（测试计量技术及仪器专业论文）基于传统针刺规律的超声波治疗仪研究.pdf

摘要 摘要 本文提出了一种将传统针傅舰律与超声治疗桐结合的方法，介绍了一 种能够实现传统针刺规律的超声治疗仪器。利用定的硬件、软件设计方 法，把低频趣声信号模拟成为中医针法所需的信号，不仅能够利用多种频 率送行治疗，丰富了趣声懿治疗手段，纛且霹以实现孛露簧绞锌裁手法。 葺先，本文进行了现代物蠼治疗学与超声医学的理论研究，蹙设计超 声治疗仪器的必要理论基础。现代物理治疗学的主疆治疗机理是利用物理 因子直接作用于机体，能引起系列的反应，通过这些反应进行治疗。超 声作为物理因子的一种，例样是利用趣声的一系列效应，即超声的生物效 ；+ i 对 j l f 誊遴暂律蹋， i e ； 、，冬殳务，致缓， ；腿针法的些内容，指出了针法治疗静穗个 ，： 址- p 1 洲采，川? t 络1 7 ：浣，j 腧八的概念。并指出了针傅0 规律的作用原理， 即中医传统补泻理论。而本课题所设计的超声治疗仪正是基于传统补泻手 法进行治疗的。 然蜃，避行了关予变额趋声的理论研究及与传绞针法的关系静一系列 探讨。佟了越声针法酾可幸子 堡分手厅，著简要提毫了怒声针法豹歹l 点优点。 通过讨论变频超声治疗的主要机理，我们得出了个结论，即超声信号随 着超声频率的增加，衰减系数增大，人体对超声的吸收也进一步增强，传 播距离，即进入人体深度减小。并提出了本课题的立题意义，即利用趔声 盼变化频率馈号模拟l 统针刺手法进 亍治疗。 鼓j ，令t 影r 翅，妊溃j 纹器鹤冀捧 i 茎| 箨、软 掌设汁。 关键词现代物理治疗学：超声治疗：中医针法；变频；单片机；压控搋荡 器：超声换能器 燕山大学t 学硕士学位论文 a b s t r a c t fh ct h e s i s h f - i n g s f o l 。、1a l dam e l h o dt h a tc o m b i n e sl r a d i t i o n ajn c e d er u l e s 、i t hu l t ll i s o n i c l h e r a p x , l s o t h et h e s i si n t r o d u c e sai n s t r u m e n to fu l t r a s o n i c l h e r a p yw h i c hc a na c h i e v et r a d i t i o n a ln e e d l er u l e s u s i n gd e f i n i t ed e s i g np l a ni n h a r d w a r ea n ds o r w a r e t h i st o p i cs i m u l a t e l o w f r e q u e n c yu l t r a s o n i cs i g n a lt o s o m e s i g n a l i nh e r b a l i s td o c t o r sn e e d t h et a s kc a l ln o t o n l y u s e m u l t i - f r e q u e n c yt oc u r e ，e n r i c hm e a n si nu l t r a s o n i ct h e r a p y ，b u ta l s oc a r r yo u t c h i n e s et r a d i t i o n a ln e e d l er u l e s f i r s t l y ，t h e t h e s i sc a r r i e s t h r o u g ht h e o r y r e s e a r c hi nm o d e r np h y s i c a l m e d i c i n ea n du l t r a s o n i cm e d i c i n e i t st h e o r yb a s i sf o rd e s i g n i n gt h ei n s t r u m e n t o fu l t r a s o n i c t h e r a p y t h em a i n t h e r a p y m e c h a n i s mo fm o d e r n p h y s i c a l i n c d i c i l l ci st om a k el l s eo fp h y s i c sg e n e sa c t i n go nb o d i e sd i r e c t l y w h i c hc a n c ：a l c 1 、c i - i e st ) 1j - c a c l i o n 、i as u c hr e a c t i o nt ot r e a t a sak i n do f p h y s i c sg e n e s u l t r a s m i ca c t so t lb o d i e sf nu s eo fr e a c t i o na ss a n q ca so t h m s w h i c hc a l l e d b i o l o g yr e a c t i o no l u l t r a s o n i c s e c o n d l y ，t h et h e s i s i n t r o d u c e ss o m ec o n t e n to ft r a d i t i o n a ln e e d l er u l e s ， p o i n t s o u tt w ok e yf a c t o r si nn e e d l et h e r a p y ，n a m e l y c o n c e p t s o fp o i n t s ， l o n g i t u d ea n dl a t i t u d e t h et a s ka l s oi n d i c a t e so p e r a t i o nt h e o r yo f n e e d l er u l e s n a m e l y t r a d i t i o n a lp a t c ha n de f f u s i o nt h e o r y ，a n dt h a tt h ei n s t r u m e n tw h i c ht h i s t h e s i sd e s i g n si sb a s e do nt r a d i t i o n a lp a t c ha n de f f u s i o nt h e o r y t h i r d l y t h et h e s i sd i s c u s s e sc o n n e c t i o nb e t w e e nf r e q u e n c yc o n v e r s i o na n d t r a d i t i o n a ln e e d l e 【t i l e s i tm a k e sf e a s i b l ea n a l y s i so fu l t r a s o n i cn e e d l er u l e s a n d p u tf i a r v , a l db t 。i e f l y s o m ea d v a n t a g e so fu l t r a s o n i cn e e d l er u l e sv i ad i s c u s s i n g t h c o l j o l 、t t l m l s o n i ct h e t a p ) i nt l - c q u e n c yc o n v e r s i o n 、w ed r a w ac o n c l u s i o nt h a t l i n t 0 1 1 i j a l t e n u a t i o nr i s e sa l o n gu i t h i n c r e a s i n gu l t r a s o n i cf r e q u e n c y ，b u ta l s o d e p t ht h a t c o n i e si n t ob o d i e sr e d u c e sa l s o ，w ec o n i ct ot h es i g n i f i c a n c eo ft h i s t o p i c ，n a m e l ys i m u l a t i n gf r e q u e n c yc o n v e r s i o nu l t r a s o n i cs i g n a l st os o m es i g n a l a b s t r a c t r lh e r b a l i s td o c t o r sn e e d a 1 1 x 1 h ct h e s i si n t l _ o d u c e sm a t e r i a ld e s i g no f h a r d w a r ea n ds o f t w a r e k e yw o r d s m o d e r np h y s i c a lm e d i c i n e ；u l t r a s o n i ct h e r a p y ；t r a d i t i o n a ln e e d l e r u l e s ；f r e q u e n c yc o n v e r s i o n ；m c u ；v f c ；u l t r a s o n i c t r a n s d u c e r l i i 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 研究的目的和意义 近几百年来，西医学在近、现代科学技术强有力的推动下，逐渐形成 在世界医学界占主导地位的现代医学。然而，在另一方面，其种种弊端也 日渐显露，尤其是医源性、药源性疾病的大量出现，人类在生存质量、医 疗质量需求的深化和提高，迫切呼唤更为自然、有效的治疗方法。以中国 传统医学为代表的世界自然疗法医学体系日益兴旺。世界性的中医热潮中， 以针灸学为代表的中医外治法则成为先锋。中医外治作为最能体现中医学 特色的传统医学体系重要组成部分之一，历史悠久，源远流长，数千年来 为中华民族的繁衍昌盛做出了卓越的贡献，历经曲折后在新的历史潮流中， 又丌始发出勃勃的生机。 物理治疗是应用自然界及人工制造的各种物理因素作用于人体以治疗 和预防疾病的一门科学，简称理疗，是康复医学的重要治疗手段之一。广 义的物理治疗概念包括物理因素疗法及运动疗法。狭义的物理治疗概念则 指应用声、光、电、磁、热等各种物理因素治疗疾病的方法。目前一般 指物理疗法都是指狭义的概念。 超声疗法作为物理疗法的一种，具有鲜明的特色。超声波在传播时， 方向性强，能量易于集中；超声波能在各种不同媒质中传播，且可传播足 够远的距离；超声与传声媒质的相互作用适中，易于携带传声媒质状态的 信息或对传声媒质产生效应。这些特点决定了超声在医学上的研究与应用 有着广阔的前景。超声医学这一声学，医学和电子工程技术相结合的新兴 学科在医学、临床医学、卫生学以及其他医学领域有着越来越广泛的应用， 主要有超声诊断学，超声治疗学和生物医学超声工程，后者又分为医用超 声设备的研制和超声生物医学基础的研究。所以，超声医学具有医、理、 工三结合的特点，涉及的内容广泛，在预防、诊断、治疗、康复、监护和 普查人体各种疾病中有较高的实用价值1 2 j 。 1 燕山大学工学硕士学位论文 近年来，超声治疗技术步入新的发展时期，并在若干方面取得了突破 性进展。f 临床研究表明，一定剂量的超声波辐照可以导致生物体系不同结 构层次上各种各样的生物效应，对一些病症有明确的治疗作用。而且与其 他的物理疗法相比较，超声疗法治疗时例短，无创伤，并且治疗的深度可以 控制。超声疗法的出现与发展，使超声治疗在当代医疗技术中占有越来越 重要的地位。 但是，在当今这样一个生活节奏，工作节奏都很紧张的时代中，城市 罩的人们再没有时间到医院或是诊所罩面接受治疗。同时，从超声疗法的 治疗机理来说，它的集成性不足问题在很大程度上限制了它的发展。这些 问题都为超声疗法的进一步推广提出了难题。 基于以上所介绍的物理疗法，超声波的特点与超声治疗的优缺点，本 课题将传统针刺手法应用于超声治疗仪器的设计之中，力图设计一种具有 传统针刺手法的刺激规律的超声治疗仪。 1 2 课题研究现状 从国内外的研究现状来看。将传统针灸医学与当代电子技术相结合的 医疗仪器设计方案曰益广泛，其中不乏优秀的设计理念，如，用电针疗法 制作的具有传统针刺手法的医疗仪器，和用激光技术模拟的针刺疗法，都 使我国的传统医学在当代的电子技术支持下显示出了强大的生命力。而采 用超声波模拟针法治疗的方案在国内外相关的研究领域中还很少见。下面 就分别从物理疗法与中医外治法的结合和超声医学两个不同角度具体介绍 国内外的研究现状。 物理疗法在理论和实践技术进步的不断发展。一方面得益于现代科技 的进步，另一方面得益于与古老的传统医学理论和技术的有机结合，尤其 是在与中医外治法的结合，丰富治疗形式，增强了治疗的内涵，这也推动 了中医外治法的发展p j 。 物理治疗不需要使用药物，无损伤、毒副作用很小或几乎没有。易为 广大患者所接受。作用范围很广，不仅可用于对症治疗，而且可作为某些 疾病的病因治疗。若能正确地选择应用各种物理疗法，可收到提高疗效、 2 第1 章绪论 缩短疗程、减少并发症及后退症的效果，有利于各种疾病的康复。在我国 4 0 余年的物理治疗应用中已取得不少的经验，尤其把现代物理因素与祖国 医学理论和技术有机地结合，使物理因素在临床康复治疗领域发挥更大的 作用，逐渐正在形成有中国特色的物理疗法体系f 4 。 近几十年，中医外治的新发展，最突出的表现就是借助现代科学技术 所取得的成果使中医外治更加科学化、现代化和国际化。中医外治机制， 尤其是针灸作用机制的研究已有较大进展；中医外治剂型的改革已有明显 进步；中医外治适应证f 在逐渐扩大：新的中医外治方法和手段在不断创 立。利用声、光、电、磁、热等物理原理，结合中医理论研制中的多种 不同类型治疗仪已大量应用于中医外治临床。中医外治之精髓代表针 灸医学已率先进入国际医学界。成为一门新兴的世界通行医学，中医外治 已经进入新的发展时期1 5 j 。 物理疗法，可以结合中药制剂进行敷贴、导入、吸入等渠道进入人体， 也可结合经络原理，作用于局部相关的经络、穴位，加强对人体的作用效 能，取得更好的结果。比如中药离子电导入疗法、中药超声雾化吸入、推 按经运仪中药离子导入等方法。另外大量的治疗，是物理疗法与中医外治 法手段有机结合治疗某些顽固性疾病，电针加超短波治疗面瘫、耳针加磁 疗治疗胆石症、音乐电针仪等【6 j 。 物理疗法与中医外治法相结合之后，会有以下几个发展方向： ( 1 ) 两者互相推动，相互促进共同发展科学技术发展是一切学科发展 最深刻的推动力，时代在不断进步，中医外治法和物理疗法不可避免地越 柬越向有机结合的方向发展。两者的关系是相互推动、互相促进的。中医 外治法理论将随着科学理论的不断更新，而被更深刻的理解，摒弃其中神 秘主义的成分，向更科学性、客观性、实证性的方向不断深化、升华。 ( 2 ) 生命信息学生命信息学是根据现代科学理论，利用体会到人体是 一个有意识的、开放的、复杂的信息巨系统，信息在生命活动现象中扮演 着关键性的角色。人体生理内环境与外环境其实就处于信息变化的海洋中， 生命信息的调节、管理是人体生理、病理变化的关键j 。 现代生物学的发展表明，生物体从基因、细胞、组织、器官、系统、 3 燕山人学t 学硕士学位论文 中枢的整体结构中，存在大量的、多层次、多元化的信息传递系统，这些 系统在细胞生长、分化、激素分泌等生物过程中发挥重要作用【8 1 。生命信 号传递系统保持内环境稳定，与外坏境进行f 常沟通的基础，人体内维护 内环境稳定平衡的关键是神经一内分泌一免疫细胞因子网络系统，通过调解 整体网络，改善内环境平衡，调节内外环境的沟通、平衡，治疗疾病1 9 i 。 ( 3 ) 两者结合形式也不断发生变化时代在飞速地进步，人民对生存质 量的需求不断提升。由于中医外治简便实用、快捷有效的种种特点，非常 适合现代人们的需求，其主要形式在发生深刻的转变，不仅限制于以医疗 机构为中心的使用范围。将逐渐从过去个体化、民间化、单一化、简单化 的形式，向集团化、专业化、多元化、复杂化的方向转变。以保健养生为 主题线索，为满足市场需要，融合现代养生管理新理念，按照市场需要进 行集成化、系统化、个体化的转变。按中医辨证论治的原则，将中医外治 法和物理疗法进行有机优化组合，形成技术规范，进行产业化。这将大力 推动中医外治及物理治疗体系向更高、更精、更强的角度发展。目酊相关 的养生保健中心机构已经初步形成，处于不断发展的初级阶段。 ( 4 1 已经发展出的针法仪器世界范围内的针灸热不仅推动了针灸医 学的发展，同时也促使针法器械的研制和生产日趋走向繁荣。针灸工作者 们与其他学科的研究者研制出了许多现代针法器械，种类繁多。大致有穴 位探测，经络诊断，穴位刺激，针法处方和教具模型等五大类。从构造及 性能划分，则有电子、微波、激光、红外、超声波、磁等，从临床医疗焦 度来看。值得探讨的是针法治疗器械为什么能对人体产生防病治病的作用， 它的作用机理是每一个从事针灸工作的医务人员必须了解和掌握的【l “。 电针仪人体中由于含有水分，同时又有各种类型的电荷，所以绝大 多数组织都是可以导电的，尤其是经络。运用电子仪器结合针灸原理，给 人体以针和电相结合的治疗，临床可以治愈多种瘸证。治疗原理大致如下： 镇痛：鉴于疼痛多由细神经纤维传导。所以电针仪对多种原因引起的 疼痛具有抑制作用。 消炎：无论感染性还是非感染性炎症，脉冲电针刺激了人体神经一体液 系统，能促进白细胞释放，并增强其活力，提高了免疫机制；同时能改善 4 第1 章绪论 循环，促进毛细血管对出血渗出的吸收和组织修复，达到止痛的目的。 镇静：适量的电刺激，可通过体表神经感受器，对大脑皮层起保护性 抑制，发挥镇静安定作用。 调整：通过对体表经穴实施的电刺激，利用经络的内通外达，联系脏 腑，运行气血，调整阴阳的功能，能对人的神经、血循环等系统以及脏腑 阴阳起到调整作用。 电针仪经过几十年来的不断改革发展，已具备了性能稳定，耗电少， 体积小，刺激频率及强度可随意调谐等特点，并由单一走向了多功能。 微波针灸仪微波是一种具备光学特性及穿透电离层本领的频率为 3 0 0 3 0 0 0 0 0m h z 的电磁波。我国在1 9 6 4 年始用于医学临床。1 9 8 0 年，我 国试制出了“微波针灸仪”的定型样机，后来又发展到微波浞针仪等等， 它的作用机制主要是产生温热效应和热外效应、趋肤效应及高频放电作用。 微波针灸是利用特制的天线连接毫针，向穴位注入微波，激发经络之气， 使小剂量微波能起到大剂量热作用，及热外作用。因微波是位于超短波和 长波红外线之间的电磁波。它既克服了中波的频率低，不易通过电极和皮 面构成的电容，作用表浅等的不足；又避免了短波和超短波易于使皮下脂 肪过热，作用剂量欠难确等缺点，而具有产热较均匀，剂量较准确，操作 方便的优点。 微波与针灸相结合，综合了微波与针灸两方面的功效。通过腧穴，输 入微波能量，并循经络传导，以波长和内气接近于人体的电磁波来通经活 络，以达到祛除疾病的目的。 激光针灸仪1 9 6 0 年7 月，美国的梅曼博士用桃色晶体射出了强大的 光束红宝石激光。1 9 6 4 年，我国在钱学森教授的提议下开始对激光进行 研究应用。激光的高亮度、单色性、相干性、指向性好的特性决定了其在 医学上的研究应用具有广阔的前景。 激光是以波的形式运动着的光子，它具有普通光的各种性能。同时激 光是受激辐射光，故频率一致，方向一致，位相一致。偏振致，极利于 i 临床的局部照射治疗及腧穴点状刺激治疗。激光无菌、无痛，易于被患者 接受。在针刺研究中，人们发现穴位皮肤下的感受器比周围皮肤几乎多2 s 燕山人学 ：学硕士学位论文 倍。故可认为真皮和皮下组织中有传递针刺刺激的主要活性结构。而激光 针确能透过皮肤、皮下组织，达到普通针刺治病时刺入穴位的通常深度， 故能起到激光针灸的作用。 激光具有温针样作用，在临床上对某些疾病的治疗效果优于单针和单 灸且无痛、无烟，确实为治疗一些慢性、虚寒性疾病的好方法。 磁疗仪磁疗是利用磁场作用于患区、经络腧穴，从而治疗疾瘸的一 种方法。最早、最基本和最常用的是贴敷法。它根据患者不同的病症，把 不同磁性、不同体积、不同数量的磁片，贴敷于患者体表不同的穴位，并 根据疾病的变化，及时加以调整。除贴敷法外，还有用交变、脉动、脉冲 磁场等，每日或间同在患者体表一定的穴位或部位上，予以一定时间的治 疗。虽然使用的磁场类型、方法不同，但都是使患者的经穴、患区受到磁 场的作用，以治疗疾病。 现代研究证明，磁场能影响机体内电子的运动，进而影响分子的运动 和状态；磁可以调整体内k + 、n a + 、c a l + 、m g “等离子浓度，故而起到了 止痛、镇静、催眠、消炎等作用；磁还能影响人体某些酶的活性( 如对内关、 足三里、中脘施以磁疗，可加速血液胆碱脂酶活性的恢复) ；磁疗能增进人 体免疫防卫机能：磁能对人的神经系统、血液循环系统等方面起调整的作 用：磁有抗菌、抗癌、镇痛等作用。人在高频辐射下发现沿经络走向的流 动电晕。用x 线衍射法拍摄体表磁场时，发现穴位是磁场的聚焦点。穴位 是人体电磁场的活动点或敏感点，而经络则是电磁传导的通道。故磁与经 络腧穴关系十分密切。机体的生理病理变化能在腧穴、经络的磁信息的改 变上表现出来，而借助于各种磁疗器对穴位进行治疗，又可改变机体的磁 场，达到调整机体功能的目的。 频谱治疗仪频谱治疗仪是根据“模拟人体频谱匹配治疗原理”而制 成的一种集电场、热场和光效应场为一体的治疗仪，它是由周林等人研究 而制造的。 周林通过研究，提出：人体是一个天然辐射源。人体也是一种物质， 可产生电场、热场和光效应场，向周围空间发射多种信息。这些物理场的 频率和光谱等参数的综合称为“人体频谱”。近代科学测量结果认为：人体 6 第1 章绪论 辐射场包括频率很宽的电磁波等。物理学上有这样一个定律：“一个物体的 发射光谱与吸收光谱相同。”当外物理场的辐射频率与人体固有频率相似 时就会出现匹配吸收现象。而这种匹配吸收现象可产生谐振运动。谐振 结果，使病变处产生“内生热效应”，或称作生物热效应。这种热效应可促 进机体的生物化学反应。频谱治疗仪就是根掘上述原理研制而成的。它不 仅能改善机体微循环，而且可调节人体的生物电场，从而改善神经功能， 加强机体免疫机能，治疗多种急、慢性疾病。 总之，频谱治疗仪是一种简便而有效的电子热疗仪。它将电子技术与 仿生技术相结合，能够较好地模拟人体辐射频谱，并配以强度( 剂量) 调节 装雹，信号强度装置，定时控制等，构成了台模拟人体频谱的“体效应 宽频振子”治疗仪。它适应性广，操作简单，在一定程度和范围内可以代 替传统的温灸法，故临床上一些适于用温灸治疗者，亦可在医生的指导下 采用频谱治疗。 穴位超声仪穴位超声疗法又称超声针灸，是利用超声波发生器产生 超声物理能，通过特制的声头，作用于人体经穴而达到治疗疾病目的的一 种针灸治疗方法。借助声头可将一定强度的高频声能( 超声束) 瞄准针灸穴 位，透入机体。调节声头与治疗部位之i 、目j 的位置，控制发射声能的强度和 时阳j ，可以精确地算出剂量，按预定治疗方案进行。 超声针灸的工作原理主要是：针体在超声振动作用下，针尖作微弱的 横向振动而产生微按摩刺激效应和温热效应，在两种物理因素的共同作用 下，加强了对穴位的刺激调整作用。除了利用超声的振动而针刺以外，还 可采用直接向穴位部位发射一定量的超声波束。因超声波的生物学作用因 素是：可使细胞组织产生容积和运动变化的机械作用；在机体或其他介质 中产生热现象的温热作用以及基于这两种作用基础上发生的许多化学变化 等，引起了机体内生化过程的改变，从而能起调节或治疗作用。 超声针灸较单纯的超声治疗好，它无痛或痛刺激小，无损伤，治疗量 可控制，故而安全可靠，而目疗效较高。i 临床上对于过敏性疾病、普通感 冒、麻疹、流感、胃肠病、泌尿生殖系统疾病等都有较好疗效。超声针灸 是通过腧穴刺激，以激发经络之气，达到调整机体功能状态，治疗内脏或 7 燕山人学工学硕士学位论文 肢体疾病的目的，这就避免了大剂量的超声治疗给人体可能带来的危害， 也避免了超声对人体重要脏器或器官直接治疗所引起的副作用。 超声学作为一门科学，早在十九世纪三十年代就引起了人们的研究【3 l o 近年来，出于电子和计算机技术、图象处理和测量技术的发展以及人们对 超声波的物理的、化学的、生物机理的进一步研究，使超声学成为众多学 科的交叉学科，应用领域大大拓宽，古老的学科又焕发出青春【l ”。 除了在工业领域的大量应用外，超声在医学上应用主要有两大类：检 测超声和功率超声。检测超声主要用于疾病的诊断，如b 超成像，超声多 普勒血流分析，超声骨质检测等；功率超声主要用于疾病的治疗，如超声 药物透疗、理疗、体外碎石、治牙、外科手术以及治癌等( 见图1 1 ) ，功率 超声的出现完善了超声医学1 1 2 o 瓜翮 超声论断 型i 瓣藩ll 热 趟声治疗 外科il 内科i 【其他 劂i 超墓器化ll 超嘉磐碎l | 超i 羹焦 _ j i啦0 ili 销山 i1 治握 超声理疗 超声药li 超声穴位 物渗透li刺激 1 超声浩牙l 二二- 超声清洗 图i - 1超卢在医学上的应用 f i g 1 1a p p l i c a t i o no f u l t r a s o n i cm e d i c i n e 功率超声用于治疗已有6 0 多年历史了。早在三十年代，德国就出现了 利用超声对病人进行治疗的专利。到五、六十年代，超声治疗已成为常规 治疗中不可缺少的部分，但以理疗为主。到了七十年代，出现了超声粉碎 结石、超声治牙等，成为超声治疗的一大进展。八十年代超声手术刀开 8 第1 章绪论 始在外科大量应用，包括超声切割软组织、超声肝脑肿瘤吸引、超声骨科 成形和超声眼科自内障乳化等，这又是功率超声在医学上的大进展。近 年柬，高强度聚焦治癌、超声治疗血管阻塞等技术的发展。都大大拓宽了 超声治疗的应用领域，使超声治疗发展成为门新兴的学科 1 3 】。 超声治疗的特点是利用功率超声，以达到治疗疾病的目的。它的范围 非常广泛，如超声外科手术，超声聚焦粉碎结石、高强度超声聚焦治癌以 及超声理疗等等。 ( 1 ) 超声外科手术超声外科手术是自8 0 年代兴起的一门新技术。比 起常规的外科手术，它有其独特的优点：在软组织切割和骨科手术中，超 声刀省力、切缘整齐，且出于超声波独特的空化作用，在微气泡空间产生 高压，促成了一系列生物化学反应，激化了凝血酶的活性，因此，使用超 声刀进行手术，出血量很少，手术视野清晰，另外在精细骨科中，超声刀 可切出较复杂的形状，用于骨科成形：超声骨科手术刀为接触式手术刀， 无热损伤，因而可以用在一些对安全性要求较高的场合，如脊柱外科手术 和开颅手术当中【l 。 ( 2 ) 超声外科吸引超声外科吸引借助一种特殊的中空刀具，辐射出超 声波，主要机理空化，将肝脏肿瘤粉碎乳化，然后通过施加负压将手术的 残渣吸出、超声吸引器的优点在于利用不同生物组织不同的空化闽值，达 到选择性碎裂乳化的目的，在肝脏和脑肿瘤摘除手术中，超声吸引器可以 吸除肿瘤，而保护血管和神经不受损伤；还有，超声空化作用可使凝血酶 活性增强，具有独特的止血作用手术视野清晰，比常规手术少出血三分 之一。最新临床应用表明，超声吸引器还在胸部肿瘤摘除，胆囊和脾脏切 除以及心血管手术中有出血少，创面清晰，损伤细胞层厚度小等明显优于 电刀、离子刀、激光刀和微波刀的特性】。 ( 3 ) 超声白内障乳化超声外科手术仪器最成功的应用是白内障超声 乳化吸引术。该技术利用超声波对自内障的机械效应和空化效应，可将白 内障从3m m 切口经超声乳化后吸除。并且可将折叠式人工晶体经3 2m m 切口植入也可将常规硬化式晶体经5m m 切口植入体内，手术为自封闭 形的无出血、切口长度比常规手术大大缩小，术中对虹膜的牵拉小i i 6 】。 9 燕山大学工学硕士学位论文 因此术后散光和炎症反应明显减少，视力可得早期恢复，也可避免术中眼 压过低而引发的脉络膜出血。 ( 4 ) 超声体外粉碎结石现代医学认为：利用超声波对泌尿系统( 肾、输 尿管、膀胱、胆) 的结石进行无创伤性粉碎是一种较好的方法。该方法利 用抛物面将超声的能量聚焦在一个较小的区域，使该区域声强达几百m p a 以上，从而发生强烈的空化效应及机械效应，将结石粉碎。近年来体外排 石技术( e s w l 技术) 有了很大的发展，聚焦系统由原来的放电电极第二焦 点聚焦改为压电晶体抛物面阵列聚焦使功率进一步增大，定位系统由x 射 线定位也发展成为超声回波成像定位，提高了精度【”l 。 ( 5 ) 高强度超声聚焦治疗技术随着医学影像技术，超声医学工程等相 关技术的发展，超声聚焦治疗技术于导到了长足的发展。高强度聚集超声 ( h i f u ) 是从本世纪9 0 年代起在国际掀起的一项新的研究，可以说是传统治 癌技术的发展。该技术在现代医学影像技术的协助下，将多束超声波准确 地聚焦在靶组织上，使声强达到1 5 0 0 2 0 0 0w e r a 2 ，利用肿瘤组织血流量 低( 为正常组织的2 一15 ) ，不易散热的特点，短时f n j 内( 0 5 3 秒) 照射靶 组织，使其局部达到7 0 1 0 0 ，造成蛋白质固化，组织坏死，在超声强度 和照射时间适当时，可在坏死组织周围形成一层组织膜而对周围组织损伤 极小 18 1 。适用于神经外科的深部脑肿瘤治疗，眼科青光眼，泪腺癌治疗以 及前列腺摘除等等。 ( 6 ) 超声理疗超声理疗很早就应用于临床，它一般利用低强度、中小 剂量，频率范围在8 0 0k h z 。1m h z 的超声波( 最新研究表明7 0 1 0 0k h z 的 超声波在某些方面也有明显的治疗效果) 对人体进行器官或者系统的刺激、 调节作用，达到治疗疾病的目的。它是超声波的机械效应、温热效应、空 化效应、弥散效应和触变效应等生物共同作用的结果 1 9 1 。 人们从认识超声波到将它应用于i 临床治疗，其间已经探索出了不少的 规律。作为从事超声医学工程的人员来说，应该对超声波对生物组织作用 的机理、规律做进一步的探索，特别要加强和临床实践的紧密结合，掌握 更多的第一手资料和数据，发挥超声医疗的效果，探索新的应用。 其次，超声治疗是一门交叉性学科，随着其他学科研究的深入以及各 】0 第1 章绪论 种相关技术日趋成熟，超声治疗的临床实践将进一步完善，应用范围将迸 一步拓宽【2 们，可以说超声治疗技术的发展方兴未艾，它将愈来愈多地造福 人类。 另外，随着现代医学的发展，治疗手段和技术越来越丰富，就无创外 科技术而言，就有伽玛刀、激光刀、微波聚焦刀等等，就物理疗法而言1 ， 有放射线疗法，氦氖激光照射，微波疗法等等，这些技术既有其独特的优 点，又有各自不同的局限，超声治疗技术也应该与其他技术结合，相得益 彰，这样就更能在临床上发挥出其优越性。 针对本课题，通过查阅大量资料后，可以发现，羁前，通用的超声治 疗仪器大都使用电学方法进行设计。该仪器使用方便，治疗时间短，无创 伤，并且治疗的深度可以控制，同时，利用超声波的刺激和热作用等一系 列生物效应开展超声治疗，有着很好的发展前景。但是，现有的超声治疗 仪器多采用固定频率的技术方案，这种技术方案会导致治疗手段单一，治 疗效果不好，会不利于超声治疗仪器的进一步发展【2 。 为了克服现有超声治疗仪器采用固定频率进行超声治疗，治疗手段单 一的不足，本研究提供一种新型超声治疗仪器的设计思想，该超声仪器不 仅能够利用多种频率进行治疗，而且可以实现中国传统针刺手法。 1 3 本文的研究内容与结构安排 本文主要研究基于传统针刺规律的超声治疗仪器，采用生物医学工程 领域内的医学与工学结合的方法，利用超声的特性，以及其与传统针法相 比的优势，设计出一种新颖的中医针灸学治疗仪器。本课题所要完成的任 务主要有： ( 1 ) 熟悉超声医学与现代物理治疗学的基本理论，分析超声的各种生物 效应，以及可能对人体的影响。 ( 2 ) 了解传统针刺手法的刺激规律，结合中国传统的针灸学理论掌握基 本的针刺手法。 ( 3 ) 设计超声治疗仪样机，其中包括：微控制器单片机设计，模数转换 器设计，压控振荡器设计，以及功率放大器，超声驱动电路与产生超声的 1 1 燕山人学工学硕士学位论文 压电晶体设计。 ( 4 ) 对所设计的系统各部分进行试验研究，并对系统进行总体调试和标 定。 针对这些任务，本论文结构安排如下： 第一章，绪论，介绍课题的目的和意义，国内外研究现状，以及本课 题所要达到的目标。 第二章，物理疗法与超声医学的理论研究，通过对物理疗法的概述， 了解其起源、发展、分类，详细分析了物理因子的作用机制，并引出物理 疗法的中西医结合问题，同时，介绍了超声医学的一些相关知识，医学超 声原理，超声的生物效应，超声治疗的安全性问题等。 第三章，传统中医针法研究，讨论了中医传统针法的基本思想，并根 掘本课题的要求，分析比较了几种传统中医针刺手法。 第四章，关于变频超声的理论研究及与传统针法的关系，本章是在前 三章基础上的升华，进行了超声针法实现的可行性分析，讨论了变频超声 治疗的主要机理，并介绍了超声换能器的选择问题 第五章，超声治疗仪设计，包括硬件设计与软件设计，这里的设计内 容包括微控制器设计，压控振荡器设计，超声换能器设计，基于传统针法 的软件设计以及整体调试过程中的一些问题的讨论等。 1 2 第2 章物理疗法与超声医学的理论研究 第2 章物理疗法与超声医学的理论研究 在现代医学中，把研究和应用天然或人工的物理因予作用于人体，并 通过神经、体液、内分泌和免疫等生理调节机制，达到保健、预防、治疗 和康复目的之学问，称为物理治疗学( p h y s i a t r i c s ) ，又简称：理疗学2 3 1 。 超声作为物理因子的一种，在医学方面也有着广泛的应用。超声医学 是声学、医学和电子工程技术相结合的一门新兴学科。儿研究超声对人体 的作用和反作用规律，并加以利用以达到诊断、保健和治疗等目的的学科 即称超声医学。 2 1 物理疗法概述 对物理疗法的研究，包括研究物理因子的物理性质、生物学作用和治 疗方法，以及临床应用的理论和技术等内容。从宏观方面研究物理因子对 机体整体水平的影响，以了解物理因子作用的动态变化和效果；微观方面 研究物理因子对超微结构功能形态变化，以揭示物理因子作用的本质。物 理疗法是利用外界条件刺激有机体，具有动力性和信息性的双重作用，在 调节人体功能、增强适应能力和防治疾病等方面，具有不可估量的意义。 2 1 1 物理治疗起源、发展及分类 理疗源于古希腊，即应用自然界的力量治病。回顾理疗学发展的历史， 在早期理疗包括自然物理因子、体育锻炼和人工物理因子用于治疗疾病； 以后随着科学技术和社会的发展，逐渐分化形成了多门专业学科：在医学 领域研究应用自然的物理和化学因子，如同光、气候、海水、矿泉水、治 疗泥、树木及森林、花卉、景观等，形成了现代疗养学；为保健医疗而研 究应用运动锻炼形成了现代体疗学和运动医学：基于物理学的蓬勃发展， 用于疾病的预防、治疗和康复的人工物理因子逐渐增多、范围不断扩展， 从而形成了现代物理治疗学。因此现代物理治疗学主要是指人工物理因子 的医疗应用【2 4 1 。 】3 燕山大学工学硕士学位论文 在我国传统医学中，有个完全不同于现代物理治疗的传统治疗手段， 称为“外治”疗法，或称传统物理疗法。中医外治是将药剂外用或施以针 灸、挑痧、敷布、疏通、推拿、按摩、气功、导引、自然等诸种疗法治疗 疾病的系列疗法体系。这些疗法产生早、用途广泛。目前在它的众多方法 中除少数与现代医学结合产生新的边缘方法外，其中大多数方法仍带有浓 厚的孕育于民问的自然色彩。其种类之多，内容之丰富举世罕见。主要有： 针刺疗法，包括毫针、耳针等：温灸疗法，包括艾炷灸、艾条灸、温针灸； 手法治疗，包括按摩、推拿等；拔罐疗法；运动疗法和中药外治法【2 5 】。 自2 0 世纪5 0 年代以来，磁疗法、静电疗法、空气离子疗法、水疗法、 冷疗法、生物反馈疗法、光化学疗法等等从治疗技术到i 临床应用又取得了 新的广泛进展，特别是既往被认为是理疗禁忌证的恶性肿瘤，采用物理疗 法治疗取得了重大突破，高频加热疗法、光敏疗法、高强度磁场疗法、高 功率超声聚焦疗法、直流电疗法、冷冻疗法等治疗方法均获得了一定成效。 当今，物理疗法在临床医学、预防医学、康复医学、保健医学以及军事医 学等领域发挥着日益重要的作用【2 “。 在现代治疗学中，应用物理因子治病的种类繁多，但概括起来不外乎 应用天然物理因子和人工物理因子两大类，即：应用天然物理因子，如目 光浴疗法、空气浴疗法；应用人工物理因子，如电、光、磁、声、热、水 和冷等因子l 。 2 i 2 物理因子的作用机制 人类生命是一种高级的以特殊形式存在的物质运动。机体本质是有机 物和无机物组成的复杂而有序的多分子体系，这一体系的形成，即人类的 发生归根结底源于自然界的物理因子和化学因子。在进化过程中机体内部 的与大自然的物理因子和化学因子作为物质、能量和信息不断交换，最终 达到对外界环境的适应和体内环境各种复杂机制的协调，从而促进人类的 健康发展：人类脱离自然界物理因子的作用就不可能生存。在古代人类已 开始利用自然界的物理因予治疗疾病、维护健康，并取得了极大成效。随 着社会历史的发展，科学技术的进步，至最近几个世纪，人工物理因子不 1 4 第2 章物理疗法与超声医学的理论研究 断出现，并在医学领域得到广泛深入的研究和利用，其中首先是用于防治 疾病，并不断取得了显著成效，因此可以认为：理疗学是一门既古老又年 轻的科学专业【2 4 】( 图2 - 1 ) 。下面就理疗学中，物理因子的作用机制问题进行 讨论。 ，1 人类的发生与进化j 一 +l ( 物质、能量、信息) i 匹垂困j 图2 一1人类与物理i 习子的关系 f i g 2 1 c o n n e c t i o nb e t w e e nh u m a n sa n dp h y s i c a lg e n e s 理疗是利用外界条件刺激，既能改变机体的外环境，又能引起机体内 环境的变化。物理因子在大多数情况下，表现为能量、物质、信息三种环 节的相互联系。不同物理因子能使这三者之间相互关系产生质的差别。 物理因子直接作用机体，能引起一系列的反应，这种反应大致分为三 个阶段： ( 1 ) 物理反应阶段这个阶段主要是物理因子与局部细胞及其周围基 质相互作用，发生能量转移，机体吸收能量。能量吸收多寡，取决于组织 形态、化学成分、生物物理性质和作用深浅等条件。只有能量被吸收、才 能对机体产生理疗作用，这是理疗作用的基础。 ( 2 ) 理化效应阶段物理能被组织吸收之后，随即产生一系列生物物 理、生物化学、生物磁学及电力学等理化反应。这些反应包括组织形态、 生物活性物质产生等，并引起一些内环境恒量的改变。 ( 3 ) 生物效应阶段可分为三种类型。 局部反应局部理化效应，其结果是引起细胞功能状态、体液循环、 微循环和物质代谢的改变，使组织建立起新的营养代谢水平，这是物理因 子直接作用的结果。 燕山大学工学硕士学位论文 全身反应在物理因子的作用下，神经兴奋信息通过内、外感受器传 入神经通路；内分泌信息则通过体液途径，传递到控制机体产生适应性的 中枢神经结构，各系统相互作用，引起机体产生复杂综合的反应。在神经 和内分泌信息输入综合反应的基础上，形成具有全身性的适应反应。 机体内环境恒定反应物理因子的刺激作用，能激活机体产生特异性 内环境恒定反应。生理调节机制，则恢复被物理因子破坏的内环境平衡【2 ”。 各种物理因子对机体具有共同性或非特异性作用是公认的。以往曾较 普遍地认为这些共同性的作用统属于热作用，这是不f 确的。 物理因子对机体作用的共性在生理作用方面主要表现为：改变组织细 胞和体液内离子的比例和微量元素的含量；引起体内某些物质分子结构的 变化；调节神经内分泌信息控制系统机能等( 如图2 - 2 ) 。 物理治疗 神经系统调节 神经反射 控制信息 反馈信息 改善缺血、缺氧 缓解酸中毒、缓解痉挛 加速致炎、致痛的物质排山 消除组织水肿 增强生理调节机制 增强营养、代谢、修复、免疫 治疗效果 图2 - 2 物理治疗作用机制 f i g 2 - 2 e f f e c to fp h y s i c a lt h e r a p y 1 6 体液内分泌调节 化学信息： a t p 、m l f 、 c a m p 、 c g m p 等 第2 章物理疗法与超声医学的理论研究 物理因子共性的治疗作用主要表现为：促进神经一内分泌信息控制系统 机能障碍的消除；提高机体或菜些系统、器官的功能水平；提高药物向组 织器官内透入等【2 9 】。 但对上述的共性作用需说明：并非每种物理因子都有上述全部的共性 作用；由于各种物理因子的性质不同，导致在共性作用方面含有特异性的 作用成分。 物理因子作用机体后，引起共同性效应的同时，并引起特异性效应， 这一论点己被同益增多的事实所证明。许多实验和临床研究证明，物理因 子的共同性作用和特异性作用是互相联系的。深入研究和掌握各种物理因 子的特异性作用有可能显著提高理疗的效果。 物理因子的特异性作用效应只有在使用小剂量的条件下方可晟明显的 呈现，在使用大剂量时，由于分子的布朗运功( 热运动) 可掩盖其特异性作 用效应( 例如小剂量超短波作用有明显增强机体防卫机能的作用，而大剂量 超短波则有抑制作用) 。 物理因子的特异性作用效应是基于不同的物理因子对不同的细胞、组 织和器官有相对的选择性作用，这是因为各种物理能一信息的性质不同：各 种组织细胞对不同的物理因子的感受性有差异。例如紫外线优先作用于外 胚层组织；超短波优先作用于结缔组织，并可较明显的作用于血管系统， 骨组织等。 研究结果证明，不同的物理因子引起的组织形态学变化，体液因子的 变化，超微结构功能形念直至组织器官功能的变化，以及物质代谢的变化 等均可具有一定的特异性。 物理因子是一