基于STM32 的中西結(jié)合音樂(lè)電針治療耳機(jī)的研究與設(shè)計(jì)

解澤平，孫士儒，張高航，石春花（通信作者）

長(zhǎng)治醫(yī)學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程系 （山西長(zhǎng)治 046000）

目前，慢性病已逐步影響了人們的身體健康，而康復(fù)治療與運(yùn)動(dòng)處方成為時(shí)下較為理想的病癥前期的預(yù)防和緩解措施。這其中包括一種結(jié)合音樂(lè)并利用電針對(duì)人體進(jìn)行治療的技術(shù)。音樂(lè)電針治療耳機(jī)通過(guò)音樂(lè)改變電流，對(duì)人體穴位進(jìn)行刺激，相較于傳統(tǒng)電療儀，其克服了電刺激的適應(yīng)效應(yīng)，具有舒適的刺激感，可明顯提高治療效果[1-2]。但有的音樂(lè)電針治療耳機(jī)存在如下問(wèn)題：（1）采用音樂(lè)電流刺激穴位，但并未應(yīng)用音樂(lè)進(jìn)行舒緩治療；（2）缺乏系統(tǒng)研究，只是將音樂(lè)與電針進(jìn)行簡(jiǎn)單的結(jié)合，未對(duì)音樂(lè)類型進(jìn)行必要的篩選。本研究設(shè)計(jì)了一款基于STM32的中西結(jié)合音樂(lè)電針治療耳機(jī)，將傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)與現(xiàn)代控制技術(shù)相結(jié)合，使電和聲兩種物理因子同時(shí)作用于人體耳部和經(jīng)穴；其適應(yīng)性廣，凡可用電針療法治療的疾病均為其適應(yīng)證，且具有音樂(lè)治療和刺激經(jīng)穴的雙重作用；此外，音樂(lè)可選擇、過(guò)濾，具有使用安全、小型價(jià)廉和操作簡(jiǎn)便的特點(diǎn)[3]。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

基于STM32的中西結(jié)合音樂(lè)電針治療耳機(jī)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(jiàn)圖1。STM32單片機(jī)內(nèi)置的6首音樂(lè)和后期自主下載的音樂(lè)均可通過(guò)LCD 顯示；電源部分為單片機(jī)提供啟動(dòng)電壓，4.5～9.0 V 可調(diào)；音樂(lè)信號(hào)通過(guò)音頻解碼模塊轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，一路進(jìn)入放大模塊，刺激電極，作用于人體穴位，另一路進(jìn)入耳機(jī)，作用于人體，進(jìn)行音樂(lè)治療。

圖1 基于STM32 的中西結(jié)合音樂(lè)電針治療耳機(jī)組成

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)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(gè)部分組成。主處理器模塊為STM32單片機(jī)，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(dǎo)體的STM32單片機(jī)作為主處理器模塊。STM32具有高性能、低成本、資源多的優(yōu)點(diǎn)，并能夠產(chǎn)生準(zhǔn)確的刺激，具有音樂(lè)電針治療、觸摸屏控制等功能，可以滿足本電針治療耳機(jī)的智能化要求。

本設(shè)計(jì)的基本工作原理是以STM32單片機(jī)為控制核心，通過(guò)觸摸屏實(shí)現(xiàn)對(duì)音樂(lè)的控制，音頻解碼芯片將音頻數(shù)據(jù)流解碼后，通過(guò)音頻放大電路輸出至電極，作用于人體。在治療過(guò)程中，患者還可以欣賞音樂(lè)[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(yōu)點(diǎn)。系統(tǒng)開(kāi)始工作后，先初始化SPI 及其引腳，SPI 的通信流程為先發(fā)送讀命令或者寫(xiě)命令；寫(xiě)命令時(shí)，需要寫(xiě)寄存器地址，再發(fā)送數(shù)據(jù)，先是高8位之后是低8位；讀命令時(shí)，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(shè)置解碼時(shí)間，VS1053會(huì)對(duì)音頻文件進(jìn)行解碼[7]。

2.3 濾波模塊

常見(jiàn)音樂(lè)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(shí)，人體會(huì)有明顯的振顫感；50～100 Hz 具有擴(kuò)張血管、促進(jìn)血液循環(huán)的功能；100～250 Hz具有止痛的效果[8]。我們?cè)O(shè)置高通+低通連級(jí)的帶通濾波模塊，無(wú)論自行下載的音樂(lè)屬于什么范圍，一旦不在所設(shè)定的頻率范圍內(nèi)，即會(huì)自動(dòng)停止電針和音樂(lè)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(biāo)高、非線性失真小、頻率響應(yīng)寬等優(yōu)點(diǎn)。該模塊由前級(jí)放大電路與音頻功率放大電路組成，前一級(jí)放大電路主要對(duì)小信號(hào)進(jìn)行放大，后一級(jí)主要對(duì)音頻功率進(jìn)行放大，通過(guò)兩次放大實(shí)現(xiàn)音頻信號(hào)的輸出，從而得到需要的音頻[9]。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)中的軟件包括系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件兩大部分，其中，系統(tǒng)軟件是基于KEIL 編寫(xiě)的模塊程序，包括USB驅(qū)動(dòng)、VS1053設(shè)置以及yaffs 文件系統(tǒng)等；應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)主要為顯示模塊上的界面，是基于QT 圖形界面開(kāi)發(fā)的，在工作狀態(tài)下，通過(guò)該界面可以完成打開(kāi)并播放具有治療康復(fù)功能的處方音樂(lè)文件，選擇曲目，調(diào)整音量等治療過(guò)程的操作。在工作狀態(tài)下，電療強(qiáng)度會(huì)隨音量的增加或減小做出相應(yīng)的變化，當(dāng)關(guān)閉音樂(lè)后，無(wú)輸出，結(jié)束電療[10]。

4 系統(tǒng)測(cè)試

本研究設(shè)計(jì)、制作后的基于STM32的中西結(jié)合音樂(lè)電針治療耳機(jī)見(jiàn)圖2。在音樂(lè)治療模式下，示波器記錄的6種音樂(lè)處方（表1）的電極波形見(jiàn)圖3，音樂(lè)波形豐富多變[11-12]。經(jīng)過(guò)處理后，正負(fù)部分波形對(duì)稱，脈寬0.1～60.0 ms，頻率0～25 kHz，電流-2.0～2.0 mA，基本達(dá)到預(yù)設(shè)性能指標(biāo)[13]。

圖2 基于STM32 的中西結(jié)合音樂(lè)電針治療耳機(jī)外觀

表1 6種音樂(lè)處方

圖3 6 種音樂(lè)處方的電極仿真波形

為了進(jìn)一步測(cè)試基于STM32的中西結(jié)合音樂(lè)電針治療耳機(jī)的療效，我們采用實(shí)驗(yàn)室對(duì)比測(cè)試法：選擇60人，分為電針組和結(jié)合音樂(lè)電針組，各30人；兩組采用相同頻率的治療，測(cè)試兩組人群的針感效果[14]，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2；采用SPSS 22.0統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，采用重復(fù)測(cè)量資料進(jìn)行檢驗(yàn)，檢驗(yàn)水平α=0.05，采用方差分析進(jìn)行組間比較，通過(guò)P 值驗(yàn)證組間差異，P＜α 時(shí)表明差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，P＞α 時(shí)表明差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

經(jīng)過(guò)多次測(cè)量檢驗(yàn)后，兩組針感效果比較，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.05）[15]。表2數(shù)據(jù)顯示，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，電針組的針感強(qiáng)度值逐漸減小，10 min 后針感強(qiáng)度值開(kāi)始明顯減小，30 min 時(shí)減小至15.5 Hz，表明電針產(chǎn)生了明顯的電刺激適應(yīng)性；結(jié)合音樂(lè)電針組的針感強(qiáng)度值從未減小，反而增大，30 min 時(shí)增大至53.3 Hz，表明結(jié)合音樂(lè)電針治療耳機(jī)克服了適應(yīng)性。

表2 兩組針感效果（Hz，

表2 兩組針感效果（Hz，

結(jié)合音樂(lè)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(shí)間 電針組（30 人）

5 小結(jié)

本研究設(shè)計(jì)了一款基于STM32的中西結(jié)合音樂(lè)電針治療耳機(jī)，在工作狀態(tài)下，其可以產(chǎn)生豐富的音樂(lè)波形，將具有治療康復(fù)功能的音樂(lè)信號(hào)同步轉(zhuǎn)化為電流信號(hào)后，與音樂(lè)共同作用于人體，可以達(dá)到治療疾病、促進(jìn)康復(fù)的目的[12]。該耳機(jī)克服了傳統(tǒng)電針治療的電刺激適應(yīng)性，是將針灸療法、電療法與音樂(lè)療法相結(jié)合形成的一種新型康復(fù)儀器，可以滿足不同人群的各類需求，具有促進(jìn)循環(huán)、鎮(zhèn)靜、鎮(zhèn)痛、降血壓、解疲勞、抗抑郁等功效[16]。