基于STM32 的中西结合音乐电针治疗耳机的研究与设计

解泽平，孙士儒，张高航，石春花（通信作者）

长治医学院生物医学工程系 （山西长治 046000）

目前，慢性病已逐步影响了人们的身体健康，而康复治疗与运动处方成为时下较为理想的病症前期的预防和缓解措施。这其中包括一种结合音乐并利用电针对人体进行治疗的技术。音乐电针治疗耳机通过音乐改变电流，对人体穴位进行刺激，相较于传统电疗仪，其克服了电刺激的适应效应，具有舒适的刺激感，可明显提高治疗效果[1-2]。但有的音乐电针治疗耳机存在如下问题：（1）采用音乐电流刺激穴位，但并未应用音乐进行舒缓治疗；（2）缺乏系统研究，只是将音乐与电针进行简单的结合，未对音乐类型进行必要的筛选。本研究设计了一款基于STM32的中西结合音乐电针治疗耳机，将传统医学与现代控制技术相结合，使电和声两种物理因子同时作用于人体耳部和经穴；其适应性广，凡可用电针疗法治疗的疾病均为其适应证，且具有音乐治疗和刺激经穴的双重作用；此外，音乐可选择、过滤，具有使用安全、小型价廉和操作简便的特点[3]。

1 系统总体设计

基于STM32的中西结合音乐电针治疗耳机由主处理器模块STM32、音频解码模块、滤波模块、音频放大模块、LCD、电极组成[4]，见图1。STM32单片机内置的6首音乐和后期自主下载的音乐均可通过LCD 显示；电源部分为单片机提供启动电压，4.5～9.0 V 可调；音乐信号通过音频解码模块转化为电信号，一路进入放大模块，刺激电极，作用于人体穴位，另一路进入耳机，作用于人体，进行音乐治疗。

图1 基于STM32 的中西结合音乐电针治疗耳机组成

2 系统硬件设计

系统硬件由主处理器模块、音频解码模块、滤波模块、音频放大模块4个部分组成。主处理器模块为STM32单片机，音频解码模块为VS1053芯片及外围电路，滤波模块为UAF42芯片，音频放大模块主要由音频功率放大器OTL 组成。

2.1 主处理器模块

本研究采用意法半导体的STM32单片机作为主处理器模块。STM32具有高性能、低成本、资源多的优点，并能够产生准确的刺激，具有音乐电针治疗、触摸屏控制等功能，可以满足本电针治疗耳机的智能化要求。

本设计的基本工作原理是以STM32单片机为控制核心，通过触摸屏实现对音乐的控制，音频解码芯片将音频数据流解码后，通过音频放大电路输出至电极，作用于人体。在治疗过程中，患者还可以欣赏音乐[5-6]。

2.2 音频解码模块

本研究采用的音频解码芯片VS1053具有高性能、低功耗的优点。系统开始工作后，先初始化SPI 及其引脚，SPI 的通信流程为先发送读命令或者写命令；写命令时，需要写寄存器地址，再发送数据，先是高8位之后是低8位；读命令时，需要读寄存器地址，再去读，读到的值先是高8位之后是低8位，组合为16位；再初始化VS1053，拉高一次RST，等待DREQ 为高，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，设置解码时间，VS1053会对音频文件进行解码[7]。

2.3 滤波模块

常见音乐治疗的音频为20～20 000 Hz，包含低频和中频成分。脉冲电流为20～50 Hz 时，人体会有明显的振颤感；50～100 Hz 具有扩张血管、促进血液循环的功能；100～250 Hz具有止痛的效果[8]。我们设置高通+低通连级的带通滤波模块，无论自行下载的音乐属于什么范围，一旦不在所设定的频率范围内，即会自动停止电针和音乐治疗。

2.4 音频放大模块

本研究采用OTL 功放作为音频放大模块的主要组成部分，具有电路性能指标高、非线性失真小、频率响应宽等优点。该模块由前级放大电路与音频功率放大电路组成，前一级放大电路主要对小信号进行放大，后一级主要对音频功率进行放大，通过两次放大实现音频信号的输出，从而得到需要的音频[9]。

3 系统软件设计

本设计中的软件包括系统软件和应用软件两大部分，其中，系统软件是基于KEIL 编写的模块程序，包括USB驱动、VS1053设置以及yaffs 文件系统等；应用软件设计主要为显示模块上的界面，是基于QT 图形界面开发的，在工作状态下，通过该界面可以完成打开并播放具有治疗康复功能的处方音乐文件，选择曲目，调整音量等治疗过程的操作。在工作状态下，电疗强度会随音量的增加或减小做出相应的变化，当关闭音乐后，无输出，结束电疗[10]。

4 系统测试

本研究设计、制作后的基于STM32的中西结合音乐电针治疗耳机见图2。在音乐治疗模式下，示波器记录的6种音乐处方（表1）的电极波形见图3，音乐波形丰富多变[11-12]。经过处理后，正负部分波形对称，脉宽0.1～60.0 ms，频率0～25 kHz，电流-2.0～2.0 mA，基本达到预设性能指标[13]。

图2 基于STM32 的中西结合音乐电针治疗耳机外观

表1 6种音乐处方

图3 6 种音乐处方的电极仿真波形

为了进一步测试基于STM32的中西结合音乐电针治疗耳机的疗效，我们采用实验室对比测试法：选择60人，分为电针组和结合音乐电针组，各30人；两组采用相同频率的治疗，测试两组人群的针感效果[14]，测试结果见表2；采用SPSS 22.0统计软件进行数据处理，采用重复测量资料进行检验，检验水平α=0.05，采用方差分析进行组间比较，通过P 值验证组间差异，P＜α 时表明差异有统计学意义，P＞α 时表明差异无统计学意义。

经过多次测量检验后，两组针感效果比较，差异有统计学意义（P＜0.05）[15]。表2数据显示，随着时间的延长，电针组的针感强度值逐渐减小，10 min 后针感强度值开始明显减小，30 min 时减小至15.5 Hz，表明电针产生了明显的电刺激适应性；结合音乐电针组的针感强度值从未减小，反而增大，30 min 时增大至53.3 Hz，表明结合音乐电针治疗耳机克服了适应性。

表2 两组针感效果（Hz，

表2 两组针感效果（Hz，

结合音乐电针组（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时间 电针组（30 人）

5 小结

本研究设计了一款基于STM32的中西结合音乐电针治疗耳机，在工作状态下，其可以产生丰富的音乐波形，将具有治疗康复功能的音乐信号同步转化为电流信号后，与音乐共同作用于人体，可以达到治疗疾病、促进康复的目的[12]。该耳机克服了传统电针治疗的电刺激适应性，是将针灸疗法、电疗法与音乐疗法相结合形成的一种新型康复仪器，可以满足不同人群的各类需求，具有促进循环、镇静、镇痛、降血压、解疲劳、抗抑郁等功效[16]。