特定的治疗模式，功能适应面局限性大。本文从睡眠治疗仪的功能实现机理、硬件单元搭建，功能应用开发等方面展开分析，针对广大失眠症患者居家使用，研制一款有效、快速、无痛、无副作用的产品，彻底解决睡眠障碍患者的睡眠困扰。

    关键词：CES;微电流刺激;家用

    一、绪论

    随着近几年来我国科技和经济的迅猛发展，国民工作、生活节奏的加快，睡眠质量问题严重影响着广大国民的正常生活起居，已经成为影响国民身心健康的大敌。调查数据显示，2019年我国有超2亿人深受睡眠妨碍症或失眠症的困扰，而且患病人数还在逐年递增，日趋年轻化。短期的睡眠质量影响容易造成精神疲乏、注意力不集中、头晕头疼、记忆力减退、情绪低落、易激动等一系列问题，影响着工作、学习和生活的正常开展。严重的睡眠质量患者因正常的生活节奏持续性被打乱，大脑正常产生兴奋和抑制的节律变得混乱，引发形成睡眠妨碍症和失眠症，造成患者神经衰弱，身体免疫力下降，进而诱导出神经系统和其他生理性疾病。

    目前，治疗睡眠质量问题的方式是以药物为主，辅以心理疏导。药物治疗睡眠病症作用直接，治疗效果较好，但长期依赖药物治疗，会促使患者表现出很强的药物依赖性，并存在不同程度的药物毒副作用风险;心理疏导对由睡眠质量差所引发的心理异常兴奋、焦虑、恐惧、紧张、忧郁等治疗具有不可替代的效果，但在目前临床治疗中，由于受诸多因素和条件的限制，心理咨询和心理疏导仍然难以普遍展开，致使治疗效果不及预期。所以研制一款安全、无痛、无毒副作用、操作简单、居家使用，可同时评测睡眠质量、治疗失眠、改善睡眠质量的治疗仪器具有广泛的市场应用与推广价值。

    二、经颅微电流刺激治疗仪的作用机理

    经颅微电流刺激（Cranial Electrotherapy Stimulation，简称CES）治疗是由专门仪器产生低强度微量的电信号，经患者颅脑部位导入直接刺激大脑，诱导改变患者异常脑电波形，促使大脑分泌一系列与放松心情、愉悦情绪、身体松弛等存在密切联系的神经递质和激素，以此实现对睡眠质量疾病的治疗。CES疗法是一种区别于传统药物治疗、电抽搐治疗、心理疏导治疗的治疗方法，具有治疗效果佳、操作简便、无依赖性、无毒副作用等优势。据相关研究显示，经颅微电流刺激疗法是应用生物电和脑电的共同作用机理，在人体处于闭目安静时脑电波形中出现频率为8～13Hz的α波;困倦疲惫时出现频率为4～7Hz的δ波。研究还表明：1～25Hz的低频电流对人体大脑中枢神经可以产生一定的抑制作用。通过特殊设计的工作仪器将调制后的低频电流经贴合在大脑两侧耳垂的电极导入患者大脑部位，并形成一个稳定的作用电场。作用电场促使大脑分泌释放能够调节个体情绪与认知的各种神经介质，如内源性吗啡肽、乙酰胆碱、5-羟色胺等，迅速有效地控制患者焦虑、抑郁情绪，舒缓心情，诱导和促进机体产生生理性睡眠。作用电场同时还能够有效改善患者脑电波形，刺激主导人为心理情绪和心理活动的下丘脑、大脑神经网絡系统进行调整修正，产生稳定的α活动频率电波，达到促使大脑松弛、身体放松，情绪轻松的状态，最终实现治疗或缓解患者失眠病症的效果。

    三、家用经颅微电流刺激治疗仪的设计规则

    睡眠质量问题一直困扰着睡眠妨碍症、失眠患者和家属的日常起居生活，经颅微电流刺激治疗仪广泛应用于睡觉失眠、睡眠障碍、老年痴呆、精神失常等病症患者。研制一款适合于居家使用需求的睡眠治疗仪器必须遵守如下要求：

    第一，安全可靠要求，经颅微电流刺激治疗技术是直接将电信号作用于人体头部，诱导机体产生一定的理化效应，从而达到治疗人体疾病的目的。要求仪器所产生的刺激电信号对人体作用安全无损伤，危险因素影响降至最低，同时仪器多频次使用，输出参数稳定，工作性能可靠。

    第二，有效性要求，保证仪器有效工作的同时，仪器所产生的刺激电流穿过大脑颅骨进入到脑组织内部，其作用电场对大脑神经元的兴奋性能够进行有效地调节。仪器所产生刺激电流的强度和频率的高低必须得到有效控制，保证电信号在传导过程中的干扰影响和损耗降至最小。

    第三，参数可控性要求，仪器需要根据患者病症的严重程度和患者治疗过程中的治愈程度变化对刺激电信号的强弱、作用波形和持续作用时间等参数进行精准实时调节，以确保仪器治疗达到最佳效果。

    第四，经济实用要求，仪器适用于居家患者不同场合的使用需求，要求设仪器外形设计小巧、功能操作简便、刺激参数易于设置调整，而且便携，价格低廉等。

    四、家用经颅微电流刺激仪的硬件结构设计

    结合家用经颅微电流刺激仪的设计要求，搭建了由电源单元、主控（MCU）单元、刺激信号产生与调制单元、系统控制与显示单元、输出电极单元五部分组成的睡眠微电流刺激仪硬件结构系统，如下图所示。

    该经颅微电流刺激治疗仪采用5V蓄电池或手机充电电源双模直流电源供电，满足患者实时治疗，治疗模式自动转换和便携的需求;MSP430单片机作为仪器的主控芯片，16位的信息处理核心，具有精简指令集（RISC）结构，技术成熟，超低功耗，工作稳定等优点;仪器使用MAX038芯片作为刺激信号波形输出单元，只需很少外围组件和电路搭建，就能产生精密、稳定的刺激波形输出，而且波形频率0.1～20MHz范围内实现连续可调。经颅微电流刺激治疗仪设计配置有电流治疗和电场治疗两个刺激电极输出端口，导电电极用于电流治疗，绝缘电极用于电场治疗，扩充患者的应用需求。刺激电极采用圆片形包埋海绵层金属电极片，使用时用生理盐水或导电胶来降低人体皮肤的电阻，用弹性胶带对刺激电极片进行头部接触固定，对人体头部的皮层区进行聚焦性刺激，保证刺激治疗效果。仪器采用膜式微动按钮和液晶屏显示设计，完成对刺激输出电信号的强度、频率、刺激持续时间的定时实时调整和显示的同时，以适应不同患者治疗的差异性需求，保证患者治疗时的针对性和舒适感。

    五、家用经颅微电流刺激仪的软件设计

    为了保证经颅微电流刺激仪的刺激电流、电压和刺激频率波形精准，且稳定连续可调，控制软件编程系统应用了基于美国Keil软件公司开发的ARM系列C语言软件开发系统Keil uVisin4。该系统适配最新的Cortex-M3核处理器，具有访问界面优良、强大的Smulation设备模拟、性能分析，并拥有强大的仿真调试器、宏汇编器、C编译器等功能于一体，为仪器的控制程序实现提供了良好的开发环境。同时也为经颅微电流刺激仪的刺激电信号和频率的精准输出、参数设置、定时工作、多治疗模式的自动转换等功能实现可通过图形用户界面的直观调节，方便快捷，并且为适应患者需求的人性化产品功能开发提供了强有力的技术支持。

    六、结语

    CES治疗技术经过近几年的完善与发展，在睡眠障碍、失眠等病症的临床治疗疗效方面得到了广泛的认同，与传统的药物+心理辅助疗法比较，CES技术为治疗精神抑郁症、焦虑症、睡眠障碍等精神类疾病的治疗提供了新途径，让患者有机会选择更安全、便捷、有效的技术手段尝试治疗。该仪器经过初期的产品试制和调试应用，设备工作稳定，刺激参数输出检测符合设计预期，但在仪器产生刺激波形的优化、作用电场在人体头部的聚焦深度控制，人体作用反馈电信号的自动调节、外界信號的干扰影响等方面还需要进一步深入研究，实现仪器结构的不断完善，刺激参数的不断优化，以达到理想的刺激效果。

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    课题项目：2016年度湖南省教育厅科学研究项目（16C1581）

    作者简介：黄冬来（1976— ），男，汉族，湖南湘潭人，副教授。