為無創艾灸治療開發的超音波裝
Kim G, Hwang YI, Ryu Y, Kim HJ, Bae YM, Kim KB. Ultrasonic device developed for non-invasive moxibustion therapy. Integr Med Res. 2021 Dec;10(4):100729. doi: 10.1016/j.imr.2021.100729. Epub 2021 May 19. PMID: 34150497; PMCID: PMC8190483.
最近，已經報道了一些艾灸的不良反應，如燒傷、煙霧、過敏等。為了克服傳統艾灸的不利影響，設計、模拟、制造和測試了超音波艾灸裝置（UMD）。本研究的目的是提供有關主要設計參數、仿真結果和性能測試結果的詳細資訊。
方法： UMD 的主要元件是帶有凹透鏡的 1 MHz 超音波換能器 （UT） 及其塗抹器。使用基于有限元法 （FEM） 的 COMSOL 軟體以圖形方式模拟和描述 UT 的聲壓和溫度分布。對豬肉皮的溫度分布進行了實驗驗證。豬肉的溫度變化曲線與治療時間的增加有關，在未聚焦點（2 mm）和焦距為13 mm處獲得。在性能測試中，使用新的UMD對小鼠腹部皮膚進行艾灸治療120 min，并擷取其組織學圖像以分析皮膚組織損傷。
結果： 溫度分布和聲壓的有限元模拟與實驗結果吻合。組織學圖像顯示，治療後小鼠腹部沒有皮膚組織損傷。結果表明，新開發的UMD能夠克服傳統艾灸療法的缺點，達到所提出的設計參數。
結論： 有限元模拟和性能測試為開發未來UMD提供了寶貴的資訊。此外，其性能可以與傳統的艾灸療法進行比較，以供未來研究。
艾灸在西太平洋地區因治療中風、疼痛等多種疾病而受關注。其方法分直接和間接兩種：直接灸是将錐形艾草燒于穴位上，間接灸則在皮膚與艾草間留白間。
艾灸溫度550-890°C，直接艾灸可加熱皮膚至56°C、外部至130°C；間接灸皮膚約65°C，皮下組織45°C。安全熱療溫度為42-44°C。艾灸産煙霧含有害物，與煙草煙霧相似。治療20-30分鐘/次，數周内每周幾次，緻治療者暴露煙害。
為解決傳統艾灸不足，研究者開發了新技術，如近紅外雷射、電艾灸等。但這些研究未詳述超音波艾灸（UMD）的制造、聲場、激活系統或設計參數。研究旨在提供UMD設計、制造和性能資訊。通過COMSOL模拟UT聲壓，實驗驗證其在豬肉中的溫度分布，進行小鼠艾灸治療并分析組織學圖像以評估損傷。
2. 方法
2.1. UMD的超音波系統
補充材料詳細介紹了一種安全艾灸治療的超音波系統（UT），控制UMD功率和處理時間在42-44°C安全範圍内。
治療時長設定為30分鐘。
主要元件包括：
脈沖發生器、功率放大器、16位微處理器(dsPIC33F, Microchip Technology, 美國)和微型熱敏電阻(Murata Electronics, 日本)。
使用音突發信号激勵UT，利用高信噪比效率。
功率放大器最大性能為50W，輸入電壓48V。
音調突發波形參數由微處理器控制，通過熱敏電阻實時監測UT溫度變化。
圖1展示了超音波系統的操作流程。
圖1
超音波系統操作過程流程圖：（a）音突發波波控制流程圖，（b）溫度回報系統流程圖。T是試樣的實時溫度。
在圖1a、設定波形參數後産生音脈沖激勵信号時，同時激活溫度回報邏輯。在圖1b，T為UT的實時溫度。如果UT的溫度超過最高溫度，則UT電源将被切斷。否則，如果皮膚溫度降低到低于最低溫度，則再次激活音調突發波形以激發UT。根據所選的治療時間，此過程最多持續 30 分鐘。
2.2. 有限元模拟
使用有限元軟體模拟并比較了裝配UT的體内聲壓，進行了300秒治療時間的熱分布模拟，設計并安裝了鋁制散熱器以防止過熱。熱分布涉及壓電元件（PZT）、水耦合劑、散熱器和凹透鏡。
2.3. 性能測試
實驗驗證了UMD性能，通過測量豬肉中的溫度變化和在小鼠皮膚上進行艾灸治療來分析。
使用1 MHz工作頻率和10 Hz PRF，脈沖持續時間從10%至100%。
插入深度為2和13 mm的微型熱敏電阻測量溫度1200秒。
實驗室溫下進行，確定實時精準控制豬肉溫度。
在小鼠腹部使用UMD艾灸120分鐘，設定與補充圖S1相同但替換為小鼠。
傳統艾灸30分鐘與UMD 120分鐘比較安全性和耐用性。
組織學分析評估皮膚損傷，使用H&E（ab245880）和MT（ab150686）染色劑。
根據供應商提供的方法進行染色操作。
3. 結果
3.1. 有限元分析
人體聲壓及其測得的聲壓的有限元模拟結果如下所示圖2（a）和（b）。
圖2
（a） 體内聲壓的模拟結果;（b） 有限元模拟的軸上聲壓和制備的UMD的實驗結果;有限元分析結果和新研制的超音波艾灸裝置：（c）安裝散熱器的超聲換能器的溫度分布與激發時間的增加的關系;（d） 兩個帶散熱器和不帶散熱器的UT的加熱曲線;随着豬肉激發時間的增加（10%、30%、50%、75% 和 100% 激發脈沖持續時間）獲得的溫度曲線：（e） 2 mm 深度的溫度曲線和 （f） 13 mm 深度的溫度曲線。
圖2展示了以下内容：
- (a) 1 MHz平面波從0 mm處産生，聲壓最大為0.83×10^6 Pa，聚焦于13毫米FD。
- (b) 紅/黑線分别代表模拟軸上聲壓和UMD的實驗結果；
三個UMD的FD分别為13 mm、13 mm和12 mm。
- (c) PZT在振動期間中心産生最高溫度。
仿真結果顯示300秒内激發時間增加對溫度的影響：
無散熱器（黑線）和有散熱器（紅線）的溫度曲線。
兩者初始均快速線性升溫20秒，但黑線的斜率是紅線的2.5倍，最終90°C vs 54°C。
- (d) 顯示了帶散熱器的UT的改進UMD圖像。
3.2. 性能測試
UMD療法性能測試圖2（e）和（f）顯示：100%脈沖持續時間下，約900秒内最大溫度變化達4°C，之後斜率近乎零。75%脈沖在1200秒時達4°C；10%、30%、50%斜率低于75%和100%。圖2（f）中，50%、75%、100%脈沖在1000秒左右達7°C，10%和30％的斜率随後幾無變化。
圖3顯示傳統艾灸治療（30 min）和超聲艾灸治療時間（0、30、60 和 120 min）的組織學分析結果。
圖3
蘇木精和伊紅 （H&E） 和 Masson 三色 （MT） 染色的艾灸治療後小鼠腹部皮膚圖像：（a） 傳統艾灸療法（直接和間接方法 30 分鐘）和 （b） 新型超音波艾灸裝置（0、30、60 和 120 分鐘）。
"灸療可緻皮膚損傷。超音波艾灸無損傷，120分鐘升溫6.5°C。" 這段縮寫保留了原文的核心資訊：灸療可能導緻皮膚變形和燒傷，但超音波艾灸在治療期間不會造成損傷，并明确了治療的時間和溫度變化。
4. 讨論
4.1. 有限元分析與性能測試
圖2(a)和(b)顯示，第三個UT的FD由于加工錯誤而較短，但測量半徑仍處于誤差範圍内（±0.5 mm）。
UMD的UT設計參數能模拟其焦點，成為傳統艾灸的一種替代方法。
與價格更低廉、結構更簡單的EMD相比，UMD可限制機械振動于特定點和區域，在三維空間精準刺激穴位。
4.2. 性能測試
實驗顯示，聚焦超聲于FD（焦點）能快速升溫，優于非聚焦區。
衍生設計參數用于控制艾灸治療中超50%脈沖時間的熱刺激點（見補充圖S3）。
小鼠測試顯示，在安全溫度範圍内持續120分鐘無皮膚損傷。
與典型灸療時間（20-30分鐘）相比，UMD的設計及其聲熱特性分析有效。
"超音波艾灸治療時間雖長，但避免了皮膚損傷。UMD能精準監測溫度變化，確定安全範圍内有效治療，無副作用。"
4.3. 臨床和研究意義
艾灸機理包括熱輻射、藥理作用，以熱實體效應為核心。燃燒草藥材料可緻痛灼傷，産生難聞氣味，可能引起頭暈、惡心和喉嚨不适。超聲艾灸旨在解決這些問題，提供詳細設計和制造參數。
4.4. 限制
醫療超聲裝置因高精度控制需昂貴材料，故需研究低成本UMD。UMD應針對不同藥材研究有效共振頻率。本研究使用1 MHz，但應進一步開發成本低、藥物特性分析的UMD。
4.5. 結論
開發了一種新型UMD替代傳統艾灸療法，具備以下特點：1. 內建1MHz超聲換能器（UT）。2. 使用凹透鏡和超音波系統控制激勵參數。3. 實時溫度回報系統確定安全熱處理（42-44°C）。4. 模拟和實驗結果證明其在有效熱療範圍内比傳統方法更安全穩定。5. 為未來研究開辟有前途的路徑。
Table 1 Components and material properties of UT components
| Components | Properties (unit) | Values |
| Piezo-electric material (Lead zirconate titanate) | Radius (mm) | 6.35 |
| Thickness (mm) | 1.96 | |
| Dielectric constant ( ) | 5500 | |
| Sound speed (m/s) | 3920 | |
| Acoustic impedance (106 kg/m2 s) | 30 | |
| Resonance frequency in thickness mode (MHz) | 1 | |
| Piezo-electric charge constant (10-12 N/m2) | 65 | |
| Curie point (℃) | 165 | |
| Near-field length of PZT, f1 | 11.86 | |
| Wavelength of the lens at the operating frequency, (mm) | 3.4 | |
| Concave lens (polymethyl methacrylate) | Curvature of the lens, R (mm) | 5.8 |
| Focal distance of the lens, F (mm) | 6.2 | |
| Center thickness of the lens, d (mm) | 0.85 | |
| Acoustic impedance (106 kg/m2 s) | 3.5 | |
| Sound speed (m/s) | 2800 | |
| Medium (human skin water) | Acoustic impedance (106 kg/m2 s) | 1.55 |
| Sound speed (m/s) | 1550 | |
| Backing material (Epoxy resin) | Acoustic impedance (106 kg/m2 s) | 3 |
| Sound speed (m/s) | 2600 |
Figure 1 Schematic diagram for the FD of UT with concave lens
Figure 2 Experimental setup for measuring the on-axis acoustic pressure: (a) Conceptual diagram and (b) Photograph