世界第一臺針灸機器人研制經驗總結與啟發＊

劉進先，徐天成，張笑興

（1.正源春中醫門診部針灸科，廣東 廣州 510630；2.南京中醫藥大學針灸系，江蘇 南京 210023；3.廣州天河區林和街社區衛生服務中心針灸科，廣東 廣州 510635）

1990 年，筆者在四川瀘州醫學院附屬中醫院（現為西南醫科大學）針灸科工作期間，在臨床治療及科研中發現，每一個醫生治療同一個病人的選穴和針刺手法均不同，且同一醫生自己也很難保證在行針之間的手法完全保持一致。這樣的情況對科研工作者來說，就很難確保因針刺手法的不一致而導致的科研實驗數據的客觀性、科學性、標準性及量化的準確性，從而導致科研數據的真實性存疑。

為此進行了“針灸機器人”科研項目，目的就是使其針刺手法達到數量化、客觀化、標準化、科學化，同時用針灸機器人來模擬名老專家的針刺手法并儲存于本機中，再由本機器人按名老專家手法進行自動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永傳后代。

另外，同時開發通用針灸診療電腦專家系統醫理設計，由針灸機器人自動診斷疾病，辯證選穴，再由針灸機器人進行針灸操作治療。于1990—1996 年進行了以上科研工作，并開發出了一臺針灸機器人樣機，由于當時經費短缺尤其是電腦人工AI 及機器人方面的技術限制，未全部完成研制任務，但獲得了一些開發研制方面的成功經驗；但也有失敗的經驗，發現了一些技術上的難度是制約針灸機器人研制的瓶頸技術，至今可能也難以攻克。

隨著機器人技術的突飛猛進、人工AI 智能的高度發展，以及衛星定位、高質量像素、高掃描儀器及傳感器的高度發展，現又掀起了一股針灸機器人的研發高潮[1-2]，為此本文總結了30 年前的研究成果以供后來者借鑒參考。

1 研究方法

1.1 針灸機器人針刺手法技術參數及試驗穴位確定

試驗穴位主要是對下關、曲池、足三里、梁丘、豐隆、期門、肺俞、百會等頭、面、胸、背及四肢的代表穴位進行試驗針刺，以點帶面，便于全身穴位使用。選用針具為華佗牌不銹鋼針，規格為26～30 號、0.5～5 in（1 in≈2.5 cm，現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。進針角度分為直刺、斜刺、平刺3 種角度。進針方法為夾持捻轉進針。進針速度均采用快速刺入皮下再按要求進行各種手法操作。留針時間一般為10～30 min，也可根據需要任意確定留針時間。取穴方法根據傳統的骨度分寸、解剖標志、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、捻轉法、迎隨法及平補平瀉法共5 種單式手法，以及提插加捻轉法、疾徐、提插加捻轉法等9 種復式手法[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一個信息，則自動停止進針，然后在此水平采用提插、捻轉各種手法。暈針時，由現場醫生及時進行處理。

1.2 電腦專家系統醫理設計

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

1.3 手法記錄裝置

手法記錄裝置可真實地記錄著名專家的寶貴針刺手法的精髓，同時又可通過微電腦系統經計算機發出控制命令，驅動各執行機構協調針刺動作，從而按模擬專家的針刺手法對病人進行針刺治療，使名老專家的針灸手法永傳后代。

1.4 針灸機器人樣機技術要求

根據針刺手法技術參數的要求，本樣機應設計6個驅動電路，即6 個自由度才能確保針刺的位置和姿態，如圖1 所示。

圖1 控制系統結構框圖

電源為交流電壓220 V/50 Hz 或直流電壓24 V。整機要求既能獨立運行，又能與手法記錄儀、專家系統組配使用。

微電腦系統由MCS-51 單片機及外設組成，能準確模擬和儲存針刺手法，并與上位機通信，便于存盤；且能控制和發出命令，驅動各執行機構，進行各種針刺手法的操作。鍵盤應具有選擇各種針刺手法、啟動、停止等人機對話功能。數碼管顯示器應具有顯示各種鍵盤信息和工作狀態的功能，如圖2、圖3 所示。

圖2 三步進電機驅動電源電原理圖

圖3 控制系統硬件框圖

針灸機器人的功能要求是必須具備臨床技術要求和針刺手法技術參數的要求，材料要求是必須要選用經久耐用、不易損壞、質優價廉的材料。驅動電路以小型號步進電機作為驅動部件，以保證執行。機械手和控制部分為最關鍵部分，如圖4 所示。

圖4 機械手裝備圖

要求機械手結構簡單科學，使用靈活輕便，能持26～30 號、0.5～5 in 長的各種不銹鋼針灸針，不能有絲毫松動和掉落發生，并進行自動選穴，自動進出針及各種針刺手法的操作，達到臨床和手法技術參數的要求。押手裝置應高于患者皮膚1～2 cm，具有輔助機械手進針的功能，當針刺進后，押手應自動松開針體而不影響各種針刺手法的正常操作，押手應上、卸方便，便于高溫高壓消毒。

本機進行操作的正常阻力為肌肉和肌腱組織，當遇見骨頭時要求機械手自動停止進針。本機必須設置自動保險裝置，一旦工作異常，該裝置能自動停機，以確保安全。

根據臨床技術和針刺手法參數要求，設計出相應的軟硬件。專家系統由IBM 或兼容機、顯示器、繪圖儀手法記錄裝置等組成，要求本系統能準確模擬和儲存專家的手法和診療經驗，并進行診斷、取穴等工作。同時在顯示屏上進行相應的顯示，根據需要進行繪圖和打印。

此針灸機器人既獨立成體系，又可與針刺治療機組配使用，并向微電腦系統輸送信息，從而控制微電腦系統實現各種手法的操作。

針刺手法參數技術要求如下：進針速度為5～1 000 mm/s，刺入皮下瞬間為1 0 mm/s，提插幅度為0～30 mm，捻轉角度為30°～360°，捻轉頻率為50～500 次/min，進針深度為5～100 mm，以上根據不同部位可進行相應的調整。

動物試驗：擇犬或豬為試驗對象，共30 只，取已定穴位，在每只動物身上進行3～5 次試驗，以觀察樣機的各項功能指標的安全度，然后才能用于人體試驗。

臨床驗證：取50～100 例病人，在每例病人身上進行3～5 次針刺觀察，對樣機的質量、功能、安全度等進行全面考核驗收。

2 研究結果

完成了通用針灸診療電腦專家系統的醫理設計，并于1993 年發表在《瀘州醫學院學報》第1 期上[7]，由于科研經費嚴重短缺，改為研制2 個自由度的機械手，并于1995 年研制出了具有2 個自由度的針灸機器人樣機（在購買的豬腿和豬肉上進行了初步試驗，達到了設計功能）。

該樣機質量為100 kg，底座設置有4 個萬向輪并帶有剎車，根據針灸臨床病房使用實際情況而設置了推車型針灸機器人以方便病床病人使用，由于針刺中會產生振動，故機器自身的質量較重以此保持穩定性；為了安全起見，避免針刺中推車滾動，所以轉向輪設置了剎車裝置。由于后續經費嚴重短缺故未進行臨床試驗，于1996 年底進行了結題。針灸機器人樣機如圖5 所示。

圖5 臺樣機圖

3 討論

針灸機器人研究是現代電子計算機和高尖機械技術引入針灸領域的重大突破，使煩瑣復雜的針刺手法簡單化、規范化、量化，以便于臨床運用和對外擴大交流，以上既是統一的整體，又可單獨獨立使用。

30 年前計算機和機器人技術相對于現在還比較落后，限于當時科學技術和經費問題，僅完成了部分工作，如前所述。

30 年前的設計思路與現在研究相比也是比較超前的，對當今研究針灸機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障礙，或許今天也可能無法全部解決，原因是針灸機器人主要運用于臨床治療，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

人體有經穴361 穴，另加經外奇穴共計有400 多穴，再加上數不勝數的阿是穴，所以針灸機器人自動定穴、選穴，當時的技術很難達到，因此采用人工選穴定位予以配合。目前傳感器、高像素相機及掃描儀、MR 及CT 成像技術、衛星定位技術是否可以應用到人體經絡腧穴上準確定位，并由針灸機器人自動選穴進針，也是亟待解決的重大技術問題。

3.2 運針問題

針灸要反復運針才能確保療效，因此機械手要來回運針，這是一個非常難的技術問題，因為來回運針要求重復精度和定位精度較高，必須要使用應變片作壓力傳感器以保證針夾頭能準確地套住針尾并夾緊，但套針時，機械手對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鍵的問題，針灸機器人是對人進行針刺，所以安全必須放在第一位。首先，進針深度根據不同部位必須嚴格控制，保證安全；其次，遇到阻力加大時（如骨頭），機械手必須停針，否則會彎針、斷針。傳感器如何來判斷肌肉、肌腱與骨胳阻力的不同參數，這也是待解決的重大技術問題。當時筆者因受到錄音機放磁帶的影響，受到磁帶放完錄音機就自動停止的啟發，曾有研究過，但終因當時技術問題而未解決。

3.4 掃描儲存名老專家手法問題

如何量化掃描名老針灸專家現場針刺手法并轉由機械手按專家手法進行基本一致的操作，即一邊是名老專家操作，另一邊是機械手給另一個病人進行專家的同種手法操作，這也是一個很高的技術要求，這方面因為當時經費所限未開展此研究，但當初筆者是想借用上海市針灸研究所在20 世紀80 年代初研制成的“SFY-1 型復式針刺手法參數分析儀”[8]配合使用，建議現在研究者仍可參考該儀器的技術。

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值。這方面要多擴大臨床病人的試驗例數，建議選取300～500 例病人進行試驗。因當時科研經費嚴重短缺，故未開展此工作。

4 結束語

展望未來，當今計算機技術、機器人技術、人工AI 技術、傳感器技術均突飛猛進，高度發展，已經逐漸具備了解決針灸機器人研制的瓶頸技術。今后研究開發針灸機器人的科研工作者可以在30年前研究的基礎上，對曾經在研發中總結出的5 大技術問題采用現代高科技技術進行認真研究，相信在不遠的將來，一個擁有完整構思的針灸機器人一定會誕生！