仿針刺手法的電針治療儀器的設(shè)計

巴斯迪 趙宇晴 鄒極燦 張心悅

摘要：在傳統(tǒng)中醫(yī)針刺手法的理論基礎(chǔ)上，科學(xué)地將針刺手法要素與電刺激信號參數(shù)建立起一一對應(yīng)的映射關(guān)系，以STM32F429IGT6芯片作為微處理器，實現(xiàn)波形參數(shù)頻率、幅值等的調(diào)節(jié)，將傳統(tǒng)針刺手法模擬成對應(yīng)的電刺激波形，設(shè)計一款仿針刺手法的電針治療儀。

關(guān)鍵詞：仿針刺手法 ? STM32F429IGT6 ? 映射 ? 電針治療儀

一、原理：

（一）針刺補瀉手法：

在臨床上，針刺補瀉必須在形氣脈象診察的前提下進行?！鹅`樞·終始》曰：“凡刺之法，必察其形氣?！薄鹅`樞·九針十二原》說：“凡將用針，必先診脈，視氣之劇易，乃可治也?！倍颊f明根據(jù)診察所得，判斷病證虛實寒熱，是針刺補瀉的指導(dǎo)思想和應(yīng)用原則。如“虛則實之者，氣口虛而當補之也;滿則瀉之者，氣口盛而當瀉之也?！?/p>

根據(jù)《內(nèi)經(jīng)》所示，后世以徐疾、提插手法為基本形式，構(gòu)成燒山火和透天涼等復(fù)式補瀉操作術(shù)式，誘導(dǎo)針下寒熱感應(yīng)，為針刺手法的重要內(nèi)容之一。“燒山火”手法是在得氣的基礎(chǔ)上，施行“緊按慢提”，針刺下會有溫熱感，故名“燒山火”。操作時分天、人、地三部分進針，先淺后深，三進一退。當針入五分時（天部）時，緊按慢提九次;然后依次將針插入一寸（人部）和一寸五分（地部），重復(fù)上述操作，此手法可反復(fù)進行。使用“透天涼”手法時，針刺下會有涼爽感，故名“透天涼”。操作時，先深后淺，一進三退。當針入一寸五分時（地部）時，慢按緊提六次;然后將針插入一寸（人部），照上步操作;最后深入到五分（天部），再照上部操作。

（二）仿針刺手法的實現(xiàn)

全面理解針刺手法應(yīng)包括進針方向、進針深度、具體施術(shù)手法的選擇、施術(shù)所持續(xù)的時間、留針時間的長短。同一穴位不同針刺方向甚至可以治療不同的疾病，加之施針的深淺、指力、頻度不同，對疾病的治療和轉(zhuǎn)歸往往起著關(guān)鍵性的作用。為此石學(xué)敏院士首先提出了針刺手法量學(xué)的概念，分別從捻轉(zhuǎn)方向、力度大小、作用時間以及兩次施術(shù)間隔強調(diào)了針刺手法量學(xué)的四大要素。

同時，輸出電刺激信號的波形、波幅、波寬、頻率、節(jié)律以及持續(xù)時間作為電針的重要評估參數(shù)。實質(zhì)上，用電針的評估參數(shù)表征針刺手法相關(guān)要素，以符號化測量理論為基礎(chǔ)，并參考這些參數(shù)實際的臨床效果，可以建立復(fù)雜的映射關(guān)系，進而可以模擬出更加科學(xué)的針刺手法。

（三）人體皮膚阻抗與電針參數(shù)選擇

SWANSON D和 WEBSTE J[6]提出了人體皮膚-電極阻抗電路模型。其等效電路模型如圖 3所示。其中，很小，相對于皮膚電極之間接觸電阻，可忽略不計。因此有皮膚-電極阻抗表征函數(shù)為：

由函數(shù)可見，阻抗值是頻率的函數(shù)具體實測結(jié)果引用TAJIB測試結(jié)果，隨著脈沖頻率由50Hz增加到500Hz，阻抗值由105Ω量級下降到103Ω量級。因此，只需使輸出單元輸出波形的主頻分量在該段頻譜上，便能實現(xiàn)該電針對電流的參數(shù)要求。

一般來說，電針作用與人體實際帶來的刺激是電流刺激，國家標準委員會規(guī)定電針儀器作用人提的電流需要控制在5mA以內(nèi)，又有人體感知電流為1mA，因此界定了輸出電流范圍是1～5mA。根據(jù)人體可適應(yīng)電信號參數(shù)，電刺激信號的頻率為2～100Hz，刺激時間設(shè)定為10～15min。

本款電針治療儀根據(jù)不同的參數(shù)組設(shè)置等級，并將其列成表，其中針刺手法的模擬波形參數(shù)等級表的具體參數(shù)值的設(shè)置。以“燒山火”為例，該波形的第一等級基波信號參數(shù)為電流1mA，頻率為100Hz，刺激時間為15min，刺入皮膚的深淺對應(yīng)的是強度的大小，在調(diào)幅原理中實現(xiàn)提插對應(yīng)的幅值，不同的幅值對應(yīng)不同的深度，所以天、人、地三部采用3種不同幅值與之對應(yīng)。對于針刺手法燒山火來說，用倒鋸齒波對應(yīng)緊按慢提，每種幅值波形連續(xù)9次。同時，為了防止皮膚的極化現(xiàn)象對皮膚的損傷，應(yīng)該使其輸出為對稱的波形。

二、硬件系統(tǒng)：

本款電針治療儀的硬件系統(tǒng)以STM32F429IGT6微處理器為核心，通過其配置內(nèi)置的定時器產(chǎn)生所需要的波形，并利用其內(nèi)置的D/A轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生模擬信號，再經(jīng)過信號調(diào)節(jié)電路形成最終的治療用波，以貼片電極作用于皮膚表面。通過按鍵模塊對波形的選擇，以及電刺激信號的參數(shù)頻率、強度、時間等進行調(diào)控，并將這些信息顯示在LCD液晶顯示屏上。信號調(diào)節(jié)電路由濾波電路、電壓放大電路、H橋電路等，對模擬信號進行濾波、調(diào)節(jié)、檢測。此外該儀器還設(shè)有反饋電路，將從電針處采集到的信號經(jīng)過流信號采集模塊傳入此微處理器的A/D轉(zhuǎn)換器。該儀器硬件部分由電源、微處理器STM32F429IGT6芯片內(nèi)部的ADC、DAC、通用定時器、外接的顯示模塊和按鍵模塊、信號調(diào)節(jié)電路、反饋電路以及電極構(gòu)成。仿針刺手法的電針治療儀的硬件框圖。

（一）波形發(fā)生電路

本項目設(shè)計的波形發(fā)生電路的硬件部主要采用STM32F429IGT6單片機，通過軟件設(shè)計可，以在設(shè)計的波形幅值序列儲存在STM32的儲存器內(nèi)，通過外加按鍵輸入設(shè)備來控制輸出波形的幅值和頻率，經(jīng)過DAC轉(zhuǎn)換模塊后再由后續(xù)電路進行進一步的濾波放大即可得到需要的模擬波形。LCD屏上可以顯示輸出波形的幅值，頻率，以及波形類別等相關(guān)信息。采用示波器可以之間觀察到輸出波形的形狀，對波形進行進一步的校驗。

STM32F429IGT6是ST公司推出的一款32位高性能低功耗，低成本的增強型系列的單片機，內(nèi)核采用的是ARM公司研發(fā)的Cortex-M4架構(gòu)的CPU，該內(nèi)核比以往內(nèi)核具有高性能低功耗低成本的特點，能很好滿足用戶的需求。使用該單片機將會提模擬波形的輸出效率。增強輸出波形的穩(wěn)定性，降低功率及成本。

（二）信號調(diào)節(jié)電路

變壓電路：電池模塊輸出需要升壓后才能為脈沖電路進行供電。升壓電路采用boost路，為動態(tài)升壓電路，可通過STM32F429進行幅值調(diào)控。

為了防止皮膚極化引起的皮膚損傷，采用本電路，完成對稱波形輸出。通過上述H橋電路，控制四個晶體管，可實現(xiàn)輸出正負對稱的波形。完成上述過程所需要的時間為一個周期，即為4T.因此可以通過定時器控制脈沖頻率，即為輸出的基頻。通過定時器可輸出升壓電路所需的固定頻率的PWM波，再動態(tài)調(diào)節(jié)占空比，可完成基頻的調(diào)節(jié)，達到模擬針刺手法的效果。

三、軟件系統(tǒng)：

該電針治療儀的軟件系統(tǒng)采用c語言編程，通過STM32F429IGT實現(xiàn)不同的針刺手法——“燒山火”、“透天涼”，以及不同參數(shù)等級，并將其列成表。按鍵選擇后，在針刺手法表和參數(shù)等級表中尋找出對應(yīng)的針刺手法波形和參數(shù)，同時設(shè)置波形參數(shù)如強度、頻率等的調(diào)節(jié)。具體軟件系統(tǒng)流程圖。

參考文獻：

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（作者單位：東北大學(xué)秦皇島分校）