电针仪波形参数设计研发的现状分析与思考

褚婷婷，高 明，刘堂义，徐 刚，唐文超，李少雄

电针疗法是基于传统针灸技术，将脉冲电与经络学说、神经理论等相结合产生的现代治疗方法，有力地促进针灸技术的发展与应用，在科研实验[1]和临床治疗[2～4]中发挥了重要作用。电针仪输出的物理参数决定了电针疗法对机体的刺激量和刺激效应，包括电脉冲波形、频率、刺激强度和时间，其参数量化、规范化及效应研究已成为现代电针仪研究的热点[5，6]。目前临床常用电针仪的电脉冲波形主要有连续波、疏密波、断续波3种，其他的如锯齿波、声电波等，这些波形都是由一个个单一的电脉冲组合而成的复合电脉冲波形。常见的单一电脉冲波形有方波、矩形波、三角波和正弦波等。

波形是电针仪研制过程中必不可少的参数。临床研究[2，7～9]和实验研究[1，10]表明，不同波形具有相应的适应证，因此探究电针仪电脉冲波形参数的医理设计、理论基础及各种波形的特点与优势，对临床应用和研发新型电针仪提供理论指导，也有利于推动电针仪器的发展与应用[2]。现就电针仪波形参数设计的研发现状进行综述分析。

1 单一电脉冲波形

1.1 方波和矩形脉冲波

在低频电脉冲中，方波和矩形波在电针仪中运用较为广泛（图1A），有效脉冲宽度tm和电压峰值Um是决定电脉冲刺激量的关键因素，Um越大刺激越强，单个电脉冲对机体的刺激量是Um和tm的乘积。临床研究观察表明，方波或矩形波可松解肌肉痉挛、减轻组织水肿、镇静催眠，作用于人体舒适[11]。G6805电针仪是运用矩形波电脉冲（图1B），正向是矩形波，负向是尖峰波，通过分立元件，经谐振产生各种脉宽的电脉冲波。

一种电刺激器[12，13]经编程器控制、波形变换器和恒流输出电路可生成适宜的双向方波电脉冲，并保证电荷平衡，报道用于与听神经兴奋性有关的基础研究，从而确定安全有效的刺激参数。

方波电脉冲还可提高正常人的痛阈，由于镇痛作用是全身性的反应，可产生超脊位节段的效果，故作用侧、非作用前臂屈肌侧痛阈、耐痛阈值均升高。根据闸门学说，100 Hz波宽50μS的低频方波可兴奋A纤维和C纤维，关闭脊髓后角神经胶质细胞的通路，产生痛觉传导阻断的作用[14]。

在低频电脉冲刺激中，采用电荷平衡原理，电荷平衡是指恒电荷/相位C=|I1t1|=|I2t2|（I为电流；t为电流通过的时间；其乘积为电荷C）[15]，可有效降低电刺激的不良电化学反应发生率，达到疗效的满意度和治疗的安全性。因此，目前临床应用的电针仪波形大多采用方波。研制符合医理设计的方波或矩形波电刺激器，可提高电刺激的安全性和有效性。

1.2 三角脉冲波

三角脉冲波的参数有上升斜率、下降斜率、幅度和脉宽（图2A）。三角脉冲波[16]刺激失神经支配的肌肉效果较好，可延缓肌肉萎缩进展，减少肌质量丢失；其作用机制主要是刺激肌肉节律性收缩，促进神经轴突的再生速度，改善血液、淋巴回流，使肌肉获得神经再支配，激发萎缩肌肉的收缩功能。吴志雄等[17]研制的可调式电针仪，运用Labview程序中的Triangle Pattern.vi函数产生单个三角信号源，While循环产生电针仪三角脉冲波，图2B所示波形参数设置界面，电压、脉冲周期、三角脉冲波的斜率和脉冲宽度均可调，电压幅度为0.2～50.0 V，周期1～4 000 ms，斜率10°～90°，脉冲宽度是周期的1%～99%。

根据机体兴奋性组织的刺激强度-时间曲线可知，电脉冲刺激作用达到一定强度和时间才能引起神经肌肉组织的兴奋。三角脉冲波波形决定电脉冲所形成的包络，脉宽决定单个电脉冲持续的时间，脉冲的电压幅值决定刺激强度[18]。通过不同的函数方式控制三角脉冲波的正负斜率参数，实现电针治疗的组织兴奋和维持电荷平衡性。研究表明[17]，采用上升斜率较小，即上升较为缓慢的三角脉冲波刺激肌肉，对受损肌肉如失神经支配肌肉组织刺激较强，使肌肉组织发生强直性收缩，也可使内脏平滑肌收缩，提高肌张力。失神经支配肌肉对于三角脉冲波，其反应疗效与电脉冲前沿上升时间的增加而增强，可达到维持良好针感效应的持久性。因此，三角脉冲波已成为电针改善肌肉萎缩等功能障碍的优选刺激波形。

1.3 正弦脉冲波

正弦脉冲波是按正弦函数随时间发生规律性变化的电脉冲。频率低于1 000 Hz的电脉冲可兴奋神经肌肉组织，改善局部组织血液循环，镇痛消炎；频率高于1 000 Hz时，可增加机体深毛细血管的开放频率，增加血流速度，增强血液循环[19]。冯杰等[20]设计的可穿戴式电针仪系统（图3），通过意法半导体32位系列微控制器芯片（STMicroelectronics，STM32芯片）产生正弦脉冲波宽度调制（sinusoidal pulse width modulation，SPWM）波[21]，使脉冲宽度占空比在时间域上依照正弦函数取值，输出信号经滤波处理而成。正弦脉冲波占空比随相应正弦函数取值的增加而增加，相邻的脉冲间隔而减小，反之亦然。这种基于SPWM原理，精确计算出各脉冲宽度和间隔，准确控制各个开关器件的通断时刻，对正弦脉冲波进行信号放大达到目标输出电压，进而实现精确控制，波形稳定，仪器安全，患者接受度更高。

正弦脉冲波磁场发生器[22]通过输入电压的不同调整正弦信号发生器线圈端面中心处产生的磁场大小，经单片机控制输出正弦脉冲波的频率，该脉冲电可使海马神经元钾离子通道的电流产生变化。Riva D等[23]研究表明，高频正弦脉冲波振动有效对抗废用性肌萎缩，延缓细胞凋亡进程，在临床应用中有容易操作和无创的特点，其作用机制通过选择性地兴奋肌梭、肌肉神经传入冲动，改善脊髓运动神经元功能变化，增强神经-肌接头动作电位的扩布，保证了神经-肌肉兴奋收缩偶联的正常进行，有效促进肌肉功能的恢复，从而改善肌肉的收缩功能状态。

2 复合电脉冲波形

随着电子计算机技术、微型计算机测量和控制技术在各个领域广泛应用，许多学者将该技术应用于针灸仪器的研发设计，开展传统针刺技术的传承与创新研究，如复合电脉冲波形、针刺补泻技术研究等，有力地推动传统针刺手法和电针仪的发展[24]。根据临床电针治疗需要，复合电脉冲波形研究将成为未来电针技术发展的主要方向之一，图4所示研制的复合电针脉冲波形[25]，以微型计算机作为控制机，模式选择控制电路，产生3种模式的波形，通过计算机编程控制以复合脉冲波形为输出，可以有效地改善单一电脉冲波形的电适应现象。

2.1 音频脉冲叠加产生波形

《黄帝内经》里就有“五音疗疾”的记载。医学研究[26]表明，音乐电脉冲是根据音乐的不同旋律、节奏、音调、力度结合而形成的复杂信号，最大特点是波形参差不齐，其复合波频率和振幅的改变随音乐的变化而达到刺激形式的变化，可克服单一波形的电脉冲在长刺激后因机体适应而产生电针耐受和效果衰减问题[27]，更适合于临床治疗和科研实验。研究显示[28，29]，轻松舒缓音乐可改变生理状态，改善人体内环境，缓解焦虑不安情绪，稳定机能，增强人体免疫力。

梅成等[30]研究表明音乐电针治疗动脉粥样硬化疗效确切，为音乐电针治疗疾病提供了影像学依据。张春平等[31]在音乐疗法机制的基础上，采用信号叠加原理，按照音乐的旋律、节奏、力度等因素把许多单一频率的正弦脉冲波组合形成音频信号，并与电脉冲信号结合，经处理后输出由多种频率合成的电脉冲串，改善了电针治疗后期疗效衰减和局部组织跳动的缺点，更好地解决了电针单一波形的适应性和耐受性问题。音乐声波电针疗效稳定，针感舒适，无后期衰减现象，患者接受度良好，在经穴上进行电脉冲的刺激和听音乐，使身心获得双重的治疗效果[28]。

音乐电针可维持神经纤维的兴奋性,针感持久,以最大程度维持治疗效果,减少治疗周期。研究[32]发现音乐电针对急性脑出血大鼠脑内铁离子有调节作用，疗效优于普通电针，可改善脑内微环境，减轻脑水肿，阻止神经元细胞凋亡的影响。

在物理层面上，当音乐的节律与人体固有的自主节律相一致时，可与人体内各种性质的振动产生生理共鸣，调整机体紊乱状态，恢复机体自主节律，从而治疗疾病[33]；在生理层面上，音乐通过听觉器官传输至中枢神经系统，可调节神经兴奋性及脑电信号的传递，对神经、运动、感知等多个系统产生调节作用，调整人体生理功能[34]。

王云[35]研究发现音乐疗法具有独特的改善神经系统平衡的功能，通过声波来全方位地调节人体生理、心理、认知等各个方面，从而达到治疗疾病、提高康复水平的目的。音乐电针在发挥针刺、音乐治疗作用的同时，又提高了患者的就诊体验，充分体现了现代生物-心理-社会医学模式的优势，为针灸治疗疾病提供了新的临床思路。

2.2 程序控制产生波形

2.2.1 专家治疗程序产生波形

智能化技术的普及应用使智能电针仪器逐渐发展为针灸仪器研发应用的主流趋势。顾新建等[36]设计PCE-A型程序控制电针仪，由时钟电路产生的振荡脉冲，形成带电可擦可编程只读存储器（electrically erasable programmable read only memory，EEPROM）的地址，通过存贮的专家治疗程序进行输出，脉冲波通过脉冲宽度控制器、波形整形电路和数模转换电路（digital to analog converter，DAC）得到脉冲，最后经脉冲变压器隔离输出至穴位进行治疗。

2.2.2 设计程序信号产生波形

宋俊杰等[37]依据符号化测量理论在个人计算机（personal computer，PC）平台基础上研制电针仪，包含计算机、输入/输出（input/ouput，I/O）接口设备、控制电路产生电针信号，将信号升压至合适的电针信号并作用于人体。薛建伟等[38]通过Simulink仿真出混沌波形，以STM32为开发平台产生混沌信号，将信号叠加至传统的刺激波形，达到新的电刺激效果，与单片机相比具有安全性、高效性和易扩展等优点；考虑到患者的耐受性，将混沌信号加入到电针仪脉冲波形中，使人体获得一种新的刺激感受，从而解决电刺激适应性的问题。

郑忠楷等[39]通过计算机产生随机数并经红外方式传输，脉冲宽度调制（pulse width modulation，PWM）波群被调制驱动boost型直流转直流变换器（DC-DC converter，DC-DC）电路以获得电针随机波，将刺激幅度、频率、脉冲宽度及持续时间在一定范围内随机组合变化（图5）。PWM波驱动与电针信号的脉冲相对应，PWM单个波脉宽决定了电针脉冲的电压幅度，PWM每组波群的持续时间决定了电针脉冲的有效脉宽，每组PWM波的时间间隔决定了电针脉冲的频率，多组PWM波经整形就实现了多个电针脉冲。通过计算机筛选用户设定范围内的随机数值控制刺激脉冲，产生电刺激，并保存参数序列为量化、复现波形提供保障。对比传统电针仪，降低了机体电适应性，提高电针刺激有效性，使波形精确度高，优化了波形预览、量化、存储及复现功能，具有较高的科研和临床应用价值，并在实现以上功能的同时，拓宽了临床与实验的应用范围。计算机可保存并调用原有实验波形进行重复测试，区别于以往电针仪，对于发现或者验证有效治疗波形具有十分重要的应用价值。

2.3 仿真与模拟传统针刺手法的波形

研究人员应用计算机及传感器技术，在针刺手法参数测定仪上进行模拟操作，产生针刺操作的电信号，实现针刺手法操作细节的定量化和数字化，并获得和分析相关波形及参数，进一步规范临床针刺手法并改良针刺操作重复性差的问题。基于此，研制针刺手法仿真治疗系统能“仿真”医生在人体上的针刺操作并予替代，控制针刺的提插捻转运动及进入皮肤组织的运动规律，使针刺手法参数达到客观化、定量化和规范化。

数字式电针仪[24]采用系统芯片（SysTem chip，STC）单片机及集成红外遥控模块，无线红外控制电脉冲的宽度、频率和幅度三个要素，根据针刺补泻理论，采用低频弱刺激为补，高频强刺激为泻进行治疗。洪文学等[40]基于传统中医针灸补泻理论和符号化测量理论，模拟再现针刺补泻手法，提出域内特征提取、不同域间特征映射的原理，将传统中医针刺手法转换为电气信号参数（图6），采用不同幅值的电刺激信号仿照针刺手法中的天、地、人三部以模拟烧山火和透天凉，通过改变电脉冲波形来实现传统针刺手法中的补泻，并采用模糊划分法与混沌处理结合改善电脉冲对人体刺激的适应性。也有学者运用传统针灸理论与混沌理论[41]，模拟传统针刺法设计出电针波形，以补泻手法对应波形，结合计算机编程，设计出透天凉的理论波形，制作出一种模拟传统针刺补泻手法的虚拟电针治疗仪。针刺基本提插手法中的补泻操作，表现在提插时用力轻重和速度快慢等，而电刺激则是通过改变刺激的强度、频率和持续时间等[42]。为实现传统针刺手法工程，需将手法特征与电信号参数对应结合，表1列出了提插针刺补泻手法的对应电针波形实现[42]。

表1 提插针刺补泻手法对应的电针波形电信号参数一览表Tab.1 List of electroacupuncture waveform electrical signal parameters corresponding to lifting and inserting acupuncture reinforcing and reducing manipulation

华佗牌针刺手法针疗仪[43]作为一种生物信息针疗仪，除具备普通电针仪的刺激效果外，尚可输出多种电针波形以模拟不同针刺手法，其以生物信息研制技术，模拟并记录了不同针刺手法在人体脊髓背角神经元的信息表达，通过输出波形和频率的不断改变达到刺激形式的变化，由中枢神经机制达到针刺手法的治疗效果，并能拮抗机体感受器适应性，以实现传统手法与现代电子设备的融合。

电针仪的设计融合了中医理论和针刺手法特征等元素，具有中医医理特色的电针仪更适合临床实际情况，在中医临床诊疗思维指导下，更有效地开展临床研究，提高临床疗效。

3 思考与展望

电针仪是针灸学与现代多学科技术结合产生的，为针灸临床治疗提供条件，提高临床疗效[38]。随着电针仪应用范围的不断扩大，电针刺激参数的量化研究已成为针刺临床和实验原理研究中的重要发展方向之一[44]。

现代临床常用电针仪的波形是经过调制的复合波，是在单一脉冲波的基础上，结合计算机、电子技术、神经电生理等理论研制的电针仪波形参数，研制出具有中医医理特点的电针仪，促进传统针刺手法的传承，创新电针仪研发的思路。

电针仪刺激参数的选择是临床研究中关键的问题，波形和基波的波宽都是影响电针效应的重要参数[45]。现临床常用的电针仪并无波宽选项，故无法进行研究。因此，开发相关的研究仪器，搭建电针参数的研究平台是必须要解决的首要问题。

不同的电脉冲波形具有不同的生物学效应。有关于单一电脉冲波形的研究报道[14，17]，但是不同脉宽或不同频率的单一电脉冲在神经、肌肉组织方面效应又如何，其机制有待进一步研究揭示。复合波形则是通过不同波形及其频率的排列组合而成，其具有的效应也不同，如电针在泌尿系疾病治疗中[46]，对于急迫性尿失禁症状为主的患者，以采用连续波中的疏波效果更佳，因急迫性尿失禁大多是由逼尿肌过度活动引起，运用连续波中的疏波，能起到镇静制动，抑制逼尿肌过度运动的作用[3]；而针对压力性尿失禁症状的患者，主要是因尿道括约肌障碍、盆底组织结构受损引起，可考虑采用疏密波促进循环、修复功能、增强肌力，疗效更佳[4]。在此基础上，从临床和实验研究中，开展不同电针波形参数治疗不同病症的效应和机制研究，分析、总结临床治疗不同疾病适宜的电针波形参数，提升电针波形等参数的研发设计理论和技术，为研制中医特色的电针仪提供理论指导，更有效地指导临床实践。

结合数字电路、大数据、人工智能等科学技术，融合中医针刺理论，在现有电针仪波形参数设计研发的基础上，进一步整理电针仪波形参数的研发设计理论和技术，研制具有中医理论特色的电针仪，促进电针仪参数的量化、数字化、规范化、标准化研究，促进电针仪的发展。