世界第一臺(tái)針灸機(jī)器人研制經(jīng)驗(yàn)總結(jié)與啟發(fā)＊

劉進(jìn)先，徐天成，張笑興

（1.正源春中醫(yī)門診部針灸科，廣東 廣州 510630；2.南京中醫(yī)藥大學(xué)針灸系，江蘇 南京 210023；3.廣州天河區(qū)林和街社區(qū)衛(wèi)生服務(wù)中心針灸科，廣東 廣州 510635）

1990 年，筆者在四川瀘州醫(yī)學(xué)院附屬中醫(yī)院（現(xiàn)為西南醫(yī)科大學(xué)）針灸科工作期間，在臨床治療及科研中發(fā)現(xiàn)，每一個(gè)醫(yī)生治療同一個(gè)病人的選穴和針刺手法均不同，且同一醫(yī)生自己也很難保證在行針之間的手法完全保持一致。這樣的情況對(duì)科研工作者來說，就很難確保因針刺手法的不一致而導(dǎo)致的科研實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的客觀性、科學(xué)性、標(biāo)準(zhǔn)性及量化的準(zhǔn)確性，從而導(dǎo)致科研數(shù)據(jù)的真實(shí)性存疑。

為此進(jìn)行了“針灸機(jī)器人”科研項(xiàng)目，目的就是使其針刺手法達(dá)到數(shù)量化、客觀化、標(biāo)準(zhǔn)化、科學(xué)化，同時(shí)用針灸機(jī)器人來模擬名老專家的針刺手法并儲(chǔ)存于本機(jī)中，再由本機(jī)器人按名老專家手法進(jìn)行自動(dòng)針灸以獲得名老專家的治療效果，并讓名老專家的針灸技術(shù)永傳后代。

另外，同時(shí)開發(fā)通用針灸診療電腦專家系統(tǒng)醫(yī)理設(shè)計(jì)，由針灸機(jī)器人自動(dòng)診斷疾病，辯證選穴，再由針灸機(jī)器人進(jìn)行針灸操作治療。于1990—1996 年進(jìn)行了以上科研工作，并開發(fā)出了一臺(tái)針灸機(jī)器人樣機(jī)，由于當(dāng)時(shí)經(jīng)費(fèi)短缺尤其是電腦人工AI 及機(jī)器人方面的技術(shù)限制，未全部完成研制任務(wù)，但獲得了一些開發(fā)研制方面的成功經(jīng)驗(yàn)；但也有失敗的經(jīng)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)了一些技術(shù)上的難度是制約針灸機(jī)器人研制的瓶頸技術(shù)，至今可能也難以攻克。

隨著機(jī)器人技術(shù)的突飛猛進(jìn)、人工AI 智能的高度發(fā)展，以及衛(wèi)星定位、高質(zhì)量像素、高掃描儀器及傳感器的高度發(fā)展，現(xiàn)又掀起了一股針灸機(jī)器人的研發(fā)高潮[1-2]，為此本文總結(jié)了30 年前的研究成果以供后來者借鑒參考。

1 研究方法

1.1 針灸機(jī)器人針刺手法技術(shù)參數(shù)及試驗(yàn)穴位確定

試驗(yàn)穴位主要是對(duì)下關(guān)、曲池、足三里、梁丘、豐隆、期門、肺俞、百會(huì)等頭、面、胸、背及四肢的代表穴位進(jìn)行試驗(yàn)針刺，以點(diǎn)帶面，便于全身穴位使用。選用針具為華佗牌不銹鋼針，規(guī)格為26～30 號(hào)、0.5～5 in（1 in≈2.5 cm，現(xiàn)代針灸針具特指長度，下同）長的各種常用針具，均為一次性無菌針灸針。進(jìn)針角度分為直刺、斜刺、平刺3 種角度。進(jìn)針方法為夾持捻轉(zhuǎn)進(jìn)針。進(jìn)針?biāo)俣染捎每焖俅倘肫は略侔匆筮M(jìn)行各種手法操作。留針時(shí)間一般為10～30 min，也可根據(jù)需要任意確定留針時(shí)間。取穴方法根據(jù)傳統(tǒng)的骨度分寸、解剖標(biāo)志、手指同身寸和簡便取穴方法等。手法種類分為疾徐法、提插法、捻轉(zhuǎn)法、迎隨法及平補(bǔ)平瀉法共5 種單式手法，以及提插加捻轉(zhuǎn)法、疾徐、提插加捻轉(zhuǎn)法等9 種復(fù)式手法[3]。

針感即針刺后病人的酸、麻、脹等感覺。得氣后，由病人按電鈕給控制系統(tǒng)一個(gè)信息，則自動(dòng)停止進(jìn)針，然后在此水平采用提插、捻轉(zhuǎn)各種手法。暈針時(shí)，由現(xiàn)場(chǎng)醫(yī)生及時(shí)進(jìn)行處理。

1.2 電腦專家系統(tǒng)醫(yī)理設(shè)計(jì)

大病域通用針灸診療電腦專家系統(tǒng)作為針灸機(jī)器人的一個(gè)組成部位，由針灸機(jī)器人來自動(dòng)診斷疾病和辨證施治給出治療法則和處方選穴。本專家系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了中醫(yī)6 個(gè)科類72 個(gè)病種的針灸取穴方案（參照高等醫(yī)藥院校統(tǒng)編教材和知名專家專著進(jìn)行病名篩選、辯證分型及取穴）[4-6]。然后輸入此方案到控制系統(tǒng)，指令機(jī)械手進(jìn)行針刺操作，該專家系統(tǒng)亦可單獨(dú)作為電腦診斷疾病，辨證施治和開出針灸治療處方交臨床醫(yī)生使用。

1.3 手法記錄裝置

手法記錄裝置可真實(shí)地記錄著名專家的寶貴針刺手法的精髓，同時(shí)又可通過微電腦系統(tǒng)經(jīng)計(jì)算機(jī)發(fā)出控制命令，驅(qū)動(dòng)各執(zhí)行機(jī)構(gòu)協(xié)調(diào)針刺動(dòng)作，從而按模擬專家的針刺手法對(duì)病人進(jìn)行針刺治療，使名老專家的針灸手法永傳后代。

1.4 針灸機(jī)器人樣機(jī)技術(shù)要求

根據(jù)針刺手法技術(shù)參數(shù)的要求，本樣機(jī)應(yīng)設(shè)計(jì)6個(gè)驅(qū)動(dòng)電路，即6 個(gè)自由度才能確保針刺的位置和姿態(tài)，如圖1 所示。

圖1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

電源為交流電壓220 V/50 Hz 或直流電壓24 V。整機(jī)要求既能獨(dú)立運(yùn)行，又能與手法記錄儀、專家系統(tǒng)組配使用。

微電腦系統(tǒng)由MCS-51 單片機(jī)及外設(shè)組成，能準(zhǔn)確模擬和儲(chǔ)存針刺手法，并與上位機(jī)通信，便于存盤；且能控制和發(fā)出命令，驅(qū)動(dòng)各執(zhí)行機(jī)構(gòu)，進(jìn)行各種針刺手法的操作。鍵盤應(yīng)具有選擇各種針刺手法、啟動(dòng)、停止等人機(jī)對(duì)話功能。數(shù)碼管顯示器應(yīng)具有顯示各種鍵盤信息和工作狀態(tài)的功能，如圖2、圖3 所示。

圖2 三步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電源電原理圖

圖3 控制系統(tǒng)硬件框圖

針灸機(jī)器人的功能要求是必須具備臨床技術(shù)要求和針刺手法技術(shù)參數(shù)的要求，材料要求是必須要選用經(jīng)久耐用、不易損壞、質(zhì)優(yōu)價(jià)廉的材料。驅(qū)動(dòng)電路以小型號(hào)步進(jìn)電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)部件，以保證執(zhí)行。機(jī)械手和控制部分為最關(guān)鍵部分，如圖4 所示。

圖4 機(jī)械手裝備圖

要求機(jī)械手結(jié)構(gòu)簡單科學(xué)，使用靈活輕便，能持26～30 號(hào)、0.5～5 in 長的各種不銹鋼針灸針，不能有絲毫松動(dòng)和掉落發(fā)生，并進(jìn)行自動(dòng)選穴，自動(dòng)進(jìn)出針及各種針刺手法的操作，達(dá)到臨床和手法技術(shù)參數(shù)的要求。押手裝置應(yīng)高于患者皮膚1～2 cm，具有輔助機(jī)械手進(jìn)針的功能，當(dāng)針刺進(jìn)后，押手應(yīng)自動(dòng)松開針體而不影響各種針刺手法的正常操作，押手應(yīng)上、卸方便，便于高溫高壓消毒。

本機(jī)進(jìn)行操作的正常阻力為肌肉和肌腱組織，當(dāng)遇見骨頭時(shí)要求機(jī)械手自動(dòng)停止進(jìn)針。本機(jī)必須設(shè)置自動(dòng)保險(xiǎn)裝置，一旦工作異常，該裝置能自動(dòng)停機(jī)，以確保安全。

根據(jù)臨床技術(shù)和針刺手法參數(shù)要求，設(shè)計(jì)出相應(yīng)的軟硬件。專家系統(tǒng)由IBM 或兼容機(jī)、顯示器、繪圖儀手法記錄裝置等組成，要求本系統(tǒng)能準(zhǔn)確模擬和儲(chǔ)存專家的手法和診療經(jīng)驗(yàn)，并進(jìn)行診斷、取穴等工作。同時(shí)在顯示屏上進(jìn)行相應(yīng)的顯示，根據(jù)需要進(jìn)行繪圖和打印。

此針灸機(jī)器人既獨(dú)立成體系，又可與針刺治療機(jī)組配使用，并向微電腦系統(tǒng)輸送信息，從而控制微電腦系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)各種手法的操作。

針刺手法參數(shù)技術(shù)要求如下：進(jìn)針?biāo)俣葹?～1 000 mm/s，刺入皮下瞬間為1 0 mm/s，提插幅度為0～30 mm，捻轉(zhuǎn)角度為30°～360°，捻轉(zhuǎn)頻率為50～500 次/min，進(jìn)針深度為5～100 mm，以上根據(jù)不同部位可進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。

動(dòng)物試驗(yàn)：擇犬或豬為試驗(yàn)對(duì)象，共30 只，取已定穴位，在每只動(dòng)物身上進(jìn)行3～5 次試驗(yàn)，以觀察樣機(jī)的各項(xiàng)功能指標(biāo)的安全度，然后才能用于人體試驗(yàn)。

臨床驗(yàn)證：取50～100 例病人，在每例病人身上進(jìn)行3～5 次針刺觀察，對(duì)樣機(jī)的質(zhì)量、功能、安全度等進(jìn)行全面考核驗(yàn)收。

2 研究結(jié)果

完成了通用針灸診療電腦專家系統(tǒng)的醫(yī)理設(shè)計(jì)，并于1993 年發(fā)表在《瀘州醫(yī)學(xué)院學(xué)報(bào)》第1 期上[7]，由于科研經(jīng)費(fèi)嚴(yán)重短缺，改為研制2 個(gè)自由度的機(jī)械手，并于1995 年研制出了具有2 個(gè)自由度的針灸機(jī)器人樣機(jī)（在購買的豬腿和豬肉上進(jìn)行了初步試驗(yàn)，達(dá)到了設(shè)計(jì)功能）。

該樣機(jī)質(zhì)量為100 kg，底座設(shè)置有4 個(gè)萬向輪并帶有剎車，根據(jù)針灸臨床病房使用實(shí)際情況而設(shè)置了推車型針灸機(jī)器人以方便病床病人使用，由于針刺中會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)，故機(jī)器自身的質(zhì)量較重以此保持穩(wěn)定性；為了安全起見，避免針刺中推車滾動(dòng)，所以轉(zhuǎn)向輪設(shè)置了剎車裝置。由于后續(xù)經(jīng)費(fèi)嚴(yán)重短缺故未進(jìn)行臨床試驗(yàn)，于1996 年底進(jìn)行了結(jié)題。針灸機(jī)器人樣機(jī)如圖5 所示。

圖5 臺(tái)樣機(jī)圖

3 討論

針灸機(jī)器人研究是現(xiàn)代電子計(jì)算機(jī)和高尖機(jī)械技術(shù)引入針灸領(lǐng)域的重大突破，使煩瑣復(fù)雜的針刺手法簡單化、規(guī)范化、量化，以便于臨床運(yùn)用和對(duì)外擴(kuò)大交流，以上既是統(tǒng)一的整體，又可單獨(dú)獨(dú)立使用。

30 年前計(jì)算機(jī)和機(jī)器人技術(shù)相對(duì)于現(xiàn)在還比較落后，限于當(dāng)時(shí)科學(xué)技術(shù)和經(jīng)費(fèi)問題，僅完成了部分工作，如前所述。

30 年前的設(shè)計(jì)思路與現(xiàn)在研究相比也是比較超前的，對(duì)當(dāng)今研究針灸機(jī)器人有一定的借鑒和幫助。此外在研究中也遇到很大的技術(shù)障礙，或許今天也可能無法全部解決，原因是針灸機(jī)器人主要運(yùn)用于臨床治療，首先是安全性問題，其次是療效問題，具體如下。

3.1 穴位定位問題

人體有經(jīng)穴361 穴，另加經(jīng)外奇穴共計(jì)有400 多穴，再加上數(shù)不勝數(shù)的阿是穴，所以針灸機(jī)器人自動(dòng)定穴、選穴，當(dāng)時(shí)的技術(shù)很難達(dá)到，因此采用人工選穴定位予以配合。目前傳感器、高像素相機(jī)及掃描儀、MR 及CT 成像技術(shù)、衛(wèi)星定位技術(shù)是否可以應(yīng)用到人體經(jīng)絡(luò)腧穴上準(zhǔn)確定位，并由針灸機(jī)器人自動(dòng)選穴進(jìn)針，也是亟待解決的重大技術(shù)問題。

3.2 運(yùn)針問題

針灸要反復(fù)運(yùn)針才能確保療效，因此機(jī)械手要來回運(yùn)針，這是一個(gè)非常難的技術(shù)問題，因?yàn)閬砘剡\(yùn)針要求重復(fù)精度和定位精度較高，必須要使用應(yīng)變片作壓力傳感器以保證針夾頭能準(zhǔn)確地套住針尾并夾緊，但套針時(shí)，機(jī)械手對(duì)針尾的碰撞是否給病人一種痛的感覺，這些都是要解決的疑難問題。

3.3 安全性問題

安全性問題也是最關(guān)鍵的問題，針灸機(jī)器人是對(duì)人進(jìn)行針刺，所以安全必須放在第一位。首先，進(jìn)針深度根據(jù)不同部位必須嚴(yán)格控制，保證安全；其次，遇到阻力加大時(shí)（如骨頭），機(jī)械手必須停針，否則會(huì)彎針、斷針。傳感器如何來判斷肌肉、肌腱與骨胳阻力的不同參數(shù)，這也是待解決的重大技術(shù)問題。當(dāng)時(shí)筆者因受到錄音機(jī)放磁帶的影響，受到磁帶放完錄音機(jī)就自動(dòng)停止的啟發(fā)，曾有研究過，但終因當(dāng)時(shí)技術(shù)問題而未解決。

3.4 掃描儲(chǔ)存名老專家手法問題

如何量化掃描名老針灸專家現(xiàn)場(chǎng)針刺手法并轉(zhuǎn)由機(jī)械手按專家手法進(jìn)行基本一致的操作，即一邊是名老專家操作，另一邊是機(jī)械手給另一個(gè)病人進(jìn)行專家的同種手法操作，這也是一個(gè)很高的技術(shù)要求，這方面因?yàn)楫?dāng)時(shí)經(jīng)費(fèi)所限未開展此研究，但當(dāng)初筆者是想借用上海市針灸研究所在20 世紀(jì)80 年代初研制成的“SFY-1 型復(fù)式針刺手法參數(shù)分析儀”[8]配合使用，建議現(xiàn)在研究者仍可參考該儀器的技術(shù)。

3.5 有效性問題

作為人體的治療儀，必須保證臨床治療有效才能有價(jià)值。這方面要多擴(kuò)大臨床病人的試驗(yàn)例數(shù)，建議選取300～500 例病人進(jìn)行試驗(yàn)。因當(dāng)時(shí)科研經(jīng)費(fèi)嚴(yán)重短缺，故未開展此工作。

4 結(jié)束語

展望未來，當(dāng)今計(jì)算機(jī)技術(shù)、機(jī)器人技術(shù)、人工AI 技術(shù)、傳感器技術(shù)均突飛猛進(jìn)，高度發(fā)展，已經(jīng)逐漸具備了解決針灸機(jī)器人研制的瓶頸技術(shù)。今后研究開發(fā)針灸機(jī)器人的科研工作者可以在30年前研究的基礎(chǔ)上，對(duì)曾經(jīng)在研發(fā)中總結(jié)出的5 大技術(shù)問題采用現(xiàn)代高科技技術(shù)進(jìn)行認(rèn)真研究，相信在不遠(yuǎn)的將來，一個(gè)擁有完整構(gòu)思的針灸機(jī)器人一定會(huì)誕生！