仿針刺手法的電針治療儀器的設計

巴斯迪 趙宇晴 鄒極燦 張心悅

摘要：在傳統中醫針刺手法的理論基礎上，科學地將針刺手法要素與電刺激信號參數建立起一一對應的映射關系，以STM32F429IGT6芯片作為微處理器，實現波形參數頻率、幅值等的調節，將傳統針刺手法模擬成對應的電刺激波形，設計一款仿針刺手法的電針治療儀。

關鍵詞：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明根據診察所得，判斷病證虛實寒熱，是針刺補瀉的指導思想和應用原則。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《內經》所示，后世以徐疾、提插手法為基本形式，構成燒山火和透天涼等復式補瀉操作術式，誘導針下寒熱感應，為針刺手法的重要內容之一。“燒山火”手法是在得氣的基礎上，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），重復上述操作，此手法可反復進行。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

全面理解針刺手法應包括進針方向、進針深度、具體施術手法的選擇、施術所持續的時間、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，對疾病的治療和轉歸往往起著關鍵性的作用。為此石學敏院士首先提出了針刺手法量學的概念，分別從捻轉方向、力度大小、作用時間以及兩次施術間隔強調了針刺手法量學的四大要素。

同時，輸出電刺激信號的波形、波幅、波寬、頻率、節律以及持續時間作為電針的重要評估參數。實質上，用電針的評估參數表征針刺手法相關要素，以符號化測量理論為基礎，并參考這些參數實際的臨床效果，可以建立復雜的映射關系，進而可以模擬出更加科學的針刺手法。

（三）人體皮膚阻抗與電針參數選擇

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-電極阻抗表征函數為：

由函數可見，阻抗值是頻率的函數具體實測結果引用TAJIB測試結果，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，便能實現該電針對電流的參數要求。

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

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

二、硬件系統：

本款電針治療儀的硬件系統以STM32F429IGT6微處理器為核心，通過其配置內置的定時器產生所需要的波形，并利用其內置的D/A轉換器產生模擬信號，再經過信號調節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頻率、強度、時間等進行調控，并將這些信息顯示在LCD液晶顯示屏上。信號調節電路由濾波電路、電壓放大電路、H橋電路等，對模擬信號進行濾波、調節、檢測。此外該儀器還設有反饋電路，將從電針處采集到的信號經過流信號采集模塊傳入此微處理器的A/D轉換器。該儀器硬件部分由電源、微處理器STM32F429IGT6芯片內部的ADC、DAC、通用定時器、外接的顯示模塊和按鍵模塊、信號調節電路、反饋電路以及電極構成。仿針刺手法的電針治療儀的硬件框圖。

（一）波形發生電路

本項目設計的波形發生電路的硬件部主要采用STM32F429IGT6單片機，通過軟件設計可，以在設計的波形幅值序列儲存在STM32的儲存器內，通過外加按鍵輸入設備來控制輸出波形的幅值和頻率，經過DAC轉換模塊后再由后續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，內核采用的是ARM公司研發的Cortex-M4架構的CPU，該內核比以往內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。增強輸出波形的穩定性，降低功率及成本。

（二）信號調節電路

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，為動態升壓電路，可通過STM32F429進行幅值調控。

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，再動態調節占空比，可完成基頻的調節，達到模擬針刺手法的效果。

三、軟件系統：

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

參考文獻：

[1]黃大勉，徐學奎.智能電針治療儀原理與實現[J].電子技術，2006，（18）：68-70.

[2]北京中北創新科技發展有限公司.靜電測量與防護技術講座之人體帶電模型[J].新技術與新工藝，2001，（01）：84-86.

[3]梁玉紅.微機針灸治療儀的研制[J].微型機與應用，2000，（12）：23-25.

[4]陸康壽.針刺手法百家集成[M].北京：中國中醫藥出版社，1999.

[5]石學敏.針刺手法與臨床效果的相關性研究———同一穴位針刺方向、深度、施術與對應癥的關系[J].中醫學報，2012，（172）：1077-1079.

（作者單位：東北大學秦皇島分校）