基于艾灸温度场的36 点仿真测温仪器的研制

邓益昭，涂海燕，徐 刚，高 明，徐金鹏，成鸿群

艾灸疗法拥有极为悠久的历史，该疗法在中国的石器时代便已有雏形[1，2]。 艾灸区别于其他中医针灸疗法，它以艾叶作为原材料进行加工处理，通过其温热效应[3]来调节人体激素分泌，增强人体免疫能力[4]。在药物难以治疗、银针难以企及的情况下，艾灸疗法便成为治疗疾病的一大重要法宝[5，6]。艾灸疗法由于具有散寒止痛、温通经络、活血逐痹、回阳固脱、消癖散结及防病保健等功效[7，8]，故而在国内外享有盛名。已有研究表明，艾灸通过创造局部热刺激可以促进气血循环[9]；艾灸温度不同对生物组织形态结构有一定影响[10]；艾灸对机体产生作用的基础是艾灸的温热效应[11]，该效应可以对生物组织的微循环状态产生影响[12]； 艾灸治疗通过热辐射对生物组织进行传热[13]；艾灸与生物组织之间的传热特性与温热刺激机制有密切关系[14]，且温和灸的“拨灰”过程可以提高艾灸的温热效应[15]。 基于以上对于艾灸治疗过程的认识，越来越多的人也开始对艾条燃烧过程中治疗区域的热场分布进行研究，文献[16]采用临床试验的方法研究艾灸治疗时的温度特性，文献[17]采用动物皮肤组织实验的方法研究艾条燃烧过程中治疗区域内的热场分布，文献[18]在实验中采用红外热成像仪进行热场分布数据采集。 在艾灸热场研究中，临床试验和动物皮肤组织实验在艾灸实验中得到广泛应用，但这两种实验方式也有诸多不足。在临床治疗试验时容易对患者造成烫伤，带来不少安全隐患[19]，同时患者本身的不确定性也容易对试验过程及试验结果造成一定影响。 在采用动物组织研究热场分布时，其热场的测量相对复杂，测温仪器在动物组织中的放置也受诸多限制。 而红外热成像仪属于无接触式测量设备，易受环境干扰，测试效果不稳定且测量精度不高。 在艾灸治疗的热场研究过程中所出现的这些问题，为寻求一种能等效模拟临床试验和动物皮肤组织实验的仿真测温仪器提出了迫切需要。 基于此，笔者设计了具有36个测温点的仿真测温仪器，提高了艾灸实验的便捷性与安全性，检测的准确度，利用该仪器所测得的热场分布为在临床艾灸治疗过程中能得到最佳的治疗效果提供依据与指导。

1 材料与方法

1.1 实验材料

仪器箱（自制）；STM32 开发板（正点原子）、PT100铂热电阻（德国贺利氏）；铂电阻测温电路板（自制）；硅胶垫（淘宝自主）；导热硅胶（卡夫特。广东恒大新材料科技有限公司，中国）；艾条（北京同仁堂，中国）。

1.2 方法

1.2.1 仿真测温仪器的设计

设计的仿真测温仪器具有36 个测温点， 它可以对治疗区域内的温度场变化进行实时连续的测量。该测温仪器嵌入36 个高精度温度传感器， 以6×6 矩阵格式均匀分布在绝缘隔热垫上，每个传感器所占空间为1 cm×1 cm，各空间相互独立。

1.2.1.1 应用于艾灸治疗的模拟皮层的设计 艾灸试验中人体皮肤表面或动物皮肤组织的艾灸治疗区域是36 点仿真测温仪器设计的关键所在。 该模拟皮层由硅胶隔热垫和精密温度传感器组成，硅胶隔热垫上有36 个大小为1 cm×1 cm 的方格， 这36 个方格呈6×6 矩阵排列且相互独立以保证不同方格之间的温度互不干扰， 每个方格嵌入一个精密温度传感器，并用导热胶使得方格空间与精密温度传感器融为一体、紧密贴合。 精密温度传感器的引脚线路则从硅胶隔热垫背面引出，并将其与测温电路连接。 见图1。

图1 模拟皮层设计框图Fig.1 Block diagram of simulative cortical design

嵌入在各个方格里的温度传感器可以感知艾条燃烧时所生成的温度信息，36 个温度传感器将采集到的温度信息汇总到同一平面上，便构成了艾灸治疗过程中固定时刻、 固定治疗距离所对应的热场分布。通过该模拟皮层，便可以模拟临床艾灸试验。

1.2.1.2 温度传感器的选取 通过文献[20]可知，人体不同部位穴位的最高耐受温度不超过60 ℃。PT100铂热电阻测量精确度高，性能稳定，可测得温度范围为-200 ℃～650 ℃[21]， 这也同样满足了艾灸治疗时所需治疗温度的可测量条件。 热电偶可测量温度范围更广，适合测量高温区（500 ℃以上），在中低温区（500 ℃以下）时热电阻则更加常用且精度相对热电偶更高。基于以上结论，在36 点测温系统的温度测量方案的选取上， 最终选用PT100 铂电阻作为采集温度信息的传感器件。

按照国际电工委员会 （International Electrotechnical Commission，IEC）751《工业铂热电阻》国际标准，PT100 铂热电阻的电阻-温度关系满足以下条件：

当T∈[-200 ℃，0 ℃]时，

当T∈[0 ℃，850 ℃]时，

其中：PT100 铂热电阻在0 ℃时的标准电阻值R0=100 Ω；电阻温度系数（temperature coefficient of resistance，TCR）= 0.003851 时，A = 3.9083 × 10-3，B =- 5.775×10-7，C=-4.183×10-12。

因为A ＞＞B、A ＞＞C，这也使得PT100 铂热电阻在T∈[-200 ℃，650 ℃] 时阻值特性曲线的斜率变化较小，故公式（1）、（2）通过线性拟合可以简化为：

由式（3）可知，在PT100 铂热电阻阻值已知的情况下，即可求得测量温度T。

1.2.1.3 36 点仿真测温仪器工作原理 36 点仿真测温仪器主要包括温度信号采集单元、单片机数据处理单元和温度显示单元。温度信号采集单元包括温度传感器和信号放大电路。系统的总结构框图如图2 所示。

图2 系统总结构框图Fig.2 Block diagram of overall structure

在给36 个PT100 铂热电阻供电后， 通过PT100铂热电阻感知外界温度信息并使其阻值发生相应变化，进而在PT100 铂热电阻的两端产生相应电压值，产生的电压值经信号放大电路放大后传给单片机STM32F103。 单片机利用内部的模拟-数字量转换器（analog-to-digital conversion，AD）将得到的电压模拟量转换为数字量，再根据公式（3）把测量得的PT100铂热电阻的电阻值转换为温度值， 并将36 个测温点的温度数据上传至个人计算机上位机进行显示。 图3为仿真测温仪器结构图。

图3 仿真测温仪器结构图Fig.3 Structure diagram of simulative temperature measurement instrument

1.2.1.4 PT100 铂热电阻测温电路设计 由于线缆的材料、尺寸和环境温度对测温的准确度干扰较大，因此笔者采用三线制阻值测量方式对电阻进行补偿[22]。图4 为三线制接法桥式测温电路。图4 所示的测温电路共有36 个， 各自对应36 个测温点，P1 模块的PIN1 和PIN2 分别接PT100 铂热电阻的两个引脚，out1 接单片机的输入/输出端（input/output，I/O）。TL431 为可控精密稳压源，在VCC（C = circuit，接入电路的电压值）为12 V 时通过与电位器VR1 搭配可以产生稳定的4.096 V 电压。 图4 中的R1、R2、VR2和PT100 铂热电阻为桥臂电阻，共同组成测量电桥。由电桥原理及PT100 特性可知， 在环境温度为0 ℃时，VR2 阻值应与PT100 铂热电阻的阻值相同，PT100 在0 ℃时的电阻值为100 Ω，因此VR2 可使用100 Ω 的精密电阻。 当二者阻值不等时电桥便会产生压差信号， 该信号经单电源四路运算放大器LM324放大后输出至单片机STM32F103 的AD 转换模块。

图4 三线制接法桥式测温电路原理图Fig.4 Schematic diagram of three-wire bridge temperature measurement circuit

（1）基准电压源电路与PT100 铂热电阻驱动电路：可控精密稳压源TL431 热稳定性能优良，精度极高，在模拟集成电路中应用广泛[23]，可作为PT100 铂热电阻的稳压供电电源。 在图5A 的基准电压源电路原理图中， 取VCC 为12 V， 通过调节精密电位器VR1 进行分压，可以得到4.096 V 基准电压，以基准电压源的电压为参考，可以控制输出电压值。

图5 基准电压源电路和PT100 铂热电阻驱动电路原理图Fig.5 Schematic diagram of reference voltage source circuit and PT100 platinum thermistor driving circuit

取VR2=100 Ω， 通过图5B 所示的PT100 铂热电阻驱动电路原理图可知：

（2） 信号放大电路： 当PT100 铂热电阻阻值与VR2 阻值不相等时将会产生mV 级的压差，由于该电压信号过于微弱， 因此难以被AD 转换器准确采集，故需要信号放大电路对此压差信号进行放大。 在图6的信号放大电路中，R3=R4，R5=R6， 放大倍数为R5/R3=100。 基于此可以得出压差被放大后的电压值为：

图6 信号放大电路原理图Fig.6 Schematic diagram of signal amplification circuit

结合公式（4）、（5）、（6）可得：

1.2.1.5 系统软件设计 测温系统的微控制器由主机和从机构成， 单片机各自采集完各个通道的温度后，从机将采集到的数据传送给主机，主机与计算机端上位机通过通用串行总线 （universal serial bus，USB）连接传输36 路通道的温度数据并显示。 软件设计部分包括温度采集子模块、 串行外围接口（serial peripheral interface，SPI）通信子模块。

（1）温度采集子模块：36 点测温系统采集各个通道的AD 值，转换成电压值，并通过公式（7）计算出PT100 铂热电阻的电阻值，最后通过公式（3）得到相应的温度值。 这里涉及到一系列的计算转换，为了使结果更加精确，加入了一些数学处理。

各个通道由于线路的差别很容易出现测量结果不一致的情况，因此需要在一起启动时进行校准。 启动时采集36 个点的数据T1，T2，…，T36，设此时的测量对象实际温度为T*。 启动时不进行加热，使模拟皮层暴露在室温下，因此可以认为T1，T2，…，T36是实际温度T*的36 个样本值，则：

当n=36 时，

设T*i为第i 通道的最终测量值，Ti为实际测量值，ri为第i 通道的残差。利用残差数据在启动时对仪器进行校准：

（2）显示模块：显示模块的任务是将温度数据在屏幕上进行实时显示。 该仪器使用一块4.3 寸的液晶显示器（liquid crystal display，LCD）屏幕，该屏幕像素高，控制简易。 温度显示的实际效果见图7。

图7 温度显示效果图Fig.7 Diagram of temperature display effect

（3）SPI 通信子模块：36 点测温系统通过SPI 通信实现从机将采集到的温度传送给主机。主机发起通信，主机与从机通过主机输出从机输入（mast out slave in，MOSI） 和主机输入从机输出 （mast in slave out，MISO）分别实现数据的发送与回传。 使用主从结构是为了加强系统的数据处理能力，同时也增加了AD 通道的数量。单块单片机的AD 通道远远不足36 个，不能满足该仪器的需求，使用主从结构就可以将多块单片机的AD 通道并联使用， 从而解决通道不足的问题。另外，将数据传送到主机也方便进行显示、存储和输出。 该仪器设计了专门的数据下载接口，可将实时温度数据输出到外部设备，方便后续医学研究中对数据进行进一步分析处理。

1.2.2 器具使用方法

1.2.2.1 实验操作过程 接好电源，启动仿真测温仪器，检查各部分运行情况，确保仪器能正常工作。根据需要选择适宜长度的艾条并将其固定在艾灸治疗装置上，令艾条正对模拟皮层的正中央，再根据实验需要对施灸高度加以固定（图8）。 点燃艾条，仿真测温仪器可以采集模拟皮层（艾灸治疗区域）的温度场，并通过LCD 和计算机端两种方式实时显示36 个测温点的温度值。 仪器的设计量程为20 ℃～64 ℃，分度值为0.1 ℃。

图8 使用仿真测温仪器进行施灸时的热场采集Fig. 8 Diagram of thermal field collection during moxibustion using simulative temperature measuring instruments

1.2.2.2 温度场测量 将施灸高度置为3 cm，执行上述实验操作， 利用仿真测温仪器同时测得36 个测温点的温度值。 选取艾条燃烧到10 min 时温度值并保存。 重复测量3 次后，将3 次测量结果的平均值作为36 个测温点的最终温度数据，并使用MATLAB 软件绘制艾灸治疗区域上的温度场分布。

2 结果

2.1 仿真测温仪结构

36 点仿真测温仪结构包括外壳、 观察窗、LCD、核心控制电路、直流电源、传感器测量电路板。 见图9。

图9 仪器内部结构图Fig.9 Internal structure diagram of instrument

2.2 仪器的性能测试

经测试， 该仪器的实际有效量程为20 ℃～64 ℃，分度值为0.1 ℃。

2.3 试用结果

使用艾条对测温区域进行模拟艾灸，可得到温度场分布数据。 见图10。 图中的颜色代表了温度的高低，颜色越深则温度越高。可以看到温度呈中心最高，向四周逐渐递减的分布趋势，同时整个温度场分布较为均匀，无明显异常数据，这也符合实际的温度分布规律。 温度场数据显示，该次实验中在艾灸的中心位置最高温度可达32 ℃。

图10 艾条燃烧10 min 时艾灸治疗区域上的温度场分布Fig. 10 Temperature field distribution diagram in moxibustion treatment area at 10-minute of moxa burning

3 讨论

随着针灸学的发展和灸法相关理论的普及，艾灸的国际影响力也在迅速提升[24，25]。36 点仿真测温仪器的研制， 实现了艾灸治疗区域温度值的同时采集，将以往的“点式测温”发展为“面式测温”，即实现了单个温度点测量向平面内热场测量的过渡， 能够更直观、更精确地观察艾灸治疗过程中的热场分布特征，为艾灸治疗的疗效、机制研究提供了量化的方法和仪器。

仿真测温仪器可以模拟传统艾灸热场试验，相对于传统临床试验和动物皮肤组织实验，该器具极大提高了艾灸热场测量的安全性、可靠性，整个操作更加的便捷高效，节省了时间，节约了人力，该仪器的研制为艾灸温度检测应用具有重要意义。