仿真智能灸疗仪的研制※

刘国盛,谢佳惠,陈晓婧,张学君

(福建中医药大学,福建 福州 350122)

1 研发背景

《外台秘要》言:“至于火艾,特有奇能。”艾灸因独特的疗效而广泛应用于临床疾病的治疗,同时亦可用于养生保健,改善亚健康状态,在美容、抗衰老方面也具有一定疗效[1-3]。在传统艾灸操作过程中,灸疗通常需要较长的施灸时间,且为避免艾灰及灸温烫伤患者皮肤,灸疗过程要求医者实时看护,使得这一过程耗费较长的时间与较高的人力成本[2]。与此同时,较长时间的施灸难以使医者始终保持一致的专注度进而保证灸疗过程的完整性与连贯性;另一方面,身体特定部位的施灸操作会加大灸疗的难度,而施灸温度亦存在难以掌控的问题。此外,较高浓度的艾烟也增加了医患双方呼吸道疾病的患病风险等[3-4]。受以上因素影响,虽然传统艾灸具有独特的优势,但临床应用中依旧存在诸多的局限性。

目前艾灸仪的研究已取得一定的进展。这类艾灸仪具备自动化操作的特点,应用机械手臂或夹持器固定艾条,从而解放医者双手,同时应用风力系统,减少医患因吸入艾烟而对身体产生的危害,但仍存在自动化程度不高和施灸范围局限等问题。如艾条夹持器较为固定,一段时间后需手动移动艾条以继续施灸,且工作头单一,携带的艾条数量有限。亦融合现代科技成果,如无明火光谱熏蒸灸疗仪,但其治疗的有效性仍待评估。众多常见的灸疗仪鉴于经济、实用性等因素在生活中使用率仍较低[5]。

2 研发思路

为了弥补传统艾灸操作和常见艾灸仪的不足和弊端,课题组设计一种仿真智能灸疗仪,可在不同体位下模拟传统艾灸手法进行多部位治疗,并实现自动控温,为艾灸的自动化操作提供思路。第一,该灸疗仪定位为以传统艾灸操作方式为治疗手段的自动化仪器,以艾条为主要的施灸材料,在发挥艾灸独特温热效应特性的同时,建立临床艾灸施灸手法运动参数模型,编写灸疗仪工作头施灸程序,仿真模拟艾灸手法操作,保证灸疗过程中终始如一的施灸强度,同时解放医师的双手,在降低人力成本的同时使医师投入更多的时间、精力于其他操作要求更高的临床治疗。第二,该灸疗仪可实现多部位同灸,即可通过更换多工位工作头,依据患者的体型及体位,调节弹性拱形支架和球形万向头,将多个工作头精准定位于人体穴位或需要施灸的相应体表部位。以肩部四工位工作头治疗肩部疾病举例,多部位同灸功能不仅具有专病专用的准确性,还能有效利用穴位的协同作用而加强艾灸的疗效,并节省大量的治疗时间,充分满足临床及养生保健灸法的需要,具有相当的经济效益。第三,该灸疗仪通过红外测温装置采集腧穴和施灸体表实时温度数据,当监测的温度数据超过所设置的温度阈值时,单片机控制传送滑轨进行调整而实现自动控温。

为实现灸疗仪上述设计理念,该灸疗仪的设计分为结构模块和功能模块两部分。结构模块包括工作单位、主机、支架,功能模块包括仿真施灸模块、控温模块、清灰模块及净烟模块。

3 仿真智能灸疗仪的结构模块

仿真智能灸疗仪的结构模块由工作单位、主机、支架三部分构成。整体正面结构见图1。

图1 仿真智能灸疗仪的整体正面结构

3.1 工作单位 工作单位为灸疗仪施灸的核心部件,由吸烟设备和工作头组成,工作头有单工位和多工位两种型号。图2所示是单工位工作头,由外围透明灸罩、吸烟设备、排气扇、固定板、定时抖灰器、旋转盘、艾柱夹持器、送风管、传送滑轨、储灰槽、球弧形百叶扇式接灰网、隔离网、超声波测距模块、红外测温装置组成。图3所示是多工位工作头(以四工位工作头为例),由弹性拱形支架、球形万向头和多个单工位工作头组成。弹性拱形支架可自由拼接、拆卸,搭载不同数量的工位工作头,内含可伸缩排烟管道。根据特定部位的相关疾病,可更换多工位工作头,实现不同体位下的多穴同灸。以肩部四工位工作头举例,可适用于治疗肩部疾病[6],如肩周炎、肩袖损伤等,使用时根据患者体型,自主调节弹性拱形支架和球形万向头,将4个工作头精准定位于肩四穴(肩髃、肩髎、肩贞、肩前),实现灸疗过程的个体化。

图2 仿真智能灸疗仪的单工位工作头

图3 仿真智能灸疗仪的多工位工作头(以四工位工作头为例)

3.2 主机 图4所示是主机,内部设置有仿真智能灸疗仪系统主板、蓄电池、两级烟雾过滤器及通风口。主机应用STM32F767IGT6单片机作为控制系统核心,主机外壳设置有220 V交流电充电口,内部配备的蓄电池可保证灸疗仪在双重电力供应下的长时间稳定工作。主机正上方配备的触摸屏为TK6071IP触摸屏,可显示灸疗仪施灸模式及腧穴和施灸体表温度数据。烟雾过滤器则充分净化吸烟设备吸纳的艾烟,然后从通风口排出。在机底端的4个直角位置设有万向轮,方便灸疗仪的移动。

图4 仿真智能灸疗仪的主机

3.3 支架 图5所示是支架,为灸疗仪的支持结构,由伸缩杆、转动轴等组成。可根据不同的施灸要求调节支架的位置与角度。

图5 仿真智能灸疗仪的支架

4 仿真智能灸疗仪的功能模块

4.1 仿真施灸模块 采用三维运动图像解析软件采集具有丰富临床经验的医师施灸操作的手法参数[7],利用MATLAB建立仿真智能灸疗仪的工作头施灸运动模型,得到灸疗仪工作头施灸时的运动参数进而编写为程序。仿真智能灸疗仪的单片机控制系统见图6,该系统一方面可精确控制灸疗仪工作头实现仿真施灸模式,另一方面能实现与触摸屏TK6071IP的通信。TK6071IP触摸屏既可实现对单片机控制参数(如施灸模式、施灸时间)的设定或修改,还可查询或显示设定参数与工作状态或实际值[8-9]。仿真施灸模式介绍如下。

图6 仿真智能灸疗仪的单片机控制系统

(1)温和灸模式 联动传送滑轨与旋转盘配合,实时监测并调控工作头所对应区域的体表温度为40～45℃的治疗温度范围,并保证安全施灸距离1 cm,模拟实现穴位或局部皮肤温和灸的手法操作[10]。

(2)雀啄灸模式 控制传送滑轨的升降,调节升降频率(6次/分或10次/分),使艾柱上下移动,模拟雀啄灸的手法操作[11]。

(3)回旋灸模式 控制旋转盘的回旋频率(15转/分或30转/分),保持施灸距离,匀速、反复、旋转地进行施灸,模拟回旋灸的手法操作[12]。

(4)补泻模式 控制送风管的风速大小,控制艾柱的燃烧速度。“毋吹其火”,待其慢慢燃烧、自灭,使火力温和、时间稍长,模拟艾灸之补法;“疾吹其火”,增大火势,增加艾条的燃烧热量,增强对皮肤的刺激,模拟艾灸之泻法[13]。图7所示是仿真智能灸疗仪的系统控制图。

图7 仿真智能灸疗仪的系统控制图

4.2 控温模块 通过工作头上的红外测温装置与主机内部的红外接收模块实时监测腧穴和施灸范围内体表温度。红外测温装置设置分辨率为0.05℃,其将采集的信息可视化地反馈于触摸屏,参照穴位得气效果的最佳温度设置腧穴温度阈值,即将40～45℃设置为灸疗仪的治疗温度范围[14],红外测温装置的测量精度为±0.5℃。当体表温度高于40℃后,系统语音实时提示体表中心最高温度;当温度高于45℃时,升降机传送滑轨控制艾柱夹持器上升,将体表温度再次调节至治疗温度范围内。为避免艾柱下降太过,由隔离网上的超声波测距模块监测百叶扇式接灰网与艾柱燃端的距离,并锁定安全距离为1 cm,即最低艾柱下降高度。

4.3 清灰模块 工作头上配备电磁脉冲定时抖灰装置,安装于固定板下方,具有体积微小、节能环保、力度可调、结构简单等优势。抖灰装置根据艾炷的燃烧产灰速率定时启动,振落燃烧灰烬,接灰网将灰烬全部送入储灰槽,避免灰烬堆积,减少热量耗散,且保证温热效应的可持续。该灸疗仪创新性地采用球弧形百叶扇式接灰网装置,在抖灰前,百叶扇式接灰网关闭,形成密闭空间,电磁脉冲定时抖灰器振动后,艾灰抖落在闭合的百叶扇上,并停留数秒,使艾灰快速降温,在送风管的风力作用下,将艾灰收集至储灰槽,避免了艾灰的堆积,从而实现热力充分利用、清灰完全等目的。此外,洁净装置的充分清灰效果能避免施灸过程中温度较高的艾灰或带有火星的艾绒掉落至皮肤引起的烫伤。

4.4 净烟模块 吸烟设备内的电动机驱动排气扇叶轮旋转,在吸烟罩区域内形成一定的负压,通过排烟管道的引流,将艾烟吸入主机内部的两级烟雾过滤器中,随后将净化后的空气从通风口排出。一级过滤器采用由超细聚丙烯纤维热熔缠结制成的PP滤芯,二级过滤器为活性炭[15],去除艾烟中的焦油、苯甲醛、苯酚等。

5 讨论

《外台秘要》言:“虽曰针汤散,皆所不及,灸为其最要……此之一法,医之大术,宜深体之,要中之要,无过此术。”艾灸是一种古老的中医疗法,普遍应用于内、外、妇、儿、五官、神经、泌尿系统等,适用于寒、热、虚、实各种性质疾病的治疗。“家有三年艾,医生不用来”,艾灸在养生保健中同样发挥重要作用,可通过调节人体内分泌系统,达到减肥、祛斑、美白等目的,在美容、延缓衰老方面的使用度也相当高。

目前艾绒的品质良莠不齐,艾柱制作工艺没有统一标准,艾绒不易抱团或火力过强,都会增加烫伤的风险,艾灸仪器能弥补灸疗的不足,既避免烫伤皮肤[16-17],又保证不同的艾绒产生相同的温热效应,以实现安全、有效、便捷地施灸。但中医艾灸设备较少[18],能解决上述问题且自动化程度高的艾灸设备更少。本文设计的仿真智能灸疗仪具有三方面的突出特点:一是在传统艾灸明火灸的基础上,智能模拟仿真艾灸的手法操作,不仅丰富了灸疗的使用方式,而且规范了灸疗操作,提高了灸疗疗效,多种模式对应不同病证,在具有全面性的同时更具有针对性;二是配备多工位工作头,使施灸范围更加广泛,可满足使用者的各种需求;三是控温、清灰、净烟等功能使灸疗过程更加安全与舒适。

本设计还需在以下方面进行改进。①需将艾灸的量效关系纳入系统数据中,完善主机与工作单位间的联系;②将艾烟浓度控制在既可保证艾灸的治疗效果,又可提高治疗环境舒适性的范围内,做到只闻艾香、不见艾烟;③进一步改良灸疗仪的构造,以满足隔物灸和温针灸等特殊施灸方式的需求;④优化材料,降低热量在穿透球弧形百叶扇式接灰网、隔离网时因金属材质的导热性而导致的热量耗损,避免灸疗温热疗效的降低。