基于CC2541的仿針刺手法的電針系統

李鵬飛，張海英，張 俊，李生輝

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

基于CC2541的仿針刺手法的電針系統

李鵬飛1,2,3，張海英2,3，張 俊2,3，李生輝2,3

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

現在電針設備普遍存在不便攜、安全性能差、輸出波形單一、缺乏科學性而且智能交互性差等缺點，對此結合無線傳感網絡技術，設計了一個基于CC2541的仿針刺手法的電針系統，并對該系統的系統框架、硬件、針刺手法模擬理論以及算法實現和系統軟件實現方案進行了介紹。

電針系統；CC2541；針刺手法；硬件；手法模擬

0 引言

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

隨著物聯網技術的發展，便攜性醫療設備的研究應用已經到了一個爆炸性的時代。針對上述電針存在的一系列問題，本文結合無線傳感網絡技術，設計了一個基于CC2541的仿針刺手法的電針系統。其特點在于：(1)便攜且可以科學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，不會對穴位造成極化現象等損傷；(2)高度智能化，能夠作為無線節點與手機APP進行數據、指令交互，APP擁有良好的用戶交互界面，用戶可以根據提示要求等調節手法、強度、時間等參數。

1 系統組成以及硬件

1.1 系統組成

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據傳輸，缺點是數據傳輸速率低。由于其具有低功耗特點，故而經常用在可穿戴設備之中。CC2541是一款針對低能耗以及私有 2.4 GHz 應用的功率優化的真正片載系統 (SoC) 解決方案[3]。本系統以CC2541藍牙芯片為核心，將仿針刺手法電針設計成智能腕帶的形式，只需調節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，以達到相應的理療療效。該基于CC2541的仿針刺手法電針系統框架如圖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框圖

其中核心控制單元由CC2541最小系統以及鍵控模塊和顯示模塊組成。該芯片通信接收相關的指令和傳輸相關數據的同時，可由不同的算法實現不同的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的調節。而顯示模塊用于顯示當前執行針刺手法的相關數據以及電量一些參數等。

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，其基礎便是BLE。通過該通信協議，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、時間等參數進行動態管理。同時，仿針刺手法電針端也可以由上位機通過USB進行系統升級和數據傳輸。

電源管理單元包括充電模塊和電壓轉換模塊。當USB經由5 V電源適配器通電后，其可以經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由降壓模塊為核心控制單元進行供電和經由升壓模塊升壓后為后續的輸出單元提供電壓。值得注意的是，該升壓模塊是動態升壓電路，可以由CC2541進行動態幅值控制，這也是實現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。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，可以利用電離子導入技術[4]在電極上涂上相關的藥物,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定電針儀器作用于人體的電流應控制在5 mA以內[5]，故該輸出單元的輸出電流應控制在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,具體實測結果引用TAJI B[7]測試結果,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,便能實現該電針對電流的參數要求。同時,為了防止皮膚的極化現象對皮膚的損傷,應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],選取參數合適的電阻以及晶體管，以達到預期的放大要求。

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調控的效果。該過程相對于調制，整個調制過程其實質上就是仿針刺手法實現過程。整體元件參數的確定可參照文獻[8]，以達到預期效果。對于該仿針刺手法電針的其他硬件電路現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，使低下的功能恢復旺盛的方法。瀉法是泛指能疏泄病邪使亢進的功能恢復正常的方法。當然，現在研究發現一定頻率電信號刺激人體穴位，從神經層面、免疫層面和內分泌層面都有一定的積極意義[9]。一般來說，依據《針灸學》將手法分類為單式手法、復式手法。

圖5 “透心涼”手法模擬波形與實際輸出波形

用于針灸規范化研究的針灸儀器大體上分為測定針刺手法參數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來表達傳統針刺手法的相關要素。針刺手法作為中醫里的精髓，缺乏統一的標準，為此石學敏院士首先提出了針刺手法量學的概念，分別從捻轉方向、力度大小、作用時間以及兩次施術間隔強調了針刺手法量學的四大要素。同時，輸出電刺激信號的波形、波幅、波寬、頻率、節律以及持續時間作為電針的重要評估參數。實質上，用電針的評估參數表征針刺手法相關要素，以符號化測量理論為基礎，并參考這些參數實際的臨床效果，可以建立復雜的映射關系，進而可以模擬出更加科學的針刺手法。具體映射關系如圖4所示。

2.2 具體仿針刺手法實現實例

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位專業人員針刺手法的參數統計所作的“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，如此便可用該包絡信號模擬一個地部的輕插重提。如此重復6次波形，依此方法分別模擬人部、天部波形，并分別重復6次相應波形，之后停止輸出一定時間，“透心涼”手法便模擬完成。患者可依據病癥需求設定“透心涼”手法的作用時間以及強度等參數。

針刺手法的算法實現上，通過定時器控制CC2541的四個通道輸出PWM波，使得圖3中Q3、Q6同時導通時，Q2、Q7同時不導通，持續一定時間T；然后，Q3、Q6同時不導通，Q2、Q7依然不導通，持續一定時間T；接著，Q2、Q7同時導通，Q3、Q6依然不導通，持續時間T；最后，Q2、Q7同時不導通，Q3、Q6依然不導通，持續時間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。對輸出基頻的調制便可實現各種模擬針刺手法，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，通過動態調控該波形的占空比，便可使輸出基頻的幅度以一定的函數變化，從而達到預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系統內部事件掃描速率來決定的。

圖4 針刺手法要素與電針參數映射關系

3 軟件設計

本系統電針采用C編程，開發環境為IAR Embedded Workbench for 8051。而APP采用Java編程，開發環境為Eclipse。通過CC2541實現不同的針刺手法，將其編成列表，然手APP發送針刺手法，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設置。具體程序流程如圖6所示。

圖6 主程序流程圖

4 結論

本文針對現在電針設備一系列問題，結合無線物聯網技術，設計了一個基于CC2541藍牙芯片的仿針刺手法電針系統。解決了傳統電針不便攜、易對皮膚損傷，尤其是輸出波形不科學與交互性能差的缺點。該電針系統通過客戶端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的設置，進而基于BLE通信協議，將指令傳輸給電針，然后電針選取內部儲存的不同手法進行輸出。經試驗，該電針系統具有一定的療效，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，包括數據云上傳、醫患交流、病癥說明以及手法指導等功能。

[1] 張國山,劉密,章海鳳,等.《黃帝內經》與針灸理論[J].實用中醫內科雜志,2014,29(4):10-12.

[2] 洪文學,劉海燕.電針鎮痛的原理及儀器[J].醫療衛生裝備,2006,27(10):52-54.

[3] 歐陽俊，陳子龍，黃寧淋.藍牙4.0BLE開發完全手冊[M].北京:化學工業出版社,2015.

[4] 李宗信,黃小波,敖平,等.電離子導入技術國內外研究近況[J].中華理療雜志，2000,23(6):372-374.

[5] 中國國家標準化管理委員會.GB9706.1-2007醫用電氣設備,第1部分:安全通用要求[S].2008.

[6] SWANSON D, WEBSTER J. A model for skin-electrode impedance[M]. New York: Academic, 1974.

[7] TAJI B, SHIRMOHAMMADI S, GROZA V, et al. Impact of skin-electrode interface on electro-cardiogram measurements using conductive textile electrodes[J]. IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, 2013, 63(6): 1412-1422.

[8] 鈴木雅臣.晶體管電路設計(下)[M].北京：科學出版社，2016.

[9] 畢圣昭.基ARM的新型智能電針治療儀的研制與療效評估[D].南昌：南昌大學，2014.

[10] 劉堂義,蒯樂,楊華元,等.針刺手法操作規范化初探[J]. 中國針灸，2008,28(5)：356-358.

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[J].微型機與應用，2017,36(16)：106-109.

2017-02-23)

李鵬飛(1990-)，男，碩士研究士，主要研究方向：健康醫療電子。

張海英(1964-)，女，研究員，博士生導師，主要研究方向：微電子和現代通信技術在醫療健康領域的應用，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和產品開發。

張俊(1983-)，男，碩士，助理研究員，主要研究方向：數字信號處理，便攜式醫療電子設計。