基于艾灸溫度場的36 點仿真測溫儀器的研制

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，該療法在中國的石器時代便已有雛形[1，2]。 艾灸區別于其他中醫針灸療法，它以艾葉作為原材料進行加工處理，通過其溫熱效應[3]來調節人體激素分泌，增強人體免疫能力[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、溫通經絡、活血逐痹、回陽固脫、消癖散結及防病保健等功效[7，8]，故而在國內外享有盛名。已有研究表明，艾灸通過創造局部熱刺激可以促進氣血循環[9]；艾灸溫度不同對生物組織形態結構有一定影響[10]；艾灸對機體產生作用的基礎是艾灸的溫熱效應[11]，該效應可以對生物組織的微循環狀態產生影響[12]； 艾灸治療通過熱輻射對生物組織進行傳熱[13]；艾灸與生物組織之間的傳熱特性與溫熱刺激機制有密切關系[14]，且溫和灸的“撥灰”過程可以提高艾灸的溫熱效應[15]。 基于以上對于艾灸治療過程的認識，越來越多的人也開始對艾條燃燒過程中治療區域的熱場分布進行研究，文獻[16]采用臨床試驗的方法研究艾灸治療時的溫度特性，文獻[17]采用動物皮膚組織實驗的方法研究艾條燃燒過程中治療區域內的熱場分布，文獻[18]在實驗中采用紅外熱成像儀進行熱場分布數據采集。 在艾灸熱場研究中，臨床試驗和動物皮膚組織實驗在艾灸實驗中得到廣泛應用，但這兩種實驗方式也有諸多不足。在臨床治療試驗時容易對患者造成燙傷，帶來不少安全隱患[19]，同時患者本身的不確定性也容易對試驗過程及試驗結果造成一定影響。 在采用動物組織研究熱場分布時，其熱場的測量相對復雜，測溫儀器在動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量設備，易受環境干擾，測試效果不穩定且測量精度不高。 在艾灸治療的熱場研究過程中所出現的這些問題，為尋求一種能等效模擬臨床試驗和動物皮膚組織實驗的仿真測溫儀器提出了迫切需要。 基于此，筆者設計了具有36個測溫點的仿真測溫儀器，提高了艾灸實驗的便捷性與安全性，檢測的準確度，利用該儀器所測得的熱場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與指導。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

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

1.2 方法

1.2.1 仿真測溫儀器的設計

設計的仿真測溫儀器具有36 個測溫點， 它可以對治療區域內的溫度場變化進行實時連續的測量。該測溫儀器嵌入36 個高精度溫度傳感器， 以6×6 矩陣格式均勻分布在絕緣隔熱墊上，每個傳感器所占空間為1 cm×1 cm，各空間相互獨立。

1.2.1.1 應用于艾灸治療的模擬皮層的設計 艾灸試驗中人體皮膚表面或動物皮膚組織的艾灸治療區域是36 點仿真測溫儀器設計的關鍵所在。 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 個大小為1 cm×1 cm 的方格， 這36 個方格呈6×6 矩陣排列且相互獨立以保證不同方格之間的溫度互不干擾， 每個方格嵌入一個精密溫度傳感器，并用導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，并將其與測溫電路連接。 見圖1。

圖1 模擬皮層設計框圖Fig.1 Block diagram of simulative cortical design

嵌入在各個方格里的溫度傳感器可以感知艾條燃燒時所生成的溫度信息，36 個溫度傳感器將采集到的溫度信息匯總到同一平面上，便構成了艾灸治療過程中固定時刻、 固定治療距離所對應的熱場分布。通過該模擬皮層，便可以模擬臨床艾灸試驗。

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

按照國際電工委員會 （International Electrotechnical Commission，IEC）751《工業鉑熱電阻》國際標準，PT100 鉑熱電阻的電阻-溫度關系滿足以下條件：

當T∈[-200 ℃，0 ℃]時，

當T∈[0 ℃，850 ℃]時，

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

因為A ＞＞B、A ＞＞C，這也使得PT100 鉑熱電阻在T∈[-200 ℃，650 ℃] 時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，即可求得測量溫度T。

1.2.1.3 36 點仿真測溫儀器工作原理 36 點仿真測溫儀器主要包括溫度信號采集單元、單片機數據處理單元和溫度顯示單元。溫度信號采集單元包括溫度傳感器和信號放大電路。系統的總結構框圖如圖2 所示。

圖2 系統總結構框圖Fig.2 Block diagram of overall structure

在給36 個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生相應變化，進而在PT100 鉑熱電阻的兩端產生相應電壓值，產生的電壓值經信號放大電路放大后傳給單片機STM32F103。 單片機利用內部的模擬-數字量轉換器（analog-to-digital conversion，AD）將得到的電壓模擬量轉換為數字量，再根據公式（3）把測量得的PT100鉑熱電阻的電阻值轉換為溫度值， 并將36 個測溫點的溫度數據上傳至個人計算機上位機進行顯示。 圖3為仿真測溫儀器結構圖。

圖3 仿真測溫儀器結構圖Fig.3 Structure diagram of simulative temperature measurement instrument

1.2.1.4 PT100 鉑熱電阻測溫電路設計 由于線纜的材料、尺寸和環境溫度對測溫的準確度干擾較大，因此筆者采用三線制阻值測量方式對電阻進行補償[22]。圖4 為三線制接法橋式測溫電路。圖4 所示的測溫電路共有36 個， 各自對應36 個測溫點，P1 模塊的PIN1 和PIN2 分別接PT100 鉑熱電阻的兩個引腳，out1 接單片機的輸入/輸出端（input/output，I/O）。TL431 為可控精密穩壓源，在VCC（C = circuit，接入電路的電壓值）為12 V 時通過與電位器VR1 搭配可以產生穩定的4.096 V 電壓。 圖4 中的R1、R2、VR2和PT100 鉑熱電阻為橋臂電阻，共同組成測量電橋。由電橋原理及PT100 特性可知， 在環境溫度為0 ℃時，VR2 阻值應與PT100 鉑熱電阻的阻值相同，PT100 在0 ℃時的電阻值為100 Ω，因此VR2 可使用100 Ω 的精密電阻。 當二者阻值不等時電橋便會產生壓差信號， 該信號經單電源四路運算放大器LM324放大后輸出至單片機STM32F103 的AD 轉換模塊。

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

（1）基準電壓源電路與PT100 鉑熱電阻驅動電路：可控精密穩壓源TL431 熱穩定性能優良，精度極高，在模擬集成電路中應用廣泛[23]，可作為PT100 鉑熱電阻的穩壓供電電源。 在圖5A 的基準電壓源電路原理圖中， 取VCC 為12 V， 通過調節精密電位器VR1 進行分壓，可以得到4.096 V 基準電壓，以基準電壓源的電壓為參考，可以控制輸出電壓值。

圖5 基準電壓源電路和PT100 鉑熱電阻驅動電路原理圖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 鉑熱電阻驅動電路原理圖可知：

（2） 信號放大電路： 當PT100 鉑熱電阻阻值與VR2 阻值不相等時將會產生mV 級的壓差，由于該電壓信號過于微弱， 因此難以被AD 轉換器準確采集，故需要信號放大電路對此壓差信號進行放大。 在圖6的信號放大電路中，R3=R4，R5=R6， 放大倍數為R5/R3=100。 基于此可以得出壓差被放大后的電壓值為：

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

結合公式（4）、（5）、（6）可得：

1.2.1.5 系統軟件設計 測溫系統的微控制器由主機和從機構成， 單片機各自采集完各個通道的溫度后，從機將采集到的數據傳送給主機，主機與計算機端上位機通過通用串行總線 （universal serial bus，USB）連接傳輸36 路通道的溫度數據并顯示。 軟件設計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 點測溫系統采集各個通道的AD 值，轉換成電壓值，并通過公式（7）計算出PT100 鉑熱電阻的電阻值，最后通過公式（3）得到相應的溫度值。 這里涉及到一系列的計算轉換，為了使結果更加精確，加入了一些數學處理。

各個通道由于線路的差別很容易出現測量結果不一致的情況，因此需要在一起啟動時進行校準。 啟動時采集36 個點的數據T1，T2，…，T36，設此時的測量對象實際溫度為T*。 啟動時不進行加熱，使模擬皮層暴露在室溫下，因此可以認為T1，T2，…，T36是實際溫度T*的36 個樣本值，則：

當n=36 時，

設T*i為第i 通道的最終測量值，Ti為實際測量值，ri為第i 通道的殘差。利用殘差數據在啟動時對儀器進行校準：

（2）顯示模塊：顯示模塊的任務是將溫度數據在屏幕上進行實時顯示。 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，控制簡易。 溫度顯示的實際效果見圖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 點測溫系統通過SPI 通信實現從機將采集到的溫度傳送給主機。主機發起通信，主機與從機通過主機輸出從機輸入（mast out slave in，MOSI） 和主機輸入從機輸出 （mast in slave out，MISO）分別實現數據的發送與回傳。 使用主從結構是為了加強系統的數據處理能力，同時也增加了AD 通道的數量。單塊單片機的AD 通道遠遠不足36 個，不能滿足該儀器的需求，使用主從結構就可以將多塊單片機的AD 通道并聯使用， 從而解決通道不足的問題。另外，將數據傳送到主機也方便進行顯示、存儲和輸出。 該儀器設計了專門的數據下載接口，可將實時溫度數據輸出到外部設備，方便后續醫學研究中對數據進行進一步分析處理。

1.2.2 器具使用方法

1.2.2.1 實驗操作過程 接好電源，啟動仿真測溫儀器，檢查各部分運行情況，確保儀器能正常工作。根據需要選擇適宜長度的艾條并將其固定在艾灸治療裝置上，令艾條正對模擬皮層的正中央，再根據實驗需要對施灸高度加以固定（圖8）。 點燃艾條，仿真測溫儀器可以采集模擬皮層（艾灸治療區域）的溫度場，并通過LCD 和計算機端兩種方式實時顯示36 個測溫點的溫度值。 儀器的設計量程為20 ℃～64 ℃，分度值為0.1 ℃。

圖8 使用仿真測溫儀器進行施灸時的熱場采集Fig. 8 Diagram of thermal field collection during moxibustion using simulative temperature measuring instruments

1.2.2.2 溫度場測量 將施灸高度置為3 cm，執行上述實驗操作， 利用仿真測溫儀器同時測得36 個測溫點的溫度值。 選取艾條燃燒到10 min 時溫度值并保存。 重復測量3 次后，將3 次測量結果的平均值作為36 個測溫點的最終溫度數據，并使用MATLAB 軟件繪制艾灸治療區域上的溫度場分布。

2 結果

2.1 仿真測溫儀結構

36 點仿真測溫儀結構包括外殼、 觀察窗、LCD、核心控制電路、直流電源、傳感器測量電路板。 見圖9。

圖9 儀器內部結構圖Fig.9 Internal structure diagram of instrument

2.2 儀器的性能測試

經測試， 該儀器的實際有效量程為20 ℃～64 ℃，分度值為0.1 ℃。

2.3 試用結果

使用艾條對測溫區域進行模擬艾灸，可得到溫度場分布數據。 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，同時整個溫度場分布較為均勻，無明顯異常數據，這也符合實際的溫度分布規律。 溫度場數據顯示，該次實驗中在艾灸的中心位置最高溫度可達32 ℃。

圖10 艾條燃燒10 min 時艾灸治療區域上的溫度場分布Fig. 10 Temperature field distribution diagram in moxibustion treatment area at 10-minute of moxa burning

3 討論

隨著針灸學的發展和灸法相關理論的普及，艾灸的國際影響力也在迅速提升[24，25]。36 點仿真測溫儀器的研制， 實現了艾灸治療區域溫度值的同時采集，將以往的“點式測溫”發展為“面式測溫”，即實現了單個溫度點測量向平面內熱場測量的過渡， 能夠更直觀、更精確地觀察艾灸治療過程中的熱場分布特征，為艾灸治療的療效、機制研究提供了量化的方法和儀器。

仿真測溫儀器可以模擬傳統艾灸熱場試驗，相對于傳統臨床試驗和動物皮膚組織實驗，該器具極大提高了艾灸熱場測量的安全性、可靠性，整個操作更加的便捷高效，節省了時間，節約了人力，該儀器的研制為艾灸溫度檢測應用具有重要意義。