仿真智能灸療儀的研制※

劉國盛,謝佳惠,陳曉婧,張學(xué)君

(福建中醫(yī)藥大學(xué),福建 福州 350122)

1 研發(fā)背景

《外臺(tái)秘要》言:“至于火艾,特有奇能。”艾灸因獨(dú)特的療效而廣泛應(yīng)用于臨床疾病的治療,同時(shí)亦可用于養(yǎng)生保健,改善亞健康狀態(tài),在美容、抗衰老方面也具有一定療效[1-3]。在傳統(tǒng)艾灸操作過程中,灸療通常需要較長的施灸時(shí)間,且為避免艾灰及灸溫燙傷患者皮膚,灸療過程要求醫(yī)者實(shí)時(shí)看護(hù),使得這一過程耗費(fèi)較長的時(shí)間與較高的人力成本[2]。與此同時(shí),較長時(shí)間的施灸難以使醫(yī)者始終保持一致的專注度進(jìn)而保證灸療過程的完整性與連貫性;另一方面,身體特定部位的施灸操作會(huì)加大灸療的難度,而施灸溫度亦存在難以掌控的問題。此外,較高濃度的艾煙也增加了醫(yī)患雙方呼吸道疾病的患病風(fēng)險(xiǎn)等[3-4]。受以上因素影響,雖然傳統(tǒng)艾灸具有獨(dú)特的優(yōu)勢,但臨床應(yīng)用中依舊存在諸多的局限性。

目前艾灸儀的研究已取得一定的進(jìn)展。這類艾灸儀具備自動(dòng)化操作的特點(diǎn),應(yīng)用機(jī)械手臂或夾持器固定艾條,從而解放醫(yī)者雙手,同時(shí)應(yīng)用風(fēng)力系統(tǒng),減少醫(yī)患因吸入艾煙而對身體產(chǎn)生的危害,但仍存在自動(dòng)化程度不高和施灸范圍局限等問題。如艾條夾持器較為固定,一段時(shí)間后需手動(dòng)移動(dòng)艾條以繼續(xù)施灸,且工作頭單一,攜帶的艾條數(shù)量有限。亦融合現(xiàn)代科技成果,如無明火光譜熏蒸灸療儀,但其治療的有效性仍待評估。眾多常見的灸療儀鑒于經(jīng)濟(jì)、實(shí)用性等因素在生活中使用率仍較低[5]。

2 研發(fā)思路

為了彌補(bǔ)傳統(tǒng)艾灸操作和常見艾灸儀的不足和弊端,課題組設(shè)計(jì)一種仿真智能灸療儀,可在不同體位下模擬傳統(tǒng)艾灸手法進(jìn)行多部位治療,并實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控溫,為艾灸的自動(dòng)化操作提供思路。第一,該灸療儀定位為以傳統(tǒng)艾灸操作方式為治療手段的自動(dòng)化儀器,以艾條為主要的施灸材料,在發(fā)揮艾灸獨(dú)特溫?zé)嵝?yīng)特性的同時(shí),建立臨床艾灸施灸手法運(yùn)動(dòng)參數(shù)模型,編寫灸療儀工作頭施灸程序,仿真模擬艾灸手法操作,保證灸療過程中終始如一的施灸強(qiáng)度,同時(shí)解放醫(yī)師的雙手,在降低人力成本的同時(shí)使醫(yī)師投入更多的時(shí)間、精力于其他操作要求更高的臨床治療。第二,該灸療儀可實(shí)現(xiàn)多部位同灸,即可通過更換多工位工作頭,依據(jù)患者的體型及體位,調(diào)節(jié)彈性拱形支架和球形萬向頭,將多個(gè)工作頭精準(zhǔn)定位于人體穴位或需要施灸的相應(yīng)體表部位。以肩部四工位工作頭治療肩部疾病舉例,多部位同灸功能不僅具有專病專用的準(zhǔn)確性,還能有效利用穴位的協(xié)同作用而加強(qiáng)艾灸的療效,并節(jié)省大量的治療時(shí)間,充分滿足臨床及養(yǎng)生保健灸法的需要,具有相當(dāng)?shù)慕?jīng)濟(jì)效益。第三,該灸療儀通過紅外測溫裝置采集腧穴和施灸體表實(shí)時(shí)溫度數(shù)據(jù),當(dāng)監(jiān)測的溫度數(shù)據(jù)超過所設(shè)置的溫度閾值時(shí),單片機(jī)控制傳送滑軌進(jìn)行調(diào)整而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控溫。

為實(shí)現(xiàn)灸療儀上述設(shè)計(jì)理念,該灸療儀的設(shè)計(jì)分為結(jié)構(gòu)模塊和功能模塊兩部分。結(jié)構(gòu)模塊包括工作單位、主機(jī)、支架,功能模塊包括仿真施灸模塊、控溫模塊、清灰模塊及凈煙模塊。

3 仿真智能灸療儀的結(jié)構(gòu)模塊

仿真智能灸療儀的結(jié)構(gòu)模塊由工作單位、主機(jī)、支架三部分構(gòu)成。整體正面結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 仿真智能灸療儀的整體正面結(jié)構(gòu)

3.1 工作單位 工作單位為灸療儀施灸的核心部件,由吸煙設(shè)備和工作頭組成,工作頭有單工位和多工位兩種型號。圖2所示是單工位工作頭,由外圍透明灸罩、吸煙設(shè)備、排氣扇、固定板、定時(shí)抖灰器、旋轉(zhuǎn)盤、艾柱夾持器、送風(fēng)管、傳送滑軌、儲(chǔ)灰槽、球弧形百葉扇式接灰網(wǎng)、隔離網(wǎng)、超聲波測距模塊、紅外測溫裝置組成。圖3所示是多工位工作頭(以四工位工作頭為例),由彈性拱形支架、球形萬向頭和多個(gè)單工位工作頭組成。彈性拱形支架可自由拼接、拆卸,搭載不同數(shù)量的工位工作頭,內(nèi)含可伸縮排煙管道。根據(jù)特定部位的相關(guān)疾病,可更換多工位工作頭,實(shí)現(xiàn)不同體位下的多穴同灸。以肩部四工位工作頭舉例,可適用于治療肩部疾病[6],如肩周炎、肩袖損傷等,使用時(shí)根據(jù)患者體型,自主調(diào)節(jié)彈性拱形支架和球形萬向頭,將4個(gè)工作頭精準(zhǔn)定位于肩四穴(肩髃、肩髎、肩貞、肩前),實(shí)現(xiàn)灸療過程的個(gè)體化。

圖2 仿真智能灸療儀的單工位工作頭

圖3 仿真智能灸療儀的多工位工作頭(以四工位工作頭為例)

3.2 主機(jī) 圖4所示是主機(jī),內(nèi)部設(shè)置有仿真智能灸療儀系統(tǒng)主板、蓄電池、兩級煙霧過濾器及通風(fēng)口。主機(jī)應(yīng)用STM32F767IGT6單片機(jī)作為控制系統(tǒng)核心,主機(jī)外殼設(shè)置有220 V交流電充電口,內(nèi)部配備的蓄電池可保證灸療儀在雙重電力供應(yīng)下的長時(shí)間穩(wěn)定工作。主機(jī)正上方配備的觸摸屏為TK6071IP觸摸屏,可顯示灸療儀施灸模式及腧穴和施灸體表溫度數(shù)據(jù)。煙霧過濾器則充分凈化吸煙設(shè)備吸納的艾煙,然后從通風(fēng)口排出。在機(jī)底端的4個(gè)直角位置設(shè)有萬向輪,方便灸療儀的移動(dòng)。

圖4 仿真智能灸療儀的主機(jī)

3.3 支架 圖5所示是支架,為灸療儀的支持結(jié)構(gòu),由伸縮桿、轉(zhuǎn)動(dòng)軸等組成。可根據(jù)不同的施灸要求調(diào)節(jié)支架的位置與角度。

圖5 仿真智能灸療儀的支架

4 仿真智能灸療儀的功能模塊

4.1 仿真施灸模塊 采用三維運(yùn)動(dòng)圖像解析軟件采集具有豐富臨床經(jīng)驗(yàn)的醫(yī)師施灸操作的手法參數(shù)[7],利用MATLAB建立仿真智能灸療儀的工作頭施灸運(yùn)動(dòng)模型,得到灸療儀工作頭施灸時(shí)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)進(jìn)而編寫為程序。仿真智能灸療儀的單片機(jī)控制系統(tǒng)見圖6,該系統(tǒng)一方面可精確控制灸療儀工作頭實(shí)現(xiàn)仿真施灸模式,另一方面能實(shí)現(xiàn)與觸摸屏TK6071IP的通信。TK6071IP觸摸屏既可實(shí)現(xiàn)對單片機(jī)控制參數(shù)(如施灸模式、施灸時(shí)間)的設(shè)定或修改,還可查詢或顯示設(shè)定參數(shù)與工作狀態(tài)或?qū)嶋H值[8-9]。仿真施灸模式介紹如下。

圖6 仿真智能灸療儀的單片機(jī)控制系統(tǒng)

(1)溫和灸模式 聯(lián)動(dòng)傳送滑軌與旋轉(zhuǎn)盤配合,實(shí)時(shí)監(jiān)測并調(diào)控工作頭所對應(yīng)區(qū)域的體表溫度為40～45℃的治療溫度范圍,并保證安全施灸距離1 cm,模擬實(shí)現(xiàn)穴位或局部皮膚溫和灸的手法操作[10]。

(2)雀啄灸模式 控制傳送滑軌的升降,調(diào)節(jié)升降頻率(6次/分或10次/分),使艾柱上下移動(dòng),模擬雀啄灸的手法操作[11]。

(3)回旋灸模式 控制旋轉(zhuǎn)盤的回旋頻率(15轉(zhuǎn)/分或30轉(zhuǎn)/分),保持施灸距離,勻速、反復(fù)、旋轉(zhuǎn)地進(jìn)行施灸,模擬回旋灸的手法操作[12]。

(4)補(bǔ)瀉模式 控制送風(fēng)管的風(fēng)速大小,控制艾柱的燃燒速度。“毋吹其火”,待其慢慢燃燒、自滅,使火力溫和、時(shí)間稍長,模擬艾灸之補(bǔ)法;“疾吹其火”,增大火勢,增加艾條的燃燒熱量,增強(qiáng)對皮膚的刺激,模擬艾灸之瀉法[13]。圖7所示是仿真智能灸療儀的系統(tǒng)控制圖。

圖7 仿真智能灸療儀的系統(tǒng)控制圖

4.2 控溫模塊 通過工作頭上的紅外測溫裝置與主機(jī)內(nèi)部的紅外接收模塊實(shí)時(shí)監(jiān)測腧穴和施灸范圍內(nèi)體表溫度。紅外測溫裝置設(shè)置分辨率為0.05℃,其將采集的信息可視化地反饋于觸摸屏,參照穴位得氣效果的最佳溫度設(shè)置腧穴溫度閾值,即將40～45℃設(shè)置為灸療儀的治療溫度范圍[14],紅外測溫裝置的測量精度為±0.5℃。當(dāng)體表溫度高于40℃后,系統(tǒng)語音實(shí)時(shí)提示體表中心最高溫度;當(dāng)溫度高于45℃時(shí),升降機(jī)傳送滑軌控制艾柱夾持器上升,將體表溫度再次調(diào)節(jié)至治療溫度范圍內(nèi)。為避免艾柱下降太過,由隔離網(wǎng)上的超聲波測距模塊監(jiān)測百葉扇式接灰網(wǎng)與艾柱燃端的距離,并鎖定安全距離為1 cm,即最低艾柱下降高度。

4.3 清灰模塊 工作頭上配備電磁脈沖定時(shí)抖灰裝置,安裝于固定板下方,具有體積微小、節(jié)能環(huán)保、力度可調(diào)、結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)勢。抖灰裝置根據(jù)艾炷的燃燒產(chǎn)灰速率定時(shí)啟動(dòng),振落燃燒灰燼,接灰網(wǎng)將灰燼全部送入儲(chǔ)灰槽,避免灰燼堆積,減少熱量耗散,且保證溫?zé)嵝?yīng)的可持續(xù)。該灸療儀創(chuàng)新性地采用球弧形百葉扇式接灰網(wǎng)裝置,在抖灰前,百葉扇式接灰網(wǎng)關(guān)閉,形成密閉空間,電磁脈沖定時(shí)抖灰器振動(dòng)后,艾灰抖落在閉合的百葉扇上,并停留數(shù)秒,使艾灰快速降溫,在送風(fēng)管的風(fēng)力作用下,將艾灰收集至儲(chǔ)灰槽,避免了艾灰的堆積,從而實(shí)現(xiàn)熱力充分利用、清灰完全等目的。此外,潔凈裝置的充分清灰效果能避免施灸過程中溫度較高的艾灰或帶有火星的艾絨掉落至皮膚引起的燙傷。

4.4 凈煙模塊 吸煙設(shè)備內(nèi)的電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)排氣扇葉輪旋轉(zhuǎn),在吸煙罩區(qū)域內(nèi)形成一定的負(fù)壓,通過排煙管道的引流,將艾煙吸入主機(jī)內(nèi)部的兩級煙霧過濾器中,隨后將凈化后的空氣從通風(fēng)口排出。一級過濾器采用由超細(xì)聚丙烯纖維熱熔纏結(jié)制成的PP濾芯,二級過濾器為活性炭[15],去除艾煙中的焦油、苯甲醛、苯酚等。

5 討論

《外臺(tái)秘要》言:“雖曰針湯散,皆所不及,灸為其最要……此之一法,醫(yī)之大術(shù),宜深體之,要中之要,無過此術(shù)。”艾灸是一種古老的中醫(yī)療法,普遍應(yīng)用于內(nèi)、外、婦、兒、五官、神經(jīng)、泌尿系統(tǒng)等,適用于寒、熱、虛、實(shí)各種性質(zhì)疾病的治療。“家有三年艾,醫(yī)生不用來”,艾灸在養(yǎng)生保健中同樣發(fā)揮重要作用,可通過調(diào)節(jié)人體內(nèi)分泌系統(tǒng),達(dá)到減肥、祛斑、美白等目的,在美容、延緩衰老方面的使用度也相當(dāng)高。

目前艾絨的品質(zhì)良莠不齊,艾柱制作工藝沒有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn),艾絨不易抱團(tuán)或火力過強(qiáng),都會(huì)增加燙傷的風(fēng)險(xiǎn),艾灸儀器能彌補(bǔ)灸療的不足,既避免燙傷皮膚[16-17],又保證不同的艾絨產(chǎn)生相同的溫?zé)嵝?yīng),以實(shí)現(xiàn)安全、有效、便捷地施灸。但中醫(yī)艾灸設(shè)備較少[18],能解決上述問題且自動(dòng)化程度高的艾灸設(shè)備更少。本文設(shè)計(jì)的仿真智能灸療儀具有三方面的突出特點(diǎn):一是在傳統(tǒng)艾灸明火灸的基礎(chǔ)上,智能模擬仿真艾灸的手法操作,不僅豐富了灸療的使用方式,而且規(guī)范了灸療操作,提高了灸療療效,多種模式對應(yīng)不同病證,在具有全面性的同時(shí)更具有針對性;二是配備多工位工作頭,使施灸范圍更加廣泛,可滿足使用者的各種需求;三是控溫、清灰、凈煙等功能使灸療過程更加安全與舒適。

本設(shè)計(jì)還需在以下方面進(jìn)行改進(jìn)。①需將艾灸的量效關(guān)系納入系統(tǒng)數(shù)據(jù)中,完善主機(jī)與工作單位間的聯(lián)系;②將艾煙濃度控制在既可保證艾灸的治療效果,又可提高治療環(huán)境舒適性的范圍內(nèi),做到只聞艾香、不見艾煙;③進(jìn)一步改良灸療儀的構(gòu)造,以滿足隔物灸和溫針灸等特殊施灸方式的需求;④優(yōu)化材料,降低熱量在穿透球弧形百葉扇式接灰網(wǎng)、隔離網(wǎng)時(shí)因金屬材質(zhì)的導(dǎo)熱性而導(dǎo)致的熱量耗損,避免灸療溫?zé)岑熜У慕档汀?/p>