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研究生：	葉佳文 Yeh, Chia-Wen
論文名稱：	以有限元素分析探討局部水療之溫度分佈 Temperature Distribution during Local Hydrotherapy with Finite Element Analysis
指導教授：	徐阿田 Hsu, Ar-Tyan 張志涵 Chang, Chih-Han
學位類別：	碩士 Master
系所名稱：	工學院 - 醫學工程研究所 Institute of Biomedical Engineering
論文出版年：	2003
畢業學年度：	91
語文別：	中文
論文頁數：	58
中文關鍵詞：	熱療、水療、有限元素分析
外文關鍵詞：	finite element analysis, hydrotherapy, hyperthermia
相關次數：	點閱：109 下載：3
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熱療(Hyperthermia)是物理治療常用的治療方式之一，藉由局部組織溫度的提升，使血管擴張、提高疼痛閾值、改變組織材料性質及增加組織代謝率等以達到治療效果。熱療時對組織所造成之溫度改變情形是物理治療人員欲了解的。至目前為止，熱療時溫度分佈情形之研究皆以thermal couple直接量測單點的溫度變化為主。另一種研究方式－有限元素分析，是以數值模擬之方式模擬溫度分佈，優點是能以整體的角度觀察研究溫度分佈情形並可進行參數分析。
本研究以美國國家醫學圖書館發展的The Visible Human Project之人體冷凍切片影像資料建立大腿部位之三維有限元素模型，模擬大腿在接受水療熱療後，組織溫度變化及分佈情形。同時並進行參數分析，探討影響溫度分佈之主要因素。研究結果顯示水療溫度變化在組織淺層數公分深，與熱療之表淺熱(superficial heat modalities)常識相符。水溫及血流變化是影響淺層溫度變化之主要因素，另外脂肪厚度及肢體大小均會對溫度分佈有影響，但影響量不大。依目前模擬結果顯示對肌肉組織大約只有0.5℃以內的差異。本研究之結果可以提供臨床物理治療人員及醫師於淺層熱療之處方參考。

Hyperthermia is one of the therapeutic treatments in physical therapy. The effects of hyperthermia are primarily on vasodilatation, pain control, alternation of tissue material properties, and increasing metabolic rate. Temperature distribution during hyperthermia is essential for physical therapist. Most of researches for temperature distribution during hyperthermia were to measure the temperature by thermo couple at discrete locations. On the other hand, finite element simulation could provide entire temperature distribution of the tissue and is suitable for parametric analysis.
The purpose of this study was to evaluate temperature distribution at human thigh during hydrotherapy using finite element analysis. The model of thigh was built based on the image data from The Visible Human Project developed by National Library of Medicine, USA. Parametric analysis was also included in this study to examine various factors, which influence the temperature distribution during hydrotherapy. The results of this study demonstrated that hydrotherapy is indeed a superficial heat treatment, that is, the temperature rising only occurred at superficial tissue. The main factors, influenced the temperature distribution, are temperature of water and blood flow effects. In addition, fat thickness and limb size would affect the temperature distribution. However, their effects are minimal. For muscle, the temperature variations were less than 0.5℃ under current simulated different tissue structures. The results of this study can provide guideline for physical therapist to prescript superficial heat modalities.

中文摘要…………………………………………………I
英文摘要…………………………………………………II
誌謝………………………………………………………III
目錄………………………………………………………IV
表目錄……………………………………………………VII
圖目錄……………………………………………………VIII
第一章　緒論……………………………………………1
1.1 熱療簡介……………………………………………1
1.2 水療簡介……………………………………………3
1.3 文獻回顧……………………………………………5
1.3.1 熱療之效果………………………………………5
1.3.2 熱療之研究………………………………………8
1.4 研究動機與目的……………………………………11
第二章　材料與方法……………………………………13
2.1 研究流程概述………………………………………13
2.2 三維有限元素模型建立流程………………………14
2.2.1 三維實體模型建構………………………………14
2.2.2 有限元素網格建立………………………………16
2.2.3 材料性質…………………………………………18
2.2.4 模型之負荷與初始條件…………………………19
2.2.5 本研究之假設……………………………………21
2.3 研究分析……………………………………………22
2.3.1 模型收斂性分析…………………………………22
2.3.2 不同水溫對組織溫度影響分析…………………22
2.3.3 水之交界面之組織溫度分佈……………………22
2.3.4 模型血流熱效應之影響…………………………23
2.3.5 模型皮膚層之影響………………………………23
2.3.6 模型脂肪層之影響………………………………23
2.3.7 二維模型與三維模型差異分析…………………24
2.3.8 脂肪層厚度影響分析……………………………24
2.3.9 肢體外徑大小對水療溫度分佈影響分析………25
第三章　結果……………………………………………26
3.1 模型收斂性分析……………………………………27
3.2 不同水溫對組織溫度影響…………………………28
3.2.1 水溫43℃…………………………………………28
3.2.2 水溫42℃…………………………………………31
3.2.3 水溫41℃…………………………………………32
3.2.4 水溫40℃…………………………………………33
3.2.5 水溫39℃…………………………………………34
3.2.6 水溫38℃…………………………………………35
3.2.7 綜合比較…………………………………………36
3.3 水之交界面之組織溫度分佈………………………37
3.4 模型血流熱效應之影響……………………………38
3.5 模型脂肪與皮膚層之影響…………………………39
3.6 二維模型與三維模型差異分析……………………40
3.7 二維脂肪層厚度影響分析…………………………41
3.8 二維肢體外徑大小之影響分析……………………42
第四章　討論……………………………………………43
4.1 淺層熱對組織溫度影響……………………………43
4.2 水之交界面之組織溫度分佈………………………46
4.3 三維模型皮膚層及脂肪層之影響…………………47
4.4 二維模型與三維模型差異…………………………48
4.5 脂肪層厚度影響分析………………………………49
4.6 肢體外徑大小對水療溫度分佈影響………………50
4.7 本模型存在之問題…………………………………51
4.7.1 初始溫度之設定…………………………………51
4.7.2 水療溫度之設定…………………………………51
4.8 熱療有限元素分析之注意事項……………………52
第五章　結論與未來展望………………………………53
5.1 結論…………………………………………………53
5.2 未來展望……………………………………………54
表　目　錄
表1.1 熱的效果…………………………………………1
表1.2 淺層熱的治療目的………………………………3
表1.3 水與空氣比熱與熱傳系數之比較………………3
表1.4 水療不同水溫之臨床應用………………………4
表1.5 Pennes equation ………………………………9
表2.1 模型所使用之材料參數…………………………18
表2.2 血流之熱效應參數………………………………20
表2.3 脂肪層厚度影響分析參數………………………24
表2.4 肢體外徑大小影響分析參數……………………25
表3.1 節點距離體表之深度……………………………26
圖　目　錄
圖1.1 物理治療常用之熱療儀器………………………2
圖1.2 局部水療之設備…………………………………3
圖1.3 血管擴張之機轉…………………………………5
圖1.4 Lehmann於熱敷墊治療之溫度量測 ……………8
圖1.5 腫瘤治療之熱療模擬……………………………10
圖1.6 微波治療的溫度及血流分佈情形之模擬………10
圖2.1 本研究之流程圖…………………………………14
圖2.2 CT影像與冷凍切片影像之對照…………………15
圖2.3 建立模型之切片影像……………………………16
圖2.4 模型之骨頭外觀…………………………………16
圖2.5 模型之肌肉外觀…………………………………16
圖2.6 模型之脂肪外觀…………………………………16
圖2.7 模型之皮膚外觀…………………………………17
圖2.8 實體模型外觀……………………………………17
圖2.9 網格建立之模型外觀……………………………17
圖2.10 血流之熱效應參數 ……………………………19
圖3.1 本研究分析結果之路徑…………………………26
圖3.2 本研究分析結果之節點…………………………26
圖3.3 收斂性分析：Path1 之溫度變化………………27
圖3.4 收斂性分析：Node1 之溫度變化………………27
圖3.5 水溫43℃ 5分鐘時之溫度分佈…………………28
圖3.6 水溫43℃ 10分鐘時之溫度分佈 ………………28
圖3.7 水溫43℃ 15分鐘時之溫度分佈 ………………29
圖3.8 水溫43℃ 20分鐘時之溫度分佈 ………………29
圖3.9 水溫43℃ 25分鐘時之溫度分佈 ………………29
圖3.10 水溫43℃ 30分鐘時之溫度分佈………………30
圖3.11 水溫43℃ 路徑之溫度變化……………………30
圖3.12 水溫43℃ 節點之溫度變化……………………30
圖3.13 水溫42℃ 15分鐘時之溫度分佈………………31
圖3.14 水溫42℃ 30分鐘時之溫度分佈………………31
圖3.15 水溫41℃ 15分鐘時之溫度分佈………………32
圖3.16 水溫41℃ 30分鐘時之溫度分佈………………32
圖3.17 水溫40℃ 15分鐘時之溫度分佈………………33
圖3.18 水溫40℃ 30分鐘時之溫度分佈………………33
圖3.19 水溫39℃ 15分鐘時之溫度分佈………………34
圖3.20 水溫39℃ 30分鐘時之溫度分佈………………34
圖3.21 水溫38℃ 15分鐘時之溫度分佈………………35
圖3.22 水溫38℃ 30分鐘時之溫度分佈………………35
圖3.23 不同水溫Path1之溫度變化……………………36
圖3.24 不同水溫Node1之溫度變化……………………36
圖3.25 水之交界面之組織溫度分佈 …………………37
圖3.26 模型血流熱效應Path1之溫度變化……………38
圖3.27 模型血流熱效應Node1之溫度變化……………38
圖3.28 三維模型脂肪與皮膚層之影響 ………………39
圖3.29 二維與三維模型Path1 之溫度變化 …………40
圖3.30 二維與三維模型Node 之溫度變化……………40
圖3.31 二維脂肪層厚度之影響 ………………………41
圖3.32 二維肢體外徑大小之影響 ……………………42
圖4.1  不同水溫 Path1 之溫度變化…………………44
圖4.2  1公分深之組織溫度變化………………………45
圖4.3  30分鐘時之交界面與標準模型溫度分佈對照 46
                                    

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校內：立即公開
校外：2003-08-28公開

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