半導體激光針灸模擬儀的研制*

李麗萍，李凱揚

（武漢大學物理科學與技術學院，湖北 武漢430072）

1 引 言

激光針灸是在傳統中醫理論指導下，利用低強度的激光光束照射穴位實現治療或保健作用的一種新型針灸方法。其特點是操作簡便，無針刺引起的疼痛，對組織無損害，更無滯針斷針、感染之可能，激光針灸不但有類似傳統針灸的作用，還具有激光本身所引起的一系列生物效應［1］。本研究設計并實現了一種基于單片機、C語言編程的激光針灸模擬儀，通過調節輸出功率和輸出波形模擬傳統灸法和傳統提插針法，為后續激光針灸的臨床實驗和應用提供支持。

2 傳統針灸手法的定量與模擬

2.1 傳統艾灸模擬

激光對生物組織的作用多種多樣，模擬傳統艾灸主要應用激光光致發熱效應。生物分子吸收激光光能直接轉化為該分子的振動能或轉動能，宏觀上即表現為生物組織的溫度升高。艾灸的光譜主要分布于紅外波段，可使用紅外波段的半導體激光利用其光致發熱生物效應模擬傳統灸療，傳統艾灸特性和激特性光對應關系見表1。

表1 激光模擬傳統艾灸的模型建立Table1 Model establishment of laser simulation of traditionalmoxibustion

模擬溫和灸時以恒定光功率激光垂直照射即可，由于小幅度改變激光器與穴位之間的距離照射在皮膚上的光強變化相對不大，本儀器使用單片機控制激光輸出光強的方式模擬雀啄灸，回旋灸等手法則通過改變激光器與穴位的相對位置來實現。

2.2 傳統針刺手法的定量參數和模擬

丁光宏等人定量的研究了傳統針刺手法，他們將力和力矩微型傳感器系統固定在針體上，測量不同針刺過程中針體上的受力數值，得出各個手法對應的波形。［2］實施提插針灸手法時的波形見圖1，圖中橫坐標是時間軸，單位為s，每格為1.5 s，縱坐標為垂直拉壓力，單位為N，每格為0.3 N。▲表示進針點，每周期中上升段代表的是插針的過程，下降段代表的是提針的過程，各個提插手法的針體受力規律均符合傳統針刺理論。

圖1 a在人體上施均勻提插時得到的針體垂直力波形圖Fig 1a The vertical force waveform of needle when using lifting－thrusting uniform ity method on human body

圖1 b在人體上施提插補法時得到的針體垂直力波形圖Fig 1b The vertical force waveform of need le when using lifting－thrusting supplementation method on human body

圖1 c在人體上施提插瀉法時得到的針體垂直力波形圖Fig1c The vertical force waveform of need le when using lifting－thrusting draining method on human body

臨床上激光針灸是一般常用幾十毫瓦的弱激光照射，但激光經過聚焦后的光束很細，光斑半徑為毫米甚至微米量級，照射在生物組織的激光功率密度相對較高，所產生的光壓是不容忽視的［3］。提插手法的針體所受的力均在垂直方向上，變化主要表現為提插的幅度和提插頻率，因此可用激光垂直照射穴位模擬傳統提插針刺手法，當激光波長、光斑直徑、入射角度固定時，激光對生物組織產生的光壓主要與激光出射光功率有關，在一定范圍內半導體激光器輸出功率和其驅動電流為正比關系，通過調節半導體激光器的驅動電流即可控制激光出射功率，以此實現用半導體激光器模擬中醫針灸提插手法中提插力幅度和頻率變化的目的。均勻提插手法以及其“重插輕提”的補法、“輕插重提”的瀉法分別通過與針體垂直受力波形相似的三角波和慢升快落、快升慢落的鋸齒波三種輸出波形模擬。

3 激光針灸模擬儀的硬件實現

激光針灸模擬儀硬件結構見圖2，主要模塊為針灸手法模擬電路、單片機及8255A擴展模塊、LCD1602液晶顯示模塊和按鍵控制模塊。

從電路結構復雜程度和成本角度及綜合性價比考慮，本設備選擇AT89C52單片機作為主機，52系列單片機使用靈活，功耗低，價格低廉，配合一定的外圍硬件電路即可實現激光針灸儀所需的功能。

圖2 激光針灸模擬儀硬件系統框架圖Fig 2 Hardware system frame of laser acupuncture simulator

LCD1602速度快，功耗低，體積小，本儀器設置參數較多且同步顯示倒計時功能，LCD1602可以顯示點陣字母和數字信息指示操作本設備的人員進行參數設置。

在本設備設計中針刺手法的周期相對機器周期長很多，無需考慮數字模擬轉換器的轉換時間，選擇常見的DAC0832轉換器。

3.1 單片機最小系統及8255A擴展模塊

本儀器中單片機外圍晶振電路、復位電路為常用電路，不再贅述，僅對I／O口擴展8255A進行說明。8255A用于對單片機的P0口擴展，8255A芯片復位信號由單片機外圍復位電路同時提供。由于只使用8255A的輸出功能，8255A的RD引腳直接接入＋5 V的高電平，工作于方式0。8255A的WR引腳接單片機引腳P3.6。內部寄存器選擇引腳A0、A1接單片機引腳 P2.0、P2.1。8255A的 PA口用作LCD1602顯示模塊的信息顯示輸出，PB口向DAC0832（U3）輸出幅值數據。

3.2 針灸手法模擬電路

3.2.1 激光器及其波長選擇 常見半導體激光光源波長為600～2000 nm，連續輸出功率可從幾毫瓦到上百毫瓦，同時半導體激光器具有體積小、重量輕、攜帶使用方便、低能耗等優點［4］，在綜合考慮生物組織對光散射和吸收作用，傳統針灸手法的模擬實現方法以及儀器規模和成本后選擇半導體激光二極管作為本儀器的激光光源。

人體皮膚組織光窗在600～1500 nm波長范圍內。本儀器選擇波長為808 nm與980 nm的雙激光光源，其中808 nm波長為水的吸收峰，980 nm則是血紅蛋白的吸收峰［5］，均處于紅外波段，且照射生物組織時穿透深度約為5～6 cm，可到達人體大部分穴位［6］，達到模擬針灸的目的。

3.2.2 激光上限功率設定 避免產生損傷同時盡可能最大體現化激光針灸作用是本課題選擇激光功率的標準，目前，大多數激光理療的研究僅使用單一的激光輸出功率，而其功率選擇通常顯得任意并且很少討論。使用低功率（1～5 mW）激光器時能量難以真正到達人體穴位所在深度，這些研究結果有時被引用來解釋低強度激光無效的治療效果。由于皮膚內的反向散射和皮膚－空氣界面處的光反射允許非接觸人體皮膚式的激光針灸設備擁有更高的功率［7］。本激光針灸模擬儀設定上限功率為 100 mW，臨床實驗人體最高上升溫度約至42℃，在人體容限溫度43℃之內，確保對人體不會造成損傷的同時滿足實驗需求。

3.2.3 幅值調節及波形輸出電路 見圖3，幅值調節及波形輸出模塊由數字模擬轉換器U3、U5和運算放大器U4、U6構成，U3 DAC0832從8255A的PB口得到單片機輸出的幅值電壓數據，其后的IOUT1、IOUT2引腳接入運算放大器將幅值數據轉換產生的電流信號變成電壓輸出，作為U5 DAC0832的參考電壓。U5直接從單片機的P2口獲得輸出波形的數據。此處直接使用單片機I／O口的資源是必要的，由于波形數據較多，將U5的數據輸入口DI0～DI7直接連接在單片機上，避免間接連接在8255A擴展口帶來的延遲口，提高輸出波形的精度。

波形信號通過功率放大后接入激光器，兩路激光器的控制電路單片機 P3.4、P3.5兩引腳和CD4066模擬開關電路分別控制，按鍵控制P3.4、P3.5的電平信號置為高電平時，激光器輸出電路導通。

半導體激光器對電源的要求相對嚴格，浪涌電流是激光器損壞的重要原因之一，電源停電或忽然開啟都有可能引起浪涌電流損壞儀器，其次當儀器不工作的時候半導體亦有可能發生靜電擊穿，而電路穩定性問題若發生短路等問題產生法相電流也會損毀半導體激光器。綜合以上問題，我們分別在激光器兩端并聯了電容、常閉電路和反向并聯的二極管，確保激光器在普通使用過程中不會發生損壞，此處的常閉電路在實際電路中采用常閉繼電器。

3.3 LCD1602顯示模塊和按鍵控制模塊

LCD1602液晶顯示模塊可以顯示兩行，每行16個字符，采用單5 V電源供電，外圍電路配置簡單，價格便宜，已被廣泛應用，其原理此處不贅述。LCD1602顯示模塊的控制信號RS、RW、E由單片機P2.5、P2.6、P2.7引腳控制，軟件每次接收到外部按鍵中斷后進行參數設置同時將字形數據通過8255A的PA口發送至LCD1602，實時顯示所選輸出通道、波形、功率、頻率和時長信息。

圖3 激光模擬儀硬件電路圖Fig 3 Hardware circuit diagram of laser acupuncture simulator

激光針灸模擬儀的按鍵控制模塊使用7枚自動復位按鍵和1枚自動鎖定按鍵，7枚復位按鍵分別進行輸出口、輸出波形、幅值、頻率、和照射時長的選擇設定及作為外部中斷停止波形輸出，自動復位功能提供電平變化信號實現參數循環選擇設置以減少按鍵數量。自動鎖定按鍵為輸出控制按鍵，斷開時設置參數，閉合后輸出波形，此時可通過觸發外部中斷的自動復位按鍵停止輸出并重新進行參數設置。

4 激光針灸模擬儀軟件設計

本設備的軟件系統由若干子程序構成，包括主程序、設置和顯示子程序、中斷子程序、波形產生子程序等，本研究僅對主程序和波形產生子程序進行介紹。

4.1 軟件主程序

設備軟件主程序使用兩個while循環分別設置參數和輸出波形。單片機上電后對8255A、LCD1602、以及中斷初始化，開外部中斷，在第一個while循環中程序等待按鍵信號，等待接收自動復位按鍵設置各個參數并同步顯示設置信息，當自鎖按鍵閉合退出此循環，根據參數信息選通通道、轉換幅值數據、打開定時中斷后進入第二個循環，根據設置的波形參數標志位進入不同波形子程序，在此期間使用外部中斷停止輸出并返回可重新設置各個參數，計時結束后顯示結束信息并蜂鳴提醒，見圖4。

4.2 波形產生子程序

傳統針灸手法定量測量后統計學分析得出頻率上下限分別為1.8 Hz（捻轉泄法）以及0.60 Hz（提插補法）［2］，遠遠低于單片機工作頻率且對精確度要求不高。本設備采用在波形數據變化后跟延遲程序的方法設置輸出波形的頻率。所選頻率數據計算后寫入延時子程序，延遲子程序由三層for遞減循環組成，可實現單位為ms、誤差為0 us的延遲。

溫和灸對應于恒定直流輸出，僅需對8255A的P1口設置幅值數據恒為0xFF。雀啄灸對應于方波輸出，波形數據是由0x00和0xFF兩個狀態組成，通過對P1口的取反即可方便的實現方波輸出，設定方波的占空比和頻率對應雀啄灸施灸時間和手法頻率。

均勻提插對應三角波輸出，單片機P0口向U5 DAC0832傳送數據由0x00依次自增0x01到0xFF再從0xFF自減，通過設置0x00時為0、在0xFF時為1的狀態位判斷波形數據自增或自減。提插的補瀉手法輸出波形類似于鋸齒波，提插補法為波形數據自增相對緩慢、自減相對較快的鋸齒波，提插泄法反之。輸出波形數據實現原理類似于均勻提插手法，在變化相對快速時每次自增或自減變化0x05。

圖4 軟件主程序流程圖Fig 4 Software flowcharts

5 激光針灸模擬儀的測試和臨床實驗

激光針灸模擬儀波形輸出結果見圖5a，圖中橫坐標是時間軸，單位為s，每格為0.2 s，縱坐標為幅值，單位為V，每格為0.5 V。波形幅值和頻率均可調節，圖所示波形的頻率為各傳統針灸手法定量測量的頻率均值，其中①模擬雀啄灸時，可調節其占空比從而模仿傳統灸法的補瀉手法。

圖5 a 各傳統針灸手法模擬波形圖（①雀啄灸，②均勻提插，③提插補法，④提插瀉法）Fig 5a W aveform of the simulation of traditional acupuncture and moxibustion（①sparrow－peckingmoxibustion，②lifting－thrusting uniformitymethod，③lifting－thrusting supplementation method，④lifting－thrusting drainingmethod）

激光針灸模擬儀外觀見圖5b左，激光器固定于機械手臂前端，可靈活移動機械手臂照射所需穴位。激光針灸模擬測試完成后進行了初步臨床實驗：在環境相對穩定的室內，對20～25歲的健康志愿者使用激光針灸模擬儀刺激多條經絡的原穴與合穴，配合武漢昊博科技有限公司生產的HB－T－2C型熱層析分析儀觀察得到人體體表紅外熱輻射圖像，圖c為照射手太陰肺經的原穴－太淵穴所得熱層析圖，①為受試者靜躺60 min適應環境溫度后體表熱分布圖，②為使用激光針灸儀照射右臂太淵穴12 min后所得體表熱分布圖，對比可發現相比體表其他部位，手太陰肺經循行線上有著明顯的溫度升高現象。

圖5 b 激光針灸模擬儀外觀圖（①）和臨床實驗圖（②）Fig 5b Outside view of the laser acupuncture simulator（①）and the view of clinical trial using simulator（②）

圖5 c 激光針灸模擬儀照射太淵穴前后的紅外體表熱分布圖（①激光針灸前，②激光針灸12 min后）Fig 5c The surface infrared heat distribution before and after irradiating point Lu9（①before irradiation，②12 minutes after irradiation）

6 討論

本半導體激光針灸模擬儀通過改變激光輸出光強的方式實現對傳統艾灸和提插針法及其補泄手法的模擬，并在初步的臨床實驗中通過熱層析針灸儀觀察到人體體表經絡的熱循行現象。由于客觀條件的限制，經絡仿真還未完成，目前僅能使用熱層析設備觀察人體的表面熱分布，而激光本身的偏振性是否可以模擬捻轉手法，其所特有的生物刺激、光致生熱等效應的影響，與傳統針灸的對比實驗等問題之后將繼續探索。