仿针刺手法的电针治疗仪器的设计

巴斯迪 赵宇晴 邹极灿 张心悦

摘要：在传统中医针刺手法的理论基础上，科学地将针刺手法要素与电刺激信号参数建立起一一对应的映射关系，以STM32F429IGT6芯片作为微处理器，实现波形参数频率、幅值等的调节，将传统针刺手法模拟成对应的电刺激波形，设计一款仿针刺手法的电针治疗仪。

关键词：仿针刺手法   STM32F429IGT6   映射   电针治疗仪

一、原理：

（一）针刺补泻手法：

在临床上，针刺补泻必须在形气脉象诊察的前提下进行。《灵枢·终始》曰：“凡刺之法，必察其形气。”《灵枢·九针十二原》说：“凡将用针，必先诊脉，视气之剧易，乃可治也。”都说明根据诊察所得，判断病证虚实寒热，是针刺补泻的指导思想和应用原则。如“虚则实之者，气口虚而当补之也;满则泻之者，气口盛而当泻之也。”

根据《内经》所示，后世以徐疾、提插手法为基本形式，构成烧山火和透天凉等复式补泻操作术式，诱导针下寒热感应，为针刺手法的重要内容之一。“烧山火”手法是在得气的基础上，施行“紧按慢提”，针刺下会有温热感，故名“烧山火”。操作时分天、人、地三部分进针，先浅后深，三进一退。当针入五分时（天部）时，紧按慢提九次;然后依次将针插入一寸（人部）和一寸五分（地部），重复上述操作，此手法可反复进行。使用“透天凉”手法时，针刺下会有凉爽感，故名“透天凉”。操作时，先深后浅，一进三退。当针入一寸五分时（地部）时，慢按紧提六次;然后将针插入一寸（人部），照上步操作;最后深入到五分（天部），再照上部操作。

（二）仿针刺手法的实现

全面理解针刺手法应包括进针方向、进针深度、具体施术手法的选择、施术所持续的时间、留针时间的长短。同一穴位不同针刺方向甚至可以治疗不同的疾病，加之施针的深浅、指力、频度不同，对疾病的治疗和转归往往起着关键性的作用。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。

（三）人体皮肤阻抗与电针参数选择

SWANSON D和 WEBSTE J[6]提出了人体皮肤-电极阻抗电路模型。其等效电路模型如图 3所示。其中，很小，相对于皮肤电极之间接触电阻，可忽略不计。因此有皮肤-电极阻抗表征函数为：

由函数可见，阻抗值是频率的函数具体实测结果引用TAJIB测试结果，随着脉冲频率由50Hz增加到500Hz，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。

一般来说，电针作用与人体实际带来的刺激是电流刺激，国家标准委员会规定电针仪器作用人提的电流需要控制在5mA以内，又有人体感知电流为1mA，因此界定了输出电流范围是1～5mA。根据人体可适应电信号参数，电刺激信号的频率为2～100Hz，刺激时间设定为10～15min。

本款电针治疗仪根据不同的参数组设置等级，并将其列成表，其中针刺手法的模拟波形参数等级表的具体参数值的设置。以“烧山火”为例，该波形的第一等级基波信号参数为电流1mA，频率为100Hz，刺激时间为15min，刺入皮肤的深浅对应的是强度的大小，在调幅原理中实现提插对应的幅值，不同的幅值对应不同的深度，所以天、人、地三部采用3种不同幅值与之对应。对于针刺手法烧山火来说，用倒锯齿波对应紧按慢提，每种幅值波形连续9次。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。

二、硬件系统：

本款电针治疗仪的硬件系统以STM32F429IGT6微处理器为核心，通过其配置内置的定时器产生所需要的波形，并利用其内置的D/A转换器产生模拟信号，再经过信号调节电路形成最终的治疗用波，以贴片电极作用于皮肤表面。通过按键模块对波形的选择，以及电刺激信号的参数频率、强度、时间等进行调控，并将这些信息显示在LCD液晶显示屏上。信号调节电路由滤波电路、电压放大电路、H桥电路等，对模拟信号进行滤波、调节、检测。此外该仪器还设有反馈电路，将从电针处采集到的信号经过流信号采集模块传入此微处理器的A/D转换器。该仪器硬件部分由电源、微处理器STM32F429IGT6芯片内部的ADC、DAC、通用定时器、外接的显示模块和按键模块、信号调节电路、反馈电路以及电极构成。仿针刺手法的电针治疗仪的硬件框图。

（一）波形发生电路

本项目设计的波形发生电路的硬件部主要采用STM32F429IGT6单片机，通过软件设计可，以在設计的波形幅值序列储存在STM32的储存器内，通过外加按键输入设备来控制输出波形的幅值和频率，经过DAC转换模块后再由后续电路进行进一步的滤波放大即可得到需要的模拟波形。LCD屏上可以显示输出波形的幅值，频率，以及波形类别等相关信息。采用示波器可以之间观察到输出波形的形状，对波形进行进一步的校验。

STM32F429IGT6是ST公司推出的一款32位高性能低功耗，低成本的增强型系列的单片机，内核采用的是ARM公司研发的Cortex-M4架构的CPU，该内核比以往内核具有高性能低功耗低成本的特点，能很好满足用户的需求。使用该单片机将会提模拟波形的输出效率。增强输出波形的稳定性，降低功率及成本。

（二）信号调节电路

变压电路：电池模块输出需要升压后才能为脉冲电路进行供电。升压电路采用boost路，为动态升压电路，可通过STM32F429进行幅值调控。

为了防止皮肤极化引起的皮肤损伤，采用本电路，完成对称波形输出。通过上述H桥电路，控制四个晶体管，可实现输出正负对称的波形。完成上述过程所需要的时间为一个周期，即为4T.因此可以通过定时器控制脉冲频率，即为输出的基频。通过定时器可输出升压电路所需的固定频率的PWM波，再动态调节占空比，可完成基频的调节，达到模拟针刺手法的效果。

三、软件系统：

该电针治疗仪的软件系统采用c语言编程，通过STM32F429IGT实现不同的针刺手法——“烧山火”、“透天凉”，以及不同参数等级，并将其列成表。按键选择后，在针刺手法表和参数等级表中寻找出对应的针刺手法波形和参数，同时设置波形参数如强度、频率等的调节。具体软件系统流程图。

参考文献：

[1]黄大勉，徐学奎.智能电针治疗仪原理与实现[J].电子技术，2006，（18）：68-70.

[2]北京中北创新科技发展有限公司.静电测量与防护技术讲座之人体带电模型[J].新技术与新工艺，2001，（01）：84-86.

[3]梁玉红.微机针灸治疗仪的研制[J].微型机与应用，2000，（12）：23-25.

[4]陆康寿.针刺手法百家集成[M].北京：中国中医药出版社，1999.

[5]石学敏.针刺手法与临床效果的相关性研究———同一穴位针刺方向、深度、施术与对应症的关系[J].中医学报，2012，（172）：1077-1079.

（作者单位：东北大学秦皇岛分校）