陳祥林，龍韻翔，楊丹，王鴻鵬，李佳△，朱璐

(1.湖北中醫(yī)藥大學(xué)針灸骨傷學(xué)院/針灸治未病湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心，武漢 430061；2.華中科技大學(xué)，武漢 430074)

1 引 言

艾灸療法是中醫(yī)傳統(tǒng)療法之一，該療法通過燃燒艾條或艾絨，在體表穴位進行熏、灼、激發(fā)經(jīng)氣，調(diào)節(jié)臟腑，進而預(yù)防保健和治療疾病[1]。隨著經(jīng)濟社會發(fā)展，健康問題日益突出，當今人口老齡化日益嚴重，延緩衰老和解決亞健康的問題備受關(guān)注[2]。經(jīng)研究證實[3-5]，艾灸對機體具有獨特的臨床療效和保健作用，艾灸器的研制具有廣闊的應(yīng)用價值，多學(xué)科融合對促進艾灸保健產(chǎn)品的研發(fā)提供了新思路，將促進人類健康事業(yè)發(fā)展[6]。目前，艾灸儀種類較少，且存在諸多不足，譬如操作復(fù)雜、難以控溫、不便攜帶等，限制了醫(yī)務(wù)人員的操作和受試者的施灸效果。而且，傳統(tǒng)艾灸存在明顯的煙霧刺激甚至發(fā)生燙傷等弊端[7]。我們前期研制了一種新型智能精準艾灸儀(國家實用新型專利：ZL 2015 2 1026428X)[8]，能夠部分控溫，在一定程度上降低了污染的效果，但設(shè)計上仍有缺陷，設(shè)備占用空間較大，適用性尚存不足，基于此，我們進行探索以求取得艾灸使用技術(shù)上的突破。

艾灸光輻射是以紅外光為主，與半導(dǎo)體發(fā)光管原理一致，因此可以在一定程度上用半導(dǎo)體(如LED燈)模擬艾灸。將來[9]利用LED變焦燈的技術(shù)成果及生產(chǎn)工藝開發(fā)從健康照明到醫(yī)療應(yīng)用的擴展產(chǎn)品，利于把專利技術(shù)充分轉(zhuǎn)化為有效的經(jīng)濟社會效益。我們利用LED的紅外線特性，通過模擬艾灸效應(yīng)，設(shè)計一種可穿戴的新型智能光灸環(huán)，凸顯解放人力，精準控溫，零污染等優(yōu)點，在發(fā)揚傳統(tǒng)艾灸療法內(nèi)涵的基礎(chǔ)上，結(jié)合現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)，實現(xiàn)灸法的新突破。

2 設(shè)計原理

2.1 艾灸的光譜效應(yīng)與LED有相通之處

艾灸的治療機制除了藥物刺激、溫?zé)岽碳ぶ?，艾灸的光譜效應(yīng)對治療起著重要的作用，目前對艾灸的關(guān)注逐步轉(zhuǎn)向其輻射光譜研究。洪文學(xué)等[10]在測量艾條熱輻射光譜特性的實驗中發(fā)現(xiàn)，艾灸的光譜是以靠近近紅外并以遠紅外為主，含有少量可見光，波峰在3.5 μm左右。張紅良等[11]通過光譜分析發(fā)現(xiàn)藥灸條燃燒過程中發(fā)光譜是從600 nm左右的紅外光到2500 nm的中紅外，直至遠紅外區(qū)，其譜形、強度及峰值在整個施灸過程中不斷變化。沈雪勇等[12]采用自制光譜檢測裝置，通過觀察人體穴位和艾灸紅外輻射光譜發(fā)現(xiàn)，穴位紅外輻射光譜上出現(xiàn)2～2.5 μm和15 μm兩個輻射峰。艾灸機制研究發(fā)現(xiàn)紅外光譜的波長雖然不盡相同，但可明確的是，紅外光譜在艾灸治療中發(fā)揮著重要作用。隨著艾灸光譜研究逐步深入，為選取不同波長的光刺激源研制仿灸儀器，模擬艾灸的生物效應(yīng)提供理論依據(jù)。

隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，LED紅外技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域被廣泛運用。LED紅外技術(shù)在光健康領(lǐng)域的應(yīng)用備受關(guān)注，研究發(fā)現(xiàn)[8]，紅外光譜在軟組織損傷、慢性炎癥及關(guān)節(jié)相關(guān)病、傷口愈合、皮膚病治療方面具有良好應(yīng)用前景。與傳統(tǒng)的生物醫(yī)學(xué)光源相比，LED光源在發(fā)光效率、顏色穩(wěn)定性、色品等參數(shù)性能上有很大提高，這為LED光源應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域奠定了基礎(chǔ)[13]。石桂菊等[14]利用LED照射人體皮膚會使皮膚表面溫度升高的原理，設(shè)計了LED陣列模擬針灸照射筆，將LED技術(shù)與針灸有機結(jié)合，可以起到類似針灸的效果。范曉紅等[15]通過自行研制的以波長0.6～1.5 μm紅外光針灸儀對肩周炎進行治療，發(fā)現(xiàn)較大功率的紅外光針灸儀的治療效果最為突出，治療時間相對縮短。由此可見，隨著針灸療法備受認可，LED技術(shù)的不斷改進以及在生物醫(yī)學(xué)中的運用，將LED紅外技術(shù)與針灸有機結(jié)合可以發(fā)揮更好的臨床療效。因此，我們認為若選取艾灸紅外波長中的一段用LED紅外進行模擬治療，可以獲得與艾灸治療相同的功效。

3 設(shè)計思路及相關(guān)設(shè)計

3.1 光灸環(huán)設(shè)計思路及結(jié)構(gòu)

基于艾灸現(xiàn)代光譜機制研究成果，結(jié)合LED光源在生物醫(yī)學(xué)的優(yōu)勢，本研究采用LED紅外光源模擬艾灸光譜中1.5 μm和3.5 μm的波長對局部皮膚或穴位進行刺激實現(xiàn)艾灸效果。本智能光灸環(huán)包括手環(huán)智能環(huán)帶和光灸器兩個主體部分，其中主要將光灸元件鑲嵌在手環(huán)中，通過獨特的手環(huán)設(shè)計和LED光源設(shè)計實現(xiàn)智能光灸環(huán)小巧輕便，利于隨時攜帶進行施灸。

智能光灸環(huán)的主體分為環(huán)體和光灸元件組，其中環(huán)體上包括首尾兩組總控制電路模塊、光灸器組件卡槽和連接端子。LED光灸元件組和總控制電路板之間是通過連接端子進行數(shù)據(jù)連接?？偪刂齐娐纺K主要用來對組件充電、總線控制和拓展功能(如心率監(jiān)測、藍牙無線控制等)等，見圖1、圖2。

圖1 光灸總體結(jié)構(gòu)Fig.1 Overall structure of light moxibustion

圖2 LED光灸元件組Fig.2 LED moxibustion component group

LED光灸元件組的內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要由LED顯示屏、鋰電池、控制電路板、隔熱層、聚熱輻射鋁板、遠紅外LED模組、菲涅爾透鏡和底座等八個部分組成。LED光灸元件組有四個遠紅外LED模組，主要包括波長為1.5 μm和3.5 μm的光源各兩顆。最上面為LED顯示屏，主要顯示光灸環(huán)的工作狀態(tài)、時間、溫度、電量和心率等信息。鋰電池位于顯示屏與隔熱板之間，主要為元件組供電，可通過隔熱板減少溫度過高對其損壞，一次完全充電可供電2 h。元件組兩側(cè)為控制電路模塊，主要包括MCU芯片、溫度控制熔斷系統(tǒng)、總線信號接收模塊、電源管理模塊和狀態(tài)提醒模塊等。在鋰電池與遠紅外LED模組之間設(shè)計有隔熱板和聚熱輻射鋁板。除了起隔熱效果外，鋁板為向上的凹形設(shè)計具有聚集內(nèi)部熱量在光灸部位，增強溫?zé)岽碳ばЧ?。在LED模組下方為菲涅爾透鏡，菲涅爾透鏡利用透鏡的特殊光學(xué)原理，將接收到的紅外信號通過聚焦作用，使輸出光匯聚從而增強其能量幅度。本光灸環(huán)正是通過菲涅爾透鏡實現(xiàn)LED遠紅外的能量匯聚，從而實現(xiàn)更好的光灸效果，見圖3、圖4。

圖3 LED光灸元件組正視圖Fig.3 Front view of the LED moxibustion component group

圖4 LED光灸元件組內(nèi)部立體效果Fig.4 Internal stereo effect of LED moxibustion component group

3.2 光灸環(huán)的聚光設(shè)計

模擬艾灸紅外光譜的LED光源是用于照射人體穴位或組織部位，穴位接受的刺激量會受光能量大小的影響，在一定范圍內(nèi)，能量越大刺激效果越好。但LED不是點光源，存在譜寬，這在一定程度上分散了LED發(fā)出的光能量，而且四個LED光源的輸出光均為平行光，能量沒有聚焦，因此，需要采取特殊設(shè)計聚焦單個光源的能量來增強其能量幅度。本光灸環(huán)的聚光設(shè)計是在遠紅外LED模組下方設(shè)計一個菲涅爾透鏡，見圖4。菲涅爾透鏡 (Fresnel Lens)，又名螺紋透鏡，是利用透鏡的特殊光學(xué)原理，將鏡片表面設(shè)計為一面為光面，另一面刻錄了由小到大的同心圓。菲涅爾透鏡表面為若干鋸齒狀凹槽，中心部分呈橢圓型弧線。每一個凹槽為一個小透鏡，將光線聚集到中心焦點處，使輸出光匯聚從而增強其能量幅度。智能光灸環(huán)正是通過菲涅爾透鏡實現(xiàn)LED遠紅外的能量匯聚到一個點上，充分利用紅外實現(xiàn)更好的光灸效果，見圖5。

圖5 LED光灸元件組內(nèi)部立體效果Fig.5 Internal stereo effect of LED moxibustion component group

3.3 光灸溫度及時間控制設(shè)計

LED為非熱效應(yīng)冷光源，但在工作狀態(tài)中自身會產(chǎn)生熱量，該熱量可以起到艾灸的溫?zé)嵝?yīng)。如果光灸環(huán)未能及時散放過多的熱能，不僅損耗內(nèi)部元件的使用壽命，還會傷害人體皮膚。為此，在光灸環(huán)中設(shè)計了安全控制系統(tǒng)來控制溫度。該系統(tǒng)主要包括功率控制、電路自動熔斷、狀態(tài)提醒模塊和電源管理四個部分。當內(nèi)部溫度達到上限時，光灸環(huán)會首先降低功率，減少熱量產(chǎn)生；其次，手環(huán)會啟動電路自動熔斷，由工作狀態(tài)變?yōu)樗吣Ｊ?，以避免對人體造成熱損傷。當溫度低于下限時，光灸環(huán)會重新自動恢復(fù)工作狀態(tài)。上述工作模式不斷循環(huán)，直至同一部位照射半小時為止。光灸的時間一般默認為半小時，是各個工作狀態(tài)下的光灸時間總和。當光灸環(huán)出現(xiàn)異常狀態(tài)(如電源或LED等硬件故障)或達到治療時間時，光灸組件會以不同頻率的震動提醒用戶，并自動停止工作。

4 臨床試驗

我們通過招募20例橈骨莖突狹窄性腱鞘炎受試者進行了臨床試驗，采用隨機對照試驗設(shè)計, 根據(jù)統(tǒng)一的隨機數(shù)字表, 將受試者分為光灸組10例(男6例，女4例)，傳統(tǒng)艾灸組10例(男6例，女4例)。光灸組采用我們設(shè)計的智能光灸環(huán)穿戴于手腕部，開啟激光對橈骨莖突疼痛部位進行照射治療，傳統(tǒng)艾灸組則使用艾條點燃后進行懸灸，溫度以受試者耐受為度，均為30 min/次，每天1次，連續(xù)治療1周。治療結(jié)束后，療效標準以臨床有效率進行評定，治愈：腕撓側(cè)腫痛及壓痛消失，功能恢復(fù)，握拳尺偏試驗陰性；好轉(zhuǎn)：腕部腫痛減輕，活動時輕微疼痛，握拳尺偏試驗(±)；未愈：癥狀無改善。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，光灸組治愈4例，好轉(zhuǎn)4例，未愈2例，有效率為80%；傳統(tǒng)艾灸組治愈5例，好轉(zhuǎn)4例，未愈1例，有效率為90%。兩組之間比較無統(tǒng)計學(xué)差異，說明智能光灸環(huán)可以達到類似傳統(tǒng)艾灸的療效。

5 討論

與傳統(tǒng)艾灸相比，現(xiàn)代艾灸儀在各方面均有一定的革新，但仍存在環(huán)保、安全和便捷等方面的不足[16]。基于LED紅外技術(shù)設(shè)計的智能光灸環(huán)運用現(xiàn)代艾灸研究機制并結(jié)合現(xiàn)代半導(dǎo)體材料，不僅具有艾灸的功效，而且具有LED紅外的特性和優(yōu)勢。我們認為智能光灸環(huán)具有以下優(yōu)勢。(1)小巧方便：由于LED具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、能耗低、壽命長等優(yōu)勢，因此它的價格遠低于目前市場上的任何一款激光器[17]。由于LED燈體積小的優(yōu)勢為光灸環(huán)的輕巧設(shè)計提供了基礎(chǔ)，小巧的光灸環(huán)可以實現(xiàn)隨身攜帶，隨時光灸；(2)安全可靠：LED為非熱效應(yīng)冷光源，但在工作狀態(tài)中自身會產(chǎn)生熱量，該熱量可在一定區(qū)域起到艾灸的溫?zé)嵝?yīng)。當溫度達到一定限度時，光學(xué)灸手環(huán)會自動斷電以防止對人體造成熱損傷，相比高壓驅(qū)動的激光光源，更具安全性；(3)節(jié)能環(huán)保：光學(xué)灸手環(huán)由低壓驅(qū)動，功耗低，且無艾灸煙霧，減少環(huán)境污染；(4)多經(jīng)同步施灸：將光灸儀設(shè)計成環(huán)形，可以實現(xiàn)手、足三陰經(jīng)和三陽經(jīng)多經(jīng)絡(luò)同時施灸，可增加艾灸效果的強度；同時結(jié)合了現(xiàn)代“腕踝針療法”的治療理論，可以實現(xiàn)全身的調(diào)節(jié)功能[18]。我們認為，由于紅外光的能量能被人體組織吸收后會轉(zhuǎn)換成熱能和化學(xué)能，進而引起一系列的物理和化學(xué)變化，故在橈骨莖突狹窄性腱鞘炎疼痛受試者中產(chǎn)生了較好的臨床療效。此外，光灸儀較普通艾灸使用方便易于控制溫度，避免燙傷風(fēng)險，得到受試者的青睞，而且也節(jié)省了人力物力。

6 小結(jié)

艾灸是中醫(yī)傳統(tǒng)療法的重要療法之一，在防病治療及保健中具有獨特優(yōu)勢。隨著半導(dǎo)體技術(shù)在醫(yī)療領(lǐng)域的不斷發(fā)展，LED光源的應(yīng)用更加廣泛。本研究基于LED紅外技術(shù)設(shè)計了智能光灸環(huán)，以LED紅外實現(xiàn)傳統(tǒng)艾灸效果，是半導(dǎo)體電子技術(shù)與傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)互相結(jié)合的產(chǎn)物。智能光灸環(huán)克服了傳統(tǒng)艾灸和現(xiàn)代艾灸儀的諸多不足，也發(fā)揮了現(xiàn)代半導(dǎo)體技術(shù)的優(yōu)勢，使其更加高效、安全。由于客觀條件的限制，設(shè)備仿真還未完成，其所特有的生物刺激和光熱效應(yīng)是否可以模擬艾灸達到臨床要求，與傳統(tǒng)針灸對比實驗等問題有待后續(xù)研究。