CN113648219B - 穴位电针装置及系统 - Google Patents

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CN113648219B CN202110940380.7A CN202110940380A CN113648219B CN 113648219 B CN113648219 B CN 113648219B CN 202110940380 A CN202110940380 A CN 202110940380A CN 113648219 B CN113648219 B CN 113648219B
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Abstract

本公开提供一种穴位电针装置，包括：多根电针，其顶部设置有导线；电针管道，套设于每根电针外，电针管道内部顶端通过弹簧连接电针的针体的顶端；微电机，其电机轴通过连接线连接至电针的顶部区域，从而通过微电机转动带动电针沿电针管道移动；固定架，用于支撑固定所述电针管道和微电机；底托，由柔性、多孔的绝缘材料制成，能够供电针穿透底托后植入皮肤；以及金属外壳，与所述底托配合安装后将所述电针、电针管道、微电机以及固定架罩设于金属外壳内部。

Description

穴位电针装置及系统
技术领域
本公开涉及医疗器械技术领域，尤其涉及一种穴位电针装置及系统。
背景技术
针灸作为一种中医理疗手段，在全球的公共和医疗保健专业人员中越来越受欢迎。关于针灸的可接受性和有效性，在许多国家被认为是最实用和有效的治疗方法。近几十年来，针灸临床研究迅速发展，在健康/疾病的人类模型和动物模型都具有明显的治疗和调节作用。它的研究方法已经从最初的治疗疼痛相关疾病改变为治疗心血管疾病和神经系统疾病。例如研究证实，膻中穴(RN17)，内关穴(PC6)和三阴交穴(SP6)已被用于心血管疾病的治疗。同样，百会穴(GV20)可被用于治疗人类的睡眠问题。电刺激也被认为是可以替代医生使用针灸手法医治的最佳方案。
生物电信号分析是了解穴位的最关键方法之一。使用电子设备检测和监视穴位的历史悠久。目前，关于人体穴位电信号的研究目包括电阻抗分析和电位分析。最初，关于人体穴位阻抗的文献很多。到目前为止，关于针刺点与周围区域之间的阻抗差异仍存在争议；一个重要的原因是，影响皮肤特征的环境或生理因素会显着改变穴位的阻抗测量结果。
由此，如何对人体穴位同时进行电生理信号检测和穴位刺激，消除个体差异、皮肤差异的影响是一个亟待解决的技术课题。
发明内容
(一)要解决的技术问题
基于上述问题，本公开提供了一种穴位电针装置及系统，以缓解现有技术中难以对人体穴位同时进行电生理信号检测和穴位刺激，且难以消除个体差异、皮肤差异的影响等技术问题。
(二)技术方案
本公开的一个方面，提供一种穴位电针装置，包括：多根电针，其顶部设置有导线；电针管道，套设于每根电针外，电针管道内部顶端通过弹簧连接电针的针体的顶端；微电机，其电机轴通过连接线连接至电针的顶部区域，从而通过微电机转动带动电针沿电针管道移动；固定架，用于支撑固定所述电针管道和微电机；底托，由柔性、多孔的绝缘材料制成，能够供电针穿透底托后植入皮肤；以及金属外壳，与所述底托配合安装后将所述电针、电针管道、微电机以及固定架罩设于金属外壳内部。
根据本公开实施例，所述电针设置有2根。
根据本公开实施例，所述的穴位电针装置，还包括：微型滑轮，设置于所述电针管道外侧，用于配合微电机和连接线实现电针移动方向的调节。
根据本公开实施例，通过控制微电机转速与转动时间实现控制电针的植入速度与植入长度：
Figure BDA0003214030500000021
v＝2πRn；
其中，L为电针植入长度，v为电针植入速度，R为微电机轴的半径，n为微电机转速，t为电机运作时间。
根据本公开实施例，所述电针针体设置有一凸起部，用于在电针在电针管道移动时进行限位，从而使得电针以竖直方向植入皮肤中。
本公开的另一方面，提供一种穴位电针系统，包括：如上任一项所述的穴位电针装置；主控模块，接收使用者的身高体重信息，确定初步电针植入深度；信号采集模块，与所有电针相连，用于采集电针植入处穴位的电生理信号，从而使得所述主控模块能够根据所采集的电生理信号确定电刺激方案；刺激模块，用于根据所述电刺激方案向电针输出刺激电信号，从而刺激穴位。
根据本公开实施例，所述信号采集模块，包括：多通道信号放大电路，用于将多个穴位电针装置中的电针采集的电生理信号放大20倍；多通道信号去噪电路，用于将电生理信号去除工频噪声，并进行截止频率为500Hz的4阶巴特沃斯低通滤波；以及模数转换电路，用于将电生理信号转换为数字信号并输至主控模块。
根据本公开实施例，所述主控模块，包括：特征提取单元，用于提取电生理信号的时域特征、频域特征、非线性特征；成分指数单元，用于根据所述电生理信号的时域特征、频域特征、非线性特征确定时域特征成分指数、频域特征成分指数、非线性特征成分指数；以及健康指数单元，用于根据所述时域特征成分指数、频域特征成分指数、非线性特征成分指数得到心血管健康指数。
根据本公开实施例，所述主控模块还包括：刺激调整单元，根据不同穴位得到的血管健康指数的变化判断心血管问题发生位置与原因，着重刺激与此问题相关的穴位；根据穴位的血管健康指数的各个成分指数的变化程度，选择刺激电信号的波形、波形频率、刺激时长；根据多次检测的心血管健康指数的变化趋势，分析当前电刺激的方案的模式是否合适，对刺激方案中的刺激模式的选择进行反馈或提醒。
根据本公开实施例，所述刺激电信号的类型包括：脉冲波、矩形波、三角波、正弦波、以及与音频文件的数字信号相同的模拟波形中至少一种。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本公开穴位电针装置及系统至少具有以下有益效果其中之一或其中一部分：
(1)电针装置可以根据个体身高、体重的差异调节长度，对相同的个体的短期内的植入长度相同，采集的电生理信号具有相同的基线，分析误差减小，避免了人工植入带来的误差；
(2)电针接触皮肤处使用柔性、多孔的绝缘材料，贴合皮肤，隔离人体皮肤的电信号并能够保持皮肤的正常温、湿度；
(3)可同时检测多个电针装置采集到的电生理信号，根据多个穴位的电生理信号，分析得到信号的时域特征、频域特征、非线性特征，结合各个特征的参数分析人体心血管功能，对有效诊断人体心血管健康提供依据；
(4)可以进行自动调节的电刺激，根据穴位电生理信号的分析结果，自动设置电刺激的参数，调整对人体的最佳刺激方案，同时可以根据个体差异，进行个别参数微调；
(5)数据传输能够选择有线/无线方式，满足大数据的快速传输，也满足小文件传输的方便。
附图说明
图1a为本公开实施例中穴位电针装置的分解结构示意图。
图1b为本公开实施例中穴位电针装置无外壳状态的组装结构示意图。
图2为本公开实施例中针对心血管相关疾病的穴位电针系统示意图。
图3为本公开实施例中电生理信号处理工作流程示意图。
图4为本公开实施例中电生理信号数据分析工作流程示意图。
图5为本公开实施例中电刺激调控与电针装置控制工作流程示意图。
【附图中本公开实施例主要元件符号说明】
100-电针装置；101-连接线；102-微电机；103-固定架；104-电针管道；105-微型滑轮；106-弹簧；107-电针；108-底托；109-金属外壳。
具体实施方式
本公开提供了一种穴位电针装置及系统，能够对人体穴位同时进行电生理信号检测和穴位刺激，可以以消除个体差异、皮肤差异的影响，实现通过穴位进行自动化、仪器化的闭环治疗。
穴位的电生理信号包含有关人体病理和生理状态的丰富信息，穴位特异性是与针灸实践有关的核心科学问题，是当前穴位研究的重要关注的热点。研究表明，穴位是人类病变的重要反映点，可以有效反映内脏器官的状况。造成这种现象的原因可能与皮肤神经源性炎症有关。目前已经进行了许多研究来从图像学，热学，形态学，电学等来验证穴位的特异性，尤其是心血管方面，膻中穴，内关穴和三阴交穴的电生理信号已被证明具有针对人体的心血管功能的特异性。穴位电生理信号的特异性为量化穴位特征和疾病诊断提供了一种潜在的依据。
为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。
在本公开实施例中，提供一种穴位电针装置，如图1a和图1b所示，所述穴位电针装置，包括：
多根电针107，其顶部设置有导线；
电针管道104，套设于每根电针外，电针管道内部顶端通过弹簧106连接电针的针体的顶端；
微电机102，其电机轴通过连接线101连接至电针的顶部区域，从而通过微电机转动带动电针沿电针管道移动；
固定架103，用于支撑固定所述电针管道104和微电机102；
底托108，由柔性、多孔的绝缘材料制成，能够供电针穿透底托后植入皮肤；以及
金属外壳109，与所述底托配合安装后将所述电针、电针管道、微电机以及固定架罩设于金属外壳内部。
在本公开实施例中，如图2所示，电针107设置为两根，针体上有两个圆形结构，所述圆形结构的大小对应电针管道的内管径大小设置，确保电针针体能够在电针管道内无偏移的移动，进而竖直植入皮肤内；针体顶端由无弹性的连线101连接至针体之间的微电机102，使用微型滑轮105实现线的转向，通过控制电机转速与转动时间实现电针107植入速度与植入长度：
Figure BDA0003214030500000051
v＝2πRn
其中，L为电针植入长度，R为微电机轴的半径，n为微电机转速，t为电机运作时间，v＝电针植入速度。
单个针体周围使用绝缘材料制作电针导管104，针体顶端与电针导管顶端有弹簧106连接，可在电针装置及系统使用结束时自动弹出针体；由坚硬不变形的绝缘物体制成固定架103支撑微电机102与电针导管104；电针装置外侧使用不锈钢合金外壁109进行电磁屏蔽；电针装置接触皮肤处使用柔性、多孔的绝缘材料做柔性底托108，贴合皮肤，隔离人体皮肤的电信号并保持皮肤的正常温、湿度，同时此结构还起到固定皮肤的作用，当电针取出时，皮肤不会被拽动，减小人体疼痛；此外合金外壁底侧可带有可拆卸表带，用于在皮肤植入电针时固定电针装置。
本公开实施例中还提供一种穴位电针系统，如图2所示，所述穴位电针系统包括：
以上所述的穴位电针装置；
主控模块，接收使用者的身高体重信息，确定初步电针植入深度；
信号采集模块，与所有电针相连，用于采集电针植入处穴位的电生理信号，从而使得所述主控模块能够根据所采集的电生理信号确定电刺激方案；
刺激模块，用于根据所述电刺激方案向电针输出刺激电信号，从而刺激穴位。
根据本公开实施例，针体顶端有导线与信号采集模块连接；左侧侧针体有导线与刺激模块连接；微电机模块电源线与电源模块连接。
在本公开的一些实施例中，信号采集模块，功能流程图如图3所示；所述的信号采集模块包括：
多通道信号放大电路，用于将多个电针装置采集的信号放大20倍；
多通道信号去噪电路，用于将多个通道信号去除工频噪声，并进行截止频率为500Hz的4阶巴特沃斯低通滤波；
模数转换电路，用于将多个通道的模拟信号转换为数字信号，并把数据以2KHz的采样率传输至主控模块。
在本公开的一些实施例中，所述的主控模块能够根据输入的身高体重信息，计算穴位的长度，自动设置合适的植入深度；根据个体差异，可以手动对植入深度进行微调。
在本公开的一些实施例中，主控模块，功能流程图如图4所示；所述的主控模块包括：
特征提取单元，用于提取电生理信号的时域特征、频域特征、非线性特征；
成分指数单元，用于根据所述电生理信号的时域特征、频域特征、非线性特征确定时域特征成分指数、频域特征成分指数、非线性特征成分指数；以及
健康指数单元，用于根据所述时域特征成分指数、频域特征成分指数、非线性特征成分指数得到心血管健康指数。
刺激调整单元，根据不同穴位得到的血管健康指数的变化判断心血管问题发生位置与原因，着重刺激与此问题相关的穴位；根据穴位的血管健康指数的各个成分指数的变化程度，选择刺激电信号的波形、波形频率、刺激时长；根据多次检测的心血管健康指数的变化趋势，分析当前电刺激的方案的模式是否合适，对刺激方案中的刺激模式的选择进行反馈或提醒。
使用STM32系列芯片，具有功能种类繁多、芯片成本低、价格低廉、功耗低、芯片体积小等优点，可根据用户需求进行功能定制。
根据本公开实施例，所述特征提取单元，可处理多通道信号并进行软件去噪，进一步去除工频、高频干扰，提取时域特征(包括平均绝对幅值mAV、过零点数ZC、方差var)、频域特征(包括功率值Power、功率谱密度曲线峰值PSD)、非线性特征(包括模糊熵FuzzyEn(m，n，r，N)、LZ复杂度C(N))。各特征计算方式如下：
Figure BDA0003214030500000071
if{xk＞0 and xk+1＜0}or{xk＜0 and xk+1＞0}and{|xk-xk+1|＞ε}
ZC＝ZC+1
Figure BDA0003214030500000072
Figure BDA0003214030500000073
FuzzyEn(m，n，r，N)＝lnδm(n，r)-lnδm+1(n，r)
Figure BDA0003214030500000074
其中，mAV为平均绝对幅值，ZC为过零点数，var为方差，N为数据样本数，ε为基线阈值(ε＝0.015μV)，xk是此分析窗口中的第k个样本，FuzzyEn(m，n，r，N)为模糊熵，m为嵌入维数，r为指数函数边界的宽度，n为指数函数边界的梯度，δ为构造函数，C(N)是标准化的LZ复杂度，c(N)为复杂度，a为符号个数(a＝2)。
根据本公开实施例，所述成分指数单元能够计算时域成分指数、频域成分指数、非线性成分指数：
HT＝αTmAV+βTZC+γTvar
HF＝αFPower+βFPeak
HN＝αNFuzzyEn+βNC(N)
其中HT为时域成分指数，HF为频域成分指数，HN为非线性成分指数，
dT、βT、γT分别为三个时域特征的成分比重，αF、βF分别为两个频域特征的成分比重，αN、βN分别为两个非线性特征的成分比重。
根据本公开实施例，所述健康指数单元能够计算即时心血管健康指数HI：
HI(η1，η2，η3，...，ηn)
＝η1(αIHT+βIHF+γIHN)+η2(αIHT+βIHF+γIHN)+…+η2(αIHT+βIHF+γIHN)
其中αI、βI、γI分别为时域成分指数、频域成分指数、非线性成分指数的健康比重，ηn为第n个穴位的心血管健康函数。
计算长时心血管健康指数HL：
HL(η1，η2，η3，...，ηn)＝θ1HI1+θ2HI2+θ3HI3
其中HI1、HI2、HI3分别为最近检测分析的三次即时心血管健康指数，θ1、θ2、θ3分别为三次即时心血管健康指数的健康比重。
在本公开的一些实施例中，所述刺激调整单元能够判断人体心血管健康变化原因，自动设置合适的刺激模式：
根据不同穴位的健康指数的变化判断人体心血管问题发生位置与原因，着重刺激与此问题相关的穴位；根据穴位的健康指数的各个成分的变化程度，选择波形、波形频率、刺激时长；根据多次检测的即/长时心血管健康指数的变化趋势，分析当前电刺激的模式是否合适，对刺激模式的选择进行反馈或提醒人工设置。
在本公开的一些实施例中，所述的刺激电信号的类型包括：脉冲波、矩形波、三角波、正弦波、以及与音频文件的数字信号相同的模拟波形中至少一种。
综上，所述的主控模块包可对信号采集模块转换得到数字信号进行处理，得到信号的时域特征、频域特征、非线性特征，综合分析得出人体即时心血管功能健康指数；可以结合前三次的人体即时心血管功能健康指数分析得出人体长时心血管功能健康指数；根据分析得到的即时、长时指标自动调整刺激模块的输出到各个对电针模块的电流强度、频率、波形；可以使用移动终端或USB导入的波形；可以将移动终端或USB导入的音频文件转换成电刺激波形；根据多次检测的即/长时心血管健康指数的变化趋势，分析当前电刺激的模式是否合适，对刺激模式的选择进行反馈或提醒人工设置；可以根据输入的人体身高、体重信息调整植入长度；可以根据人体差异进行微调。
在本公开的一些实施例中，所述的刺激模块功能流程图如图5所示，所述的刺激模块包括：
转换电路单元，具有模数转换电路，可将主控模块的输出的控制信息转为刺激用的模拟信号；
输出单元，可同时对多个电针装置的左侧针体进行相同或不同得电流输出；
保护单元，具有限压保护电路确保不对人体具有伤害，同时在刺激过程中，如果出现输出电流电压值超过设定的限值时，发出警报。
在本公开的一些实施例中，所述的穴位电针系统还包括周边电路，所述周边电路包括：
电源模块：可以向各个模块提供5V、12V两种直流电源；向微电机提供12V直流电源；
数据存储模块：可以有选择的存储每次的采集信号、身高体重、信号特征、输出参数、即时/长时心血管功能健康指数；
USB读写模块：可以通过USB模块将存储数据导出/导入；可以将波形导出/导入；
显示模块：可以显示各个电针装置的采集波形，可以显示刺激模块的输出参数，可以显示即时和存储的数据与参数，可以显示各个模块使用情况；
按键输入模块：可以输入指令、设置参数；
通信模块：包括蓝牙功能和WIFI功能，用于穴位检测及调控系统与移动终端进行数据传输，可以通过移动终端设置参数、导入波形、导出数据。
根据本公开实施例，采用上述针对心血管相关疾病的穴位电针装置与系统的操作方法流程如下：将多个电针装置竖直放置在穴位上，电针装置的两针与穴位所在的经络垂直；设置身高体重信息，确认并检查植入深度；开始采集穴位的电生理信号；主控模块开始分析信号特征，计算心血管健康指数，显示电刺激方案；确定电刺激方案，包括：刺激波形，刺激时长；如果尝试使用新的刺激波形，可以使用USB模块或通信模块将刺激波形以音频文件的形式导入；开始电刺激；电刺激结束，拔出电针针体。
至此，已经结合附图对本公开实施例进行了详细描述。需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换。
依据以上描述，本领域技术人员应当对本公开穴位电针装置及系统有了清楚的认识。
综上所述，本公开提供了一种穴位电针装置及系统，该穴位电针装置可自动向皮肤中植入、取出电针；穴位电针系统中的信号采集模块，用于采集并处理电生理信号；刺激模块，用于对不同穴位进行相同/不同波形、时长、频率的刺激；主控模块，用于分析电生理信号，提取特征计算人体心血管健康指数，选择最佳的刺激方式；周边电路，用于数据交互、数据传输、供电。本公开是提出了一种新的对人体心血管系统的检测和调控的手段，为针灸的特异性研究提供了一种新的研究方式。
还需要说明的是，实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本公开的保护范围。贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在可能导致对本公开的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。并且图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本公开实施例的内容。
说明书与权利要求中所使用的序数例如“第一”、“第二”、“第三”等的用词，以修饰相应的元件，其本身并不意味着该元件有任何的序数，也不代表某一元件与另一元件的顺序、或是制造方法上的顺序，该些序数的使用仅用来使具有某命名的一元件得以和另一具有相同命名的元件能做出清楚区分。
此外，除非特别描述或必须依序发生的步骤，上述步骤的顺序并无限制于以上所列，且可根据所需设计而变化或重新安排。并且上述实施例可基于设计及可靠度的考虑，彼此混合搭配使用或与其他实施例混合搭配使用，即不同实施例中的技术特征可以自由组合形成更多的实施例。
以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种穴位电针装置，包括：
多根电针，其顶部设置有导线；
电针管道，套设于每根电针外，电针管道内部顶端通过弹簧连接电针的针体的顶端；
微电机，其电机轴通过连接线连接至电针的顶部区域，从而通过微电机转动带动电针沿电针管道移动；
固定架，用于支撑固定所述电针管道和微电机；
底托，由柔性、多孔的绝缘材料制成，能够供电针穿透底托后植入皮肤；以及
金属外壳，与所述底托配合安装后将所述电针、电针管道、微电机以及固定架罩设于金属外壳内部。
2.根据权利要求1所述的穴位电针装置，所述电针设置有2根。
3.根据权利要求1所述的穴位电针装置，还包括：
微型滑轮，设置于所述电针管道外侧，用于配合微电机和连接线实现电针移动方向的调节。
4.根据权利要求1所述的穴位电针装置，通过控制微电机转速与转动时间实现控制电针的植入速度与植入长度：
Figure FDA0003214030490000011
v＝2πRn；
其中，L为电针植入长度，v为电针植入速度，R为微电机轴的半径，n为微电机转速，t为电机运作时间。
5.根据权利要求1所述的穴位电针装置，所述电针针体设置有一凸起部，用于在电针在电针管道移动时进行限位，从而使得电针以竖直方向植入皮肤中。
6.一种穴位电针系统，包括：
如权利要求1至5任一项所述的穴位电针装置；
主控模块，接收使用者的身高体重信息，确定初步电针植入深度；
信号采集模块，与所有电针相连，用于采集电针植入处穴位的电生理信号，从而使得所述主控模块能够根据所采集的电生理信号确定电刺激方案；
刺激模块，用于根据所述电刺激方案向电针输出刺激电信号，从而刺激穴位。
7.根据权利要求6所述的穴位电针系统，所述信号采集模块，包括：
多通道信号放大电路，用于将多个穴位电针装置中的电针采集的电生理信号放大20倍；
多通道信号去噪电路，用于将电生理信号去除工频噪声，并进行截止频率为500Hz的4阶巴特沃斯低通滤波；以及
模数转换电路，用于将电生理信号转换为数字信号并输至主控模块。
8.根据权利要求6所述的穴位电针系统，所述主控模块，包括：
特征提取单元，用于提取电生理信号的时域特征、频域特征、非线性特征；
成分指数单元，用于根据所述电生理信号的时域特征、频域特征、非线性特征确定时域特征成分指数、频域特征成分指数、非线性特征成分指数；以及
健康指数单元，用于根据所述时域特征成分指数、频域特征成分指数、非线性特征成分指数得到心血管健康指数。
9.根据权利要求8所述的穴位电针系统，所述主控模块还包括：
刺激调整单元，根据不同穴位得到的心 血管健康指数的变化判断心血管问题发生位置与原因，着重刺激与此问题相关的穴位；根据穴位的血管健康指数的各个成分指数的变化程度，选择刺激电信号的波形、波形频率、刺激时长；根据多次检测的心血管健康指数的变化趋势，分析当前电刺激的方案的模式是否合适，对刺激方案中的刺激模式的选择进行反馈或提醒。
10.根据权利要求8所述的穴位电针系统，所述刺激电信号的类型包括：脉冲波、矩形波、三角波、正弦波、以及与音频文件的数字信号相同的模拟波形中至少一种。
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