第37卷 第12期
2009年 12月
华 中 科 技 大 学 学 报 (自然科学版)
J . Huazhong Univ. of Sci. & Tech. (Natural Science Edition)
Vol. 37 No. 12
Dec. 2009
收稿日期 : 2009204229.
作者简介 : 范晓红 (19772) ,女 ,讲师 , E2mail : xhfan @mail. hust . edu. cn.
高功率 L ED 光针灸及其应用
范晓红a 李正佳a ,b
(华中科技大学 a 光电子科学与工程学院 ; b 武汉国家光电实验室 (筹) , 湖北 武汉 430074)
摘要 : 分析了单管高功率 L ED 光针灸的针刺作用和温灸作用机理 ,并采用自主研制的单管高功率 L ED 针灸
仪 (输出功率 500 mW ,波长 830 nm)对人体穴位进行直接照射而模拟传统针灸进行试验. 实验结果
明 :单管
高功率 L ED 光针灸在治疗肩周炎方面效果良好 ,且治疗时间较短. 这种高功率 L ED 光针灸法解决了传统激
光针灸的需要光纤传输等固有局限 ,也解决了低功率 L ED 阵列光源疗法照射时间长的局限.
关 键 词 : 红外辐射 ; 发光二极管 ; 高功率 ; 光针灸 ; 针刺 ; 温灸
中图分类号 : TN249 文献标识码 : A 文章编号 : 167124512 (2009) 1220044204
High2power L ED acupuncture and its medical application
Fan X i aohonga L i Zheng j i aa ,b
(a College of Optoelect ronics Science and Engineering ; b Wuhan National Laboratory for
Optoelect ronics , Huazhong University of Science and Technology , Wuhan 430074 , China)
Abstract : The principle of light acup unct ure of high power light emit ting diode (L ED) , the acup unc2
t ure effect and moxibustion effect , were analyzed. Single2t ube high power L ED (power 500 mw ,
wavelengt h 830 nm) was used to irradiate human acu2point to simulate conventional acup uncture. The
comp uted and experimental result s indicate that high power L ED light acup unct ure was usef ul for
periart hritis of shoulder t reating and needed shorter time. This high power L ED light acup uncture
solves t he rest rictions of laser acup uncture , such as fiber t ransmission , and the low energy L ED array
irradiation , long t herapy time.
Key words : inf rared radiation ; light emit ting diodes ; high power ; light acup uncture ; acup unct ure ;
moxibustion
自 1970 年 Plog 首次开始激光针灸研究以
来 ,各类相关激光针灸研究都报告了良好的治疗
效果 ,而采用的非医学设计的激光器的固有缺陷
限制了激光针灸的应用和发展[1 ,2 ] . 大量的实验
研究表明人眼安全的 L ED 光源能够达到低能量
激光类似的治疗效果[3~5 ] ,采用输出功率为 0. 5
W 以上的单管高功率 L ED 生物光源直接穴位照
射 ,可获得激光针灸相同的治疗效果. 高功率
L ED 光针灸解决了激光针灸需要光纤传输且传
输损耗大的局限 ,是对激光针灸的改进 ,将有可能
成为光针灸技术中的一种重要手段. 本文分析了
高功率 L ED 光针灸的针刺作用和温灸作用机理 ,
并采用自主研制的单管高功率 L ED 针灸仪 ,对肩
周炎患者位进行直接穴位照射治疗 ,获得了相应
的治疗试验结果.
1 高功率 L ED 光针灸机理
含水生物组织对近红外光 (0. 76 μm~1. 5
μm)的吸收系数较小 ,对于 830 nm 左右红外光的
吸收系数约为 0. 020 ,吸收长度约为 50 cm ,组织
内的穿透深度较深[6 ] . 光在穿透组织过程中的各
向散射和后向反射 ,以及组织吸收光能导致温度
上升引起的体积膨胀 ,都对生物组织产生一定的
压力 ,这种压力能模拟传统针灸的针刺作用[7 ] ;
830 nm 近红外光与传统艾灸产生的热辐射波长
近似[ 8 ] ,被组织吸收的红外光子能模拟传统温灸
作用. 红外 L ED 光针灸过程中也存在一定的生物
刺激作用和电磁作用 ,光针灸不是单一的某一过
程 ,而是多重生物过程的协同作用 ,本文主要从光
针刺作用和光温针灸作用两方面进行分析.
1. 1 高功率 L ED 针灸的针刺作用
由于穿透过程中的散射和反射等作用 ,因此
光子和生物组织之间形成作用压力 ,这种压力在
一定程度上能够模拟针刺的机械压力.
按照光子学的观点 ,光压是光子把它的动量
传给物质的结果. 假设频率为 u 的单色光垂直入
射到皮肤表面的能量密度为 E ,则垂直入射到皮
肤表面的光子数密度为 N = E/ ( hu) ,每个光子具
有动量 p = hu/ c. 当入射光子被皮肤组织所吸收 ,
每个光子传给物体的动量为 p = hu/ c ,若入射光
子全部被物体所吸收 ,则物体表面获得的动量应
等于 N p = E/ c ,物体表面所受光压为 E/ c. 当入
射光子被皮肤组织反射时 ,光子的动量从 + hu/ c
变到 - hu/ c ,则每个光子传给物体的动量
pl = hu/ c - ( - hu/ c) = 2 p.
若入射光子全部被皮肤组织反射 ,则作用在
皮肤组织的光压力为 2 E/ c. 而正常情况下皮肤组
织既存在反射也存在吸收 ,当皮肤的反射系数为
k 时 ,作用在皮肤组织的光压
h = p吸 + p反 = (1 - k) N ( hu/ c) +
kN (2 hu/ c) = ( E/ c) (1 + k) . (1)
1 . 2 高功率 L ED 针灸的温灸作用
L ED 光辐照到皮肤表面引起人体的温度变
化 ,从而达到温灸作用. 皮肤分为 3 层 :表皮、真皮
和皮下组织. 表皮不存在血管 ,真皮和皮下组织存
在血管需考虑血液灌注率的影响 ,但两者没有显
著区别 ,在这里两者可作为一层考虑. 因为 L ED
光在人体组织的穿透深度是有限的 ,因此可把被
作用的皮肤近似地看成半无限体[9 ,10 ] ,设此半无
限体从 x = 0 处沿正向无限延伸. 在热学分析过
程中将皮肤简化为两层 :第一层为表皮层 ;第二层
为真皮和皮下组织层. 分别设定第一和第二层的
热学参数为吸收系数μ1 和μ2 ,热传导系数 K1 和
K2 ,组织密度ρ1 和ρ2 ,热容量 c1 和 c2 ,温升场分
布 T1 ( x , t) 和 T2 ( x , t) ,设
U ( x , t) = T ( x , t) + t0
为生物组织的温度场分布 , x1 是表皮层厚度 , L
为最大穿透深度 ,此处不受温度影响. 因此 ,在给
定初始条件后组织的温升场分布方程组如下 ,
μ1 I0 e -μ1 x =ρ1 c1 T′1 t ( x , t) -
K1 T″1 xx ( x , t) (0 ≤ x ≤ x1 , t > 0) ;
μ2 I0 e (μ2 -μ1 ) x1 e -μ2 x =ρb cb wb T2 ( x , t) +
ρ2 c2 T′2 t ( x , t) - K2 T″2 xx ( x , t)
( x1 ≤ x < ∞) ;
T1 ( x ,0) = T2 ( x ,0) = 0 ;
T2 ( L , t) = 0 ;
T1 ( x1 , t) = T2 ( x1 , t) ,
(2)
式中 : x1 = (0 . 07~0 . 12) mm ,这里取中间值 0. 1
mm ; c1 = 3 . 391 kJ / ( kg ·°C) ; c2 = 3 . 654 kJ /
(kg ·℃) ;ρ1 = ρ2 = 1 . 2 ×103 kg/ m3 ; K1 =
0 . 455 7 J / ( m ·s ·℃) ; K2 = 0 . 512 8 J / ( m ·
s ·℃) ;ρb 为血液密度 ; cb 为血液的比热 ; wb 为
组织内平均血流速 ,ρb cb wb = 0 . 6 ×10 - 5 m3 /
(kg ·s) ;μ1 = 2 ×10 - 4 m - 1 ;μ2 = 1 . 8 ×10 - 4 m - 1 .
在这里 L ED 光源输出波长为 830 nm ,功率为 500
mW ,光斑直径为 5 mm ,由式 (2) 通过数值计算 ,
可以得到在 x = 0 . 005 m 处穴位组织温升θ随照
射时间 t 的变化如图 1 所示.
图 1 高功率 L ED 光针灸过程中穴位组织的
温升2时间曲线
图 1 的曲线显示光针灸的最初几 s ,穴位组
织 x = 0 . 005 m 处没有温度变化 ,但几 s 后温度呈
现较大幅度上升 ,大约在 40 s 后温度变化趋缓 ,
假设穴位组织初始温度为 36. 5 ℃, 此时 x =
0 . 005 m 处温度大约为 41. 5 ℃,对于穴位组织温
度正好合适. 可见 ,利用高功率 L ED 作为光针灸
源 ,治疗时间将在 1~2 min 内 ,相对于 He2Ne 激
光针灸、Nd ∶YA G 激光针灸以及半导体激光针
灸一般 10 min 以上的治疗 ,时间将大大缩短.
2 L ED 光针灸仪
由上面的计算可知输出功率为 500 mW ,波
长 830 nm ,直径 5 mm 的单管 L ED 直接照射人
体穴位 ,能够短时间内在穴位组织内形成稳定的
·54·第 12 期 范晓红等 : 高功率 L ED 光针灸及其应用
光针灸所需温升 ,证实了高功率 L ED 光针灸的参
数的正确性.
依据理论计算参数自主研制了高功率红外
L ED 针灸仪 ,该治疗仪主要包括以下几个部分 :
显示部分、控制部分、电源部分、治疗光源. 其结构
框图如下图 2 所示.
图 2 高功率 L ED 针灸仪整机电路框图
该针灸仪治疗头采用手持式长金属管 ,既能
有效散热确保高功率 L ED 管稳定工作 ,又能在针
灸治疗过程中通过手持金属管加入揉、搓、压等中
医治疗手法 ,加强治疗效果. 治疗仪采取内置单片
机控制系统 ,液晶屏人机界面 ,可设置连续或者脉
冲输出方式及治疗时间 ,具备治疗开始、结束音乐
提醒. 治疗头与主机采取屏蔽电缆分离 ,治疗头可
自由移动治疗.
3 应用试验
肩周炎是发生在肩关节囊及周围韧带、肌腱、
滑膜囊等肩关节周围软组织的一种退行性病变引
起的肩周肌肉痉挛或肌萎缩肩周压痛 ,特别是肱
二头肌长头腱沟肩部酸重疼痛及肩关节活动尤以
上举、外展、内、外旋受限、肌肉收缩后不易放松的
临床综合症[11 ] .
治疗对象 :前期选取 15 名肩周炎患者志愿
者 ,后期选取 25 名肩周炎患者患者做对照试验 ,
职业分别为体力劳动者、家庭主妇、会计工作者、
大学教师、电脑工作者.
穴位选取 :依据传统中医治疗肩周炎的取穴 ,
主要是中渚、肩髃、天宗、肩贞、曲池、阿是穴、新设
穴等 ,而肩井、外关、内关、条口、合谷等穴位 ,也经
常依据病人所处患期 ,以及病人的虚、实等症状供
选择[ 11 ] .
治疗方法 :前期 15 名患者采用光照 + 压力 +
中医手法 ;后期 25 名分两组 ,治疗组 15 名采用
L ED 光针灸治疗 ,对照组 10 名患者采用 L ED 光
针灸仪治疗 ,但是不开光源 ,治疗组与对照组照射
手法及压力相同.
治疗时间 :每穴照射时间 40~120 s ,间隔一
天 1 次 ,10 次为一个疗程 ;
显效判定 :按中华人民共和国医药行业
《中医病证诊断疗效标准》判定肩周炎治疗效果.
治愈 :肩部疼痛消失 ,肩关节功能完全或基本恢
复 ;显效 :肩部疼痛及压痛基本消失 ,关节活动功
能明显改善 ;有效 :肩部疼痛较治疗前明显减轻 ,
功能活动改善 ;无效 :症状无改善.
表 1 与表 2 治疗组数据对比显示 ,单管高功
率 L ED 针灸仪是一种对肩周炎的有效治疗手段 ,
而加入中医手法有利于提高治疗效果. 表 2 的对
照组数据显示治疗手柄不开启光源则几乎无治疗
效果 ,治疗组与对照组对照显示 L ED 光源是治疗
肩周炎的只要原因.
表 1 L ED 光针灸综合疗效表
组别
治疗组
加中医手法 不加中医手法
对照组
人数 15 15 0
痊愈 10 8 0
显效 5 4 100 %
有效 0 3 1
无效 0 0 9
总有效率 100 % 100 % 10 %
目前广泛应用的激光针灸仪通常采用的是低
能量激光器 ,主要包括 Nd ∶YA G激光器、He2Ne
激光器以及半导体激光器等 ,照射时间一般在 10
min 以上 ,表 2 给出了各类激光针灸仪以及 L ED
光针灸仪的治疗参数 ,与几类典型激光针灸对比
可见 ,L ED 光针灸仪治疗时间相对于低能量激光
针灸大大缩短 ,而总体的照射剂量相近.
本文理论分析了高功率 L ED 光针灸的对传
统针灸针刺和温灸的模拟机理 ,并利用自主研发
的 L ED 光针灸仪进行了肩周炎治疗的初步实验
研究. 理论分析和试验研究都表明 :单管高功率红
外L ED光针灸 ( 5 0 0 mW , 8 3 0 nm ) 穴位接触照
表 2 不同光针灸仪治疗参数表
光源 波长/μm 功率/ mW 照射时间/ s 辐照量/ J
He2Ne 0. 632 8 ≤50 ≥600 30
LD 0. 630 0 ≤50 ≥600 30
LD 0. 808 0 ≤50 ≥600 30
Nd ∶YA G 1. 064 0 ≤50 ≥600 30
CO2 0. 850 0 ≤500 ≥60 30
L ED 10. 600 0 ≤50 ≥600 30
·64· 华 中 科 技 大 学 学 报 (自然科学版) 第 37 卷
射 ,能够在 2 min 之内达到传统低能量激光针灸
的疗效 ,大大缩短了治疗时间 ,且提高了光针灸治
疗的安全性和可靠性. 高功率 L ED 光针灸有可能
成为光针灸技术的一种重要手段.
参 考 文 献
[1 ] Plog F M W. Biophysical application of the laser
beam[ C] ∥Lasers in Medicine , New York : Wiley in
ter Science. 1980 (1) : 21237.
[2 ] Peter Whittaker. Laser acupuncture : past , p resent ,
and future [ J ] . Lasers in Medical Science , 2004 ,
19 (2) : 69280.
[ 3 ] Whelan H T , Smiti R L , Buchman E V , et al. Effect
of NASA light2emitting diode irradiation on wound
healing [ J ] . Journal of Clinical Laser Medicineand
Surgery , 2001 , 19 (6) : 3052341.
[4 ] 程 飚 ,李 勤 ,刘宏伟 ,等. 红2蓝光治疗仪联合治疗
寻常痤疮疗效观察 [ J ] . 中国美容医学 , 2008 ,
17 (7) : 1 04121 043. [5 ] 崔鸿忠 ,李正佳 ,范晓红. 发光二极管光源疗法在生物医学中的应用[J ] . 激光技术 , 2006 , 30 (6) : 6382642.[6 ] Niemz M H. 激光与生物组织相互作用 ———原理及应用[ M ] . 张镇西 ,译. 北京 : 科学出版社 , 2005 :34267.[7 ] Li Zhongming , Zhang Zhenxi. Laser acupuncture the2ory and light dosage selection[J ] . Acta Laser BiologySinica , 2006 , 15 (3) : 2712277.[8 ] 洪文学 ,蔡建红 ,景 军 .艾灸的热辐射光谱特性研究[J ] . 应用光学 , 2004 , 25 (4) : 123.[9 ] 王先菊 ,曾常春 ,刘汉平 ,等. 激光针灸对穴位组织温度和血流灌注率的影响 [J ] . 激光生物学报 , 2005 ,14 (4) : 2602264.[10 ] 杨世铭. 传热学 [ M ] . 北京 : 高等教育出版社 ,2006 : 12215.[11 ] 李平华. 肩周炎 [ M ]. 2 版. 北京 : 人民军医出版社 , 2004.
下一代互联网接入系统国家工程实验室揭牌
12 月 6 日 ,“下一代互联网接入系统国家工程实验室揭牌”揭牌仪式在我校
隆重举行.
解放军信息工程大学校长邬江兴院士、武汉邮电科学研究院赵梓森院士、武
汉理工大学姜德生院士、浙江大学副校长吴朝晖教授、湖北省经济和信息化委员
会副主任胡树华、华中科技大学副校长杨勇 ,以及实验室技术委员会委员、合作
企业代表、省市主管部门负责人以及华中科技大学相关院系负责人等出席仪式.
刘德明教授主持了揭牌仪式.
杨勇代表华中科技大学向给予国家工程实验室申报和建设以极大支持的
省、市发改委、省科技厅、省信息产业厅、市科技局、市信产局以及东湖新技术开
发区表示衷心感谢 ,向为国家工程实验室建设提供宝贵咨询的技术委员会全体
专家表示衷心感谢.
据悉 ,“下一代互联网接入系统国家工程实验室”是华中科技大学获批准建
设的第一个国家工程实验室. 该实验室主要研究方向为 :高速光纤接入、宽带无
线接入、多业务多
融合接入、物联网接入以及接入控制与可信管理.
·74·第 12 期 范晓红等 : 高功率 L ED 光针灸及其应用