多学科交叉在艾灸科研成果中的转化与应用——以智能灸法机器人研发应用为例

杨莎，温中蒙，谈迎峰，尹海燕，吴巧凤，何昭璇，张承舜，余曙光▲

(1.成都中医药大学，四川 成都 611137；2.智美康民(珠海)健康科技有限公司，广东 珠海 519000)

2021年出版的《中国科技成果转化2020年度报告(高等院校与科研院所篇)》统计数据结果显示，2019年全国共有3450家以转让、许可、作价投资方式转化科技成果的公立高等院校和科研院所，同期签订的合同数量呈现增长。与上一年度相比，合同项目数量为15035项，增长32.3%；合同总金额152.4亿元，下降19.1%。可见，高等院校及科研院所是各类科技成果研发的主力军，在成果数量迅猛增长的同时，同样面临着严峻的考验。近年来，美、英等发达国家的科技成果转化水平已达70%，我国虽然在论文、专利方面涌现了较多成果，但我国科技成果的转化率约为20%[1]。由此不难发现，我国科技成果转化水平仍然与发达国家存在一定差距，其中我国的传统艾灸疗法转化率形势更加不容乐观。目前各大高校一直在努力实践将科技成果转化为能真正应用于临床的项目。

艾灸疗法为我国独具特色的外治疗法之一，自古以来被广泛用于防治各类疾病。《灵枢·官能》云：“针所不为，灸之所宜。”明朝李梴《医学入门》则强调：“凡病药之不及，针之不到，必须灸之。”不难看出，艾灸在传统补充替代疗法中占据重要地位。近年来，为满足我国卫生事业和社会发展及人民健康的重大需求，艾灸相关从业者一直在努力扩大艾灸的临床应用范围并提升临床疗效。通过深入探讨明确艾灸治病机理、阐释治病科学内涵，将有利于提高艾灸临床疗效并扩增临床应用范围。基于艾灸治病机理进行灸法理论创新，进一步可促进灸法的临床实践应用，最终积极地推动艾灸事业的发展。但在《针灸发展2030 纲要》[2]指出：“基础研究与临床严重脱节，成果难以回归和促进、提高临床疗效”，由此说明在艾灸成果的回归和转化问题上，同样面临严峻的挑战，如何更好地促进成果回归和转化值得深入探讨。

多学科交叉是未来科学发展的必然趋势。艾灸科研成果的转化离不开社会需求与协同创新，通过多学科的交叉融合，最终促进艾灸相关科研成果向临床实践应用领域转化。其中医学与工程技术的交叉融合、协同创新，即医工结合，是促进医学进步的重要推动力[3]。“医工结合”需切实围绕医学临床中的实际需求，进行协同创新，方可有效地打破工科与医学间的壁垒，互为补充，实现学科间真正的交叉融合，取得“1+1>2”的临床应用效果。基于“医工结合”，针具的进化与物理技术(电、光、声、磁等)相结合产生的治疗仪器的研发是针灸临床转化成果可能的重要方向[4]。在技术层面，传统疗法相关的重要针灸诊疗电子仪器正沿着智能化、集成化、模块化、数字化、多功能化的趋势发展[5]。未来,通过运用先进的传感器技术、机器学习方法调整艾灸器具研制,进一步增加灸具的智能化,并发展智能化可佩戴灸具,将是中国艾灸仪发展的必然趋势[6]。因此，以“医工结合”为切入点，利用多学科交叉技术，融合当前的艾灸研究成果，积极研发智能艾灸机器人，此机器人将是艾灸研究过程中代表性的重要科技转化成果。

1 结合实验设计，分离实验因素

相关艾灸机制研究初步发现：热、光、烟为艾灸治病的起效因素，亦或是上述因素综合发挥着艾灸的治疗效应。目前基础研究主要集中在艾灸作用于局部腧穴产生的综合效应(即热、光、烟起效因素的结合)，尚缺乏系统严格的实验设计进行对比研究，目前尚不清楚起效因素在艾灸治疗过程中发挥的具体作用和所占权重。因此，未来研究艾灸的相关作用机理，将从以下四个方面逐一攻克：探索起效因素分别在综合效应中所占权重及其产生灸效的生物学基础；明确单一起效因素与疗效的关系；评价独立起效因素在艾灸临床效应中的安全性；明确热、光、烟的作用机制与特点。上述四个方面研究透彻，将有助于艾灸科研成果转化并广泛应用于临床。但如何实现起效因素的分离是研究中的重点与难点。因此，目前设计智能艾灸机器人时，利用机器学习，采集不同的信号，阶段性分离实验起效因素十分必要。例如，目前的智能艾灸机器人可以通过以下步骤获得第一采样信号：设计滤烟效率检测算法；设计风扇调速方法、电路、艾灸仪及介质；对吸烟风扇的驱动电流进行信号采样。智能艾灸机器人对上述采集到的第一信号进行滤波处理,并将滤波后的信号作为基准信号；在第一预设时间间隔后,对所述吸烟风扇的驱动电流进行周期性采样；对每次采样得到的信号进行滤波处理,并将滤波后的信号作为待测信号；根据所述待测信号与所述基准信号，进行滤烟效率的监测[7]。通过上述步骤可有效分离实验因素，有利于实验精准化进行。

2 转化研究成果，实现精准控温

团队前期临床和实验结果表明，影响艾灸疗效的因素众多(选穴、灸感、灸量等)，其中“灸温”通过影响灸感、灸量，最终决定灸效。目前现代研究主要集中于艾灸的温热效应、光学效应(光辐射效应[8])、艾烟效应[9]等。相关机制研究提供了基础，发现在抗炎、降脂、抗氧化、防治动脉粥样硬化[10]等方面，45℃/46℃艾灸的治疗效应均优于38℃艾灸。临床艾灸温度也并非温度越高，效应越强。国内相关学者持一致观点认为绝大多数情况下，当灸温≥50℃时，即使继续升高灸温，艾灸的热效应也不再无限递增。上述研究结果初步提示，合适的灸温是临床取效和增效的关键因素。为保证临床取得最佳疗效，如何精细化可调控施灸温度是目前需要攻克的难题。因此，如何实现智能艾灸机器人的精准控温，是目前设计研发过程中需要重点考虑的问题。结合人工智能、传感器技术，利用高精度激光传感器，实现高频和高精度反馈，在艾灸过程中穴位定位和机器人运动过程(尤其是雀啄灸)中艾灸头末端与人体表面距离反馈，确保机器人艾灸过程中的高动态响应，精准控温的同时防止烫伤[11]。目前智能艾灸机器人拥有精准控温头，可实现艾灸的精准控温。如图1所示，为智能艾灸机器人的实体设备。

图1 智能艾灸机器人实体设备

3 智能艾灸操作，全程方便快捷

目前艾灸的人群使用率虽然较高，但如何规范、高效的使用艾灸的方法在人群中并不普及。艾灸流程标准化及灸效灸量规范化问题也阻碍了艾灸的进一步推广。基于前期团队对临床艾灸的使用问题调研结果，结合医学工程技术，将机器人技术与艾灸疗法进行深度融合，从艾灸机械手的控制，搭载目标跟随点的定位方法，获取人体安全包络线方法，进一步还设计了包含工具头的除灰系统，如图2所示。

基于智能模块采集获得的穴位位置信息和安全距离信息控制艾灸机械手。整个艾灸仪使用过程包括：第一步，确定艾灸机械手的坐标信息,控制艾灸机械手移动至穴位，艾灸机械手内光源照射在人体上形成的光点(光点的中心点)，进一步采集光点的穴位坐标信息；第二步，确定艾灸机械手的旋转角度信息,从而调整艾灸机械手的角度细节[12]；第三步，艾灸机器人搭载了目标跟随点的定位，获取第一时刻的目标对象的第一点云数据(目标对象上的多个外表面点的坐标)以及目标跟随点的第一坐标(位于目标对象上)；第四步，基于第一点云数据与第一坐标分别计算各外表面点到目标跟随点的距离值，获取第二时刻的目标对象的第二点云数据；第五步，根据第一点及第二点云数据获取各外表面点的位置偏移量、各外表面点到目标跟随点的距离值、各外表面点的位置偏移量，第一坐标获取目标跟随点的第二坐标[13]，最终成功设计了获取人体安全包络线的方法[14]。图2介绍的智能艾灸机器人，通过具有完全自主知识产权的机器人运动控制算法，实现人机协作机器人的灵活性，进一步实现传统艾灸的基础手法(雀啄灸、回旋灸和温和灸)的同时，还可复现经典灸法(如督脉灸)等。该施灸仪提供了空气吹灰和机械抖灰(对应人工吹灰和手动抖灰)两种解决方案，成功实现艾灸过程中艾灰的清洁处理问题，可有效避免灸灰掉落到人体表面，发生烫伤事故。如图2所示，为核心技术展示图。其中包括特色施灸模拟机械手、自动调节精准控温头、高校净烟过滤系统、自动除灰系统等。

图2 核心技术展示

艾绒燃烧时可产生200余种具有较好生物活性的化学物质[15]，同时产生一种十分有效并适宜于机体的红外线，这使得艾灸具备热辐射和光辐射效应，发挥物理、化学等综合作用。影响艾灸疗效的因素较多，艾灸作用要素与机制繁杂，如何通过准确选择艾灸原材料以及精准艾灸仪器的研发，在合理保留热辐射、光辐射与药化作用的情况下，改变施灸时间、方式、面积等以影响灸量，是未来艾灸器具研究创新的方向之一。临床相关艾灸操作过程难度大，存在明火安全隐患，致使艾灸器具的研制存在一定难度[16]。临床仪器的研发最终目的是简化操作、提高效率及临床疗效[17]。未来以临床问题需求为导向，在“医工结合”的基础上，结合多学科交叉技术，进一步协同创新，融合创新的科研成果，是艾灸科研成果转化的重要方向及内容。