计算机控制式电针刺激脉冲装置的研制及其应用检测

陈玄，郑忠楷，叶笑然，韩静，黄晓卿

1.福建省中医药研究院 针灸仪器研究室，福建 福州 350003；2.闽江学院物理学与电子信息工程系，福建 福州350108

计算机控制式电针刺激脉冲装置的研制及其应用检测

陈玄1，郑忠楷2，叶笑然1，韩静1，黄晓卿1

1.福建省中医药研究院 针灸仪器研究室，福建 福州 350003；2.闽江学院物理学与电子信息工程系，福建 福州350108

目的 针对目前电针仪输出脉冲频率组成固定而规则度高、普遍产生针感快速减弱或消失的缺陷，研制新型电针刺激脉冲输出装置。方法 以计算机编程技术和微电子技术、制作可通过人机界面精准地控制电脉冲串频率组合的装置。检测该装置输出的一种不规则性脉冲串，以视觉评分法评价和比较此种脉冲串和规则脉冲串刺激志愿者足三里及合谷穴位30min的针感变化。结果该装置可设置任意多种规则或不规则电脉冲波，且具有储存和复现所输出的刺激波的功能，与规则脉冲刺激波比较，适中度针感明显延长（P<0.05）。结论 该装置能够设置、保存和再现电针刺激脉冲，并可输出具有持续电针针感电激脉冲串。

电针仪；微机控制脉冲装置； 针感；针刺疗法

0 前言

电针已广泛应用于现代针刺疗法中，它通过电针仪输出刺激脉冲，实现对穴位的刺激。最早的电针仪输出的脉冲串，其频率等电针参数在单个电针过程中是固定不变的。20世纪60年代后，改良过的电针仪可以发送几组固定变化的规则性的电针脉冲串，使用者只能选择使用这几组脉冲串。这些脉冲串的频率组合有三种，一种是固定频率连续波输出的脉冲串，通称“连续波”；第二种是固定两种频率组合的脉冲串，通称“疏密波”；第三种是固定频率，强度断续输出的脉冲串，通称“断续波”。由于以上三种脉冲串的频率组合固定，实质上均属于规则性脉冲串。

一般电针治疗1次需要30min。目前的电针仪在实际应用中，医生需要根据患者的感觉，调整适合的刺激强度。但患者接受5～10min电针治疗疗法时，普遍出现电针针感的快速减弱或消失，本文称此现象为电针的针感适应现象。

事实上，中医十分重视针感，因此医生为了维持患者的针感，往往在治疗过程中不断询问患者的感受，确认针感减弱或消失时，采用再次或多次调整电针强度的办法以维持针感。多次调整刺激强度，加重了临床医生的负担，也在一定程度上影响疗效。

电针的针感适应现象属于感觉的适应现象。感觉生理已经认识到，感觉适应的本质是由于刺激的规则性所引起的感受器的适应。

因此，如果制作一种能灵活、精确设置不规则电针脉冲串的装置，输出不规则电脉冲刺激波，将可能解决目前传统电针仪的上述针感适应现象问题。

计算机技术和电子技术的发展，提供了这个可能。因此，本课题研制一种计算机控制式电针刺激脉冲装置的研制工作，并测试其所输出的一种不规则电脉冲刺激波的抗针感适应效果，取得初步结果，报告如下。

1 装置研制的材料和测试对象

1.1 主要设备

计算机：CPU为Intel酷睿2双核E7300；主板为微星P45NEO3-F；内存为金士顿2GBDDR。数字示波器：美国泰克TDS2000B数字存储示波器；表贴焊台：密勒电气(上海)有限公司；稳压电源：上海稳利达电气有限公司。

1.2 针感测定对象和针感评定

志愿者为在校大学生，年龄为（21±1.0）岁。刺激穴位：右侧肢体合谷及足三里穴位。

按照国际视觉模拟评分法(Visual analogue scale，VAS)规定，制作针感评定尺[2]（一长条形板，宽12mm、长200mm，在其中一面（A面）为完整刻度面，标志出20等分刻度（-100～100），另一面（B面）为中点标志面，仅标志出尺长的中点位置）。

2 装置的研制

2.1 软件设计

采用郑忠楷等建立的方法[3]，利用计算机C++等高级语言提供的rand()函数，从一个固定的伪随机序列获得随机数据[4]，将所获得的随机数据作用于脉冲电路，来分别生成电刺激信号的幅度、频率和波宽等参数。通过软件设置保留和复现刺激信号的功能，操作者可方便地使用计算机界面，设置刺激参数及刺激控制的操作。

2.2 硬件设计

采用郑忠楷等建立的方法[3]，刺激波发生电路主要由可编程升压电路、高压电子开关组成。通过Boost（升压）电路在微处理器发出不同的PWM波形驱动下形成不同的DC-DC变换[5]，直接获得相对电流强度、频率、脉冲宽度、持续时间等独立可调的电刺激脉冲波形。通过利用现有成熟芯片PL2003完成USB转串行口，将来自计算机软件的波形特征，通过USB接口，送达刺激发生电路， 实现波形的实际信号输出。同时通过计算机的USB接口，获得500mA的电流，供刺激波形形成电路作为电源使用。

2.3 装置的应用检测

2.3.1 实验分组

随机将志愿受试者分为规则组、不规则组和对照组，每组8例，其中男性6例，女性2例。

2.3.2 电针刺激参数设置

在上述电针刺激脉冲装置的计算机界面上，通过波形控制区的各参数设置区设置规则组、不规则组和对照组的电针参数如表1。各组电针参数分别保存为不同的文件以备电针时提取使用。

不规则组输出的不规则刺激脉冲串实际波形是：在2～100Hz范围内，频率每30s随机变化1次。占空比与频率同步变化，即每隔30s在20%～50%范围内完全随机变化1次。

表1 各组电针参数

2.3.3 针感变化的测定

（1）环境和条件。室温25～28℃，安静，光线适中。所有志愿者在实验前均填写一份一般情况表，记录其性别、年龄、身高、体重、健康状况等基本资料。实验的内容及注意事项均告知志愿者，但志愿者不知道其分组。

（2）针刺穴位。令受试者休息15min后取仰卧位。在其右侧肢体“合谷”和“足三里”穴处，常规消毒，分别用0.30mm×25mm和0.30mm×40mm无菌针灸针，直刺至皮下约5mm和10mm，每秒1次匀速地45°捻转，2～3mm提插，约10s。使受试者有酸、胀、麻等针感。

（3）电针刺激穴位。将研制的NEA电针仪的USB口端插入计算机的USB接口处，打开新型电针仪驱动程序，激活该电针仪。并将电针仪输出端的正极与受试者“合谷”处的针柄相连，负极与“足三里”处的针柄相连。根据分组，选择相应的电针参数，通过电针仪发送相应的电刺激30min。

（4）VAS法测定针感变化。① 针感强度定标：请受试者感受电针刺激开始时（第0 min内）的针感强烈程度，向受试者出示VAS针感评定尺的中点标志面，将该强度定位在VAS针感评定尺的中点（刻度0）处。并告知受试者尺子向左表示针感减弱，向右表示针感增强。尺子左端（刻度-100）表示“无感觉”，尺子中点（刻度0）表示“电针开始时的针感强度”[2，6-8]。② 第5、10、15、20、25、30min，分别让受试者在VAS针感评定尺上指出当时的针感强度的位置。具体操作：测定时，将中点标志面朝向受试者，而完整标志面朝向实验人员。在受试者眼正前方，实验人员用笔尖从刻度-100开始缓慢向刻度100方向移动，受试者在到达其自觉的针感强度所对应的位点时，示意停止，实验人员进行标记，测量和数据记录。

（5）描述法评定针感变化。电针结束即刻，请受试者就电针过程中针感随时间的变化做出口头描述并记录。

2.4 实验数据统计

3 结果

3.1 制作的新型电针刺激脉冲装置的优点

新型电针刺激脉冲装置的计算机操作界面设置为波形预览区和波形控制区两个部分：波形预览区在屏幕上显示在1s得到的波形，给用户直观的认识；波形控制区，可设置用户设定的电针参数。界面左上方的下拉菜单还可以实现文件的保存和提取。

电针刺激脉冲装置的参数设置可以由用户准确设定，也可以由计算机随机设定。其形成的实际电刺激脉冲波形的参数为：频率范围为0～1000Hz，且每频率可变；输出脉冲相对应的幅值为0～600mA，4mA步进可变；占空比（脉冲宽度）1%～99%，1%步进可变。其主要输出参数对比目前常用的一款传统电针仪更为精细准确，表2是两种电针刺激脉冲装置在空载环境下的比较结果。

3.2 抗针感适应效果评价

3.2.1 VAS法评定针感变化

由图1可见，各组的开始电针针感强度定标均为中点（0），不规则组电针30min过程中，30min内针感维持在8.00～18.75，即电针针感不降低；规则组电针10min时，针感较大幅度降低到-41.00，此后逐渐降低，即针感较明显减退；对照组针感在-13.62 ～ -4.62波动,30min内无明显变化；规则组与不规则组相比电针针感强度具有差异性（P<0.05）。即不规则组电针波形具有抗电针适应的效果（如图1所示）。

图1 足三里和合谷穴位受不同电针刺激波形刺激激期间的动态针感变化

表2 新型电针刺激脉冲装置与传统电针仪性能对比

表3 电针合谷和足三里穴位30min不同波形电脉冲刺激的针感变化的VAS法评定（±s）

表3 电针合谷和足三里穴位30min不同波形电脉冲刺激的针感变化的VAS法评定（±s）

组别针感强度值0min 5min 10min 15min 20min 25min 30min对照组 0 8.25±29.76 8.00±31.42 4.63±31.65 13.63±28.26 5.25±29.95 8.25±28.56规则组 0 15.25±43.44 41.00±36.68 44.00±37.18 50.37±40.80 44.13±45.41 54.63±38.68不规则组 0 15.63±48.97 8.00±56.35 14.13±46.68 18.75±53.75 11.00±35.53 10.13±37.15＃

3.2.2 描述法评定针感变化

各组电针结束受试者对针感的变化做出描述，如表4所示。

不规则组中5例描述针感在开始数分钟内增强，之后维持在较强水平；1例描述电针全程针感无明显变化；2例描述在针刺5min之内感觉略微减弱，之后保持稳定。

表4 电针合谷和足三里穴位30min不同波形电脉冲刺激的针感变化（描述法评定）

规则组中有2例描述10min之内针感迅速大幅度减弱，15～20min时已完全无感觉；5例描述整个电针过程感觉逐渐减弱；1例描述针感无明显变化。

对照组中有4例描述针感无变化，2例在5～10min略增强后维持稳定，1例描述针感在较弱水平变化；1例描述5min内针感大幅减弱后保持稳定。

4 讨 论

传统电针仪不具备将刺激过程中所输出的波形的存储、复现功能。这给临床验证或总结某种刺激方案疗效和研究工作带来了很大的困难，以至于难以总结治疗规律、提高疗效。受到传统电针仪器自身条件的限制（参数调节过粗，只能发送三种波形，疏密波形转换易引起人体不适等），有关电针不同波形的实验研究主要集中在动物实验方面，相关波形的比较仅局限于疏密波、连续波和间断波三种，无法设置其他类型的不规则波形，筛选出真正最具抗耐受性的不规则波形。

本课题组利用成熟的计算机软件编程技术和新兴的电子芯片技术，研制了一种新型电刺激脉冲装置，电刺激参数可调节范围宽、调节较精细准确，输出波形丰富多样，并带有波形预览；计算机可保存刺激输出过程，这样，非常便于临床应用中重复，也便于比较不同刺激波形的疗效。

针感是一种主观而又模糊的特征，对其量化评定较为困难。感觉的视觉模拟评分法(Visual analogue scale，VAS)由Aitkens在1965年首先提出，是一种主观经历的客观化测量方法，非常适用于评定难于直接测量的特征或行为[5]。VAS已经在临床上广泛应用于疼痛的评估，它不仅用来测定疼痛的强弱程度，也可以测定疼痛的缓解程度[7]及其他方面[8-9]。其信度被许多学者证实很高，同时具有较高的效度[9]。

本文将VAS法首次应用于针感检测，在30min的电针过程中每隔5min用VAS法评定一次针感强度，绘制成的一条时间-强度曲线可以反映针感随时间的变化规律。本文将VAS法作为一种评定针感的指标，填补了针感评定方面的空白。

使用本课题研制的新型电刺激脉冲装置，分别输出一组模拟传统电针仪输出波形的规则电脉冲波和一组频率和占空比随机变化的不规则电脉冲波。通过对24名志愿受试者的VAS法评定针感检测显示，电针30min期间，不规则组针感全程持续稳定，而对照的规则组的针感在初期即迅速降低至标准电针强度的50%左右。一方面用实验证实了长期以来临床上看到却未经验证的针感耐受现象，在电针开始后数分钟内即可发生；另一方面也证实了增加电脉冲波的不规则性可以达到抗针感适应的目的。

5 结论

本课题所研制的新型电刺激脉冲装置可以通过人机对话法灵活、精确设置各电针参数，可以保存和再现电针波形，有利于电针参数规律的总结；该装置输出的各种不规则电脉冲刺激波，若经进一步筛选优化，具有抗电针针感适应的效果。

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Development of A Computer-Controlled Electro-pulse Output Unit and the Detection of Its Effect on Maintaining Electro-acupuncture Sensation

CHEN Xuan1, ZHENG Zhong-kai2, YE Xiao-ran1, HAN Jing1, HUANG Xiao-qing1
1.Fujian Institute of Traditional Chiese Medicine, Fuzhou Fujian 350003, China; 2.Department of Physics and Electronic Information Engineering, Minjiang University, Fuzhou Fujian 350108, China

Objective The pulses generated by the electro-acupuncture apparatus in common use are with fixed frequency. Consequently the needling sensation would weaken or even vanish quickly (the electroacupuncture sensory adaptation) during the elcetro-acupuncture for the regular of the pulses. This study intended to develop a computer control electro-pulse output unit to resolve it. Methods The unit was developed with computer aided programming and microelectronics so the frequency could randomly vary with man-maching dialogue. The unit was detected in this way. An irregular electro-pulse whose frequency gradually changed in 2～100Hz was set. Its effect in resenting the electro-acupuncture sensory adaptation was evaluated. Results All kinds of regular or irregular pulses could be set, generated accurately by the unit and saved as files for application conveniently. Acupuncturing the points with the irregular pulse for 30 minutes, the needling sensations could be maintained through the stimulating. On the contrary, with the regular pulse, the sensations fast weakened (P<0.05). Conclusion The electro-pulse output unit we developed can set and took-off the electro-pulses freely. Furthermore the pulses can be saved and reexported as it is needed. Some of the pulses can maintain the needling sensation.

electro-acupuncture apparatus; microcomputer controlled pulse system; needling sensation; sensory adaptation

TH789

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2011.05.015

1674-1633(2011)05-0057-04

2010-04-26

2011-01-24

福建省自然科学基金资助项目(2007J0274)；福建省公益类科研院所基本科研专项（2009R10007-2）。

作者邮箱：minixuan2@yahoo.com.cn