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.
针灸作为全球广泛使用的替代医学，本研究探讨了一种非侵入性的近红外LED模仿针灸刺激皮肤组织。通过建立计算模型，模拟皮肤组织与光的相互作用，并用有限元方法求解生物热方程和Beer-Lambert定律来分析温度分布。实验验证模型准确性后，系统研究了LED功率、持续时间、距离及多LED使用对温度分布的影响，确定了安全工作功率范围。这些信息有助于优化热剂量，实现安全有效的光热疗法。
过去20年，补充和替代医学（CAM）使用增加，包括自然疗法、脊椎按摩、针灸等。针灸尤其受欢迎，在北美迅速增长。尽管已有大量研究证实其临床效果，但确切作用机制尚不明确。针灸是一种非药物、微创的中医疗法，于2000多年前起源于中国，并在西方流行。治疗时将细针插入特定穴位并刺激之，激活神经受体。最新的假说认为肥大细胞在针灸中起关键作用，穴位处肥大细胞浓度高，刺激后释放物质增强血管通透性和神经激活。然而针灸的具体生物学机制仍待阐明，这限制了其在现代医学中的进一步整合与发展。目前常用于治疗肌肉骨骼病、胃肠病等多种疾病。
针灸治疗可通过机械、热（艾灸）、电刺激穴位。本研究关注艾灸，一种无需针头的非侵入性热疗，减轻疼痛和感染风险。艾灸通过燃烧艾蒿对穴位进行局部热敷，温度控制在42°C-50°C以避免损伤。治疗通常持续10-30分钟，每周数次，数周一疗程。疗效与热效应、辐射效应和药理作用相关，其中热刺激是关键因素。
"艾灸缺点：产生有害气体和气味。研究替代方案，如激光、超声波及近红外LED，旨在实现无烟味热刺激效果。本研究评估近红外LED艾灸样治疗的可行性。"
LED安全性高、成本低，适合各年龄段患者。市场已有LED蓝光和红光设备用于家庭皮肤病治疗。然而，目前尚无研究探讨近红外LED作为艾灸棒的替代品及其与光组织相互作用的相关性。本研究通过实验和数值模型探讨了近红外LED对深层皮肤组织的温度影响，并分析了不同参数对温度变化的影响。研究成果有助于开发成本效益高的可穿戴LED设备，实现家庭按需物理刺激治疗。
2. 材料与方法
本节详细介绍了用于研究LED照射对皮肤组织传热影响的计算域和数值框架。还介绍了组织的光学和热特性、控制方程和边界条件。最后，提供了所选LED辐照度曲线的表征细节，以及用于测试和验证所开发的数值模型的实验装置。
2.1. 基于有限元法（FEM）的模型
图1介绍了本研究中考虑的皮肤组织的计算域。皮肤模型包括三层：表皮、真皮和皮下组织[33,34,35]。每一层都具有不同的光学和热特性。将LED放置在皮肤组织的顶面，LED表面的顶端和表皮皮肤层之间的距离可变。本研究的主要动机是量化 LED 辐照度与皮肤组织内温度升高之间的相互作用。此外，由于血管结构的异质性、动脉和静脉复杂网络中的血流、代谢发热以及组织特性对生理条件的依赖性，生物组织内的传热分析非常复杂[36,37,38]。Pennes 基于傅里叶定律的生物传热模型因其简单性、计算效率和成本效益而被广泛用于预测人体内的温度分布，适用于众多生物和医学应用。值得注意的是，Pennes 的模型是一个连续体模型，其中血管没有单独纳入计算域;相反，它们的影响被归结为一个称为“血液灌注率”的单一因素。
图1本研究中考虑的三层皮肤的3D模型示意图。
使用 COMSOL Multiphysics 6 软件，通过非结构化四面体网格单元离散计算域，实现有限元求解 LED 下皮肤温度分布。确保网格独立性解，总最佳单元数为162,118。设初始皮肤温度为37°C，应用实验获得的高斯轮廓至顶面中心10分钟。采用隔热边界条件和自然对流与辐射边界条件(−k∇T=h(T−T∞)和−k∇T=εσ(T4−T4∞))，其中 h 为10 W/m^2K、环境温度25°C、发射率0.95 和斯蒂芬-玻尔兹曼常数σ。
2.2. LED辐照度曲线
使用Thorlabs BP209IR1光束轮廓仪对特定近红外LED（LUXEON IR Domed Line, Lumileds）进行光学特性分析。LED在850 nm波长下，发射角度为90°和150°。通过XYZ载物台微调实现精确对齐，采用杆夹紧LED散热器组合并记录相对位置零点。近距离测量提高光束轮廓精度。设置光束轮廓仪以接受850 nm波长，9.0 mm最大孔径宽度和20 Hz扫描速率，以提高分辨率并降低饱和效应。利用定制软件和电路板进行实验。两个LED的光束轮廓由高斯曲线拟合，并在不同工作电流、电压下测量获得不同的工作功率。将获得的数据作为皮肤表面输入，在数值模型中量化光组织相互作用效果，并与制造商规格一致。
图2
(a） 用于确定 LED 光束轮廓的实验装置。实验装置的不同组件包括 XYZ 载物台、LED 散热器、光束轮廓仪和用于操作 LED 的定制电路板。（b） 典型光束剖面测量的快照。从左到右：90°（顶行）和 150° LED（底行）的 2D x 轴、2D y 轴和 3D 光束轮廓。
2.3. 用于测试 LED 的实验装置
使用2.6%琼脂溶液，制备高0.9cm、直径7.5cm的圆柱形凝胶。采用图3实验设置，LED置于凝胶顶面，K型热电偶插入2mm深处监测温度变化。对每种LED进行三次试验，记录0.802A、3.6V下90°和150°LED作用下5分钟的温度变化。原文缩写：1. 用2.6%浓度琼脂溶液制备圆柱形凝胶。2. 图3展示实验设置：LED置于凝胶顶面。3. 热电偶插入2mm深处监测温度。4. 每种LED进行三次试验：90°和150°、0.802A、3.6V，持续5分钟。
图3
用于测量温度曲线的实验装置的照片视图。右下角的快照是温度曲线实验中使用的实际琼脂凝胶样品。
3. 结果
3.1. 实验验证
对比数值模拟与琼脂模型实验，验证了开发的模型保真度，使用ρ=1050 kg/m^3, cp=4219 J/kg·km，k=0.66 W/m·km等热光性质参数。忽略血液灌注和代谢热量产生以保持一致性。LED照射5分钟的温度曲线比较显示90°和150°模式的实验误差为3.19%和2.1%，数值预测与实验数据相关因子R分别为0.98和0.97，平均误差分别为0.95°C和1°C。温度曲线的一致性增强了对结果的信心。接下来将扩展数值模型至皮肤组织光学热特性及微血管灌注。
图4
比较发射模式为 （a） 90° 和 （b） 150° 的 LED 在 2 mm 深度处的实验测量和数值预测温度曲线。
3.2. 输入LED电源对皮肤内温升的影响
本节报告参数分析结果，探讨输入功率和持续时间对LED对皮肤组织温升的影响。我们选取10分钟的治疗时间，确保在深度≥2mm处达到>43°C的热刺激，符合艾灸治疗要求。参数分析针对850 nm波长、90°和150°发射角的近红外LED进行。尽管LED可运行在1000 mW最大功率，为避免发热自损问题，最大运行功率设定为700 mW。图5a显示了90° LED直接接触三层皮肤模型时皮肤的瞬态温度升高情况。分析结果表明：1. 随着LED工作功率增加，皮肤组织内最大温升相应增加。2. 提高100 mW LED功率所导致的最高温度相对跳跃大致相同。3. 在300 mW工作下的皮肤最高温度低于50°C；高于300 mW则超过50°C。4. 初始温度急剧上升后随时间稳定饱和；高功率下达到饱和所需时间更长。5. 大部分情况下，在5-6分钟内达到饱和状态。研究强调最高温度将保持恒定且不会因治疗时间延长而提高。然而，由于热量传导，在组织的热效应区域可能随时间扩大。
图5
90° 发射模式 LED 的输入功率对 （a） 皮肤组织内随时间推移的最大温升，以及 （b） LED 照射 10 分钟后沿皮肤深度的温度变化的影响。
内容缩写：
图5b显示了LED治疗10分钟后皮肤内的温度分布。
温度峰值发生在真皮层而非表皮层，归因于对流冷却效应。
随着组织深度增加，温度下降。
功率增加可提高皮肤深层的温度。
热敏受体TRPV通道在43°C和53°C以上被激活，引起生物反应。
特定温度区间具有降低胆固醇效果，并需在安全范围内操作以避免损伤。
研究确定基于90° LED的安全工作功率为200-300 mW，150° LED为300-500 mW，确保治疗效果同时避免损伤。
图6
150° 发射模式 LED 的输入功率对 （a） 皮肤组织内随时间推移的最大温升，以及 （b） LED 照射 10 分钟后沿皮肤深度的温度变化的影响。
图7：LED照射10分钟皮肤加热量，目标温度43-50°C。发射模式90°和150° LED，安全功率分别≤400 mW和600 mW，避免组织热损伤。功率增加导致加热体积突增。
图7
在发射模式为 （a） 90° 和 （b） 150° 的 LED 照射 10 分钟后，使用高于 43 °C 和 50 °C 协议的温度获得的加热体积变化。
图8对比了两个LED（90°和150°）在500mW功率下的疗效。90° LED具有更聚焦的发射角度，能在聚焦区域产生更大的能量沉积，导致皮肤内温升更高（图8a）。10分钟后温度分布如图8b所示，90° LED性能优于150°。原因是高斯轮廓标准偏差分别为4.6 mm和7 mm，说明150° LED照射面积更大。因此，若要传热更深，则选90° LED；若要加热大面积，则选150° LED。10分钟后43°C等温线表明，90° LED影响深度为5.4 mm，而150°为4 mm。故根据功率和发射角选择LED将显著影响治疗效果。
图8
在500 mW的输入功率下工作时，90°和150°的LED发射模式对（a）皮肤组织内的最大温升和（b）沿皮肤组织深度的温度分布的影响。在LED照射10分钟后，在43°C等温线下获得的加热区，发射模式为（c）90°和（d）150°。
3.3. LED与表皮表面距离对热传递的影响
图9和10分析了不同距离下LED对皮肤组织温度影响。在90°和150°发射模式下，LED分别以300 mW和500 mW功率运行。研究了两种距离：无间隙（0 μm）和2000 μm间隙。结果表明：1. 随着距离增加，最高温度显著下降。10分钟后，最高温度降低37.6%。2. 表皮-真皮界面和真皮-皮下脂肪界面的温度分别下降8.7%和7.3%。3. LED照射强度随距离增加而减弱，导致组织内温度下降。4. 当LED距皮肤表面2000 μm时，光束高斯轮廓标准偏差从4.6 mm增至6.1 mm，照射强度降低。5. 体积加热至43°C的时间：直接接触几乎瞬间达到；2000 μm处需近3分钟。6. 加热10分钟后，距离增加导致所需加热体积下降372%。总结：LED与皮肤表面的距离对其加热效果有显著影响。
图9
增加 90° LED（工作在 300 mW）与皮肤表面之间的距离对 （a） 皮肤组织内的最大温升，（b） 沿皮肤组织深度的温度分布，以及 （c） 使用 T > 43 °C 协议获得的加热量的影响。当 LED 与皮肤表面之间的间隙为：（d） 0 μm 和 （e） 2000 μm 时，LED 照射 10 分钟后皮肤组织内达到的温度分布（以 °C 为单位）。
图10
增加 150° LED（工作功率为 500 mW）与皮肤表面之间的距离对 （a） 皮肤组织内最大温升和 （b） 沿皮肤组织深度的温度分布的影响。当 LED 与皮肤表面之间的间隙为：（c） 0 μm 和 （d） 2000 μm 时，LED 照射 10 分钟后皮肤组织内达到的温度分布（以 °C 为单位）。
150° LED显示出，距离增大，温度显著降低：10分钟加热后，2000μm间距使表皮最高温度下降59%。表皮-真皮和真皮-皮下层界面温度分别降低13.31%和11.8%。光束宽度增加导致照射强度减弱。2000μm间距下，43°C目标未达成。得出结论：LED与皮肤距离关键影响疗效，可调节以控制皮肤内最高温度以达到所需治疗效果。
3.4. LED数量增加对皮肤组织内温度升高的影响
内容缩写：本分析基于穴位位置已知的前提，目的是利用近红外LED进行穴位热刺激，诱导肥大细胞脱粒，激活血管和神经机制，产生治疗效果。也可应用于穴位未知情况，通过多LED加热大皮肤区域。我们提出的案例研究显示，90°LED以300mW功率同时驱动多个时，加热体积随LED数量增加而显著增加。使用2、3、4、5个LED后10分钟的加热体积分别增至324%、674%、1014%和1338%。同时达到43°C所需时间也减少。
图11
增加的LED对等温线43°C所达到的体积的影响。
内容简化版：图12展示固定距离10mm的多LED排列布局。该配置可优化LED间距（a），调整不同功率（b），以控制皮肤组织内的最高温度，保障安全并达到治疗效果。
图12
使用不同数量的 LED 获得的皮肤表面等温线 43 °C 的顶视图的图形表示。
4. 讨论
我们提出一种非侵入性类似针灸疗法，使用可见蓝光和红光LED为皮肤提供物理刺激。与针刺和艾灸相比，该疗法无需插入针头或燃烧艾草。进行了可行性研究，探究近红外LED对皮肤组织热刺激的有效性。开发计算框架量化近红外LED照射下多层皮肤组织的时空温度分布。实验表征了两种商用LED的辐照度分布，并在琼脂幻影凝胶上进行了测试，对比数值模型预测结果。验证后将模型扩展至多层皮肤组织研究热传递。
本可行性研究量化了LED输入功率、治疗时长和距离对两种LED在皮肤温度分布的影响。关键参数分析见图5-10。研究旨在提供不超50°C的最佳操作条件，以减少对皮肤的不可逆损伤。此外，提出案例研究使用多LED增强热刺激效果，如图10和11所示。
开发模型存在局限性，主要涉及验证和离体环境。尽管如此，报告结果有助于理解LED治疗与组织间的交互。参数分析突出了提高LED疗法有效性的关键因素，如工作功率与最高温度的关联。这些信息对于设计安全工作的LED设备至关重要，并可用于开发控制算法以维持安全温度。我们团队正专注于解决这些局限性，并致力于将数值结果转化为临床应用。我们正在开发微型设备，可安装在可穿戴纺织品上，为佩戴者提供按需的身体刺激。缩写：模型有验证和离体环境局限；尽管这样仍然有利于理解光-组织交互。参数分析突出提高疗效关键因素：工作功率影响皮肤最高温度。信息关键于设计安全LED设备并开发控制算法保持安全温度。团队致力于转化研究至临床应用，开发微型设备应用于可穿戴纺织品，为用户带来按需身体刺激的便利性。
5. 结论
开发了一种计算框架，用于量化基于近红外LED治疗的皮肤组织内的热传递。通过琼脂模型实验验证模型准确性，实验与数值预测结果一致。分析了功率、持续时间、LED与皮肤距离及数量对最高温度的影响。发现工作功率和发射角显著影响温度分布，可通过调整位置控制最高温度。多LED应用可优化加热体积。基于LED的疗法安全有效，深度4-5毫米。该研究为量化最佳设置提供依据，未来有望开发低成本微型设备，实现家中安全热刺激。注意：由于原内容较长且包含多个关键点，缩写时尽量保留主要信息和结论性观点以保持准确性和完整性。