艾灸床运行过程中表面的温度分析

周伟伟，鲁 浩，姜 巍，郑玲利*

（1.广东工业大学机电工程学院，广州 510006；2.广州海福医疗器械有限公司，广州 511475）

0 引言

艾灸床是以中医的艾灸为原理、以中医针灸疗法中的灸法为基础，结合现代技术制造的一种艾灸专用医疗床[1-3]。艾灸床以绿色健康的养生理念被广泛认可，其灸法的显著疗效已经得到整个医学界的公认。目前的艾灸床具有垫板可移动拆卸、床体相对封闭，能聚药、聚热、渗透力强，灸面广、有艾、有烟、有火的特点[4]。在艾灸床上做一次艾灸可以同时针对多个穴位治疗，能发挥出更有效的医疗作用，因此艾灸床得到了市场与消费者的青睐[5-9]。

目前，艾灸床已经与自动化技术、人工智能技术、计算机技术等相结合。2019年广东工业大学的张保静[10]实现了艾灸床的自动点火、自动控制排风扇等功能，但是在控温方面依然采取手动控温。艾灸床腔内的艾柱燃烧规律和艾灸床表面的温度变化是实现自动控温的基础。艾灸床在运行过程中，排风扇的强弱、艾柱托盘与铁丝网之间距离的变化、艾柱托盘固定或摇摆模式等都是影响艾灸床表面温度变化的关键因素。由于目前与艾灸床温度相关的研究文献较少，本文以某投入市场使用的艾灸床为例，主要从艾灸床运行过程中的温度着手，研究艾灸床腔内的艾柱燃烧规律和表面温度场分布情况，分析艾灸床测温平面温度与艾柱托盘和铁丝网的距离之间的联系以及艾灸过程中高温点出现的位置，为实现艾灸床自动控温提供良好的理论依据和技术指导。

1 实验设备

1.1 艾灸床

艾灸床采用广州海福医疗器械有限公司提供的艾灸床产品，可使用遥控器控制艾灸床的点火、艾柱托盘与铁丝网之间距离、艾柱托盘的摇摆模式、排烟状态等。该艾灸床在艾灸过程中可同时燃烧18根艾柱，为艾灸提供充足的热源；排烟电动机有高挡和低挡2种工作模式，保证了燃烧腔内良好的空气循环；艾灸床腔内采用钢板结构，保证了艾灸过程的密闭性，可有效减少艾药的流失。采用南阳市水木荣春生物技术有限公司生产的艾灸床专用艾柱，规格：长（20±1）mm，直径（30±1）mm，质量8~10 g，1次艾灸实验需要18根艾柱。

1.2 测温仪

采用本单位自主研发的测温仪，其是一台使用热电偶进行测温的设备，其最大的特点在于高度集成，能够实现密集的温度测量。该测温仪可同时进行30个测温点的测量，测温量程为0~1 300℃，精度为±0.3℃，采集温度的时间间隔为3 s，其热隔离设计有效减少了环境温度对测温芯片的影响，在一定程度上保证了实验数据的稳定性和可靠性。与其相匹配的上位机可提供人性化的实时温度显示界面，在实验过程中可随时查看温度情况，且实验数据以Execl表格的形式保存，为后期实验数据的处理提供了便利。

2 实验方法

根据艾灸床的工作原理和结构特点，依照艾灸时艾柱的分布（如图1所示），将测温点按照矩阵形式进行布置（如图2所示），2、5、7、8、9、11、14、16、17、18、19、21、22、24、25、27、28、30号测温点在艾柱的正上方，剩余测温点依据对称性原则选取，便于后续的数据分析。其中，1~9号测温点为艾灸时肩颈部位置，10~18号测温点为艾灸时腰臀部位置，19~30号测温点为艾灸时腿部位置。实验过程中艾柱托盘与铁丝网之间的距离调节示意图如图3所示，其中H为艾柱托盘与铁丝网之间的距离，可根据实验需要进行调节。在同一条件下，即相同的艾柱托盘与铁丝网之间的距离、艾柱大小、艾柱托盘的摇摆模式，每组实验重复2次，每次实验持续45 min，环境温度为±2℃。为保证艾灸床腔内良好的空气循环，使得艾柱充分燃烧，实验过程中的排风扇采用高挡模式。对同一组实验的2次实验数据进行拟合优度检验，以保证其可信度。

图1 艾灸床中的艾柱分布图

图2 实验时的测温点布置

图3 实验过程中艾柱托盘与铁丝网之间的距离调节示意图

实验开始前，确定测温平面，将艾灸床铁丝网下20 mm作为测温平面。调节艾柱托盘与铁丝网之间的距离，共包括艾柱托盘在铁丝网下方185、245、295、335 mm 4个高度。将测温仪的温度探头依次在确定的测温平面上安装固定，为避免偶然误差和实验设备带来的影响，在正式实验开始前，用数字温度计对环境温度进行检测，并与测温仪显示的温度进行比对（允许误差在±1℃），判断测温仪显示的温度是否可靠。记录当前实验的环境温度、环境湿度等信息，为后续的实验数据分析提供参考。

实验时，艾灸床腔内温度先上升后下降，艾灸床工作45 min后，艾灸床腔内温度已不满足艾灸的条件，结束实验。

3 实验数据分析

3.1 艾灸过程中高温点出现的位置分析

对艾灸床运行过程中高温点的位置进行分析时，确定测温平面为铁丝网下20 mm，调节艾柱托盘距离铁丝网185、245、295、335 mm。设置艾柱托盘为固定模式，将每组实验的数据分肩颈部、腰臀部和腿部3个部分进行曲线拟合，绘制成温度曲线图。

其中，25~30号测温点靠近排风扇，其实验数据整体偏低，因此在小腿部温度曲线中只绘制了艾柱正上方的25、27、28、30号测温点的温度变化情况。

测温平面为铁丝网下20 mm，艾柱托盘距离铁丝网为185 mm时的各点温度曲线如图4所示。虽然每个测温点曲线的峰值不一样，但是温度曲线总体趋势大致相同，都经历了温度快速上升期、缓和上升期与缓和下降期3个阶段。各测温点的峰值都出现在艾灸过程中的第13~19分钟，这是由于艾柱在此期间得到充分燃烧，释放了最大热量。肩颈部、腰臀部和腿部3个位置的温度曲线相比较，腰臀部位置的测温点整体峰值更高，18号测温点的峰值达到了105℃，10号测温点的峰值在整个腰臀部峰值中为最低，也达到了85℃。而肩颈部和腿部位置测温点的整体峰值偏低，肩颈部位置各测温点平均峰值为88℃，腿部位置各测温点平均峰值为87℃，肩颈部区域1号测温点和3号测温点的温度峰值只有78℃左右。这主要是因为腰臀部位置的艾柱更加密集，燃烧过程中的热量更加集中，艾灸过程中空气由肩颈部向腿部循环，使得肩颈部位置产生的热量没有在肩颈部聚集，而向腰臀部方向转移。而腿部位置安装有排风扇，是艾烟的出风口，到达此处的热量直接被艾烟带走，也不会在此大量聚集。

测温平面为铁丝网下20 mm，艾柱托盘距离铁丝网为245、295、335 mm时的各点温度曲线分别如图5~7所示。各区域的测温点峰值与图4进行对比，发现出现了大幅度下降，整体温度峰值偏低，这是由于此时的测温平面距离艾柱燃烧源较远，但腰臀部位置的测温点整体峰值依然很高。

图4 测温平面为铁丝网下20 mm，艾柱托盘距离铁丝网为185 mm时的温度曲线

图5 测温平面为铁丝网下20 mm，艾柱托盘距离铁丝网为245 mm时的温度曲线

3.2 艾灸过程中艾柱托盘固定和摇摆模式下的温度场分布规律

选取艾灸床铁丝网下20 mm为测温平面，分析艾柱托盘距离艾灸床铁丝网为185 mm时的数据。以1号测温点为原点，艾灸床宽方向为x轴、长方向为y轴，设置艾柱托盘固定和摇摆2种模式，分别构建艾灸过程中温度上升期和下降期某一时刻的温度场。其中，艾柱托盘固定模式下的温度场如图8所示，此模式下温度场的梯度较大，上升期的温差达到了25℃，下降期的温差为20℃。艾灸床腔内的温度分布不均匀，高温点在腰臀部位置出现，并且艾柱正上方的测温点温度明显高于其他点的温度，这主要是因为艾柱托盘处于固定模式，艾灸床腔内的热量没有循环流动。艾柱托盘摇摆模式下的温度场如图9所示，与图8相比较，图9的温度场表面的温差更小，温度场分布更加均匀，在温度上升期温差为14℃，在温度下降期温差只有10℃。

图8 艾柱托盘固定模式下的温度场

图9 艾柱托盘摇摆模式下的温度场

3.3 艾灸过程中与铁丝网不同距离时的温度曲线对比

选取铁丝网下20 mm作为测温平面，将艾柱托盘与铁丝网的距离分别设置为185、245、295、335 mm，调整艾柱托盘为固定模式。从整体峰值较高的腰臀部选取11号和17号测温点，分别构建这2个测温点在整个艾灸过程中艾柱托盘与铁丝网不同距离时的温度曲线。11号测温点在艾柱托盘与铁丝网不同距离时的温度曲线如图10所示，艾灸过程中艾灸床表面整体温度随着艾柱托盘与铁丝网之间的距离增大出现递减的趋势，当艾柱托盘与铁丝网之间的距离为185、245、295 mm时，11号测温点的温度各峰值比较接近，为90℃；当艾柱托盘与铁丝网之间的距离为335 mm时，11号测温点的温度峰值下降到81℃，但在这4个距离下，11号测温点温度峰值出现的时间都集中在第15分钟左右。17号测温点在艾柱托盘与铁丝网不同距离时的温度曲线如图11所示，与图10的11号测温点相比，17号测温点在艾柱托盘与铁丝网之间的距离为185、245、295 mm时，其温度峰值更高，最高达到了100℃，而当艾柱托盘与铁丝网之间的距离为335 mm时，17号测温点与11号测温点的温度峰值接近，为80℃。这是由于艾柱托盘与铁丝网之间的距离最大时，与测温平面距离最远，热量随着艾烟的流动最大，此时不会有大量的热量集中在一起。

图10 11号测温点在艾柱托盘与铁丝网不同距离时的温度曲线

图11 17号测温点在艾柱托盘与铁丝网不同距离时的温度曲线

当艾柱托盘与铁丝网之间的距离从185 mm变为245 mm时，11号测温点的最大温度变化为5℃，而17号测温点的最大温度变化达到了10℃；当艾柱托盘与铁丝网之间的距离从245 mm变为295 mm时，11号和17号测温点的温度几乎没有变化；当艾柱托盘与铁丝网之间的距离变为335 mm后，11号和17号测温点的温度下降幅度明显变小。

4 讨论

图6 测温平面为铁丝网下20 mm，艾柱托盘距离铁丝网为295 mm时的温度曲线

艾灸床在运行过程中，其表面的温度变化与多个因素有关，如艾柱托盘与铁丝网之间的距离、艾柱托盘的摇摆状态等。在临床中，温度作为艾灸床的关键因素，无论是进行实时监测还是准确控制，艾灸床控温设备温度传感器位置的确定都显得尤为重要。为保证艾灸过程中的温度对人体不造成伤害，需要严格控制整个艾灸过程中温度的峰值。本文的实验结果显示，由于艾灸床自身结构的原因，艾柱托盘与铁丝网不同距离时的高温点都出现在腰臀部位置，因此在进行艾灸床控温设备温度传感器的布置时，腰臀部区域可作为重点参考区域。同时在临床中，温度作为艾灸的关键指标，对其进行准确调节可提高艾灸的疗效，并可满足不同临床者对温度的需求。通过实验分析，艾灸床表面的测温点峰值以及整体温度与艾柱托盘和铁丝网之间的距离具有紧密的关系，当艾柱托盘与铁丝网之间的距离减小时，艾灸床表面的温度也随之上升，因此在实现艾灸床自动控温的过程中，可利用艾柱托盘与铁丝网之间的距离变化来有效调节艾灸床表面的温度。

图7 测温平面为铁丝网下20 mm，艾柱托盘距离铁丝网为335 mm时的温度曲线

实验过程中，艾灸床表面的温度场分布与艾柱托盘固定或者摇摆模式有很大关系。实验结果表明，当艾柱托盘设置为摇摆模式时，艾灸床腔内具备良好的热量流动，热量不在某一点出现大量聚集，艾灸床表面的温度场显得更加均匀，使得患者受热均衡，达到最佳的艾灸疗效。艾灸床表面的温度场分布规律对改善艾灸床内部构造、实现艾灸床整体温度的均匀性具有良好的指导意义。为避免艾灸床表面某些死角的温度过低、某些艾柱密集点温度过高，可引入其他装置保证艾灸床腔内良好的空气循环流动。

本次实验还存在许多需要完善和进一步研究的地方：由于实验设备的影响和实验条件的限制，实验数据都是在同一表面采集，没有进行同一测温点在同一时刻艾柱托盘与铁丝网之间不同距离时的纵向实验，这在一定程度上影响了实验数据的准确性和研究方法的合理性，将在后续研究中进行改进。为得到成熟的艾灸床自动控温数学模型，下一步研究将从推导艾灸床表面温度变化和艾柱托盘与铁丝网之间的距离变化之间的具体数学关系、研究艾灸床中的艾柱如何分布会提升艾灸的疗效等几个方面展开。