激光穴位照射

激光灸疗仪中温度场的分析研究

理学院光电092 石晶莹090

摘要：艾灸是一种物理和药理结合的中医疗法，也是传统中医疗法的重要组成部分。传统的艾灸过程中，其治疗安全得不到保障，治疗过程复杂，劳动量大，治疗效率低，灸疗过程中产生的烟雾会污染环境等问题。因此，现代化的灸疗仪[1]器的研制是非常必要的，也是今后医疗行业发展的必然趋势。

由于激光穴位照射多采用低强度激光，因此激光的温热作用起着比较重要的作用。本文对艾条燃烧的空间温度场进行分析；进行了艾灸和激光灸疗的疗效实验研究；分别对激光照射猪肝和人体皮肤的温度场研究。此研究对后续激光灸疗仪的设计起到关键作用。

关键词：艾灸；激光；温度场；光谱分析

一．激光灸疗仪简介

1.1作用机理

艾灸治疗核心为两部分：热辐射特性和药物特性，激光灸疗仪中激光代替灸条燃烧产生的温热刺激，艾草提炼的精油代替艾灸过程中产生的药性。

一般认为激光的生物效应有 5 种：热效应、压强效应、光化学效应、电感效应和刺激效应。当激光照射机体时，这 5 种效应均存在。同时，所使用的激光光源不同，5种生物效应的作用强度也有所不同。由于激光穴位照射多采用低强度激光，因此激光的温热作用起着比较重要的作用[3]。

1.2激光穴位照射的定义

激光穴位照射，也称激光针灸(Laser acupuncture)，是在中医经络理论辩证论治思想指导下，采用激光对穴位进行照射以达到防病、治病和保健作用的一种治疗方法[2]。

激光针灸治疗以无痛、无感染、无明显禁忌穴，安全、不晕针且剂量可控、操作简便等优点[4]，目前被广泛的应用于内科、外科、妇科、儿科、神经科、皮肤科、口腔科、耳鼻喉等各科[5]。激光穴位照射治疗疾病的机理研究，是国内外较为关注的一个问题。

中国从1973 年开始把激光穴位照射应用于临床。目前，国内外使用比较普遍的激光灸疗仪是采用半导体激光做为光源。它具有体积小、重量轻、携带使用方便等优点[6]。

二．激光灸疗仪温度场分析

以下分别对艾条燃烧、隔物灸、隔物灸对猪肉、激光照射猪肝、激光照射人体皮肤的温度场研究。

2.1艾灸燃烧温度场

艾灸的一个关键问题就是要保证患者在治疗过程中不被灼伤或是烧

伤，这就涉及到艾灸时的治疗距离和治疗时间，避免温度超过人体的承受

极限值，我们就有必要对艾条燃烧时的温度场分布进行研究分析，对艾灸

和激光灸效果对比分析具有重大意义。本实验室温为恒定28 摄氏度，艾

条的形状是圆柱形，端面直径为16mm，高度为150mm，固定在试验台上。试验台如图2-3 所示，试验台上，热电偶就可以测量不同高度不同径

向位置的各个空间的温度。

从表中可以看出，在高度为0mm径向距离为0mm（即艾条燃烧

表面中心点）的位置温度特别高，达到392 摄氏度，比其他位置高出

很多；还得出离燃烧点越远温度变化梯度越小，离燃烧点越近温度变

化梯度越大，不是等温变化趋势。

2.2隔物灸表面温度-时间曲线测量

2.2.1隔物灸表面温度-时间曲线

将生姜分别切成3mm，4mm，5mm，6mm 厚的均匀薄片，用针在姜片上等间距穿10 个小孔。选取准备好的姜片，将热电偶固定在姜片底面的中央，点燃艾条，将其放置在姜片的中央，所得结果如图2-6 所示。

与直接灸相比，隔姜灸的温度要低很多，这也是隔姜灸在传统中医中更加得到重视的原因。姜片越厚，在施灸的过程中，保温的效果越好。但是如果姜片太厚，温升又不足以影响足够的温热刺激，灸疗的效果势必会受到影响。因此，选择合适的姜片厚度在隔物灸中是非常重要的。

2.2.2隔物灸对猪肉作用的温度-时间曲线

为了研究隔物灸对人体皮肤的温热刺激，我们选取猪肉作为皮

肤的替代品。将热电偶封装在针管中，猪肉放在自制的样品盒中，

样品盒的底部用激光开有可以将热电偶放过去的小孔，将整个样

品盒放在架子上，架子上表面中心有一个孔，热电偶可以从中穿

入猪肉中，实验装置示意图如图2-7 所示试验结果如图2-8 所示。从图 2 中可以看出，在艾灸过程中，组织的温度经历了先上升后下降的过程。三．激光生物作用温度场分析

3.1光在生物组织中的传输过程

如图3-1 所示，光与生物组织之间的相互作用规律是由其光学性质决定的。用于描述生物组织光学性质的四个基本特性参数是：平均折射率、吸

收系数、散射系数以及散射相函数，它们都是波长和特定组织类型的函数。3.2激光照射猪肝组织温度场分析

3.2.1激光照射猪肝组织温度场理论计算

以下用软件理论计算，图3-3（a）为照射过程中200s 时的计算结果，图3-3（b）为激光即将撤离时的温度场，分析这两幅图可以得出加热过程中组织温度的变化趋势为：在激光入射表面中心处，温度最高，这是由于高斯光束的能量分布特点是中心强度最大。图3-3（c）和图3-3（d）分别给出了光源撤离后420s 和480s 时的温度场，从中可知，虽然当光源撤离（360s 时）后组织的温度会有所下降，但是热量会继续在组织中扩散，受热区域也随之变大，延长

了激光的作用时间[7]。

图3-4 所示为r=0 时，从上往下分别是z=0, 2, 4, 6mm 处温度随时

间的变化。

3.2.2激光照射生物组织温度测量实验

本实验拟测量半导体激光（808nm）照射猪肝组织时r=0mm 不同深

度处的温度,以此检验前文计算的温度场。所测得结果如图3-6 所示。对

比图3-6 与图3-4 发现，实验所测得的温度变化趋势与理论计算相

同。与计算的结果类似，实验值与理论上的计算值基本接近，变化

趋势一致，但是并没有完全重合。究其原因，可能是因为数值计算

时设定的参数并非实验时的参数；另外，虽然热电偶的探头已经很

小，但是对于温度梯度较大的生物温度场来说，0.8mm 的范围内温

度也会产生明显的变化，这使实测位置与计划所测位置有所偏差，

所测温度并不完全是r=0mm 处深度的方向。

图3-15 所示为调节光斑大大小对组织温升的影响。与激

光功率对温度场的影响类似，调节光斑的大小对于组织表面

的温度影响较明显，但对于组织内部，因为其温度呈指数变

化，所以光斑大小的调节对于组织内部的影响效果也不是非

常明显。分析这样的原因，是因为激光功率和光斑大小对组织内部温

度的影响都可以归结为激光功率密度的影响。

3.3激光照射人体皮肤时的温度场如图3-11[8][9][10]

3.4 总结

（1）激光对生物组织的作用有一定保温效果，从而延长了激光对组

织的作用时间，与隔物灸对猪肉的作用有类似之处。

（2）半导体激光同时兼具了宽度和深度方向的热效应，这与艾灸作用过程中光的热效应和穿透效应同时起作用有相似之处，半导体激光器更适合作为激光灸疗