电针治疗仪的治疗作用原理是通过电刺激穴位，调节神经和肌肉的兴奋性，改善局部血液循环和物质代谢，并能加强炎症产物的吸收，从而起到治疗疾病的作用^[1]。大量的临床试验已经证实了电针治疗对机体各系统功能具有调整作用，能增强机体的抗病能力。然而，现今的电针治疗仪还存在很多缺陷，比如：存在穴位电刺激适应现象、调节参数不精确、保护措施不到位、人机界面不友好等^[2]。另外，病人在接受针灸的时候，一般都存在畏惧的情绪，设计一种能输克服传统电针治疗仪的缺陷且能被病人轻松接受的电刺激治疗仪是十分有意义的。

1 基于ARM的音乐治疗仪设计

        把针灸与悦耳的音乐结合在一起，设计一种音乐电针治疗仪，将音乐转换为电脉冲，经过信号调理电路，然后通过电极作用于机体。治疗的同时，患者还能欣赏美妙动听的音乐。由于音乐的旋律、节奏、强度时刻在变，因此作用于人体的电脉冲时刻都是新鲜的刺激，从而能够克服传统脉冲电针治疗仪的穴位电刺激适应效应。由于输出的电刺激信号来自音乐，因此需要一个能播放、并能任意选择播放以及调节音乐参数的平台,采用ARM嵌入式系统能实现上述要求。

1.1 系统硬件设计

        本音乐电针治疗仪基本工作原理是，以ARM微处理器为控制核心，通过点触触摸屏读取SD卡中的音乐，进行音乐播放控制(曲目选择、播放、音量调节、时间显示、暂停、上一曲、下一曲、结束等)，音频数据流经音频解码芯片，然后通过放大电路输出至电极，最后作用于人体。另外，还可外接耳机或扬声器等设备，使病人在治疗的同时能够欣赏音乐。为了保证电疗仪的安全性，一方面，采用过流信号采集电路控制微处理器的最大输出信号，从而防止人体电击伤，另一方面，考虑到电荷的积累会使人体神经组织产生永久性损伤^[3]，本电疗仪输出双极性脉冲以使人体神经组织所获得的总电荷为零，其中电压幅值范围为-15 V～+15 V、 电流幅值范围为-5 mA～+5 mA。

        硬件部分主要包括ARM微处理器、音频信号调理电路、触摸屏、存储器、电极以及SD卡接口等。系统框图如图1所示。

1.2 软件系统设计

        本电疗仪软件部分包括两大部分，即系统软件和应用软件。其中系统软件实现在ARM处理器上运行Linux操作系统，包括BootLoader、Linux内核、音频驱动、触摸屏驱动、SD卡驱动以及YAFFS2文件系统等；应用软件是基于QT图形界面开发的,实现音乐的播放控制。软件系统组成如图2所示。

2 音乐处方设计

        不同类型的音乐由于其风格、旋律、节奏、力度以及所含的频率成分不同，对人体的作用也有所差异，运用音乐治疗，要因人、因病而异，选择恰当的音乐，即音乐处方。为使病人能较为舒适的接受音乐电刺激，选择功率谱PSD(Power Spectral Density)符合“1/f 波动”规律[4]的音乐作为音乐处方的必要条件。1/f波动是一种随机过程，若用X(t)表示，则其在时间-T~T上的傅里叶变换为：

        X(t)的功率谱密度为：

式(2)中，E表示对|X_T(f)|²求期望值。1/f波动的PSD与f满足以下关系：

式(3)中，S(f)为功率谱密度，A为常数，f为频率，λ为频率指数，对于1/f波动，λ=1， 其频谱特性如图3所示。

        从图3可以看出，1/f波动的功率谱密度S(f)与频率f成反比。研究表明“1/f波动”令人感觉舒适和谐，这是因为人在舒适状态下的心跳周期变化(0.7~0.71 s)和α脑波的波动规律与“1/f 波动”规律相吻合^[5]。

        以《My heart will go on》和《新长征路上的摇滚》两首歌曲为例，使用Matlab库函数pwelch()计算它们的功率谱密度，调用loglog()以对数坐标的形式绘制功率谱图。前者是一首悠扬缠绵的歌曲，它的功率谱如图4(a)所示，lgS(f)与lgf近似线性关系，基本符合“1/f波动”规律，这首歌曲适合作电针治疗。后者是一首摇滚歌曲，它的功率谱如图4(b)所示，PSD与f呈较复杂关系，不符合“1/f 波动”规律，这首歌曲不适合作电针治疗。

        以治疗神经根型颈椎病为例，音乐处方的设计从以下3个方面考虑：(1)选择符合“1/f波动”规律的名曲轻音乐和经典流行音乐；(2)音乐能量值集中在2 Hz和100 Hz左右(临床发现镇痛效果较好的两个频率点^[6])；(3)音乐的风格为旋律热情、节奏激烈、力度较强。

3 疗效评估

        为了对该音乐电针的疗效进行评估，将符合纳入标准的75例的神经根型颈椎病患者随机分为音乐1组、音乐2组以及脉冲组，每组各25例。其中，音乐1组选用不满足1/f波动规律的音乐；音乐2组选用前文所述音乐处方；脉冲组采用脉冲电针治疗，穴取颈夹脊穴、肩井、肩髃、曲池、外关,1天1次,每次30 min，10次为一疗程，治疗两个疗程后统计疗效。

        疼痛评估采用美国国立卫生研究所制定的“视觉模拟标尺法(VAS)疼痛评分尺”，对颈椎病主症颈肩背痛及上肢放射痛进行比较。根据中医药管理局1994年颁布的《中医病证诊断疗效标准》与1992年全国颈椎病会议制订的颈椎病诊断标准，疗效评分采用与神经根型颈椎病关系最为密切的症状、上肢功能活动、临床体征等自拟“症状体征量化积分表”，疗效评分=(治疗前积分－治疗后积分)/治疗前积分×100%，总有效率=(痊愈例数+显效例数+有效例数)/总例数×100%。

        采用SPSS进行数据统计分析，计量资料用均数&plusmn;标准差表示，并确定P<0.05为统计学差异有显著性意义，P<0.01为统计学差异有非常显著性意义。

        各组患者治疗后，结果如表1、表2所示。

        本文所述电针治疗仪能较好地解决传统电疗仪存在的问题，一方面，创新地提出音乐处方的设计方案，不仅能有效地克服穴位电刺激适应现象、提高疗效，而且还能提升患者治疗期间的舒适度；另一方面，采用嵌入式系统构建，不仅使本电疗仪具有良好的操作界面、精确的参数调节功能，而且具有非常强大的软、硬件扩展功能；最后，本电疗仪采用SD卡海量存储不同的音乐处方，针对不同病症选择相应的音乐处方，从而使得该电疗仪能治疗多种疾病，比如失眠、抑郁等精神类的疾病。

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，2006,12(2)：68-70．

[2] 杨育霞，雍明超．电针治疗仪安全性问题及对策[J]．中国针灸，2009,29(4)：339-341．

[3] TEHOVNIK E J. Electrical stimulation of neural tissue toevoke behavior responses[J]. Journal of Neuroscience Methods,1996,65(1)：1-17．

[4] 吴少兵，陈实，李海,等． TMR与GMR传感器1/f噪声的研究进展[J]．物理学报，2012，61(9)：1-10．

[5] 毛峡，丁玉宽，牟田一弥．图像的情感特征分析及其和谐感评价[J]．电子学报，2001，29(12A)：1923-1927．

[6] 孙瑞卿，王贺春，王韵，等．不同频率的电针对大鼠神经源性痛的治疗作用[J]．中国应用生理学杂志，2002,18(2)：128-130．