李麗萍，李凱揚(yáng)

（武漢大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，湖北 武漢430072）

1 引 言

激光針灸是在傳統(tǒng)中醫(yī)理論指導(dǎo)下，利用低強(qiáng)度的激光光束照射穴位實(shí)現(xiàn)治療或保健作用的一種新型針灸方法。其特點(diǎn)是操作簡便，無針刺引起的疼痛，對(duì)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(tǒng)針灸的作用，還具有激光本身所引起的一系列生物效應(yīng)［1］。本研究設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種基于單片機(jī)、C語言編程的激光針灸模擬儀，通過調(diào)節(jié)輸出功率和輸出波形模擬傳統(tǒng)灸法和傳統(tǒng)提插針法，為后續(xù)激光針灸的臨床實(shí)驗(yàn)和應(yīng)用提供支持。

2 傳統(tǒng)針灸手法的定量與模擬

2.1 傳統(tǒng)艾灸模擬

激光對(duì)生物組織的作用多種多樣，模擬傳統(tǒng)艾灸主要應(yīng)用激光光致發(fā)熱效應(yīng)。生物分子吸收激光光能直接轉(zhuǎn)化為該分子的振動(dòng)能或轉(zhuǎn)動(dòng)能，宏觀上即表現(xiàn)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(dǎo)體激光利用其光致發(fā)熱生物效應(yīng)模擬傳統(tǒng)灸療，傳統(tǒng)艾灸特性和激特性光對(duì)應(yīng)關(guān)系見表1。

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

模擬溫和灸時(shí)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(qiáng)變化相對(duì)不大，本儀器使用單片機(jī)控制激光輸出光強(qiáng)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(duì)位置來實(shí)現(xiàn)。

2.2 傳統(tǒng)針刺手法的定量參數(shù)和模擬

丁光宏等人定量的研究了傳統(tǒng)針刺手法，他們將力和力矩微型傳感器系統(tǒng)固定在針體上，測(cè)量不同針刺過程中針體上的受力數(shù)值，得出各個(gè)手法對(duì)應(yīng)的波形。［2］實(shí)施提插針灸手法時(shí)的波形見圖1，圖中橫坐標(biāo)是時(shí)間軸，單位為s，每格為1.5 s，縱坐標(biāo)為垂直拉壓力，單位為N，每格為0.3 N?！硎具M(jìn)針點(diǎn)，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(gè)提插手法的針體受力規(guī)律均符合傳統(tǒng)針刺理論。

圖1 a在人體上施均勻提插時(shí)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(bǔ)法時(shí)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(shí)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(jīng)過聚焦后的光束很細(xì)，光斑半徑為毫米甚至微米量級(jí)，照射在生物組織的激光功率密度相對(duì)較高，所產(chǎn)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(xiàn)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(tǒng)提插針刺手法，當(dāng)激光波長、光斑直徑、入射角度固定時(shí)，激光對(duì)生物組織產(chǎn)生的光壓主要與激光出射光功率有關(guān)，在一定范圍內(nèi)半導(dǎo)體激光器輸出功率和其驅(qū)動(dòng)電流為正比關(guān)系，通過調(diào)節(jié)半導(dǎo)體激光器的驅(qū)動(dòng)電流即可控制激光出射功率，以此實(shí)現(xiàn)用半導(dǎo)體激光器模擬中醫(yī)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(bǔ)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(shí)現(xiàn)

激光針灸模擬儀硬件結(jié)構(gòu)見圖2，主要模塊為針灸手法模擬電路、單片機(jī)及8255A擴(kuò)展模塊、LCD1602液晶顯示模塊和按鍵控制模塊。

從電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度和成本角度及綜合性價(jià)比考慮，本設(shè)備選擇AT89C52單片機(jī)作為主機(jī)，52系列單片機(jī)使用靈活，功耗低，價(jià)格低廉，配合一定的外圍硬件電路即可實(shí)現(xiàn)激光針灸儀所需的功能。

圖2 激光針灸模擬儀硬件系統(tǒng)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(shè)置參數(shù)較多且同步顯示倒計(jì)時(shí)功能，LCD1602可以顯示點(diǎn)陣字母和數(shù)字信息指示操作本設(shè)備的人員進(jìn)行參數(shù)設(shè)置。

在本設(shè)備設(shè)計(jì)中針刺手法的周期相對(duì)機(jī)器周期長很多，無需考慮數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換時(shí)間，選擇常見的DAC0832轉(zhuǎn)換器。

3.1 單片機(jī)最小系統(tǒng)及8255A擴(kuò)展模塊

本儀器中單片機(jī)外圍晶振電路、復(fù)位電路為常用電路，不再贅述，僅對(duì)I／O口擴(kuò)展8255A進(jìn)行說明。8255A用于對(duì)單片機(jī)的P0口擴(kuò)展，8255A芯片復(fù)位信號(hào)由單片機(jī)外圍復(fù)位電路同時(shí)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(jī)引腳P3.6。內(nèi)部寄存器選擇引腳A0、A1接單片機(jī)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(shù)據(jù)。

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(dǎo)體激光光源波長為600～2000 nm，連續(xù)輸出功率可從幾毫瓦到上百毫瓦，同時(shí)半導(dǎo)體激光器具有體積小、重量輕、攜帶使用方便、低能耗等優(yōu)點(diǎn)［4］，在綜合考慮生物組織對(duì)光散射和吸收作用，傳統(tǒng)針灸手法的模擬實(shí)現(xiàn)方法以及儀器規(guī)模和成本后選擇半導(dǎo)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(nèi)。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(shí)穿透深度約為5～6 cm，可到達(dá)人體大部分穴位［6］，達(dá)到模擬針灸的目的。

3.2.2 激光上限功率設(shè)定 避免產(chǎn)生損傷同時(shí)盡可能最大體現(xiàn)化激光針灸作用是本課題選擇激光功率的標(biāo)準(zhǔn)，目前，大多數(shù)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(shí)能量難以真正到達(dá)人體穴位所在深度，這些研究結(jié)果有時(shí)被引用來解釋低強(qiáng)度激光無效的治療效果。由于皮膚內(nèi)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(shè)備擁有更高的功率［7］。本激光針灸模擬儀設(shè)定上限功率為 100 mW，臨床實(shí)驗(yàn)人體最高上升溫度約至42℃，在人體容限溫度43℃之內(nèi)，確保對(duì)人體不會(huì)造成損傷的同時(shí)滿足實(shí)驗(yàn)需求。

3.2.3 幅值調(diào)節(jié)及波形輸出電路 見圖3，幅值調(diào)節(jié)及波形輸出模塊由數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器U3、U5和運(yùn)算放大器U4、U6構(gòu)成，U3 DAC0832從8255A的PB口得到單片機(jī)輸出的幅值電壓數(shù)據(jù)，其后的IOUT1、IOUT2引腳接入運(yùn)算放大器將幅值數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的電流信號(hào)變成電壓輸出，作為U5 DAC0832的參考電壓。U5直接從單片機(jī)的P2口獲得輸出波形的數(shù)據(jù)。此處直接使用單片機(jī)I／O口的資源是必要的，由于波形數(shù)據(jù)較多，將U5的數(shù)據(jù)輸入口DI0～DI7直接連接在單片機(jī)上，避免間接連接在8255A擴(kuò)展口帶來的延遲口，提高輸出波形的精度。

波形信號(hào)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(jī) P3.4、P3.5兩引腳和CD4066模擬開關(guān)電路分別控制，按鍵控制P3.4、P3.5的電平信號(hào)置為高電平時(shí)，激光器輸出電路導(dǎo)通。

半導(dǎo)體激光器對(duì)電源的要求相對(duì)嚴(yán)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(dāng)儀器不工作的時(shí)候半導(dǎo)體亦有可能發(fā)生靜電擊穿，而電路穩(wěn)定性問題若發(fā)生短路等問題產(chǎn)生法相電流也會(huì)損毀半導(dǎo)體激光器。綜合以上問題，我們分別在激光器兩端并聯(lián)了電容、常閉電路和反向并聯(lián)的二極管，確保激光器在普通使用過程中不會(huì)發(fā)生損壞，此處的常閉電路在實(shí)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(gè)字符，采用單5 V電源供電，外圍電路配置簡單，價(jià)格便宜，已被廣泛應(yīng)用，其原理此處不贅述。LCD1602顯示模塊的控制信號(hào)RS、RW、E由單片機(jī)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(jìn)行參數(shù)設(shè)置同時(shí)將字形數(shù)據(jù)通過8255A的PA口發(fā)送至LCD1602，實(shí)時(shí)顯示所選輸出通道、波形、功率、頻率和時(shí)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(dòng)復(fù)位按鍵和1枚自動(dòng)鎖定按鍵，7枚復(fù)位按鍵分別進(jìn)行輸出口、輸出波形、幅值、頻率、和照射時(shí)長的選擇設(shè)定及作為外部中斷停止波形輸出，自動(dòng)復(fù)位功能提供電平變化信號(hào)實(shí)現(xiàn)參數(shù)循環(huán)選擇設(shè)置以減少按鍵數(shù)量。自動(dòng)鎖定按鍵為輸出控制按鍵，斷開時(shí)設(shè)置參數(shù)，閉合后輸出波形，此時(shí)可通過觸發(fā)外部中斷的自動(dòng)復(fù)位按鍵停止輸出并重新進(jìn)行參數(shù)設(shè)置。

4 激光針灸模擬儀軟件設(shè)計(jì)

本設(shè)備的軟件系統(tǒng)由若干子程序構(gòu)成，包括主程序、設(shè)置和顯示子程序、中斷子程序、波形產(chǎn)生子程序等，本研究僅對(duì)主程序和波形產(chǎn)生子程序進(jìn)行介紹。

4.1 軟件主程序

設(shè)備軟件主程序使用兩個(gè)while循環(huán)分別設(shè)置參數(shù)和輸出波形。單片機(jī)上電后對(duì)8255A、LCD1602、以及中斷初始化，開外部中斷，在第一個(gè)while循環(huán)中程序等待按鍵信號(hào)，等待接收自動(dòng)復(fù)位按鍵設(shè)置各個(gè)參數(shù)并同步顯示設(shè)置信息，當(dāng)自鎖按鍵閉合退出此循環(huán)，根據(jù)參數(shù)信息選通通道、轉(zhuǎn)換幅值數(shù)據(jù)、打開定時(shí)中斷后進(jìn)入第二個(gè)循環(huán)，根據(jù)設(shè)置的波形參數(shù)標(biāo)志位進(jìn)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(shè)置各個(gè)參數(shù)，計(jì)時(shí)結(jié)束后顯示結(jié)束信息并蜂鳴提醒，見圖4。

4.2 波形產(chǎn)生子程序

傳統(tǒng)針灸手法定量測(cè)量后統(tǒng)計(jì)學(xué)分析得出頻率上下限分別為1.8 Hz（捻轉(zhuǎn)泄法）以及0.60 Hz（提插補(bǔ)法）［2］，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于單片機(jī)工作頻率且對(duì)精確度要求不高。本設(shè)備采用在波形數(shù)據(jù)變化后跟延遲程序的方法設(shè)置輸出波形的頻率。所選頻率數(shù)據(jù)計(jì)算后寫入延時(shí)子程序，延遲子程序由三層for遞減循環(huán)組成，可實(shí)現(xiàn)單位為ms、誤差為0 us的延遲。

溫和灸對(duì)應(yīng)于恒定直流輸出，僅需對(duì)8255A的P1口設(shè)置幅值數(shù)據(jù)恒為0xFF。雀啄灸對(duì)應(yīng)于方波輸出，波形數(shù)據(jù)是由0x00和0xFF兩個(gè)狀態(tài)組成，通過對(duì)P1口的取反即可方便的實(shí)現(xiàn)方波輸出，設(shè)定方波的占空比和頻率對(duì)應(yīng)雀啄灸施灸時(shí)間和手法頻率。

均勻提插對(duì)應(yīng)三角波輸出，單片機(jī)P0口向U5 DAC0832傳送數(shù)據(jù)由0x00依次自增0x01到0xFF再從0xFF自減，通過設(shè)置0x00時(shí)為0、在0xFF時(shí)為1的狀態(tài)位判斷波形數(shù)據(jù)自增或自減。提插的補(bǔ)瀉手法輸出波形類似于鋸齒波，提插補(bǔ)法為波形數(shù)據(jù)自增相對(duì)緩慢、自減相對(duì)較快的鋸齒波，提插泄法反之。輸出波形數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)原理類似于均勻提插手法，在變化相對(duì)快速時(shí)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(cè)試和臨床實(shí)驗(yàn)

激光針灸模擬儀波形輸出結(jié)果見圖5a，圖中橫坐標(biāo)是時(shí)間軸，單位為s，每格為0.2 s，縱坐標(biāo)為幅值，單位為V，每格為0.5 V。波形幅值和頻率均可調(diào)節(jié)，圖所示波形的頻率為各傳統(tǒng)針灸手法定量測(cè)量的頻率均值，其中①模擬雀啄灸時(shí)，可調(diào)節(jié)其占空比從而模仿傳統(tǒng)灸法的補(bǔ)瀉手法。

圖5 a 各傳統(tǒng)針灸手法模擬波形圖（①雀啄灸，②均勻提插，③提插補(bǔ)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(jī)械手臂前端，可靈活移動(dòng)機(jī)械手臂照射所需穴位。激光針灸模擬測(cè)試完成后進(jìn)行了初步臨床實(shí)驗(yàn)：在環(huán)境相對(duì)穩(wěn)定的室內(nèi)，對(duì)20～25歲的健康志愿者使用激光針灸模擬儀刺激多條經(jīng)絡(luò)的原穴與合穴，配合武漢昊博科技有限公司生產(chǎn)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(jīng)的原穴－太淵穴所得熱層析圖，①為受試者靜躺60 min適應(yīng)環(huán)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(duì)比可發(fā)現(xiàn)相比體表其他部位，手太陰肺經(jīng)循行線上有著明顯的溫度升高現(xiàn)象。

圖5 b 激光針灸模擬儀外觀圖（①）和臨床實(shí)驗(yàn)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(dǎo)體激光針灸模擬儀通過改變激光輸出光強(qiáng)的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)傳統(tǒng)艾灸和提插針法及其補(bǔ)泄手法的模擬，并在初步的臨床實(shí)驗(yàn)中通過熱層析針灸儀觀察到人體體表經(jīng)絡(luò)的熱循行現(xiàn)象。由于客觀條件的限制，經(jīng)絡(luò)仿真還未完成，目前僅能使用熱層析設(shè)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(zhuǎn)手法，其所特有的生物刺激、光致生熱等效應(yīng)的影響，與傳統(tǒng)針灸的對(duì)比實(shí)驗(yàn)等問題之后將繼續(xù)探索。