Numerical Modeling and Simulation of Non-Invasive Acupuncture Therapy Utilizing Near-Infrared Light-Emitting Diode

A acupuntura é uma das terapias complementares e alternativas mais utilizadas mundialmente, originária da medicina tradicional chinesa há mais de 2000 anos. Esta prática não farmacológica e minimamente invasiva tem se tornado crescentemente popular no Ocidente, com mais de 10.000 estudos controlados randomizados publicados desde 1975 investigando sua eficácia clínica e mecanismos de ação. A acupuntura moderna envolve a inserção de agulhas muito finas em pontos específicos do corpo (acupontos), seguida de estimulação mecânica, elétrica ou outras formas físicas de energia. Uma variação chamada moxabustão utiliza calor através da queima de artemísia (moxa) sobre os acupontos, proporcionando estímulo térmico ao invés de penetração com agulhas.

Embora a moxabustão seja não invasiva, ela produz fumaça e odores prejudiciais similares aos encontrados na fumaça do tabaco.

Este estudo teve como objetivo desenvolver e validar uma alternativa completamente não invasiva à moxabustão tradicional, utilizando diodos emissores de luz (LEDs) no espectro infravermelho próximo para fornecer estímulo térmico aos tecidos da pele. Os pesquisadores criaram um modelo computacional tridimensional de pele com três camadas (epiderme, derme e tecido subcutâneo) para investigar como a luz LED interage com o tecido e gera aquecimento. O modelo utilizou as equações de transferência de calor de Pennes combinadas com a lei de Beer-Lambert para simular a distribuição de temperatura no tempo e espaço dentro dos tecidos da pele quando expostos à irradiação LED.

A metodologia incluiu primeiro a caracterização experimental do perfil de irradiação de dois tipos de LEDs comerciais operando em 850 nanômetros, com padrões de emissão de 90° e 150°. Os LEDs foram testados experimentalmente em gel de ágar para validar o modelo numérico, mostrando boa concordância entre os resultados previstos computacionalmente e os obtidos experimentalmente. Em seguida, foram realizadas análises paramétricas extensivas para quantificar os efeitos da potência do LED, duração do tratamento, distância entre o LED e a superfície da pele, e uso de múltiplos LEDs na distribuição de temperatura resultante.

Os principais resultados demonstraram que o aquecimento por LED pode efetivamente fornecer estímulo térmico terapêutico a profundidades de 4-5 milímetros na pele, similar à moxabustão tradicional. A potência operacional segura foi identificada como 200-300 mW para LEDs de 90° e 300-500 mW para LEDs de 150° para atingir temperaturas terapêuticas entre 43-48°C sem causar dano aos tecidos (temperatura máxima segura abaixo de 50°C). O LED de 90° mostrou penetração mais profunda devido ao seu feixe mais focado, enquanto o LED de 150° aqueceu uma área maior mas com menor penetração. O aumento da distância entre o LED e a pele reduziu significativamente a eficácia do aquecimento, com quedas de 37,6% e 59% na temperatura máxima para os LEDs de 90° e 150°, respectivamente, quando movidos 2000 micrômetros da superfície da pele.

O uso de múltiplos LEDs aumentou substancialmente o volume de tecido aquecido, com 2, 3, 4 e 5 LEDs resultando em aumentos de 324%, 674%, 1014% e 1338% no volume aquecido, respectivamente.

Para pacientes e profissionais, estes resultados sugerem que a terapia baseada em LED oferece uma alternativa promissora e segura à acupuntura e moxabustão tradicionais. Os LEDs são mais seguros e econômicos que lasers, bem tolerados por pacientes de todas as idades, e podem potencialmente ser incorporados em dispositivos vestíveis para uso domiciliar. A terapia elimina riscos de infecção, dor da inserção de agulhas, e produção de fumaça nociva. Os parâmetros operacionais identificados podem orientar o desenvolvimento de protocolos de tratamento seguros e eficazes.

A capacidade de controlar precisamente a temperatura e área de tratamento através do ajuste da potência, distância e configuração de múltiplos LEDs oferece flexibilidade terapêutica significativa.

As principais limitações do estudo incluem a validação experimental limitada ao gel de ágar ao invés de tecido humano real, e testes realizados ex vivo que não consideram completamente os efeitos da perfusão sanguínea microvascular em condições fisiológicas reais. Além disso, embora o modelo computacional seja sofisticado, ainda simplifica a complexa estrutura vascular e heterogeneidade dos tecidos biológicos reais. Estudos clínicos em humanos serão necessários para confirmar a segurança e eficácia terapêutica antes da implementação clínica.

O trabalho representa um avanço significativo no desenvolvimento de terapias de acupuntura não invasivas baseadas em tecnologia moderna. Os autores estão trabalhando na tradução clínica destes resultados e no desenvolvimento de dispositivos miniaturizados que possam ser integrados a produtos têxteis vestíveis para fornecer estímulo físico sob demanda em ambiente domiciliar, potencialmente revolucionando o acesso e a praticidade das terapias de acupuntura.