Singh S, Escobar A, Wang Z, Zhang Z, Ramful C, Xu CQ. Numerical Modeling and Simulation of Non-Invasive Acupuncture Therapy Utilizing Near-Infrared Light-Emitting Diode. Bioengineering (Basel). 2023 Jul 15;10(7):837. doi: 10.3390/bioengineering10070837. PMID: 37508864; PMCID: PMC10376585.
針灸作為全球廣泛使用的替代醫學，本研究探讨了一種非侵入性的近紅外LED模仿針灸刺激皮膚組織。通過建立計算模型，模拟皮膚組織與光的互相作用，并用有限元方法求解生物熱方程和Beer-Lambert定律來分析溫度分布。實驗驗證模型準确性後，系統研究了LED功率、持續時間、距離及多LED使用對溫度分布的影響，确定了安全工作功率範圍。這些資訊有助于優化熱劑量，實作安全有效的光熱療法。
過去20年，補充和替代醫學（CAM）使用增加，包括自然療法、脊椎按摩、針灸等。針灸尤其受歡迎，在北美迅速增長。盡管已有大量研究證明其臨床效果，但确切作用機制尚不明确。針灸是一種非藥物、微創的中醫療法，于2000多年前起源于中國，并在西方流行。治療時将細針插入特定穴位并刺激之，激活神經受體。最新的假說認為肥大細胞在針灸中起關鍵作用，穴位處肥大細胞濃度高，刺激後釋放物質增強血管通透性和神經激活。然而針灸的具體生物學機制仍待闡明，這限制了其在現代醫學中的進一步整合與發展。目前常用于治療肌肉骨骼病、胃腸病等多種疾病。
針灸治療可通過機械、熱（艾灸）、電刺激穴位。本研究關注艾灸，一種無需針頭的非侵入性熱療，減輕疼痛和感染風險。艾灸通過燃燒艾蒿對穴位進行局部熱敷，溫度控制在42°C-50°C以避免損傷。治療通常持續10-30分鐘，每周數次，數周一療程。療效與熱效應、輻射效應和藥理作用相關，其中熱刺激是關鍵因素。
"艾灸缺點：産生有害氣體和氣味。研究替代方案，如雷射、超音波及近紅外LED，旨在實作無煙味熱刺激效果。本研究評估近紅外LED艾灸樣治療的可行性。"
LED安全性高、成本低，适合各年齡段患者。市場已有LED藍光和紅光裝置用于家庭皮膚病治療。然而，目前尚無研究探讨近紅外LED作為艾灸棒的替代品及其與光組織互相作用的相關性。本研究通過實驗和數值模型探讨了近紅外LED對深層皮膚組織的溫度影響，并分析了不同參數對溫度變化的影響。研究成果有助于開發成本效益高的可穿戴LED裝置，實作家庭按需實體刺激治療。
2. 材料與方法
本節詳細介紹了用于研究LED照射對皮膚組織傳熱影響的計算域和數值架構。還介紹了組織的光學和熱特性、控制方程和邊界條件。最後，提供了所選LED輻照度曲線的表征細節，以及用于測試和驗證所開發的數值模型的實驗裝置。
2.1. 基于有限元法（FEM）的模型
圖1介紹了本研究中考慮的皮膚組織的計算域。皮膚模型包括三層：表皮、真皮和皮下組織[33,34,35]。每一層都具有不同的光學和熱特性。将LED放置在皮膚組織的頂面，LED表面的頂端和表皮皮膚層之間的距離可變。本研究的主要動機是量化 LED 輻照度與皮膚組織内溫度升高之間的互相作用。此外，由于血管結構的異質性、動脈和靜脈複雜網絡中的血流、代謝發熱以及組織特性對生理條件的依賴性，生物組織内的傳熱分析非常複雜[36,37,38]。Pennes 基于傅裡葉定律的生物傳熱模型因其簡單性、計算效率和成本效益而被廣泛用于預測人體内的溫度分布，适用于衆多生物和醫學應用。值得注意的是，Pennes 的模型是一個連續體模型，其中血管沒有單獨納入計算域;相反，它們的影響被歸結為一個稱為“血液灌注率”的單一因素。
圖1本研究中考慮的三層皮膚的3D模型示意圖。
使用 COMSOL Multiphysics 6 軟體，通過非結構化四面體網格單元離散計算域，實作有限元求解 LED 下皮膚溫度分布。確定網格獨立性解，總最佳單元數為162,118。設初始皮膚溫度為37°C，應用實驗獲得的高斯輪廓至頂面中心10分鐘。采用隔熱邊界條件和自然對流與輻射邊界條件(−k∇T=h(T−T∞)和−k∇T=εσ(T4−T4∞))，其中 h 為10 W/m^2K、環境溫度25°C、發射率0.95 和斯蒂芬-玻爾茲曼常數σ。
2.2. LED輻照度曲線
使用Thorlabs BP209IR1光束輪廓儀對特定近紅外LED（LUXEON IR Domed Line, Lumileds）進行光學特性分析。LED在850 nm波長下，發射角度為90°和150°。通過XYZ載物台微調實作精确對齊，采用杆夾緊LED散熱器組合并記錄相對位置零點。近距離測量提高光束輪廓精度。設定光束輪廓儀以接受850 nm波長，9.0 mm最大孔徑寬度和20 Hz掃描速率，以提高分辨率并降低飽和效應。利用定制軟體和電路闆進行實驗。兩個LED的光束輪廓由高斯曲線拟合，并在不同工作電流、電壓下測量獲得不同的工作功率。将獲得的資料作為皮膚表面輸入，在數值模型中量化光組織互相作用效果，并與制造商規格一緻。
圖2
(a） 用于确定 LED 光束輪廓的實驗裝置。實驗裝置的不同元件包括 XYZ 載物台、LED 散熱器、光束輪廓儀和用于操作 LED 的定制電路闆。（b） 典型光束剖面測量的快照。從左到右：90°（頂行）和 150° LED（底行）的 2D x 軸、2D y 軸和 3D 光束輪廓。
2.3. 用于測試 LED 的實驗裝置
使用2.6%瓊脂溶液，制備高0.9cm、直徑7.5cm的圓柱形凝膠。采用圖3實驗設定，LED置于凝膠頂面，K型熱電偶插入2mm深處監測溫度變化。對每種LED進行三次試驗，記錄0.802A、3.6V下90°和150°LED作用下5分鐘的溫度變化。原文縮寫：1. 用2.6%濃度瓊脂溶液制備圓柱形凝膠。2. 圖3展示實驗設定：LED置于凝膠頂面。3. 熱電偶插入2mm深處監測溫度。4. 每種LED進行三次試驗：90°和150°、0.802A、3.6V，持續5分鐘。
圖3
用于測量溫度曲線的實驗裝置的照片視圖。右下角的快照是溫度曲線實驗中使用的實際瓊脂凝膠樣品。
3. 結果
3.1. 實驗驗證
對比數值模拟與瓊脂模型實驗，驗證了開發的模型保真度，使用ρ=1050 kg/m^3, cp=4219 J/kg·km，k=0.66 W/m·km等熱光性質參數。忽略血液灌注和代謝熱量産生以保持一緻性。LED照射5分鐘的溫度曲線比較顯示90°和150°模式的實驗誤差為3.19%和2.1%，數值預測與實驗資料相關因子R分别為0.98和0.97，平均誤差分别為0.95°C和1°C。溫度曲線的一緻性增強了對結果的信心。接下來将擴充數值模型至皮膚組織光學熱特性及微血管灌注。
圖4
比較發射模式為 （a） 90° 和 （b） 150° 的 LED 在 2 mm 深度處的實驗測量和數值預測溫度曲線。
3.2. 輸入LED電源對皮膚内溫升的影響
本節報告參數分析結果，探讨輸入功率和持續時間對LED對皮膚組織溫升的影響。我們選取10分鐘的治療時間，確定在深度≥2mm處達到>43°C的熱刺激，符合艾灸治療要求。參數分析針對850 nm波長、90°和150°發射角的近紅外LED進行。盡管LED可運作在1000 mW最大功率，為避免發熱自損問題，最大運作功率設定為700 mW。圖5a顯示了90° LED直接接觸三層皮膚模型時皮膚的瞬态溫度升高情況。分析結果表明：1. 随着LED工作功率增加，皮膚組織内最大溫升相應增加。2. 提高100 mW LED功率所導緻的最高溫度相對跳躍大緻相同。3. 在300 mW工作下的皮膚最高溫度低于50°C；高于300 mW則超過50°C。4. 初始溫度急劇上升後随時間穩定飽和；高功率下達到飽和所需時間更長。5. 大部分情況下，在5-6分鐘内達到飽和狀态。研究強調最高溫度将保持恒定且不會因治療時間延長而提高。然而，由于熱量傳導，在組織的熱效應區域可能随時間擴大。
圖5
90° 發射模式 LED 的輸入功率對 （a） 皮膚組織内随時間推移的最大溫升，以及 （b） LED 照射 10 分鐘後沿皮膚深度的溫度變化的影響。
内容縮寫：
圖5b顯示了LED治療10分鐘後皮膚内的溫度分布。
溫度峰值發生在真皮層而非表皮層，歸因于對流冷卻效應。
随着組織深度增加，溫度下降。
功率增加可提高皮膚深層的溫度。
熱敏受體TRPV通道在43°C和53°C以上被激活，引起生物反應。
特定溫度區間具有降低膽固醇效果，并需在安全範圍内操作以避免損傷。
研究确定基于90° LED的安全工作功率為200-300 mW，150° LED為300-500 mW，確定治療效果同時避免損傷。
圖6
150° 發射模式 LED 的輸入功率對 （a） 皮膚組織内随時間推移的最大溫升，以及 （b） LED 照射 10 分鐘後沿皮膚深度的溫度變化的影響。
圖7：LED照射10分鐘皮膚加熱量，目标溫度43-50°C。發射模式90°和150° LED，安全功率分别≤400 mW和600 mW，避免組織熱損傷。功率增加導緻加熱體積突增。
圖7
在發射模式為 （a） 90° 和 （b） 150° 的 LED 照射 10 分鐘後，使用高于 43 °C 和 50 °C 協定的溫度獲得的加熱體積變化。
圖8對比了兩個LED（90°和150°）在500mW功率下的療效。90° LED具有更聚焦的發射角度，能在聚焦區域産生更大的能量沉積，導緻皮膚内溫升更高（圖8a）。10分鐘後溫度分布如圖8b所示，90° LED性能優于150°。原因是高斯輪廓标準偏差分别為4.6 mm和7 mm，說明150° LED照射面積更大。是以，若要傳熱更深，則選90° LED；若要加熱大面積，則選150° LED。10分鐘後43°C等溫線表明，90° LED影響深度為5.4 mm，而150°為4 mm。故根據功率和發射角選擇LED将顯著影響治療效果。
圖8
在500 mW的輸入功率下工作時，90°和150°的LED發射模式對（a）皮膚組織内的最大溫升和（b）沿皮膚組織深度的溫度分布的影響。在LED照射10分鐘後，在43°C等溫線下獲得的加熱區，發射模式為（c）90°和（d）150°。
3.3. LED與表皮表面距離對熱傳遞的影響
圖9和10分析了不同距離下LED對皮膚組織溫度影響。在90°和150°發射模式下，LED分别以300 mW和500 mW功率運作。研究了兩種距離：無間隙（0 μm）和2000 μm間隙。結果表明：1. 随着距離增加，最高溫度顯著下降。10分鐘後，最高溫度降低37.6%。2. 表皮-真皮界面和真皮-皮下脂肪界面的溫度分别下降8.7%和7.3%。3. LED照射強度随距離增加而減弱，導緻組織内溫度下降。4. 當LED距皮膚表面2000 μm時，光束高斯輪廓标準偏差從4.6 mm增至6.1 mm，照射強度降低。5. 體積加熱至43°C的時間：直接接觸幾乎瞬間達到；2000 μm處需近3分鐘。6. 加熱10分鐘後，距離增加導緻所需加熱體積下降372%。總結：LED與皮膚表面的距離對其加熱效果有顯著影響。
圖9
增加 90° LED（工作在 300 mW）與皮膚表面之間的距離對 （a） 皮膚組織内的最大溫升，（b） 沿皮膚組織深度的溫度分布，以及 （c） 使用 T > 43 °C 協定獲得的加熱量的影響。當 LED 與皮膚表面之間的間隙為：（d） 0 μm 和 （e） 2000 μm 時，LED 照射 10 分鐘後皮膚組織内達到的溫度分布（以 °C 為機關）。
圖10
增加 150° LED（工作功率為 500 mW）與皮膚表面之間的距離對 （a） 皮膚組織内最大溫升和 （b） 沿皮膚組織深度的溫度分布的影響。當 LED 與皮膚表面之間的間隙為：（c） 0 μm 和 （d） 2000 μm 時，LED 照射 10 分鐘後皮膚組織内達到的溫度分布（以 °C 為機關）。
150° LED顯示出，距離增大，溫度顯著降低：10分鐘加熱後，2000μm間距使表皮最高溫度下降59%。表皮-真皮和真皮-皮下層界面溫度分别降低13.31%和11.8%。光束寬度增加導緻照射強度減弱。2000μm間距下，43°C目标未達成。得出結論：LED與皮膚距離關鍵影響療效，可調節以控制皮膚内最高溫度以達到所需治療效果。
3.4. LED數量增加對皮膚組織内溫度升高的影響
内容縮寫：本分析基于穴位位置已知的前提，目的是利用近紅外LED進行穴位熱刺激，誘導肥大細胞脫粒，激活血管和神經機制，産生治療效果。也可應用于穴位未知情況，通過多LED加熱大皮膚區域。我們提出的案例研究顯示，90°LED以300mW功率同時驅動多個時，加熱體積随LED數量增加而顯著增加。使用2、3、4、5個LED後10分鐘的加熱體積分别增至324%、674%、1014%和1338%。同時達到43°C所需時間也減少。
圖11
增加的LED對等溫線43°C所達到的體積的影響。
内容簡化版：圖12展示固定距離10mm的多LED排列布局。該配置可優化LED間距（a），調整不同功率（b），以控制皮膚組織内的最高溫度，保障安全并達到治療效果。
圖12
使用不同數量的 LED 獲得的皮膚表面等溫線 43 °C 的頂視圖的圖形表示。
4. 讨論
我們提出一種非侵入性類似針灸療法，使用可見藍光和紅光LED為皮膚提供實體刺激。與針刺和艾灸相比，該療法無需插入針頭或燃燒艾草。進行了可行性研究，探究近紅外LED對皮膚組織熱刺激的有效性。開發計算架構量化近紅外LED照射下多層皮膚組織的時空溫度分布。實驗表征了兩種商用LED的輻照度分布，并在瓊脂幻影凝膠上進行了測試，對比數值模型預測結果。驗證後将模型擴充至多層皮膚組織研究熱傳遞。
本可行性研究量化了LED輸入功率、治療時長和距離對兩種LED在皮膚溫度分布的影響。關鍵參數分析見圖5-10。研究旨在提供不超50°C的最佳操作條件，以減少對皮膚的不可逆損傷。此外，提出案例研究使用多LED增強熱刺激效果，如圖10和11所示。
開發模型存在局限性，主要涉及驗證和離體環境。盡管如此，報告結果有助于了解LED治療與組織間的互動。參數分析突出了提高LED療法有效性的關鍵因素，如工作功率與最高溫度的關聯。這些資訊對于設計安全工作的LED裝置至關重要，并可用于開發控制算法以維持安全溫度。我們團隊正專注于解決這些局限性，并緻力于将數值結果轉化為臨床應用。我們正在開發微型裝置，可安裝在可穿戴紡織品上，為佩戴者提供按需的身體刺激。縮寫：模型有驗證和離體環境局限；盡管這樣仍然有利于了解光-組織互動。參數分析突出提高療效關鍵因素：工作功率影響皮膚最高溫度。資訊關鍵于設計安全LED裝置并開發控制算法保持安全溫度。團隊緻力于轉化研究至臨床應用，開發微型裝置應用于可穿戴紡織品，為使用者帶來按需身體刺激的便利性。
5. 結論
開發了一種計算架構，用于量化基于近紅外LED治療的皮膚組織内的熱傳遞。通過瓊脂模型實驗驗證模型準确性，實驗與數值預測結果一緻。分析了功率、持續時間、LED與皮膚距離及數量對最高溫度的影響。發現工作功率和發射角顯著影響溫度分布，可通過調整位置控制最高溫度。多LED應用可優化加熱體積。基于LED的療法安全有效，深度4-5毫米。該研究為量化最佳設定提供依據，未來有望開發低成本微型裝置，實作家中安全熱刺激。注意：由于原内容較長且包含多個關鍵點，縮寫時盡量保留主要資訊和結論性觀點以保持準确性和完整性。