基于STM32 的中西結合音樂電針治療耳機的研究與設計

解澤平，孫士儒，張高航，石春花（通信作者）

長治醫學院生物醫學工程系 （山西長治 046000）

目前，慢性病已逐步影響了人們的身體健康，而康復治療與運動處方成為時下較為理想的病癥前期的預防和緩解措施。這其中包括一種結合音樂并利用電針對人體進行治療的技術。音樂電針治療耳機通過音樂改變電流，對人體穴位進行刺激，相較于傳統電療儀，其克服了電刺激的適應效應，具有舒適的刺激感，可明顯提高治療效果[1-2]。但有的音樂電針治療耳機存在如下問題：（1）采用音樂電流刺激穴位，但并未應用音樂進行舒緩治療；（2）缺乏系統研究，只是將音樂與電針進行簡單的結合，未對音樂類型進行必要的篩選。本研究設計了一款基于STM32的中西結合音樂電針治療耳機，將傳統醫學與現代控制技術相結合，使電和聲兩種物理因子同時作用于人體耳部和經穴；其適應性廣，凡可用電針療法治療的疾病均為其適應證，且具有音樂治療和刺激經穴的雙重作用；此外，音樂可選擇、過濾，具有使用安全、小型價廉和操作簡便的特點[3]。

1 系統總體設計

基于STM32的中西結合音樂電針治療耳機由主處理器模塊STM32、音頻解碼模塊、濾波模塊、音頻放大模塊、LCD、電極組成[4]，見圖1。STM32單片機內置的6首音樂和后期自主下載的音樂均可通過LCD 顯示；電源部分為單片機提供啟動電壓，4.5～9.0 V 可調；音樂信號通過音頻解碼模塊轉化為電信號，一路進入放大模塊，刺激電極，作用于人體穴位，另一路進入耳機，作用于人體，進行音樂治療。

圖1 基于STM32 的中西結合音樂電針治療耳機組成

2 系統硬件設計

系統硬件由主處理器模塊、音頻解碼模塊、濾波模塊、音頻放大模塊4個部分組成。主處理器模塊為STM32單片機，音頻解碼模塊為VS1053芯片及外圍電路，濾波模塊為UAF42芯片，音頻放大模塊主要由音頻功率放大器OTL 組成。

2.1 主處理器模塊

本研究采用意法半導體的STM32單片機作為主處理器模塊。STM32具有高性能、低成本、資源多的優點，并能夠產生準確的刺激，具有音樂電針治療、觸摸屏控制等功能，可以滿足本電針治療耳機的智能化要求。

本設計的基本工作原理是以STM32單片機為控制核心，通過觸摸屏實現對音樂的控制，音頻解碼芯片將音頻數據流解碼后，通過音頻放大電路輸出至電極，作用于人體。在治療過程中，患者還可以欣賞音樂[5-6]。

2.2 音頻解碼模塊

本研究采用的音頻解碼芯片VS1053具有高性能、低功耗的優點。系統開始工作后，先初始化SPI 及其引腳，SPI 的通信流程為先發送讀命令或者寫命令；寫命令時，需要寫寄存器地址，再發送數據，先是高8位之后是低8位；讀命令時，需要讀寄存器地址，再去讀，讀到的值先是高8位之后是低8位，組合為16位；再初始化VS1053，拉高一次RST，等待DREQ 為高，配置VS1053的MODE 寄存器和CLOCKF 寄存器；配置播放的寄存器，如音量、音效、音速，設置解碼時間，VS1053會對音頻文件進行解碼[7]。

2.3 濾波模塊

常見音樂治療的音頻為20～20 000 Hz，包含低頻和中頻成分。脈沖電流為20～50 Hz 時，人體會有明顯的振顫感；50～100 Hz 具有擴張血管、促進血液循環的功能；100～250 Hz具有止痛的效果[8]。我們設置高通+低通連級的帶通濾波模塊，無論自行下載的音樂屬于什么范圍，一旦不在所設定的頻率范圍內，即會自動停止電針和音樂治療。

2.4 音頻放大模塊

本研究采用OTL 功放作為音頻放大模塊的主要組成部分，具有電路性能指標高、非線性失真小、頻率響應寬等優點。該模塊由前級放大電路與音頻功率放大電路組成，前一級放大電路主要對小信號進行放大，后一級主要對音頻功率進行放大，通過兩次放大實現音頻信號的輸出，從而得到需要的音頻[9]。

3 系統軟件設計

本設計中的軟件包括系統軟件和應用軟件兩大部分，其中，系統軟件是基于KEIL 編寫的模塊程序，包括USB驅動、VS1053設置以及yaffs 文件系統等；應用軟件設計主要為顯示模塊上的界面，是基于QT 圖形界面開發的，在工作狀態下，通過該界面可以完成打開并播放具有治療康復功能的處方音樂文件，選擇曲目，調整音量等治療過程的操作。在工作狀態下，電療強度會隨音量的增加或減小做出相應的變化，當關閉音樂后，無輸出，結束電療[10]。

4 系統測試

本研究設計、制作后的基于STM32的中西結合音樂電針治療耳機見圖2。在音樂治療模式下，示波器記錄的6種音樂處方（表1）的電極波形見圖3，音樂波形豐富多變[11-12]。經過處理后，正負部分波形對稱，脈寬0.1～60.0 ms，頻率0～25 kHz，電流-2.0～2.0 mA，基本達到預設性能指標[13]。

圖2 基于STM32 的中西結合音樂電針治療耳機外觀

表1 6種音樂處方

圖3 6 種音樂處方的電極仿真波形

為了進一步測試基于STM32的中西結合音樂電針治療耳機的療效，我們采用實驗室對比測試法：選擇60人，分為電針組和結合音樂電針組，各30人；兩組采用相同頻率的治療，測試兩組人群的針感效果[14]，測試結果見表2；采用SPSS 22.0統計軟件進行數據處理，采用重復測量資料進行檢驗，檢驗水平α=0.05，采用方差分析進行組間比較，通過P 值驗證組間差異，P＜α 時表明差異有統計學意義，P＞α 時表明差異無統計學意義。

經過多次測量檢驗后，兩組針感效果比較，差異有統計學意義（P＜0.05）[15]。表2數據顯示，隨著時間的延長，電針組的針感強度值逐漸減小，10 min 后針感強度值開始明顯減小，30 min 時減小至15.5 Hz，表明電針產生了明顯的電刺激適應性；結合音樂電針組的針感強度值從未減小，反而增大，30 min 時增大至53.3 Hz，表明結合音樂電針治療耳機克服了適應性。

表2 兩組針感效果（Hz，

表2 兩組針感效果（Hz，

結合音樂電針組（30 人）0 min 50.0 50.0 5 min 47.7±6.3 51.2±1.6 10 min 43.3±7.9 53.8±3.1 15 min 34.8±8.7 53.3±2.4 20 min 27.0±11.3 53.7±1.6 25 min 19.3±12.1 53.8±1.7 30 min 15.5±11.6 53.3±2.7時間 電針組（30 人）

5 小結

本研究設計了一款基于STM32的中西結合音樂電針治療耳機，在工作狀態下，其可以產生豐富的音樂波形，將具有治療康復功能的音樂信號同步轉化為電流信號后，與音樂共同作用于人體，可以達到治療疾病、促進康復的目的[12]。該耳機克服了傳統電針治療的電刺激適應性，是將針灸療法、電療法與音樂療法相結合形成的一種新型康復儀器，可以滿足不同人群的各類需求，具有促進循環、鎮靜、鎮痛、降血壓、解疲勞、抗抑郁等功效[16]。