電針治療儀的治療作用原理是通過電刺激穴位，調節神經和肌肉的興奮性，改善局部血液循環和物質代謝，并能加強炎癥產物的吸收，從而起到治療疾病的作用^[1]。大量的臨床試驗已經證實了電針治療對機體各系統功能具有調整作用，能增強機體的抗病能力。然而，現今的電針治療儀還存在很多缺陷，比如：存在穴位電刺激適應現象、調節參數不精確、保護措施不到位、人機界面不友好等^[2]。另外，病人在接受針灸的時候，一般都存在畏懼的情緒，設計一種能輸克服傳統電針治療儀的缺陷且能被病人輕松接受的電刺激治療儀是十分有意義的。

1 基于ARM的音樂治療儀設計

        把針灸與悅耳的音樂結合在一起，設計一種音樂電針治療儀，將音樂轉換為電脈沖，經過信號調理電路，然后通過電極作用于機體。治療的同時，患者還能欣賞美妙動聽的音樂。由于音樂的旋律、節奏、強度時刻在變，因此作用于人體的電脈沖時刻都是新鮮的刺激，從而能夠克服傳統脈沖電針治療儀的穴位電刺激適應效應。由于輸出的電刺激信號來自音樂，因此需要一個能播放、并能任意選擇播放以及調節音樂參數的平臺,采用ARM嵌入式系統能實現上述要求。

1.1 系統硬件設計

        本音樂電針治療儀基本工作原理是，以ARM微處理器為控制核心，通過點觸觸摸屏讀取SD卡中的音樂，進行音樂播放控制(曲目選擇、播放、音量調節、時間顯示、暫停、上一曲、下一曲、結束等)，音頻數據流經音頻解碼芯片，然后通過放大電路輸出至電極，最后作用于人體。另外，還可外接耳機或揚聲器等設備，使病人在治療的同時能夠欣賞音樂。為了保證電療儀的安全性，一方面，采用過流信號采集電路控制微處理器的最大輸出信號，從而防止人體電擊傷，另一方面，考慮到電荷的積累會使人體神經組織產生永久性損傷^[3]，本電療儀輸出雙極性脈沖以使人體神經組織所獲得的總電荷為零，其中電壓幅值范圍為-15 V～+15 V、 電流幅值范圍為-5 mA～+5 mA。

        硬件部分主要包括ARM微處理器、音頻信號調理電路、觸摸屏、存儲器、電極以及SD卡接口等。系統框圖如圖1所示。

1.2 軟件系統設計

        本電療儀軟件部分包括兩大部分，即系統軟件和應用軟件。其中系統軟件實現在ARM處理器上運行Linux操作系統，包括BootLoader、Linux內核、音頻驅動、觸摸屏驅動、SD卡驅動以及YAFFS2文件系統等；應用軟件是基于QT圖形界面開發的,實現音樂的播放控制。軟件系統組成如圖2所示。

2 音樂處方設計

        不同類型的音樂由于其風格、旋律、節奏、力度以及所含的頻率成分不同，對人體的作用也有所差異，運用音樂治療，要因人、因病而異，選擇恰當的音樂，即音樂處方。為使病人能較為舒適的接受音樂電刺激，選擇功率譜PSD(Power Spectral Density)符合“1/f 波動”規律[4]的音樂作為音樂處方的必要條件。1/f波動是一種隨機過程，若用X(t)表示，則其在時間-T~T上的傅里葉變換為：

        X(t)的功率譜密度為：

式(2)中，E表示對|X_T(f)|²求期望值。1/f波動的PSD與f滿足以下關系：

式(3)中，S(f)為功率譜密度，A為常數，f為頻率，λ為頻率指數，對于1/f波動，λ=1， 其頻譜特性如圖3所示。

        從圖3可以看出，1/f波動的功率譜密度S(f)與頻率f成反比。研究表明“1/f波動”令人感覺舒適和諧，這是因為人在舒適狀態下的心跳周期變化(0.7~0.71 s)和α腦波的波動規律與“1/f 波動”規律相吻合^[5]。

        以《My heart will go on》和《新長征路上的搖滾》兩首歌曲為例，使用Matlab庫函數pwelch()計算它們的功率譜密度，調用loglog()以對數坐標的形式繪制功率譜圖。前者是一首悠揚纏綿的歌曲，它的功率譜如圖4(a)所示，lgS(f)與lgf近似線性關系，基本符合“1/f波動”規律，這首歌曲適合作電針治療。后者是一首搖滾歌曲，它的功率譜如圖4(b)所示，PSD與f呈較復雜關系，不符合“1/f 波動”規律，這首歌曲不適合作電針治療。

        以治療神經根型頸椎病為例，音樂處方的設計從以下3個方面考慮：(1)選擇符合“1/f波動”規律的名曲輕音樂和經典流行音樂；(2)音樂能量值集中在2 Hz和100 Hz左右(臨床發現鎮痛效果較好的兩個頻率點^[6])；(3)音樂的風格為旋律熱情、節奏激烈、力度較強。

3 療效評估

        為了對該音樂電針的療效進行評估，將符合納入標準的75例的神經根型頸椎病患者隨機分為音樂1組、音樂2組以及脈沖組，每組各25例。其中，音樂1組選用不滿足1/f波動規律的音樂；音樂2組選用前文所述音樂處方；脈沖組采用脈沖電針治療，穴取頸夾脊穴、肩井、肩髃、曲池、外關,1天1次,每次30 min，10次為一療程，治療兩個療程后統計療效。

        疼痛評估采用美國國立衛生研究所制定的“視覺模擬標尺法(VAS)疼痛評分尺”，對頸椎病主癥頸肩背痛及上肢放射痛進行比較。根據中醫藥管理局1994年頒布的《中醫病證診斷療效標準》與1992年全國頸椎病會議制訂的頸椎病診斷標準，療效評分采用與神經根型頸椎病關系最為密切的癥狀、上肢功能活動、臨床體征等自擬“癥狀體征量化積分表”，療效評分=(治療前積分－治療后積分)/治療前積分×100%，總有效率=(痊愈例數+顯效例數+有效例數)/總例數×100%。

        采用SPSS進行數據統計分析，計量資料用均數&plusmn;標準差表示，并確定P<0.05為統計學差異有顯著性意義，P<0.01為統計學差異有非常顯著性意義。

        各組患者治療后，結果如表1、表2所示。

        本文所述電針治療儀能較好地解決傳統電療儀存在的問題，一方面，創新地提出音樂處方的設計方案，不僅能有效地克服穴位電刺激適應現象、提高療效，而且還能提升患者治療期間的舒適度；另一方面，采用嵌入式系統構建，不僅使本電療儀具有良好的操作界面、精確的參數調節功能，而且具有非常強大的軟、硬件擴展功能；最后，本電療儀采用SD卡海量存儲不同的音樂處方，針對不同病癥選擇相應的音樂處方，從而使得該電療儀能治療多種疾病，比如失眠、抑郁等精神類的疾病。

參考文獻

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

[4] 吳少兵，陳實，李海,等． TMR與GMR傳感器1/f噪聲的研究進展[J]．物理學報，2012，61(9)：1-10．

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[6] 孫瑞卿，王賀春，王韻，等．不同頻率的電針對大鼠神經源性痛的治療作用[J]．中國應用生理學雜志，2002,18(2)：128-130．