基于模塊化設計的自動控溫艾灸盒

王一凡, 韓 夏, 韋坤妮, 王 晶, 王澤峰, 黃金昶, 閆 聰

(1. 北京中醫藥大學生命科學學院, 北京, 100029; 2. ASIR(中法)人工智能與機器人協會, 法國 巴黎, 75001;3. 湖州師范學院, 浙江 湖州, 313000; 4. 北京中醫藥大學附屬第三醫院, 北京, 100029)

艾灸通過點燃艾草對穴位產生刺激，具備溫經散寒、舒筋活絡等功效。艾灸治療中應遵循中醫“三因制宜”的思想，施灸過程中應根據患者病情、身體形態選擇合適的灸法及器具進行治療[1]。同時，隨著艾灸機制研究的深入以及臨床環境的變化，艾灸療法也在不斷更新[2-3], 艾灸治療的需求也隨之不斷變化，對艾灸設備的設計提出了個性化、多樣化的要求[4]。產品與設備的個性化定制隨著工業、制造業的發展逐漸興起，模塊化就是一種豐富產品功能、實現個性化的設計、生產的解決方案[5]。本文提出了一種模塊化艾灸盒的設計方案(國家實用新型專利號ZL202022220208.8), 以滿足中醫個性化診療的設計需求。基于該模塊化方案，設計了能夠切換施灸部位的自動控溫艾灸盒，同時針對艾灸盒自動控溫系統在模塊化系統中的應用進行改進。

1 艾灸盒的模塊化設計與方法

1.1 模塊劃分

模塊化設計的目的是滿足艾灸盒的個性化、多功能等需求，同時改進溫控系統以適應模塊化設計。艾灸盒是臨床常用的輔助施灸的設備，具備固定艾條、溫度檢測等功能，其控溫功能由艾條升降結構、電機、溫度傳感器等組成。通過對艾灸盒改進設計研究的分析[6-10], 采用模塊劃分的方法對模塊化艾灸盒的控溫功能進行改進。同時，為了豐富艾灸盒的功能，設計了統一接口，方便更多模塊接入。

在模塊化艾灸盒的設計中，艾灸盒被分為了2個部分，即“控制”和“治療”，圖1所示為模塊化堆疊的形式。控制模塊是模塊化艾灸盒的核心部分，完成信號的接收、處理、動力輸出等功能。治療模塊主要承擔施灸的治療功能，需根據施灸部位、艾條尺寸、療法的特點在升降結構、艾條的固定、個性化部分及模塊化接口等方面進行合理設計。根據模塊化框架定義，由控制、驅動部分組成的控制模塊是統一規格的，由治療、個性化部分組成的治療模塊是根據實際需求進行設計生產并在應用時進行更換的。

1.2 模塊設計

1.2.1 控制模塊: 控制模塊是模塊化艾灸盒的核心模塊，除板載程序外不需要定制。該模塊包含與治療模塊連接的端口、驅動單元和控制單元。① 連接端口: 連接端口包括機械動力連接端口與數據連接端口。機械動力連接主要結構為動力片，動力片由舵機搖臂改裝而成，是齒數為3的類齒輪結構，齒頂圓半徑為22.5 mm, 齒寬度與齒間距均為60 °; 數據連接端口由4 pin磁吸金屬觸點實現，觸點間距2.54 mm, 4個引腳分別為電源、接地以及2個數據通信觸點。連接端口如圖2所示。② 驅動單元: 艾灸盒常用電機升降艾條、LED燈模擬紅外光等方式進行施灸[11-12], 溫度控制與調節也是自動施灸艾灸盒的基本功能。在模塊化艾灸盒的控制中，采用脈沖帶寬調制(PWM)以控制盡可能多的元件。舵機中有基準電路和位置監測器，可以控制旋轉的角度，獲得了精確控制艾條升降的條件。PWM信號還可以作為功率控制方式調節LED燈、風扇等，多種輸出模塊均是同一種控制方法，有助于模塊化設計平臺建設并增加功能豐富度。③ 控制單元: 包括微處理單元ESP12-E以及傳輸數據的端口。內置閃存可以儲存艾灸時的溫度信息、患者信息等。通過無線傳輸進行數據通信和HTTP協議在局域網內的Web網頁顯示當前的設備狀態并對設備進行控制。

1.2.2 治療模塊: 為了適應各種艾灸療法及個性化需求，需要定義治療模塊的功能及技術要求。治療模塊一端與控制模塊連接，另一端需要與底座相連。治療模塊在設計上應滿足以下要求: ① 點燃艾條的設計應包含艾條的固定、濾灰等裝置; ② 溫度控制系統，至少包括1個溫度傳感器與適合的升降結構; ③ 個性化定制部分; ④ 根據本設計定義的端口與控制模塊連接的接口。

2 結 果

2.1 以施灸部位切換為例的治療模塊設計

艾灸盒作為艾灸的輔助器具，需要滿足多樣性、個性化的使用需求。從施灸部位上看，配穴施灸可以提升艾灸的療效[13], 常用的施灸部位包括腿部、肩部、腹背部等[14-18]。基于此，設計了2種模塊化艾灸盒的治療模塊，以驗證框架的可行性。通過將控制模塊安裝在不同的治療模塊實現施灸部位的切換，切換效果示意圖見圖3。

2.2 單穴位灸

① 艾條固定、濾灰結構: 設計了2種尺寸不同的艾條固定器，方便患者在應用時根據需要選擇不同的艾柱。結構設計如圖4所示。② 溫度控制系統: 溫度傳感器被布置在靠近皮膚的位置，能夠探測施灸時的皮膚溫度。升降結構共分為3層，外層為外殼，外殼的內側有2條豎直方向的導軌; 中層為動力圈，動力圈帶有動力接口的齒型缺口和螺旋槽孔; 內層為艾條固定圈，固定圈上帶有固定柱，穿過螺旋槽孔置于外層豎直軌道內。③ 個性化定制部分: 接觸皮膚時硬質塑料會造成不適，該治療模塊設計了一種基于柔性材料并可進行3D打印的底座模塊，使用熱塑性聚氨酯彈性體橡膠(TPU)應用3D打印技術進行打印。選用了硬度評級為55A、65A、85A、95A的材料進行3D打印，可根據施灸時佩戴舒適度、支撐性等需求選擇不同硬度的底座進行更換。應用3D打印技術節省了開模費用，方便進行測試和調整。④ 連接端口: 動力圈上有和動力片嚙合的齒型結構，安裝動力圈后進行溫度控制時，動力圈由控制模塊動力片帶動旋轉，使艾條固定圈上下移動。金屬觸點有線連接延伸至下方的溫度傳感器。

2.3 多穴位灸

多穴位灸治療模塊主要針對腰腹部多穴位的艾灸，模塊總體采用拱橋設計(見圖5，剖面視圖)，使艾條懸于皮膚之上。① 艾條固定、升降結構: 艾條采用鐵絲網固定在艾條固定架上。艾灸時，控制模塊根據溫度控制動力圈進行0～180 °的旋轉，改變艾條和皮膚之間的距離。② 溫度控制系統: 溫度傳感器布置位置與單穴位灸相同，固定裝置與連桿間是固定連接的，連桿隨動力連接一起轉動，連桿與艾條固定裝置之間呈活動連接，轉動時艾條的方向始終保持豎直。③ 個性化定制部分: 艾條固定鐵絲網可以在固定架上移動，可根據患者體型調整腹背部的施灸穴位。④ 連接端口: 動力圈有和控制模塊動力片的統一齒型接口，安裝部位有專門的卡槽和磁吸連接觸點，用于控制模塊的安裝和數據的傳輸。

2.4 施灸部位切換

當在四肢或單個穴位施灸時，可選擇單穴位灸治療模塊; 在腹背部大面積、多穴位施灸時，可選擇多穴位灸治療模塊。將控制模塊安裝在不同治療模塊上即可完成施灸部位的切換，見圖6，圖中單穴位灸和多穴位灸使用的是同一個控制模塊。

2.5 控制軟件

治療模塊根據不同的施灸部位與療法進行設計，在應用通用的模塊化接口時存在不同的限位與步進角度，故在完成模塊切換時需在軟件進行設置。在軟件界面中，點擊切換按鈕即可完成單穴位灸與多穴位灸的參數更改，自動模式下可點擊完成溫度設置、開啟或關閉自動模式，手動模式可點擊完成升高或降低艾條。

2.6 溫控測試

測試了2種艾灸盒的溫度區間以及自動模式下控溫能力，測試結果見表1。溫度區間測試分別保持艾條的最低和最高位置不變，測得溫度40～60 ℃, 保證了艾灸盒施灸的安全性，治療時間20～50 min, 可以保證施灸的療效。自動模式測試了2種艾灸盒溫度為45℃的自動模式以及單穴位灸50 ℃的自動模式，測試曲線見圖7。測試過程中，開啟自動模式后，舵機隨著溫度變化(圖7中藍線)自動對艾條的高度(圖7中黃線)進行調整。控制模塊通過金屬觸點讀取皮膚的溫度，不需要調整艾條位置時，每0.5 s讀取1次; 調整艾條位置后，經過20次測溫后再判斷是否需要再次調整。這種算法調溫敏感, 0.5 s間隔可以滿足艾灸時的測溫需求，調整后的測溫可以避免頻繁調整艾條位置，保證溫度的穩定。溫度測試可以看出，溫度的調節能夠與艾條高度對應，監測溫度低于設置溫度時(藍線低于預設值)，舵機自動控制艾條高度降低(黃線下降)，當溫度逐漸升高至設定溫度范圍內，舵機停止工作，維持艾條高度不變(黃線水平); 當監測溫度超過設定溫度范圍，舵機自動控制艾條高度上升(黃線上升)。當艾條即將燃燒殆盡，監測溫度一直不能達到設定溫度，舵機會控制艾條高度降低到最低部(圖7中Y軸為0的位置，但艾灸盒的設計保證在最低部時艾條也不會觸碰到皮膚)，并維持該位置，而整體溫度會隨著時間逐漸降低。

經過測試，響應能力和溫控能力滿足了艾灸的使用需求，在模塊切換后溫度控制功能較為完整，進一步驗證了模塊化設計的可行性及溫控系統的穩定性，為艾灸手法提供了基礎。

表1 溫控測試結果

3 討 論

艾灸盒較為統一的外形與尺寸難以滿足艾灸治療中遵循中醫“三因制宜”思想。模塊化設計有助于人們應對多功能、個性化需求的挑戰，例如在生物傳感器與腦電領域都有為豐富功能而建立的模塊化體系[19-21]。在面對大量的定制或復雜需求時，各領域都在積極提出模塊化方案，以達到簡化問題、提高設計生產效率的目的。

模塊化艾灸盒的控制模塊可Wi-Fi遠程控制，自動、無級調溫，較自動控溫艾灸盒控制方便; 治療模塊可靈活切換施灸部位與功能，較木質艾灸盒使用場景靈活; 底座模塊可個性化定制，如選擇不同高度或材料的底座，較無個性化定制的艾灸盒治療體驗更佳。

控制施灸溫度是通過調整艾條與皮膚間的距離實現的，這種控溫方法較為直接，溫度控制靈活。目前艾灸盒大多采用升降結構來實現溫度的控制，但實際設計中升降結構對艾灸盒的形狀與大小有要求，艾灸時存在一定限制。“控制”與“治療”分體式的設計能夠為個性化設計留有空間。

從整體溫控效果看，本設計的溫控系統具備2個優點: ① 溫度曲線調整較為靈敏，在開始施灸時及艾灸過程中，艾條位置能夠逐步調整，升溫過程中5 min即可達到設置溫度，能夠及時將溫度調回設置范圍; ② 達到調控溫度后控溫平穩，艾條在小范圍內升降，能夠維持10～25 min的平穩溫度。單穴位灸與多穴位灸是2種常用且體積兩極化的典型艾灸盒，改進的溫控系統在兩種設備切換時仍然能夠達到治療溫度。

治療模塊的個性化定制部分可根據患者情況更換模塊。選擇合適的模塊進行治療，將提升艾灸治療的體驗，有助于提高患者依從性。結合3D打印技術，在醫院或家中即可加工個性化模塊，且可選用不同材料進行打印，并選擇合適的高度，進一步調整艾灸盒的可控溫度，也可同時滿足不用尺寸的要求，例如臨床應用時不同尺寸的艾灸盒可根據患者體型進行設計; 家庭應用時，也可以根據兒童體型差異設計小號的治療模塊進行施灸。

本文提出了艾灸盒的模塊化設計方案，定義了模塊劃分及各模塊的功能。基于該方案設計了控制模塊及相應端口，同時改進了艾灸盒的升降結構以適用模塊化拆裝的設計，并根據切換施灸部位功能設計了2種治療模塊。基于模塊化設計，該艾灸盒不受傳統艾條規格的限制，應用溫度傳感器實現自主感知溫度、自動調節艾條位置的功能。面對多種使用場景，通過模塊的拆裝，一方面簡化了艾灸盒功能切換、個性化定制等問題，另一方面是控制成本的一種方式。本文設計的模塊化智能艾灸盒實現了現代科技與傳統中醫療法的結合，具有較大的應用潛力，為艾灸盒甚至中醫診療設備的設計提供了新的方法及思路。