基于艾灸作用機理探討電子灸療設備設計方案

李娜，陳皓宇，趙東亮

河南省洛陽正骨醫院（河南省骨科醫院）生物醫學工程研究室，河南洛陽 471000

艾灸療法是傳統中醫療法的重要組成部分，其主要是通過燃燒艾葉產生的光輻射、熱效應對病變穴位進行刺激以及艾燃燒生成物的藥理作用達到綜合治療效果，即艾灸起效的關鍵因素包括光、熱、藥、穴等[1-2]。然而，傳統手工操作的艾灸療法在實施過程中不僅耗時費力，而且溫度不易控制，產生的有害煙塵污染環境，嚴重制約了艾灸療法的推廣應用。 近年來，隨著計算機技術與傳感技術的發展，結合傳統艾灸理論與現代光療、熱療、藥物提取等技術的電子灸療設備應運而生[3-4]。 目前，國內外研發的電子灸療設備主要分為兩大類，一類是模擬艾灸作用機理的灸療設備，另一類是代替艾灸人工操作的灸療設備。模擬艾灸作用機理的電子灸療設備主要通過模擬艾灸的紅外、溫熱和藥力效應中的一種或幾種達到部分艾灸作用效果。代替艾灸人工操作的電子灸療設備通過設備點燃艾條并代替人工實施艾灸操作，主要包括實現溫和灸功能的普通溫和灸療設備和實現雀啄灸、循經灸、回旋灸等功能的以熱敏灸療設備為代表的特殊懸灸設備。 該文從艾灸作用機理入手，分析和探討各類電子灸療設備的設計方案，并結合臨床需求展望其未來發展方向。

1 模擬艾灸作用機理的灸療設備

艾灸產生的光、熱、藥能改善血液循環，調節免疫功能與基因表達，促進神經功能活性，實現對人體局部和全身的調節。通過模擬艾灸作用機理的一種或幾種實現部分艾灸作用效果的灸療設備具有無明火、不燃燒、不產生有害煙塵等優勢。

1.1 紅外模擬灸療設備

艾條燃燒光譜穩定，在近紅外波段達到輻射峰值，且與人體輻射光譜接近[5]。紅外輻射由于其波長短、能量強，能夠滲透到機體深層，通過毛細血管網到達人體更廣泛的部位，然后被吸收，有透熱較深效果[6]。

紅外模擬灸療設備利用紅外發生源或半導體發光管輻射紅外光譜，模擬艾灸的紅外光熱效應。趙鑫等[7]設計的一種基于碳纖維的迷你紅外灸療儀以紅外發生元件碳纖維表面發熱元件作為灸療的熱源和紅外發生源，溫度傳感器監測皮膚溫度，通過單片機控制灸療溫度，同時將皮膚溫度實時顯示在液晶屏上。 陳祥林等[8]研制的智能光灸環設備是基于艾灸現代光譜機制的研究成果，結合LED 光源在生物醫學的優勢，利用LED 紅外光源模擬艾灸燃燒光譜中1.5 μm 和3.5 μm 的波長對局部皮膚或穴位進行有效刺激，部分實現艾灸效果。 此類灸療設備紅外輻射光譜是否與艾灸燃燒輻射光譜一致，其所特有的生物刺激和光效應是否可以模擬艾灸達到臨床要求，尚需進一步研究證實。

1.2 溫熱模擬灸療設備

艾灸溫熱效應是通過艾灸改變局部組織的溫度，實現艾灸源與被灸局部熱量傳遞，通過多種途徑激發人體自身的保護潛能，增強機體的適應性，最終實現對機體的溫通和溫補效果[9]。 艾灸溫熱刺激還可以有效改善血液成分、血液流變學和血管舒縮功能，抑制炎性因子表達，穩定體內環境。

溫熱模擬灸療設備利用電阻發熱原理模擬艾灸的溫熱刺激。李驥[10]設計的電子艾灸儀選擇DS18B20 作為溫度傳感器，AT89C52 單片機作為微處理器，功率10 W的加熱電阻絲作為發熱元件，微處理器通過開通或關閉復合三極管導通狀態，調節加熱電阻的工作狀態，使溫度控制在45～65℃。 此類灸療設備受限于發熱元件及傳感器的選擇，溫度調節有限，且單一的溫熱刺激難以完全實現艾灸治療的臨床效果。

1.3 藥效模擬灸療設備

現代藥理研究表明[11]，艾葉及其提取物具有抗菌、抗病毒、抗氧化、保肝利膽、止血、抗凝、抗過敏、免疫調節、抗癌等藥理作用。 進一步研究顯示[12]，艾葉燃燒產物的甲醇提取物具有清除自由基的作用，并且其作用強于未燃燒艾葉的甲醇提取物。艾燃燒不僅沒有破壞有效藥物成分，而且增強了藥效。具體的過程是艾條燃燒產物中的抗氧化劑粘附在艾灸穴位的皮膚上，通過艾灸的熱量滲入人體而起作用。

藥效模擬灸療設備通常使用艾油結合紅外或溫熱刺激模擬艾灸的作用效果。 趙鑫等[7]設計的迷你紅外灸療儀與艾精油一起使用，可發揮艾灸的藥物作用，提高灸療效果。 此類灸療設備不產生有害煙塵和灰燼，藥物滲透作用強，但是艾葉的有效成分除了萜類的揮發油外，還有黃酮類、多糖類等物質，單純的艾油無法完全取代艾灸的作用。

2 代替艾灸人工操作的灸療設備

由于艾灸療效主要是由艾條燃燒產生的綜合作用決定的，而艾灸人工操作繁瑣復雜，需要熟練的艾灸師手持艾條對準穴位操作，并隨著艾條燃燒變短不斷地調整距離，研究開發代替艾灸人工操作的灸療設備能有效減輕操作者的工作強度，提高艾灸效率。目前，研究較多的包括實現溫和灸功能的普通溫和灸療設備與實現雀啄灸、回旋灸等復雜手法的熱敏灸療設備，尤以前者為主。

2.1 普通溫和灸療設備

溫和灸是應用最廣泛的艾條懸灸，術者手持艾灸，將艾條的一端點燃，直接懸于施灸部位之上，與皮膚保持適當距離，使熱力比較溫和地作用于施灸部位，灸至患者感覺溫熱舒適、無灼痛、皮膚稍有紅暈。 研究表明[13]，適宜的艾灸溫度是獲得最佳艾灸療效的重要前提，不同灸溫產生不同溫熱效應， 進而誘導不同生物學效應，最終達到不同的灸療效果。 因此，控制艾灸溫度是此類設備的主要研究方向，目前主要通過控制艾條與施灸部位的距離、控制艾條燃燒時的氧氣量以及控制加熱器的通斷時間等方式實現對施灸溫度的控制。

2.1.1 控制艾條與施灸部位的距離 通過控制艾條與施灸部位的距離從而精確控制施灸溫度，是目前研究最多的控溫方式。 王祖銘等[14]設計的一種基于單片機的電子艾灸盒實時采集患者皮膚表面溫度，并與設定溫度比較，進而控制步進電機正反轉，調節艾絨燃燒高度，達到溫度閉環監測控制的目的。 唐菊麗等[15]研制的一種新型智能精準艾灸設備，采用兩個耐高溫的DS18B20 測溫模塊，實時將溫度反饋給芯片，以調節艾條的運動。徐煒君等[16]研制的一種智能艾灸設備，采用紅外溫度模塊接收和處理遙控器的指令信號，驅動模塊和步進電機驅動艾灸盒在滑動軌道上左右移動，絲杠控制模塊控制艾灸盒的上下運動，自動調節艾灸盒與施灸部位皮膚之間的距離，達到溫度自適應控制的目的。 此類灸療設備溫度傳感器的選型以及安裝位置將影響控溫效果，從避免交叉感染及準確性方面考慮，紅外非接觸式溫度傳感器監測艾灸部位皮膚溫度為優選方案。

2.1.2 控制艾條燃燒時的氧氣量 通過控制艾條燃燒時的空氣量或氧氣量調節艾條燃燒速率，進而實現控制施灸溫度的目的。 李立國等[17]設計的智能化艾灸設備，根據設定的溫度值，自動控制電磁閥的開度，然后控制供氧泵的進氧量來調節艾條的燃燒速度。江蘇科技大學的張德儀和張家港靈杰艾灸儀有限公司研發人員[18]研制的自動調溫與均溫艾灸儀，其風量控制部分采用泵調節進氣量來控制溫度。此類灸療設備通過控制氧氣量調節艾條燃燒速率，然而艾條充分燃燒和未充分燃燒時產生的藥物有效成分及有害物質是否一致，對艾灸的作用效果是否產生影響，尚無定論。

2.1.3 控制加熱器的通斷時間 方力等[19]設計的基于單片機的電子溫灸儀，通過按鍵輸入設定溫度及治療時長，加熱開始，溫度傳感器采集溫度信號，A/D 模塊進行模擬量/數字量轉換將溫度數據傳送到單片機，單片機對比設定溫度與采集溫度，通過脈寬調制（PWM）技術改變給定控制周期內的加熱器導通和關斷時間，達到調節溫度的目的。

采用以上三類控溫方式的電子灸療設備均實現了設備代替人工操作實施溫和灸，對施灸溫度精確控制的目的，然而臨床實踐中，一名施灸者可能需要同時管理數名施灸對象，在數臺電子灸療設備之間周轉操作控制設備，依然耗費大量時間。

2.1.4 遠程控制或中心監視 隨著互聯網、手機APP、藍牙等技術的發展，一些可實現遠程控制或中心監視的電子灸療設備解決了上述問題[20]。 古世甫[21]設計的智能艾灸系統由中心監視終端、終端控制系統、路由器、艾灸床及凈化系統組成。 中心監視終端是由計算機組成，主要實現對多個艾灸系統終端設備的工作狀態過程記錄和工作狀態監控等功能。 路由器主要完成系統組網功能，實現終端控制系統與中心監視終端之間的數據交換功能。 終端控制系統主要由系統控制板和安卓屏組成，安裝在艾灸床上，主要實現根據用戶選擇的工作模式控制艾灸床的功能，并將工作狀態信息反饋給中心監視終端。王麗等[22]設計的智能控溫艾灸裝置，用戶可以通過手機藍牙與終端通訊，遠程調控灸盒內的溫度。 物聯網、5G技術的發展將進一步推動灸療設備的集中管理和遠程控制，減輕醫護人員的工作負擔。

2.2 熱敏灸療設備

除了紅外效應、溫熱效應、藥力效應外，腧穴的選擇也是影響艾灸療效的重要因素。熱敏灸療法為一種新型艾灸療法，通過選擇熱敏腧穴懸灸，激發透熱、擴熱、傳熱等經氣傳導，以達到病變部位，并施以個性化的飽和消敏灸量，能夠顯著提高臨床療效[23-24]。熱敏腧穴是熱敏灸治療疾病的最佳刺激部位，探查熱敏腧穴需要采用一上一下的雀啄灸、平行往復的循經灸以及圓周運動的回旋灸等復雜懸灸手法[25]。

以熱敏灸療設備為代表能完成雀啄灸、循經灸、回旋灸等復雜手法的特殊懸灸設備目前研究較少，僅見于專利文獻，其可實施性與有效性尚需驗證。 陳日新等[26]發明的一種熱敏灸機器人，采用控制系統的控制輸出端與多維度機械臂控制輸入端電性連接，艾熱發生器與多維度機械臂末端連接，在控制系統指令下，機械臂模擬各種人工施灸手法。熱敏灸療法具有廣泛的適應證和顯著的臨床療效，然而其實施過程極為繁瑣，安全、有效的熱敏灸療設備的研制，對熱敏灸療法的推廣應用有重要作用。

3 總結與展望

根據目前的研究顯示[5]，艾灸的作用機理至少包括紅外輻射效應、溫熱效應、藥力效應與腧穴的敏化狀態等幾方面，各因素綜合作用實現了艾灸療法溫陽補氣、祛寒止痛、溫經通絡、補中益氣等作用。模擬艾灸作用機理的電子灸療設備雖然具有不燃燒、 無污染的優點，但是僅能實現艾灸療法的部分功效，與傳統艾灸有本質上的區別，其臨床應用效果尚需更多研究證實，在臨床推廣使用中有較大的局限性。

代替艾灸人工操作的電子灸療設備有效地控制了施灸溫度，提高了艾灸療法的工作效率和臨床效果。 其中以實現溫和灸功能為主的普通懸灸類設備研究比較成熟，其控溫方式的不斷改進和優化，使其能夠精確穩定地控制施灸溫度，并且結合互聯網、藍牙等技術實現了遠程中心控制。 然而，艾灸實施過程中溫度并非一成不變，以熱敏灸為代表施灸過程需要用到雀啄灸、循經灸、回旋灸等復雜手法以不同溫度來探查熱敏穴位，從而達到艾灸最佳療效。 因此，研究能夠實現特殊艾灸手法的電子灸療設備有望成為未來研究的重點，為臨床艾灸療法的多樣化提供技術支持。