艾灸床運(yùn)行過程中表面的溫度分析

周偉偉，魯 浩，姜 巍，鄭玲利*

（1.廣東工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，廣州 510006；2.廣州海福醫(yī)療器械有限公司，廣州 511475）

0 引言

艾灸床是以中醫(yī)的艾灸為原理、以中醫(yī)針灸療法中的灸法為基礎(chǔ)，結(jié)合現(xiàn)代技術(shù)制造的一種艾灸專用醫(yī)療床[1-3]。艾灸床以綠色健康的養(yǎng)生理念被廣泛認(rèn)可，其灸法的顯著療效已經(jīng)得到整個(gè)醫(yī)學(xué)界的公認(rèn)。目前的艾灸床具有墊板可移動(dòng)拆卸、床體相對(duì)封閉，能聚藥、聚熱、滲透力強(qiáng)，灸面廣、有艾、有煙、有火的特點(diǎn)[4]。在艾灸床上做一次艾灸可以同時(shí)針對(duì)多個(gè)穴位治療，能發(fā)揮出更有效的醫(yī)療作用，因此艾灸床得到了市場(chǎng)與消費(fèi)者的青睞[5-9]。

目前，艾灸床已經(jīng)與自動(dòng)化技術(shù)、人工智能技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)等相結(jié)合。2019年廣東工業(yè)大學(xué)的張保靜[10]實(shí)現(xiàn)了艾灸床的自動(dòng)點(diǎn)火、自動(dòng)控制排風(fēng)扇等功能，但是在控溫方面依然采取手動(dòng)控溫。艾灸床腔內(nèi)的艾柱燃燒規(guī)律和艾灸床表面的溫度變化是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控溫的基礎(chǔ)。艾灸床在運(yùn)行過程中，排風(fēng)扇的強(qiáng)弱、艾柱托盤與鐵絲網(wǎng)之間距離的變化、艾柱托盤固定或搖擺模式等都是影響艾灸床表面溫度變化的關(guān)鍵因素。由于目前與艾灸床溫度相關(guān)的研究文獻(xiàn)較少，本文以某投入市場(chǎng)使用的艾灸床為例，主要從艾灸床運(yùn)行過程中的溫度著手，研究艾灸床腔內(nèi)的艾柱燃燒規(guī)律和表面溫度場(chǎng)分布情況，分析艾灸床測(cè)溫平面溫度與艾柱托盤和鐵絲網(wǎng)的距離之間的聯(lián)系以及艾灸過程中高溫點(diǎn)出現(xiàn)的位置，為實(shí)現(xiàn)艾灸床自動(dòng)控溫提供良好的理論依據(jù)和技術(shù)指導(dǎo)。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

1.1 艾灸床

艾灸床采用廣州海福醫(yī)療器械有限公司提供的艾灸床產(chǎn)品，可使用遙控器控制艾灸床的點(diǎn)火、艾柱托盤與鐵絲網(wǎng)之間距離、艾柱托盤的搖擺模式、排煙狀態(tài)等。該艾灸床在艾灸過程中可同時(shí)燃燒18根艾柱，為艾灸提供充足的熱源；排煙電動(dòng)機(jī)有高擋和低擋2種工作模式，保證了燃燒腔內(nèi)良好的空氣循環(huán)；艾灸床腔內(nèi)采用鋼板結(jié)構(gòu)，保證了艾灸過程的密閉性，可有效減少艾藥的流失。采用南陽市水木榮春生物技術(shù)有限公司生產(chǎn)的艾灸床專用艾柱，規(guī)格：長(zhǎng)（20±1）mm，直徑（30±1）mm，質(zhì)量8~10 g，1次艾灸實(shí)驗(yàn)需要18根艾柱。

1.2 測(cè)溫儀

采用本單位自主研發(fā)的測(cè)溫儀，其是一臺(tái)使用熱電偶進(jìn)行測(cè)溫的設(shè)備，其最大的特點(diǎn)在于高度集成，能夠?qū)崿F(xiàn)密集的溫度測(cè)量。該測(cè)溫儀可同時(shí)進(jìn)行30個(gè)測(cè)溫點(diǎn)的測(cè)量，測(cè)溫量程為0~1 300℃，精度為±0.3℃，采集溫度的時(shí)間間隔為3 s，其熱隔離設(shè)計(jì)有效減少了環(huán)境溫度對(duì)測(cè)溫芯片的影響，在一定程度上保證了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性和可靠性。與其相匹配的上位機(jī)可提供人性化的實(shí)時(shí)溫度顯示界面，在實(shí)驗(yàn)過程中可隨時(shí)查看溫度情況，且實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)以Execl表格的形式保存，為后期實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理提供了便利。

2 實(shí)驗(yàn)方法

根據(jù)艾灸床的工作原理和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，依照艾灸時(shí)艾柱的分布（如圖1所示），將測(cè)溫點(diǎn)按照矩陣形式進(jìn)行布置（如圖2所示），2、5、7、8、9、11、14、16、17、18、19、21、22、24、25、27、28、30號(hào)測(cè)溫點(diǎn)在艾柱的正上方，剩余測(cè)溫點(diǎn)依據(jù)對(duì)稱性原則選取，便于后續(xù)的數(shù)據(jù)分析。其中，1~9號(hào)測(cè)溫點(diǎn)為艾灸時(shí)肩頸部位置，10~18號(hào)測(cè)溫點(diǎn)為艾灸時(shí)腰臀部位置，19~30號(hào)測(cè)溫點(diǎn)為艾灸時(shí)腿部位置。實(shí)驗(yàn)過程中艾柱托盤與鐵絲網(wǎng)之間的距離調(diào)節(jié)示意圖如圖3所示，其中H為艾柱托盤與鐵絲網(wǎng)之間的距離，可根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要進(jìn)行調(diào)節(jié)。在同一條件下，即相同的艾柱托盤與鐵絲網(wǎng)之間的距離、艾柱大小、艾柱托盤的搖擺模式，每組實(shí)驗(yàn)重復(fù)2次，每次實(shí)驗(yàn)持續(xù)45 min，環(huán)境溫度為±2℃。為保證艾灸床腔內(nèi)良好的空氣循環(huán)，使得艾柱充分燃燒，實(shí)驗(yàn)過程中的排風(fēng)扇采用高擋模式。對(duì)同一組實(shí)驗(yàn)的2次實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合優(yōu)度檢驗(yàn)，以保證其可信度。

圖1 艾灸床中的艾柱分布圖

圖2 實(shí)驗(yàn)時(shí)的測(cè)溫點(diǎn)布置

圖3 實(shí)驗(yàn)過程中艾柱托盤與鐵絲網(wǎng)之間的距離調(diào)節(jié)示意圖

實(shí)驗(yàn)開始前，確定測(cè)溫平面，將艾灸床鐵絲網(wǎng)下20 mm作為測(cè)溫平面。調(diào)節(jié)艾柱托盤與鐵絲網(wǎng)之間的距離，共包括艾柱托盤在鐵絲網(wǎng)下方185、245、295、335 mm 4個(gè)高度。將測(cè)溫儀的溫度探頭依次在確定的測(cè)溫平面上安裝固定，為避免偶然誤差和實(shí)驗(yàn)設(shè)備帶來的影響，在正式實(shí)驗(yàn)開始前，用數(shù)字溫度計(jì)對(duì)環(huán)境溫度進(jìn)行檢測(cè)，并與測(cè)溫儀顯示的溫度進(jìn)行比對(duì)（允許誤差在±1℃），判斷測(cè)溫儀顯示的溫度是否可靠。記錄當(dāng)前實(shí)驗(yàn)的環(huán)境溫度、環(huán)境濕度等信息，為后續(xù)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析提供參考。

實(shí)驗(yàn)時(shí)，艾灸床腔內(nèi)溫度先上升后下降，艾灸床工作45 min后，艾灸床腔內(nèi)溫度已不滿足艾灸的條件，結(jié)束實(shí)驗(yàn)。

3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

3.1 艾灸過程中高溫點(diǎn)出現(xiàn)的位置分析

對(duì)艾灸床運(yùn)行過程中高溫點(diǎn)的位置進(jìn)行分析時(shí)，確定測(cè)溫平面為鐵絲網(wǎng)下20 mm，調(diào)節(jié)艾柱托盤距離鐵絲網(wǎng)185、245、295、335 mm。設(shè)置艾柱托盤為固定模式，將每組實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)分肩頸部、腰臀部和腿部3個(gè)部分進(jìn)行曲線擬合，繪制成溫度曲線圖。

其中，25~30號(hào)測(cè)溫點(diǎn)靠近排風(fēng)扇，其實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)整體偏低，因此在小腿部溫度曲線中只繪制了艾柱正上方的25、27、28、30號(hào)測(cè)溫點(diǎn)的溫度變化情況。

測(cè)溫平面為鐵絲網(wǎng)下20 mm，艾柱托盤距離鐵絲網(wǎng)為185 mm時(shí)的各點(diǎn)溫度曲線如圖4所示。雖然每個(gè)測(cè)溫點(diǎn)曲線的峰值不一樣，但是溫度曲線總體趨勢(shì)大致相同，都經(jīng)歷了溫度快速上升期、緩和上升期與緩和下降期3個(gè)階段。各測(cè)溫點(diǎn)的峰值都出現(xiàn)在艾灸過程中的第13~19分鐘，這是由于艾柱在此期間得到充分燃燒，釋放了最大熱量。肩頸部、腰臀部和腿部3個(gè)位置的溫度曲線相比較，腰臀部位置的測(cè)溫點(diǎn)整體峰值更高，18號(hào)測(cè)溫點(diǎn)的峰值達(dá)到了105℃，10號(hào)測(cè)溫點(diǎn)的峰值在整個(gè)腰臀部峰值中為最低，也達(dá)到了85℃。而肩頸部和腿部位置測(cè)溫點(diǎn)的整體峰值偏低，肩頸部位置各測(cè)溫點(diǎn)平均峰值為88℃，腿部位置各測(cè)溫點(diǎn)平均峰值為87℃，肩頸部區(qū)域1號(hào)測(cè)溫點(diǎn)和3號(hào)測(cè)溫點(diǎn)的溫度峰值只有78℃左右。這主要是因?yàn)檠尾课恢玫陌用芗?，燃燒過程中的熱量更加集中，艾灸過程中空氣由肩頸部向腿部循環(huán)，使得肩頸部位置產(chǎn)生的熱量沒有在肩頸部聚集，而向腰臀部方向轉(zhuǎn)移。而腿部位置安裝有排風(fēng)扇，是艾煙的出風(fēng)口，到達(dá)此處的熱量直接被艾煙帶走，也不會(huì)在此大量聚集。

測(cè)溫平面為鐵絲網(wǎng)下20 mm，艾柱托盤距離鐵絲網(wǎng)為245、295、335 mm時(shí)的各點(diǎn)溫度曲線分別如圖5~7所示。各區(qū)域的測(cè)溫點(diǎn)峰值與圖4進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)了大幅度下降，整體溫度峰值偏低，這是由于此時(shí)的測(cè)溫平面距離艾柱燃燒源較遠(yuǎn)，但腰臀部位置的測(cè)溫點(diǎn)整體峰值依然很高。

圖4 測(cè)溫平面為鐵絲網(wǎng)下20 mm，艾柱托盤距離鐵絲網(wǎng)為185 mm時(shí)的溫度曲線

圖5 測(cè)溫平面為鐵絲網(wǎng)下20 mm，艾柱托盤距離鐵絲網(wǎng)為245 mm時(shí)的溫度曲線

3.2 艾灸過程中艾柱托盤固定和搖擺模式下的溫度場(chǎng)分布規(guī)律

選取艾灸床鐵絲網(wǎng)下20 mm為測(cè)溫平面，分析艾柱托盤距離艾灸床鐵絲網(wǎng)為185 mm時(shí)的數(shù)據(jù)。以1號(hào)測(cè)溫點(diǎn)為原點(diǎn)，艾灸床寬方向?yàn)閤軸、長(zhǎng)方向?yàn)閥軸，設(shè)置艾柱托盤固定和搖擺2種模式，分別構(gòu)建艾灸過程中溫度上升期和下降期某一時(shí)刻的溫度場(chǎng)。其中，艾柱托盤固定模式下的溫度場(chǎng)如圖8所示，此模式下溫度場(chǎng)的梯度較大，上升期的溫差達(dá)到了25℃，下降期的溫差為20℃。艾灸床腔內(nèi)的溫度分布不均勻，高溫點(diǎn)在腰臀部位置出現(xiàn)，并且艾柱正上方的測(cè)溫點(diǎn)溫度明顯高于其他點(diǎn)的溫度，這主要是因?yàn)榘斜P處于固定模式，艾灸床腔內(nèi)的熱量沒有循環(huán)流動(dòng)。艾柱托盤搖擺模式下的溫度場(chǎng)如圖9所示，與圖8相比較，圖9的溫度場(chǎng)表面的溫差更小，溫度場(chǎng)分布更加均勻，在溫度上升期溫差為14℃，在溫度下降期溫差只有10℃。

圖8 艾柱托盤固定模式下的溫度場(chǎng)

圖9 艾柱托盤搖擺模式下的溫度場(chǎng)

3.3 艾灸過程中與鐵絲網(wǎng)不同距離時(shí)的溫度曲線對(duì)比

選取鐵絲網(wǎng)下20 mm作為測(cè)溫平面，將艾柱托盤與鐵絲網(wǎng)的距離分別設(shè)置為185、245、295、335 mm，調(diào)整艾柱托盤為固定模式。從整體峰值較高的腰臀部選取11號(hào)和17號(hào)測(cè)溫點(diǎn)，分別構(gòu)建這2個(gè)測(cè)溫點(diǎn)在整個(gè)艾灸過程中艾柱托盤與鐵絲網(wǎng)不同距離時(shí)的溫度曲線。11號(hào)測(cè)溫點(diǎn)在艾柱托盤與鐵絲網(wǎng)不同距離時(shí)的溫度曲線如圖10所示，艾灸過程中艾灸床表面整體溫度隨著艾柱托盤與鐵絲網(wǎng)之間的距離增大出現(xiàn)遞減的趨勢(shì)，當(dāng)艾柱托盤與鐵絲網(wǎng)之間的距離為185、245、295 mm時(shí)，11號(hào)測(cè)溫點(diǎn)的溫度各峰值比較接近，為90℃；當(dāng)艾柱托盤與鐵絲網(wǎng)之間的距離為335 mm時(shí)，11號(hào)測(cè)溫點(diǎn)的溫度峰值下降到81℃，但在這4個(gè)距離下，11號(hào)測(cè)溫點(diǎn)溫度峰值出現(xiàn)的時(shí)間都集中在第15分鐘左右。17號(hào)測(cè)溫點(diǎn)在艾柱托盤與鐵絲網(wǎng)不同距離時(shí)的溫度曲線如圖11所示，與圖10的11號(hào)測(cè)溫點(diǎn)相比，17號(hào)測(cè)溫點(diǎn)在艾柱托盤與鐵絲網(wǎng)之間的距離為185、245、295 mm時(shí)，其溫度峰值更高，最高達(dá)到了100℃，而當(dāng)艾柱托盤與鐵絲網(wǎng)之間的距離為335 mm時(shí)，17號(hào)測(cè)溫點(diǎn)與11號(hào)測(cè)溫點(diǎn)的溫度峰值接近，為80℃。這是由于艾柱托盤與鐵絲網(wǎng)之間的距離最大時(shí)，與測(cè)溫平面距離最遠(yuǎn)，熱量隨著艾煙的流動(dòng)最大，此時(shí)不會(huì)有大量的熱量集中在一起。

圖10 11號(hào)測(cè)溫點(diǎn)在艾柱托盤與鐵絲網(wǎng)不同距離時(shí)的溫度曲線

圖11 17號(hào)測(cè)溫點(diǎn)在艾柱托盤與鐵絲網(wǎng)不同距離時(shí)的溫度曲線

當(dāng)艾柱托盤與鐵絲網(wǎng)之間的距離從185 mm變?yōu)?45 mm時(shí)，11號(hào)測(cè)溫點(diǎn)的最大溫度變化為5℃，而17號(hào)測(cè)溫點(diǎn)的最大溫度變化達(dá)到了10℃；當(dāng)艾柱托盤與鐵絲網(wǎng)之間的距離從245 mm變?yōu)?95 mm時(shí)，11號(hào)和17號(hào)測(cè)溫點(diǎn)的溫度幾乎沒有變化；當(dāng)艾柱托盤與鐵絲網(wǎng)之間的距離變?yōu)?35 mm后，11號(hào)和17號(hào)測(cè)溫點(diǎn)的溫度下降幅度明顯變小。

4 討論

圖6 測(cè)溫平面為鐵絲網(wǎng)下20 mm，艾柱托盤距離鐵絲網(wǎng)為295 mm時(shí)的溫度曲線

艾灸床在運(yùn)行過程中，其表面的溫度變化與多個(gè)因素有關(guān)，如艾柱托盤與鐵絲網(wǎng)之間的距離、艾柱托盤的搖擺狀態(tài)等。在臨床中，溫度作為艾灸床的關(guān)鍵因素，無論是進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)還是準(zhǔn)確控制，艾灸床控溫設(shè)備溫度傳感器位置的確定都顯得尤為重要。為保證艾灸過程中的溫度對(duì)人體不造成傷害，需要嚴(yán)格控制整個(gè)艾灸過程中溫度的峰值。本文的實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，由于艾灸床自身結(jié)構(gòu)的原因，艾柱托盤與鐵絲網(wǎng)不同距離時(shí)的高溫點(diǎn)都出現(xiàn)在腰臀部位置，因此在進(jìn)行艾灸床控溫設(shè)備溫度傳感器的布置時(shí)，腰臀部區(qū)域可作為重點(diǎn)參考區(qū)域。同時(shí)在臨床中，溫度作為艾灸的關(guān)鍵指標(biāo)，對(duì)其進(jìn)行準(zhǔn)確調(diào)節(jié)可提高艾灸的療效，并可滿足不同臨床者對(duì)溫度的需求。通過實(shí)驗(yàn)分析，艾灸床表面的測(cè)溫點(diǎn)峰值以及整體溫度與艾柱托盤和鐵絲網(wǎng)之間的距離具有緊密的關(guān)系，當(dāng)艾柱托盤與鐵絲網(wǎng)之間的距離減小時(shí)，艾灸床表面的溫度也隨之上升，因此在實(shí)現(xiàn)艾灸床自動(dòng)控溫的過程中，可利用艾柱托盤與鐵絲網(wǎng)之間的距離變化來有效調(diào)節(jié)艾灸床表面的溫度。

圖7 測(cè)溫平面為鐵絲網(wǎng)下20 mm，艾柱托盤距離鐵絲網(wǎng)為335 mm時(shí)的溫度曲線

實(shí)驗(yàn)過程中，艾灸床表面的溫度場(chǎng)分布與艾柱托盤固定或者搖擺模式有很大關(guān)系。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)艾柱托盤設(shè)置為搖擺模式時(shí)，艾灸床腔內(nèi)具備良好的熱量流動(dòng)，熱量不在某一點(diǎn)出現(xiàn)大量聚集，艾灸床表面的溫度場(chǎng)顯得更加均勻，使得患者受熱均衡，達(dá)到最佳的艾灸療效。艾灸床表面的溫度場(chǎng)分布規(guī)律對(duì)改善艾灸床內(nèi)部構(gòu)造、實(shí)現(xiàn)艾灸床整體溫度的均勻性具有良好的指導(dǎo)意義。為避免艾灸床表面某些死角的溫度過低、某些艾柱密集點(diǎn)溫度過高，可引入其他裝置保證艾灸床腔內(nèi)良好的空氣循環(huán)流動(dòng)。

本次實(shí)驗(yàn)還存在許多需要完善和進(jìn)一步研究的地方：由于實(shí)驗(yàn)設(shè)備的影響和實(shí)驗(yàn)條件的限制，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)都是在同一表面采集，沒有進(jìn)行同一測(cè)溫點(diǎn)在同一時(shí)刻艾柱托盤與鐵絲網(wǎng)之間不同距離時(shí)的縱向?qū)嶒?yàn)，這在一定程度上影響了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和研究方法的合理性，將在后續(xù)研究中進(jìn)行改進(jìn)。為得到成熟的艾灸床自動(dòng)控溫?cái)?shù)學(xué)模型，下一步研究將從推導(dǎo)艾灸床表面溫度變化和艾柱托盤與鐵絲網(wǎng)之間的距離變化之間的具體數(shù)學(xué)關(guān)系、研究艾灸床中的艾柱如何分布會(huì)提升艾灸的療效等幾個(gè)方面展開。