基于CC2541的仿针刺手法的电针系统

李鹏飞，张海英，张 俊，李生辉

(1.中国科学院大学 微电子学院，北京 100029 ；2.中国科学院微电子研究所 健康电子研发中心，北京 100029；3.中国科学院微电子研究所 新一代通信射频芯片技术北京市重点实验室，北京 100029)

基于CC2541的仿针刺手法的电针系统

李鹏飞1,2,3，张海英2,3，张 俊2,3，李生辉2,3

(1.中国科学院大学 微电子学院，北京 100029 ；2.中国科学院微电子研究所 健康电子研发中心，北京 100029；3.中国科学院微电子研究所 新一代通信射频芯片技术北京市重点实验室，北京 100029)

现在电针设备普遍存在不便携、安全性能差、输出波形单一、缺乏科学性而且智能交互性差等缺点，对此结合无线传感网络技术，设计了一个基于CC2541的仿针刺手法的电针系统，并对该系统的系统框架、硬件、针刺手法模拟理论以及算法实现和系统软件实现方案进行了介绍。

电针系统；CC2541；针刺手法；硬件；手法模拟

0 引言

电针是在传统针刺手法上发展起来并结合现代科技的针灸方法，其优点在于：(1)针与电两种刺激相结合,可提高疗效;(2)能比较正确地掌握刺激参数;(3)代替手法运针,节省人力[1]。然而现在的电针设备同时具备了很多的缺点，例如：普遍存在刺激手法不科学，输出波形简单，多为断续波与疏密波;长时间刺激易产生极化现象[2]；生产难以国家标准化，安全性能差；体积大，不便携；智能化差，输出波形少等。

随着物联网技术的发展，便携性医疗设备的研究应用已经到了一个爆炸性的时代。针对上述电针存在的一系列问题，本文结合无线传感网络技术，设计了一个基于CC2541的仿针刺手法的电针系统。其特点在于：(1)便携且可以科学模拟多种不同的针灸手法，同时，所采取的针灸手法合理、科学，不会对穴位造成极化现象等损伤；(2)高度智能化，能够作为无线节点与手机APP进行数据、指令交互，APP拥有良好的用户交互界面，用户可以根据提示要求等调节手法、强度、时间等参数。

1 系统组成以及硬件

1.1 系统组成

BLE(Bluetooth Low Energy)是蓝牙4.0的核心profile，主要特点是快速搜索，快速连接，超低功耗保持连接和数据传输，缺点是数据传输速率低。由于其具有低功耗特点，故而经常用在可穿戴设备之中。CC2541是一款针对低能耗以及私有 2.4 GHz 应用的功率优化的真正片载系统 (SoC) 解决方案[3]。本系统以CC2541蓝牙芯片为核心，将仿针刺手法电针设计成智能腕带的形式，只需调节腕带就可以固定于人体一定的部位，然后手机APP通过蓝牙通信控制该智能腕带输出不同的仿针刺手法，以达到相应的理疗疗效。该基于CC2541的仿针刺手法电针系统框架如图1所示。按实物终端可分为智能APP端与仿针刺手法电针端，按功能模块可划分为核心控制单元、通信单元、电源管理单元以及输出单元。

图1 基于CC2541的仿针刺手法的电针系统框图

其中核心控制单元由CC2541最小系统以及键控模块和显示模块组成。该芯片通信接收相关的指令和传输相关数据的同时，可由不同的算法实现不同的I/O输出，以达到不同的仿针刺手法输出。键控模块用于仿针刺手法电针的启动以及不同针刺手法参数的调节。而显示模块用于显示当前执行针刺手法的相关数据以及电量一些参数等。

通信单元作为连接手机APP端与仿针刺手法电针端的桥梁存在，其基础便是BLE。通过该通信协议，可以智能地对仿针刺手法电针端进行针刺手法以及强度、频率、时间等参数进行动态管理。同时，仿针刺手法电针端也可以由上位机通过USB进行系统升级和数据传输。

电源管理单元包括充电模块和电压转换模块。当USB经由5 V电源适配器通电后，其可以经由充电模块对锂电池进行充电。然后锂电池或者充电模块的输出经由降压模块为核心控制单元进行供电和经由升压模块升压后为后续的输出单元提供电压。值得注意的是，该升压模块是动态升压电路，可以由CC2541进行动态幅值控制，这也是实现后边的仿针刺手法算法的前提。

输出单元主要包括功放模块与电极。功放模块由CC2541控制输出不同的波形，同时之前的动态升压模块又为其提供电压，以达到不同仿针刺手法硬件的实现。而对于电极选取上，一般来说选取接触阻抗低的柔性电极效果比较好。为了达到更好的疗效，可以利用电离子导入技术[4]在电极上涂上相关的药物,利用电刺激渗入穴位。

1.2 硬件

一般来说，电针作用于人体实际上带来的刺激是电流刺激，人体的感知电流为1 mA，而国家标准委员会规定电针仪器作用于人体的电流应控制在5 mA以内[5]，故该输出单元的输出电流应控制在1～5 mA。实际上，人体皮肤接触阻抗是105～106Ω级别，需要达到所述要求的微型输出单元是很难实现的。

SWANSON D和WEBSTER J[6]提出了人体皮肤-电极阻抗电路模型。故而当实际测量穴位阻抗时，其等效电路模型如图2所示。

实际上Rtissue的值很小，约为150 Ω[7],相对于皮肤-电极接触阻抗为kΩ级别的值来说是可以忽略的。故皮肤-电极阻抗表征函数为：

(1)

(2)

图2 实测皮肤—电极等效电路

由此可见,其阻抗值是频率的函数,具体实测结果引用TAJI B[7]测试结果,随着脉冲频率由50 Hz增加到500 Hz,阻抗值由105Ω量级下降到103Ω量级。因此,只需使输出单元输出波形的主频分量在该段频谱上,便能实现该电针对电流的参数要求。同时,为了防止皮肤的极化现象对皮肤的损伤,应该使其输出为对称的波形。故而,本电针选择了H桥电路作为基频输出电路,该电路如图3所示,参照文献[8],选取参数合适的电阻以及晶体管，以达到预期的放大要求。

图3 仿针刺手法电针输出单元H桥电路

对于升压模块，本仿针刺手法电针采用了常见boost升压电路，来满足控制单元对输出单元的动态调控的效果。该过程相对于调制，整个调制过程其实质上就是仿针刺手法实现过程。整体元件参数的确定可参照文献[8]，以达到预期效果。对于该仿针刺手法电针的其他硬件电路现在都有很成熟的解决方案，本文不再详述。

2 仿针刺手法

2.1 针刺手法以及仿针刺手法理论

针刺手法主要指的就是传统的补泄手法。补法是泛指能鼓舞人体正气，使低下的功能恢复旺盛的方法。泻法是泛指能疏泄病邪使亢进的功能恢复正常的方法。当然，现在研究发现一定频率电信号刺激人体穴位，从神经层面、免疫层面和内分泌层面都有一定的积极意义[9]。一般来说，依据《针灸学》将手法分类为单式手法、复式手法。

图5 “透心凉”手法模拟波形与实际输出波形

用于针灸规范化研究的针灸仪器大体上分为测定针刺手法参数和模拟针刺手法的仪器。模拟针刺手法的重点就是用电刺激信号的参数来表达传统针刺手法的相关要素。针刺手法作为中医里的精髓，缺乏统一的标准，为此石学敏院士首先提出了针刺手法量学的概念，分别从捻转方向、力度大小、作用时间以及两次施术间隔强调了针刺手法量学的四大要素。同时，输出电刺激信号的波形、波幅、波宽、频率、节律以及持续时间作为电针的重要评估参数。实质上，用电针的评估参数表征针刺手法相关要素，以符号化测量理论为基础，并参考这些参数实际的临床效果，可以建立复杂的映射关系，进而可以模拟出更加科学的针刺手法。具体映射关系如图4所示。

2.2 具体仿针刺手法实现实例

以“透心凉”手法为例，以120 Hz的正负对称脉冲波为基频输出(定义120 Hz为“泄法”基频，60 Hz为“补法”基频)，依照刘堂义等人[10]对10位专业人员针刺手法的参数统计所作的“轻插重提”手法可以确定“轻插重提”的时间以及脉冲强度的变化率，如此便可用该包络信号模拟一个地部的轻插重提。如此重复6次波形，依此方法分别模拟人部、天部波形，并分别重复6次相应波形，之后停止输出一定时间，“透心凉”手法便模拟完成。患者可依据病症需求设定“透心凉”手法的作用时间以及强度等参数。

针刺手法的算法实现上，通过定时器控制CC2541的四个通道输出PWM波，使得图3中Q3、Q6同时导通时，Q2、Q7同时不导通，持续一定时间T；然后，Q3、Q6同时不导通，Q2、Q7依然不导通，持续一定时间T；接着，Q2、Q7同时导通，Q3、Q6依然不导通，持续时间T；最后，Q2、Q7同时不导通，Q3、Q6依然不导通，持续时间T。通过控制这4个晶体管便可输出正负对称的脉冲波形。如此便输出一个周期为4T的正负对称的脉冲波形，通过控制定时器便可控制脉冲频率，也就是输出单元的基频。对输出基频的调制便可实现各种模拟针刺手法，具体上，可以通过CC2541的定时器输出boost升压电路所需固定频率的PWM波，通过动态调控该波形的占空比，便可使输出基频的幅度以一定的函数变化，从而达到预期的模拟针刺手法输出。其“透心凉”手法模拟波形与实际输出波形如图5所示。实际上，该固定频率PWM波占空比变化的分辨率是由CC2541系统内部事件扫描速率来决定的。

图4 针刺手法要素与电针参数映射关系

3 软件设计

本系统电针采用C编程，开发环境为IAR Embedded Workbench for 8051。而APP采用Java编程，开发环境为Eclipse。通过CC2541实现不同的针刺手法，将其编成列表，然手APP发送针刺手法，CC2541查询列表输出不同的针刺手法，其中，幅度、频率以及作用时间也可以进行参数设置。具体程序流程如图6所示。

图6 主程序流程图

4 结论

本文针对现在电针设备一系列问题，结合无线物联网技术，设计了一个基于CC2541蓝牙芯片的仿针刺手法电针系统。解决了传统电针不便携、易对皮肤损伤，尤其是输出波形不科学与交互性能差的缺点。该电针系统通过客户端APP可以进行不同针刺手法选取以及输出频率、强度和作用时间等参数的设置，进而基于BLE通信协议，将指令传输给电针，然后电针选取内部储存的不同手法进行输出。经试验，该电针系统具有一定的疗效，针对简单的病症有一定的补泄疗效。然而，针对更多的病症需要长期医院进行临床验证，而且用户APP也可以进行更多的功能扩展，包括数据云上传、医患交流、病症说明以及手法指导等功能。

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Electro acupuncture system based on CC2541 for imitating acupuncture manipulation

Li Pengfei1,2,3, Zhang Haiying2,3, Zhang Jun2,3, Li Shenghui2,3

(1. School of Microelectronics, University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100029, China；2. R&D Center of HealthCare Electronics, Institute of Microelectronics of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100029, China；3. Beijing Key Laboratory of Radio Frequency IC Technology for Next Generation Communications, Institute of Microelectronics of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100029, China)

At present, the electric acupuncture equipment is not portable and has a poor safety performance, especially the output waveform is single, lack of scientific nature, and has a poor intelligent interaction. Based on these series of problems, combined with wireless sensor network technology, this paper designs a kind of acupuncture system based on CC2541. Meanwhile, the paper has some introductions of the system with the framework, hardware, the simulation theory of acupuncture manipulation, the realization of the algorithm and system software.

EA system; CC2541; acupuncture; hardware; simulation of manipulation

TN98

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2017.16.030

李鹏飞，张海英，张俊，等.基于CC2541的仿针刺手法的电针系统[J].微型机与应用，2017,36(16)：106-109.

2017-02-23)

李鹏飞(1990-)，男，硕士研究士，主要研究方向：健康医疗电子。

张海英(1964-)，女，研究员，博士生导师，主要研究方向：微电子和现代通信技术在医疗健康领域的应用，实时精准生命体征信息采集、慢性病管理模式、老龄智能科技方面组织体系化技术和产品开发。

张俊(1983-)，男，硕士，助理研究员，主要研究方向：数字信号处理，便携式医疗电子设计。