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

嘉峪檢測(cè)網(wǎng)        2020-08-24 20:48

〔摘 要〕本研究以音樂療法與傳統(tǒng)的電療法相結(jié)合形成的新型康復(fù)技術(shù)為原理,設(shè)計(jì)了一款以STM32單片機(jī)為核心的中西結(jié)合音樂電針治療耳機(jī),其由主處理器模塊STM32、音頻解碼模塊、濾波模塊、音頻放大模塊、LCD和電極組成,將特定的音樂信號(hào)通過音頻解碼電路轉(zhuǎn)化為電信號(hào),一個(gè)通道進(jìn)入音頻放大電路,經(jīng)由刺激電極,作用于人體穴位,另一個(gè)通道直接進(jìn)行音樂治療。經(jīng)實(shí)驗(yàn)室測(cè)試表明,設(shè)計(jì)中的音樂電流能 夠持續(xù)刺激人體穴位,克服了電刺激適應(yīng)性,有長久穩(wěn)定舒適的針感,且可以自行下載相關(guān)音樂進(jìn)行不同類型的診療。基于STM32的中西結(jié)合音樂電針治療耳機(jī)安全性高,使用便攜,能夠滿足多種人群的康復(fù)需求,具有一定的參考價(jià)值與實(shí)用性。 

 

〔關(guān)鍵詞〕STM32;中西結(jié)合;音樂電針治療;音頻頻率;康復(fù)技術(shù) 

 

〔中圖分類號(hào)〕TH789

 

〔文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼〕A 

 

〔文章編號(hào)〕1002-2376(2020)07-0006-03

 

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)合音樂并利用電針對(duì)人體進(jìn)行治療的技術(shù)。音樂電針治療耳機(jī)通過音樂改變電流,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]。但有的音樂電針治療耳機(jī)存在如下問題:(1)采用音樂電流刺激穴位,但并未應(yīng)用音樂進(jìn)行舒緩治療;(2)缺乏系統(tǒng)研究,只是將音樂與電針進(jìn)行簡單的結(jié)合,未對(duì)音樂類型進(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,且具有音樂治療和刺激經(jīng)穴的雙重作用;此外,音樂可選擇、過濾,具有使用安全、小型價(jià)廉和操作簡便的特點(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],見圖1。STM32單片機(jī)內(nèi)置的6首音樂和后期自主下載的音樂均可通過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);音樂信號(hào)通過音頻解碼模塊轉(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)行音樂治療。

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

圖1 基于STM32的中西結(jié)合音樂電針治療耳機(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, 通過觸摸屏實(shí)現(xiàn)對(duì)音樂的控制,音頻解碼芯片將音頻數(shù)據(jù)流解碼后,通過音頻放大電路輸出至電極,作用于人體。在治療過程中,患者還可以欣賞音樂[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)送讀命令或者寫命令;寫命令時(shí),需要寫寄存器地址,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

 

常見音樂治療的音頻為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,無論自行下載的音樂屬于什么范圍,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圖形界面開發(fā)的,在工作狀態(tài)下,通過該界面可以完成打開并播放具有治療康復(fù)功能的處方音樂文件,選擇曲目,調(diào)整音量等治療過程的操作。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)閉音樂后,無輸出,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)合音樂電針治療耳機(jī)見圖2。在音樂治療模式下,示波器記錄的6種音樂處方(表1)的電極波形見圖3,音樂波形豐富多變[11-12]。經(jīng)過處理后,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]。

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

圖2 基于STM32的中西結(jié)合音樂電針治療耳機(jī)外觀表1 6種音樂處方 

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

圖3 6 種音樂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)表明差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。 

 

經(jīng)過多次測(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,電針組的針感強(qiáng)度值逐漸減小,10 min后針感強(qiáng)度值開始明顯減小,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)合音樂電針治療耳機(jī)克服了適應(yīng)性。

 

表2 兩組針感效果基于STM32的中西結(jié)合音樂電針治療耳機(jī)的研究與設(shè)計(jì)

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

 

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)生豐富的音樂波形,將具有治療康復(fù)功能的音樂信號(hào)同步轉(zhuǎn)化為電流信號(hào)后,與音樂共同作用于人體,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]。

 

【參考文獻(xiàn)】

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來源:醫(yī)療裝備雜志

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