鄧益昭，涂海燕，徐 剛，高 明，徐金鵬，成鴻群

艾灸療法擁有極為悠久的歷史，該療法在中國(guó)的石器時(shí)代便已有雛形[1，2]。 艾灸區(qū)別于其他中醫(yī)針灸療法，它以艾葉作為原材料進(jìn)行加工處理，通過其溫?zé)嵝?yīng)[3]來調(diào)節(jié)人體激素分泌，增強(qiáng)人體免疫能力[4]。在藥物難以治療、銀針難以企及的情況下，艾灸療法便成為治療疾病的一大重要法寶[5，6]。艾灸療法由于具有散寒止痛、溫通經(jīng)絡(luò)、活血逐痹、回陽(yáng)固脫、消癖散結(jié)及防病保健等功效[7，8]，故而在國(guó)內(nèi)外享有盛名。已有研究表明，艾灸通過創(chuàng)造局部熱刺激可以促進(jìn)氣血循環(huán)[9]；艾灸溫度不同對(duì)生物組織形態(tài)結(jié)構(gòu)有一定影響[10]；艾灸對(duì)機(jī)體產(chǎn)生作用的基礎(chǔ)是艾灸的溫?zé)嵝?yīng)[11]，該效應(yīng)可以對(duì)生物組織的微循環(huán)狀態(tài)產(chǎn)生影響[12]； 艾灸治療通過熱輻射對(duì)生物組織進(jìn)行傳熱[13]；艾灸與生物組織之間的傳熱特性與溫?zé)岽碳C(jī)制有密切關(guān)系[14]，且溫和灸的“撥灰”過程可以提高艾灸的溫?zé)嵝?yīng)[15]。 基于以上對(duì)于艾灸治療過程的認(rèn)識(shí)，越來越多的人也開始對(duì)艾條燃燒過程中治療區(qū)域的熱場(chǎng)分布進(jìn)行研究，文獻(xiàn)[16]采用臨床試驗(yàn)的方法研究艾灸治療時(shí)的溫度特性，文獻(xiàn)[17]采用動(dòng)物皮膚組織實(shí)驗(yàn)的方法研究艾條燃燒過程中治療區(qū)域內(nèi)的熱場(chǎng)分布，文獻(xiàn)[18]在實(shí)驗(yàn)中采用紅外熱成像儀進(jìn)行熱場(chǎng)分布數(shù)據(jù)采集。 在艾灸熱場(chǎng)研究中，臨床試驗(yàn)和動(dòng)物皮膚組織實(shí)驗(yàn)在艾灸實(shí)驗(yàn)中得到廣泛應(yīng)用，但這兩種實(shí)驗(yàn)方式也有諸多不足。在臨床治療試驗(yàn)時(shí)容易對(duì)患者造成燙傷，帶來不少安全隱患[19]，同時(shí)患者本身的不確定性也容易對(duì)試驗(yàn)過程及試驗(yàn)結(jié)果造成一定影響。 在采用動(dòng)物組織研究熱場(chǎng)分布時(shí)，其熱場(chǎng)的測(cè)量相對(duì)復(fù)雜，測(cè)溫儀器在動(dòng)物組織中的放置也受諸多限制。 而紅外熱成像儀屬于無接觸式測(cè)量設(shè)備，易受環(huán)境干擾，測(cè)試效果不穩(wěn)定且測(cè)量精度不高。 在艾灸治療的熱場(chǎng)研究過程中所出現(xiàn)的這些問題，為尋求一種能等效模擬臨床試驗(yàn)和動(dòng)物皮膚組織實(shí)驗(yàn)的仿真測(cè)溫儀器提出了迫切需要。 基于此，筆者設(shè)計(jì)了具有36個(gè)測(cè)溫點(diǎn)的仿真測(cè)溫儀器，提高了艾灸實(shí)驗(yàn)的便捷性與安全性，檢測(cè)的準(zhǔn)確度，利用該儀器所測(cè)得的熱場(chǎng)分布為在臨床艾灸治療過程中能得到最佳的治療效果提供依據(jù)與指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

儀器箱（自制）；STM32 開發(fā)板（正點(diǎn)原子）、PT100鉑熱電阻（德國(guó)賀利氏）；鉑電阻測(cè)溫電路板（自制）；硅膠墊（淘寶自主）；導(dǎo)熱硅膠（卡夫特。廣東恒大新材料科技有限公司，中國(guó)）；艾條（北京同仁堂，中國(guó)）。

1.2 方法

1.2.1 仿真測(cè)溫儀器的設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的仿真測(cè)溫儀器具有36 個(gè)測(cè)溫點(diǎn)， 它可以對(duì)治療區(qū)域內(nèi)的溫度場(chǎng)變化進(jìn)行實(shí)時(shí)連續(xù)的測(cè)量。該測(cè)溫儀器嵌入36 個(gè)高精度溫度傳感器， 以6×6 矩陣格式均勻分布在絕緣隔熱墊上，每個(gè)傳感器所占空間為1 cm×1 cm，各空間相互獨(dú)立。

1.2.1.1 應(yīng)用于艾灸治療的模擬皮層的設(shè)計(jì) 艾灸試驗(yàn)中人體皮膚表面或動(dòng)物皮膚組織的艾灸治療區(qū)域是36 點(diǎn)仿真測(cè)溫儀器設(shè)計(jì)的關(guān)鍵所在。 該模擬皮層由硅膠隔熱墊和精密溫度傳感器組成，硅膠隔熱墊上有36 個(gè)大小為1 cm×1 cm 的方格， 這36 個(gè)方格呈6×6 矩陣排列且相互獨(dú)立以保證不同方格之間的溫度互不干擾， 每個(gè)方格嵌入一個(gè)精密溫度傳感器，并用導(dǎo)熱膠使得方格空間與精密溫度傳感器融為一體、緊密貼合。 精密溫度傳感器的引腳線路則從硅膠隔熱墊背面引出，并將其與測(cè)溫電路連接。 見圖1。

圖1 模擬皮層設(shè)計(jì)框圖Fig.1 Block diagram of simulative cortical design

嵌入在各個(gè)方格里的溫度傳感器可以感知艾條燃燒時(shí)所生成的溫度信息，36 個(gè)溫度傳感器將采集到的溫度信息匯總到同一平面上，便構(gòu)成了艾灸治療過程中固定時(shí)刻、 固定治療距離所對(duì)應(yīng)的熱場(chǎng)分布。通過該模擬皮層，便可以模擬臨床艾灸試驗(yàn)。

1.2.1.2 溫度傳感器的選取 通過文獻(xiàn)[20]可知，人體不同部位穴位的最高耐受溫度不超過60 ℃。PT100鉑熱電阻測(cè)量精確度高，性能穩(wěn)定，可測(cè)得溫度范圍為-200 ℃～650 ℃[21]， 這也同樣滿足了艾灸治療時(shí)所需治療溫度的可測(cè)量條件。 熱電偶可測(cè)量溫度范圍更廣，適合測(cè)量高溫區(qū)（500 ℃以上），在中低溫區(qū)（500 ℃以下）時(shí)熱電阻則更加常用且精度相對(duì)熱電偶更高?；谝陨辖Y(jié)論，在36 點(diǎn)測(cè)溫系統(tǒng)的溫度測(cè)量方案的選取上， 最終選用PT100 鉑電阻作為采集溫度信息的傳感器件。

按照國(guó)際電工委員會(huì) （International Electrotechnical Commission，IEC）751《工業(yè)鉑熱電阻》國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，PT100 鉑熱電阻的電阻-溫度關(guān)系滿足以下條件：

當(dāng)T∈[-200 ℃，0 ℃]時(shí)，

當(dāng)T∈[0 ℃，850 ℃]時(shí)，

其中：PT100 鉑熱電阻在0 ℃時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)電阻值R0=100 Ω；電阻溫度系數(shù)（temperature coefficient of resistance，TCR）= 0.003851 時(shí)，A = 3.9083 × 10-3，B =- 5.775×10-7，C=-4.183×10-12。

因?yàn)锳 ＞＞B、A ＞＞C，這也使得PT100 鉑熱電阻在T∈[-200 ℃，650 ℃] 時(shí)阻值特性曲線的斜率變化較小，故公式（1）、（2）通過線性擬合可以簡(jiǎn)化為：

由式（3）可知，在PT100 鉑熱電阻阻值已知的情況下，即可求得測(cè)量溫度T。

1.2.1.3 36 點(diǎn)仿真測(cè)溫儀器工作原理 36 點(diǎn)仿真測(cè)溫儀器主要包括溫度信號(hào)采集單元、單片機(jī)數(shù)據(jù)處理單元和溫度顯示單元。溫度信號(hào)采集單元包括溫度傳感器和信號(hào)放大電路。系統(tǒng)的總結(jié)構(gòu)框圖如圖2 所示。

圖2 系統(tǒng)總結(jié)構(gòu)框圖Fig.2 Block diagram of overall structure

在給36 個(gè)PT100 鉑熱電阻供電后， 通過PT100鉑熱電阻感知外界溫度信息并使其阻值發(fā)生相應(yīng)變化，進(jìn)而在PT100 鉑熱電阻的兩端產(chǎn)生相應(yīng)電壓值，產(chǎn)生的電壓值經(jīng)信號(hào)放大電路放大后傳給單片機(jī)STM32F103。 單片機(jī)利用內(nèi)部的模擬-數(shù)字量轉(zhuǎn)換器（analog-to-digital conversion，AD）將得到的電壓模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，再根據(jù)公式（3）把測(cè)量得的PT100鉑熱電阻的電阻值轉(zhuǎn)換為溫度值， 并將36 個(gè)測(cè)溫點(diǎn)的溫度數(shù)據(jù)上傳至個(gè)人計(jì)算機(jī)上位機(jī)進(jìn)行顯示。 圖3為仿真測(cè)溫儀器結(jié)構(gòu)圖。

圖3 仿真測(cè)溫儀器結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Structure diagram of simulative temperature measurement instrument

1.2.1.4 PT100 鉑熱電阻測(cè)溫電路設(shè)計(jì) 由于線纜的材料、尺寸和環(huán)境溫度對(duì)測(cè)溫的準(zhǔn)確度干擾較大，因此筆者采用三線制阻值測(cè)量方式對(duì)電阻進(jìn)行補(bǔ)償[22]。圖4 為三線制接法橋式測(cè)溫電路。圖4 所示的測(cè)溫電路共有36 個(gè)， 各自對(duì)應(yīng)36 個(gè)測(cè)溫點(diǎn)，P1 模塊的PIN1 和PIN2 分別接PT100 鉑熱電阻的兩個(gè)引腳，out1 接單片機(jī)的輸入/輸出端（input/output，I/O）。TL431 為可控精密穩(wěn)壓源，在VCC（C = circuit，接入電路的電壓值）為12 V 時(shí)通過與電位器VR1 搭配可以產(chǎn)生穩(wěn)定的4.096 V 電壓。 圖4 中的R1、R2、VR2和PT100 鉑熱電阻為橋臂電阻，共同組成測(cè)量電橋。由電橋原理及PT100 特性可知， 在環(huán)境溫度為0 ℃時(shí)，VR2 阻值應(yīng)與PT100 鉑熱電阻的阻值相同，PT100 在0 ℃時(shí)的電阻值為100 Ω，因此VR2 可使用100 Ω 的精密電阻。 當(dāng)二者阻值不等時(shí)電橋便會(huì)產(chǎn)生壓差信號(hào)， 該信號(hào)經(jīng)單電源四路運(yùn)算放大器LM324放大后輸出至單片機(jī)STM32F103 的AD 轉(zhuǎn)換模塊。

圖4 三線制接法橋式測(cè)溫電路原理圖Fig.4 Schematic diagram of three-wire bridge temperature measurement circuit

（1）基準(zhǔn)電壓源電路與PT100 鉑熱電阻驅(qū)動(dòng)電路：可控精密穩(wěn)壓源TL431 熱穩(wěn)定性能優(yōu)良，精度極高，在模擬集成電路中應(yīng)用廣泛[23]，可作為PT100 鉑熱電阻的穩(wěn)壓供電電源。 在圖5A 的基準(zhǔn)電壓源電路原理圖中， 取VCC 為12 V， 通過調(diào)節(jié)精密電位器VR1 進(jìn)行分壓，可以得到4.096 V 基準(zhǔn)電壓，以基準(zhǔn)電壓源的電壓為參考，可以控制輸出電壓值。

圖5 基準(zhǔn)電壓源電路和PT100 鉑熱電阻驅(qū)動(dòng)電路原理圖Fig.5 Schematic diagram of reference voltage source circuit and PT100 platinum thermistor driving circuit

取VR2=100 Ω， 通過圖5B 所示的PT100 鉑熱電阻驅(qū)動(dòng)電路原理圖可知：

（2） 信號(hào)放大電路： 當(dāng)PT100 鉑熱電阻阻值與VR2 阻值不相等時(shí)將會(huì)產(chǎn)生mV 級(jí)的壓差，由于該電壓信號(hào)過于微弱， 因此難以被AD 轉(zhuǎn)換器準(zhǔn)確采集，故需要信號(hào)放大電路對(duì)此壓差信號(hào)進(jìn)行放大。 在圖6的信號(hào)放大電路中，R3=R4，R5=R6， 放大倍數(shù)為R5/R3=100。 基于此可以得出壓差被放大后的電壓值為：

圖6 信號(hào)放大電路原理圖Fig.6 Schematic diagram of signal amplification circuit

結(jié)合公式（4）、（5）、（6）可得：

1.2.1.5 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 測(cè)溫系統(tǒng)的微控制器由主機(jī)和從機(jī)構(gòu)成， 單片機(jī)各自采集完各個(gè)通道的溫度后，從機(jī)將采集到的數(shù)據(jù)傳送給主機(jī)，主機(jī)與計(jì)算機(jī)端上位機(jī)通過通用串行總線 （universal serial bus，USB）連接傳輸36 路通道的溫度數(shù)據(jù)并顯示。 軟件設(shè)計(jì)部分包括溫度采集子模塊、 串行外圍接口（serial peripheral interface，SPI）通信子模塊。

（1）溫度采集子模塊：36 點(diǎn)測(cè)溫系統(tǒng)采集各個(gè)通道的AD 值，轉(zhuǎn)換成電壓值，并通過公式（7）計(jì)算出PT100 鉑熱電阻的電阻值，最后通過公式（3）得到相應(yīng)的溫度值。 這里涉及到一系列的計(jì)算轉(zhuǎn)換，為了使結(jié)果更加精確，加入了一些數(shù)學(xué)處理。

各個(gè)通道由于線路的差別很容易出現(xiàn)測(cè)量結(jié)果不一致的情況，因此需要在一起啟動(dòng)時(shí)進(jìn)行校準(zhǔn)。 啟動(dòng)時(shí)采集36 個(gè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)T1，T2，…，T36，設(shè)此時(shí)的測(cè)量對(duì)象實(shí)際溫度為T*。 啟動(dòng)時(shí)不進(jìn)行加熱，使模擬皮層暴露在室溫下，因此可以認(rèn)為T1，T2，…，T36是實(shí)際溫度T*的36 個(gè)樣本值，則：

當(dāng)n=36 時(shí)，

設(shè)T*i為第i 通道的最終測(cè)量值，Ti為實(shí)際測(cè)量值，ri為第i 通道的殘差。利用殘差數(shù)據(jù)在啟動(dòng)時(shí)對(duì)儀器進(jìn)行校準(zhǔn)：

（2）顯示模塊：顯示模塊的任務(wù)是將溫度數(shù)據(jù)在屏幕上進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。 該儀器使用一塊4.3 寸的液晶顯示器（liquid crystal display，LCD）屏幕，該屏幕像素高，控制簡(jiǎn)易。 溫度顯示的實(shí)際效果見圖7。

圖7 溫度顯示效果圖Fig.7 Diagram of temperature display effect

（3）SPI 通信子模塊：36 點(diǎn)測(cè)溫系統(tǒng)通過SPI 通信實(shí)現(xiàn)從機(jī)將采集到的溫度傳送給主機(jī)。主機(jī)發(fā)起通信，主機(jī)與從機(jī)通過主機(jī)輸出從機(jī)輸入（mast out slave in，MOSI） 和主機(jī)輸入從機(jī)輸出 （mast in slave out，MISO）分別實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的發(fā)送與回傳。 使用主從結(jié)構(gòu)是為了加強(qiáng)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理能力，同時(shí)也增加了AD 通道的數(shù)量。單塊單片機(jī)的AD 通道遠(yuǎn)遠(yuǎn)不足36 個(gè)，不能滿足該儀器的需求，使用主從結(jié)構(gòu)就可以將多塊單片機(jī)的AD 通道并聯(lián)使用， 從而解決通道不足的問題。另外，將數(shù)據(jù)傳送到主機(jī)也方便進(jìn)行顯示、存儲(chǔ)和輸出。 該儀器設(shè)計(jì)了專門的數(shù)據(jù)下載接口，可將實(shí)時(shí)溫度數(shù)據(jù)輸出到外部設(shè)備，方便后續(xù)醫(yī)學(xué)研究中對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步分析處理。

1.2.2 器具使用方法

1.2.2.1 實(shí)驗(yàn)操作過程 接好電源，啟動(dòng)仿真測(cè)溫儀器，檢查各部分運(yùn)行情況，確保儀器能正常工作。根據(jù)需要選擇適宜長(zhǎng)度的艾條并將其固定在艾灸治療裝置上，令艾條正對(duì)模擬皮層的正中央，再根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要對(duì)施灸高度加以固定（圖8）。 點(diǎn)燃艾條，仿真測(cè)溫儀器可以采集模擬皮層（艾灸治療區(qū)域）的溫度場(chǎng)，并通過LCD 和計(jì)算機(jī)端兩種方式實(shí)時(shí)顯示36 個(gè)測(cè)溫點(diǎn)的溫度值。 儀器的設(shè)計(jì)量程為20 ℃～64 ℃，分度值為0.1 ℃。

圖8 使用仿真測(cè)溫儀器進(jìn)行施灸時(shí)的熱場(chǎng)采集Fig. 8 Diagram of thermal field collection during moxibustion using simulative temperature measuring instruments

1.2.2.2 溫度場(chǎng)測(cè)量 將施灸高度置為3 cm，執(zhí)行上述實(shí)驗(yàn)操作， 利用仿真測(cè)溫儀器同時(shí)測(cè)得36 個(gè)測(cè)溫點(diǎn)的溫度值。 選取艾條燃燒到10 min 時(shí)溫度值并保存。 重復(fù)測(cè)量3 次后，將3 次測(cè)量結(jié)果的平均值作為36 個(gè)測(cè)溫點(diǎn)的最終溫度數(shù)據(jù)，并使用MATLAB 軟件繪制艾灸治療區(qū)域上的溫度場(chǎng)分布。

2 結(jié)果

2.1 仿真測(cè)溫儀結(jié)構(gòu)

36 點(diǎn)仿真測(cè)溫儀結(jié)構(gòu)包括外殼、 觀察窗、LCD、核心控制電路、直流電源、傳感器測(cè)量電路板。 見圖9。

圖9 儀器內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖Fig.9 Internal structure diagram of instrument

2.2 儀器的性能測(cè)試

經(jīng)測(cè)試， 該儀器的實(shí)際有效量程為20 ℃～64 ℃，分度值為0.1 ℃。

2.3 試用結(jié)果

使用艾條對(duì)測(cè)溫區(qū)域進(jìn)行模擬艾灸，可得到溫度場(chǎng)分布數(shù)據(jù)。 見圖10。 圖中的顏色代表了溫度的高低，顏色越深則溫度越高?？梢钥吹綔囟瘸手行淖罡?，向四周逐漸遞減的分布趨勢(shì)，同時(shí)整個(gè)溫度場(chǎng)分布較為均勻，無明顯異常數(shù)據(jù)，這也符合實(shí)際的溫度分布規(guī)律。 溫度場(chǎng)數(shù)據(jù)顯示，該次實(shí)驗(yàn)中在艾灸的中心位置最高溫度可達(dá)32 ℃。

圖10 艾條燃燒10 min 時(shí)艾灸治療區(qū)域上的溫度場(chǎng)分布Fig. 10 Temperature field distribution diagram in moxibustion treatment area at 10-minute of moxa burning

3 討論

隨著針灸學(xué)的發(fā)展和灸法相關(guān)理論的普及，艾灸的國(guó)際影響力也在迅速提升[24，25]。36 點(diǎn)仿真測(cè)溫儀器的研制， 實(shí)現(xiàn)了艾灸治療區(qū)域溫度值的同時(shí)采集，將以往的“點(diǎn)式測(cè)溫”發(fā)展為“面式測(cè)溫”，即實(shí)現(xiàn)了單個(gè)溫度點(diǎn)測(cè)量向平面內(nèi)熱場(chǎng)測(cè)量的過渡， 能夠更直觀、更精確地觀察艾灸治療過程中的熱場(chǎng)分布特征，為艾灸治療的療效、機(jī)制研究提供了量化的方法和儀器。

仿真測(cè)溫儀器可以模擬傳統(tǒng)艾灸熱場(chǎng)試驗(yàn)，相對(duì)于傳統(tǒng)臨床試驗(yàn)和動(dòng)物皮膚組織實(shí)驗(yàn)，該器具極大提高了艾灸熱場(chǎng)測(cè)量的安全性、可靠性，整個(gè)操作更加的便捷高效，節(jié)省了時(shí)間，節(jié)約了人力，該儀器的研制為艾灸溫度檢測(cè)應(yīng)用具有重要意義。