基于CC2541的仿針刺手法的電針系統(tǒng)

李鵬飛，張海英，張 俊，李生輝

(1.中國科學(xué)院大學(xué) 微電子學(xué)院，北京 100029 ；2.中國科學(xué)院微電子研究所 健康電子研發(fā)中心，北京 100029；3.中國科學(xué)院微電子研究所 新一代通信射頻芯片技術(shù)北京市重點實驗室，北京 100029)

基于CC2541的仿針刺手法的電針系統(tǒng)

李鵬飛1,2,3，張海英2,3，張 俊2,3，李生輝2,3

(1.中國科學(xué)院大學(xué) 微電子學(xué)院，北京 100029 ；2.中國科學(xué)院微電子研究所 健康電子研發(fā)中心，北京 100029；3.中國科學(xué)院微電子研究所 新一代通信射頻芯片技術(shù)北京市重點實驗室，北京 100029)

現(xiàn)在電針設(shè)備普遍存在不便攜、安全性能差、輸出波形單一、缺乏科學(xué)性而且智能交互性差等缺點，對此結(jié)合無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，設(shè)計了一個基于CC2541的仿針刺手法的電針系統(tǒng)，并對該系統(tǒng)的系統(tǒng)框架、硬件、針刺手法模擬理論以及算法實現(xiàn)和系統(tǒng)軟件實現(xiàn)方案進行了介紹。

電針系統(tǒng)；CC2541；針刺手法；硬件；手法模擬

0 引言

電針是在傳統(tǒng)針刺手法上發(fā)展起來并結(jié)合現(xiàn)代科技的針灸方法，其優(yōu)點在于：(1)針與電兩種刺激相結(jié)合,可提高療效;(2)能比較正確地掌握刺激參數(shù);(3)代替手法運針,節(jié)省人力[1]。然而現(xiàn)在的電針設(shè)備同時具備了很多的缺點，例如：普遍存在刺激手法不科學(xué)，輸出波形簡單，多為斷續(xù)波與疏密波;長時間刺激易產(chǎn)生極化現(xiàn)象[2]；生產(chǎn)難以國家標準化，安全性能差；體積大，不便攜；智能化差，輸出波形少等。

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，便攜性醫(yī)療設(shè)備的研究應(yīng)用已經(jīng)到了一個爆炸性的時代。針對上述電針存在的一系列問題，本文結(jié)合無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，設(shè)計了一個基于CC2541的仿針刺手法的電針系統(tǒng)。其特點在于：(1)便攜且可以科學(xué)模擬多種不同的針灸手法，同時，所采取的針灸手法合理、科學(xué)，不會對穴位造成極化現(xiàn)象等損傷；(2)高度智能化，能夠作為無線節(jié)點與手機APP進行數(shù)據(jù)、指令交互，APP擁有良好的用戶交互界面，用戶可以根據(jù)提示要求等調(diào)節(jié)手法、強度、時間等參數(shù)。

1 系統(tǒng)組成以及硬件

1.1 系統(tǒng)組成

BLE(Bluetooth Low Energy)是藍牙4.0的核心profile，主要特點是快速搜索，快速連接，超低功耗保持連接和數(shù)據(jù)傳輸，缺點是數(shù)據(jù)傳輸速率低。由于其具有低功耗特點，故而經(jīng)常用在可穿戴設(shè)備之中。CC2541是一款針對低能耗以及私有 2.4 GHz 應(yīng)用的功率優(yōu)化的真正片載系統(tǒng) (SoC) 解決方案[3]。本系統(tǒng)以CC2541藍牙芯片為核心，將仿針刺手法電針設(shè)計成智能腕帶的形式，只需調(diào)節(jié)腕帶就可以固定于人體一定的部位，然后手機APP通過藍牙通信控制該智能腕帶輸出不同的仿針刺手法，以達到相應(yīng)的理療療效。該基于CC2541的仿針刺手法電針系統(tǒng)框架如圖1所示。按實物終端可分為智能APP端與仿針刺手法電針端，按功能模塊可劃分為核心控制單元、通信單元、電源管理單元以及輸出單元。

圖1 基于CC2541的仿針刺手法的電針系統(tǒng)框圖

其中核心控制單元由CC2541最小系統(tǒng)以及鍵控模塊和顯示模塊組成。該芯片通信接收相關(guān)的指令和傳輸相關(guān)數(shù)據(jù)的同時，可由不同的算法實現(xiàn)不同的I/O輸出，以達到不同的仿針刺手法輸出。鍵控模塊用于仿針刺手法電針的啟動以及不同針刺手法參數(shù)的調(diào)節(jié)。而顯示模塊用于顯示當(dāng)前執(zhí)行針刺手法的相關(guān)數(shù)據(jù)以及電量一些參數(shù)等。

通信單元作為連接手機APP端與仿針刺手法電針端的橋梁存在，其基礎(chǔ)便是BLE。通過該通信協(xié)議，可以智能地對仿針刺手法電針端進行針刺手法以及強度、頻率、時間等參數(shù)進行動態(tài)管理。同時，仿針刺手法電針端也可以由上位機通過USB進行系統(tǒng)升級和數(shù)據(jù)傳輸。

電源管理單元包括充電模塊和電壓轉(zhuǎn)換模塊。當(dāng)USB經(jīng)由5 V電源適配器通電后，其可以經(jīng)由充電模塊對鋰電池進行充電。然后鋰電池或者充電模塊的輸出經(jīng)由降壓模塊為核心控制單元進行供電和經(jīng)由升壓模塊升壓后為后續(xù)的輸出單元提供電壓。值得注意的是，該升壓模塊是動態(tài)升壓電路，可以由CC2541進行動態(tài)幅值控制，這也是實現(xiàn)后邊的仿針刺手法算法的前提。

輸出單元主要包括功放模塊與電極。功放模塊由CC2541控制輸出不同的波形，同時之前的動態(tài)升壓模塊又為其提供電壓，以達到不同仿針刺手法硬件的實現(xiàn)。而對于電極選取上，一般來說選取接觸阻抗低的柔性電極效果比較好。為了達到更好的療效，可以利用電離子導(dǎo)入技術(shù)[4]在電極上涂上相關(guān)的藥物,利用電刺激滲入穴位。

1.2 硬件

一般來說，電針作用于人體實際上帶來的刺激是電流刺激，人體的感知電流為1 mA，而國家標準委員會規(guī)定電針儀器作用于人體的電流應(yīng)控制在5 mA以內(nèi)[5]，故該輸出單元的輸出電流應(yīng)控制在1～5 mA。實際上，人體皮膚接觸阻抗是105～106Ω級別，需要達到所述要求的微型輸出單元是很難實現(xiàn)的。

SWANSON D和WEBSTER J[6]提出了人體皮膚-電極阻抗電路模型。故而當(dāng)實際測量穴位阻抗時，其等效電路模型如圖2所示。

實際上Rtissue的值很小，約為150 Ω[7],相對于皮膚-電極接觸阻抗為kΩ級別的值來說是可以忽略的。故皮膚-電極阻抗表征函數(shù)為：

(1)

(2)

圖2 實測皮膚—電極等效電路

由此可見,其阻抗值是頻率的函數(shù),具體實測結(jié)果引用TAJI B[7]測試結(jié)果,隨著脈沖頻率由50 Hz增加到500 Hz,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(xiàn)該電針對電流的參數(shù)要求。同時,為了防止皮膚的極化現(xiàn)象對皮膚的損傷,應(yīng)該使其輸出為對稱的波形。故而,本電針選擇了H橋電路作為基頻輸出電路,該電路如圖3所示,參照文獻[8],選取參數(shù)合適的電阻以及晶體管，以達到預(yù)期的放大要求。

圖3 仿針刺手法電針輸出單元H橋電路

對于升壓模塊，本仿針刺手法電針采用了常見boost升壓電路，來滿足控制單元對輸出單元的動態(tài)調(diào)控的效果。該過程相對于調(diào)制，整個調(diào)制過程其實質(zhì)上就是仿針刺手法實現(xiàn)過程。整體元件參數(shù)的確定可參照文獻[8]，以達到預(yù)期效果。對于該仿針刺手法電針的其他硬件電路現(xiàn)在都有很成熟的解決方案，本文不再詳述。

2 仿針刺手法

2.1 針刺手法以及仿針刺手法理論

針刺手法主要指的就是傳統(tǒng)的補泄手法。補法是泛指能鼓舞人體正氣，使低下的功能恢復(fù)旺盛的方法。瀉法是泛指能疏泄病邪使亢進的功能恢復(fù)正常的方法。當(dāng)然，現(xiàn)在研究發(fā)現(xiàn)一定頻率電信號刺激人體穴位，從神經(jīng)層面、免疫層面和內(nèi)分泌層面都有一定的積極意義[9]。一般來說，依據(jù)《針灸學(xué)》將手法分類為單式手法、復(fù)式手法。

圖5 “透心涼”手法模擬波形與實際輸出波形

用于針灸規(guī)范化研究的針灸儀器大體上分為測定針刺手法參數(shù)和模擬針刺手法的儀器。模擬針刺手法的重點就是用電刺激信號的參數(shù)來表達傳統(tǒng)針刺手法的相關(guān)要素。針刺手法作為中醫(yī)里的精髓，缺乏統(tǒng)一的標準，為此石學(xué)敏院士首先提出了針刺手法量學(xué)的概念，分別從捻轉(zhuǎn)方向、力度大小、作用時間以及兩次施術(shù)間隔強調(diào)了針刺手法量學(xué)的四大要素。同時，輸出電刺激信號的波形、波幅、波寬、頻率、節(jié)律以及持續(xù)時間作為電針的重要評估參數(shù)。實質(zhì)上，用電針的評估參數(shù)表征針刺手法相關(guān)要素，以符號化測量理論為基礎(chǔ)，并參考這些參數(shù)實際的臨床效果，可以建立復(fù)雜的映射關(guān)系，進而可以模擬出更加科學(xué)的針刺手法。具體映射關(guān)系如圖4所示。

2.2 具體仿針刺手法實現(xiàn)實例

以“透心涼”手法為例，以120 Hz的正負對稱脈沖波為基頻輸出(定義120 Hz為“泄法”基頻，60 Hz為“補法”基頻)，依照劉堂義等人[10]對10位專業(yè)人員針刺手法的參數(shù)統(tǒng)計所作的“輕插重提”手法可以確定“輕插重提”的時間以及脈沖強度的變化率，如此便可用該包絡(luò)信號模擬一個地部的輕插重提。如此重復(fù)6次波形，依此方法分別模擬人部、天部波形，并分別重復(fù)6次相應(yīng)波形，之后停止輸出一定時間，“透心涼”手法便模擬完成?；颊呖梢罁?jù)病癥需求設(shè)定“透心涼”手法的作用時間以及強度等參數(shù)。

針刺手法的算法實現(xiàn)上，通過定時器控制CC2541的四個通道輸出PWM波，使得圖3中Q3、Q6同時導(dǎo)通時，Q2、Q7同時不導(dǎo)通，持續(xù)一定時間T；然后，Q3、Q6同時不導(dǎo)通，Q2、Q7依然不導(dǎo)通，持續(xù)一定時間T；接著，Q2、Q7同時導(dǎo)通，Q3、Q6依然不導(dǎo)通，持續(xù)時間T；最后，Q2、Q7同時不導(dǎo)通，Q3、Q6依然不導(dǎo)通，持續(xù)時間T。通過控制這4個晶體管便可輸出正負對稱的脈沖波形。如此便輸出一個周期為4T的正負對稱的脈沖波形，通過控制定時器便可控制脈沖頻率，也就是輸出單元的基頻。對輸出基頻的調(diào)制便可實現(xiàn)各種模擬針刺手法，具體上，可以通過CC2541的定時器輸出boost升壓電路所需固定頻率的PWM波，通過動態(tài)調(diào)控該波形的占空比，便可使輸出基頻的幅度以一定的函數(shù)變化，從而達到預(yù)期的模擬針刺手法輸出。其“透心涼”手法模擬波形與實際輸出波形如圖5所示。實際上，該固定頻率PWM波占空比變化的分辨率是由CC2541系統(tǒng)內(nèi)部事件掃描速率來決定的。

圖4 針刺手法要素與電針參數(shù)映射關(guān)系

3 軟件設(shè)計

本系統(tǒng)電針采用C編程，開發(fā)環(huán)境為IAR Embedded Workbench for 8051。而APP采用Java編程，開發(fā)環(huán)境為Eclipse。通過CC2541實現(xiàn)不同的針刺手法，將其編成列表，然手APP發(fā)送針刺手法，CC2541查詢列表輸出不同的針刺手法，其中，幅度、頻率以及作用時間也可以進行參數(shù)設(shè)置。具體程序流程如圖6所示。

圖6 主程序流程圖

4 結(jié)論

本文針對現(xiàn)在電針設(shè)備一系列問題，結(jié)合無線物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，設(shè)計了一個基于CC2541藍牙芯片的仿針刺手法電針系統(tǒng)。解決了傳統(tǒng)電針不便攜、易對皮膚損傷，尤其是輸出波形不科學(xué)與交互性能差的缺點。該電針系統(tǒng)通過客戶端APP可以進行不同針刺手法選取以及輸出頻率、強度和作用時間等參數(shù)的設(shè)置，進而基于BLE通信協(xié)議，將指令傳輸給電針，然后電針選取內(nèi)部儲存的不同手法進行輸出。經(jīng)試驗，該電針系統(tǒng)具有一定的療效，針對簡單的病癥有一定的補泄療效。然而，針對更多的病癥需要長期醫(yī)院進行臨床驗證，而且用戶APP也可以進行更多的功能擴展，包括數(shù)據(jù)云上傳、醫(yī)患交流、病癥說明以及手法指導(dǎo)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

李鵬飛，張海英，張俊，等.基于CC2541的仿針刺手法的電針系統(tǒng)[J].微型機與應(yīng)用，2017,36(16)：106-109.

2017-02-23)

李鵬飛(1990-)，男，碩士研究士，主要研究方向：健康醫(yī)療電子。

張海英(1964-)，女，研究員，博士生導(dǎo)師，主要研究方向：微電子和現(xiàn)代通信技術(shù)在醫(yī)療健康領(lǐng)域的應(yīng)用，實時精準生命體征信息采集、慢性病管理模式、老齡智能科技方面組織體系化技術(shù)和產(chǎn)品開發(fā)。

張俊(1983-)，男，碩士，助理研究員，主要研究方向：數(shù)字信號處理，便攜式醫(yī)療電子設(shè)計。