低强度超声针灸耳穴的仿真研究

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耳穴疗法作为中医临床常用的治疗手段,对睡眠障碍的改善效果显著。从操作手段来讲,由于耳部皮下脂肪少,针刺容易扎伤软骨,甚至造成耳廓感染。所以,临床上对于耳穴往往不用针刺,而采用贴耳豆的方式,但这种方式要求患者自己用手按压来配合,不易量化和标准化。低强度超声以其穿透力强、无创、安全以及在生物组织中会产生明显的机械效应、热效应和空化效应等生物效应的特点,非常适合于耳穴等特殊身体部位的治疗。然而,目前对于超声针灸作用于耳穴的“力度”仍然不是很清楚,也缺少临床经验,限制了超声针灸在临床医学上的推广和应用。因此,本文利用有限元法研究了耳穴中的声场特性以及超声作用于耳穴时产生的温度场和应力场,为进一步将超声针灸应用于临床实践打下理论基础。主要研究内容如下:(1)对凹球面聚焦换能器的聚焦声场进行理论和有限元计算。由于临床上未定量针灸耳穴的具体深度,本文设计了双曲形管聚声换能器,即换能器的声输出端设置双曲形管。通过有限元仿真发现,双曲形管具有会聚声束的效果。此外,进一步探究了管形参数对管外声场分布的影响,并实际测量双曲形管聚声换能器的径向声场。结果表明:管形参数会影响管外声压分布,在选择管形参数时应避免管口处出现声压很高的情况。(2)建立超声针灸耳穴的有限元模型,基于生物组织热传导方程和弹性波动方程,应用有限元法,分析超声针灸换能器(凹球面聚焦换能器和双曲形管聚声换能器)在耳穴中形成的声场、温度场和应力场的分布规律。结果表明:双曲形管聚声换能器在耳穴中的声强始终比凹球面聚焦换能器的低,聚声区域的轴向尺寸更大,聚声深度更大;进一步发现:当超声刺激时间较长(长于16.98s)时,前者引起的生物组织温升更高,对耳穴的热刺激较好。此外,两种换能器均可以在软骨组织处产生应力集中,但是,凹球面聚焦换能器在耳穴中产生的应力更大一些。(3)将凹球而聚焦换能器产生的聚焦超声作为刺激源加载于耳穴,应用有限元仿真,研究了超声参数和生物组织参数对耳穴中的声场、温度场和应力场的影响。结果表明:耳穴中的声强会随着超声频率的增大而增大,也会随着换能器的发射声压的增大而增大。此外,随着超声频率的增大,耳穴中的温升增大;随着换能器的发射声压的增大,耳穴中的温升也增大。并且焦域的轴向尺寸会随着超声频率的增大而减小,焦点的位置会随着超声频率的增大而远离声源处。当低强度超声聚焦于皮肤-软骨界面处时,随着软骨的声吸收系数的增大,软骨和软骨后皮肤组织中的声强会减小;并且耳穴中的温升会随着软骨的声吸收系数的增大而增大,也会随着软骨的厚度的增大而增大。进一步改变焦点位置,低强度超声聚焦于软骨时,焦点处的声强和温升均高于其聚焦于皮肤和皮肤-软骨界面处的声强和温升。此外,超声在耳穴中传播时会在软骨组织处产生应力集中,组织中的应力随着换能器的发射声压的增大而增大,最大应力会随着皮肤的杨氏模量的增大而减小。但是,应力集中区域的轴向尺寸随着超声频率、换能器的发射声压和皮肤组织杨氏模量的变化仍保持不变。本文的研究结果表明:应用低强度超声针灸耳穴时,可以引起耳穴中的温度升高,并且会在软骨组织处产生应力集中,超声参数和生物组织参数对耳穴中的声场、温度场和应力场的影响比较大。因此,为达到超声针灸耳穴改善睡眠的效果,需根据实际合理选择超声参数和超声聚焦方式,使得治疗效果更佳。
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