溫針灸的熱傳導(dǎo)過(guò)程研究

溫針灸的熱傳導(dǎo)過(guò)程研究

1序言1.1針刺、艾絨的制備針灸和艾灸是人類(lèi)最常用的物理治療方法之一。針灸和艾灸是中醫(yī)針灸和艾灸的重要組成部分。由于針灸治病的機(jī)理一直未被現(xiàn)代科學(xué)所闡明,因此它始終帶有經(jīng)驗(yàn)醫(yī)學(xué)的色彩,在西方被稱(chēng)為替代醫(yī)學(xué)。但是近年來(lái)由于針灸獨(dú)特的臨床療效、安全簡(jiǎn)單的操作以及極低的副作用和費(fèi)用,引起了國(guó)際前沿科學(xué)界的關(guān)注。美國(guó)NIH和FDA都在不同程度上肯定了針灸療法的效果。溫針灸是針刺與艾灸結(jié)合使用的一種方法。針刺得氣后,將毫針留在適當(dāng)?shù)纳疃?將艾絨捏在針柄上點(diǎn)燃,直到艾絨燃盡為止,使熱力通過(guò)針身傳入體內(nèi),達(dá)到治療目的。具有溫通經(jīng)脈,行氣活血的作用。此法始見(jiàn)于東漢時(shí)張仲景的《傷寒論》?！夺樉木塾ⅰ份d有:“王節(jié)齋曰,近有為溫針者,乃楚人之法。其法針于穴,以香白芷作圓餅,套針上。以艾蒸溫之,多以取效?！贝朔ㄔ从诠糯?由于療效顯著而流傳至今,兼具針與灸的雙重作用,適用于既需留針,又需艾灸之寒凝經(jīng)脈和氣血痹阻的各種寒證、虛證、痛證。本文旨在溫針灸在穴位處的傳熱學(xué)研究方面作些初步探索。本文中使用的紅外熱像技術(shù)(infraredthermography,IRT)現(xiàn)在已經(jīng)成為一門(mén)新興的綜合性的高新技術(shù),它基于紅外輻射原理,以人體為輻射源,采用先進(jìn)的紅外掃描技術(shù),探測(cè)紅外輻射,經(jīng)過(guò)一系列信號(hào)處理,把不可見(jiàn)光的體表溫度變化為可視性的和可定量的紅外熱像圖,彩色熱像圖以不同的顏色代表不同的溫度范圍。具有靈敏精確、成像直觀、信息豐富等特點(diǎn),受到國(guó)內(nèi)科學(xué)者的普遍關(guān)注。目前,國(guó)內(nèi)已有很多學(xué)者將紅外熱像技術(shù)應(yīng)用于針灸經(jīng)絡(luò)研究中。1.2內(nèi)熱傳導(dǎo)分析傳統(tǒng)灸療通常有艾炷灸、艾條灸、溫針灸等灸法。為便于熱力學(xué)分析,將其歸納為接觸灸與非接觸灸兩種。接觸灸與非接觸灸在熱傳遞過(guò)程中唯一差別在于艾條與穴位間的換熱形式為輻射換熱,而在穴位內(nèi)組織間的換熱則與接觸灸完全一致。接觸灸有兩種熱傳遞方式,發(fā)熱體與組織間、組織與組織間的熱傳導(dǎo)以及微細(xì)血管參與的對(duì)流換熱。對(duì)于灸穴位點(diǎn)的局部組織而言,微細(xì)血管參與的對(duì)流換熱與生物組織間的熱傳導(dǎo)相比要小得多。因此,可以近似忽略對(duì)流換熱對(duì)生物組織內(nèi)熱傳導(dǎo)形成的熱場(chǎng)分布的影響。根據(jù)Fourier定律,各向異性介質(zhì)內(nèi)熱傳導(dǎo)方程為q?=?[K]??Tq?=-[Κ]??Τkij為不同面、不同方向上的導(dǎo)熱系數(shù)。負(fù)號(hào)表示熱傳導(dǎo)方向和溫度梯度方向相反。二維笛卡兒坐標(biāo)將方程簡(jiǎn)化為:q?=?(kx?T?x+ky?T?y)q?=-(kx?Τ?x+ky?Τ?y)2生物組織的熱態(tài)實(shí)驗(yàn)2.1anasas非織造布的制備FLIRSystems公司的ThermaCAMTMP30紅外熱像儀一臺(tái),熱靈敏度為0.08℃。新鮮豬后腿一只和純艾絨若干。針灸用的針為蘇州醫(yī)療用品廠有限公司生產(chǎn)的華佗牌專(zhuān)用針灸針,各種針的規(guī)格如下:金針為0.35mm×40mm;銀針為0.35mm×40mm;不銹鋼針為0.35mm×40mm。金質(zhì)針灸針含金量75%,銀質(zhì)針灸針含銀量85%。實(shí)驗(yàn)時(shí),取出冷凍的豬后腿解凍,待生物組織柔軟后,定位需要施灸的位置,分別將各種針按照臨床進(jìn)針?lè)较虿迦胙ㄎ簧疃?。由于在ANSYS數(shù)值分析模型中,針的區(qū)域上沒(méi)有任何生物組織遮蓋,所以實(shí)驗(yàn)中盡量插在橫截面的表面,不要牽連太多的生物組織成分。再將0.5g純艾絨捏成棗核形于針尾上,如圖1。紅外熱像儀距離生物組織大約1.5m距離,每隔1min記錄一張紅外熱像圖。2.2不同種類(lèi)針的動(dòng)力特性觀察上述3張圖可以發(fā)現(xiàn),銀針溫針灸的傳熱速度最快,生物組織的溫度上升最多,其次是金針,而普通不銹鋼的傳熱速度最慢。從圖中可以發(fā)現(xiàn),溫針灸的傳熱主要集中在插入的針上,熱沿著針傳導(dǎo)的速度最快,呈現(xiàn)出明顯的V字型。銀針傳得最深,已經(jīng)達(dá)到了針尖的位置;普通不銹鋼針僅傳導(dǎo)到較淺的組織處。讀取各種溫針上整個(gè)燃燒過(guò)程中紅外熱像圖上針插入穴位點(diǎn)處針體的溫度作為數(shù)值分析的邊界條件,各種不同針的數(shù)據(jù)見(jiàn)圖5。圖5中橫坐標(biāo)為時(shí)間,單位為秒,縱坐標(biāo)為溫度,單位為K。從圖中可以發(fā)現(xiàn),在整個(gè)灸療的過(guò)程中,各種溫針灸作用于生物組織的溫度曲線(xiàn)都經(jīng)歷一個(gè)上升到達(dá)最大值,然后逐漸下降的過(guò)程。每條曲線(xiàn)的溫度最大值,以銀針最大,其次是金針,而普通不銹鋼針的波峰幾乎不明顯。還可以看到,銀針上升速度最快且峰值出現(xiàn)最早。3數(shù)值模擬3.1生物組織的二維模型(1)將圖1導(dǎo)入Photoshop中,在不同材料性質(zhì)的區(qū)域上標(biāo)注不同顏色,注意區(qū)分各種不同性質(zhì)物質(zhì)的邊界;(2)將圖形保存成灰度格式導(dǎo)出;(3)用Matlab程序讀取灰度圖形中各個(gè)區(qū)域的邊界條件,以坐標(biāo)點(diǎn)的形式導(dǎo)出;(4)調(diào)整坐標(biāo)值,統(tǒng)一成生物組織的實(shí)際尺寸;(5)將生物組織各個(gè)部分的坐標(biāo)點(diǎn)導(dǎo)入ANSYS,并用樣條曲線(xiàn)連接各個(gè)節(jié)點(diǎn),描繪出各個(gè)區(qū)域的輪廓線(xiàn),再將線(xiàn)構(gòu)成一個(gè)個(gè)面,建立二維的生物組織模型。圖6中將針作為模型的一部分,把圖中某些組織一分為二。圖中針部分的尺寸完全按照實(shí)物大小。圖上不同顏色表示整個(gè)生物組織中各個(gè)不同邊界的部分,包括皮膚、脂肪、肌肉、骨骼和筋膜。建立模型后分別按表1定義圖上各塊面積的材料性質(zhì),包括熱傳導(dǎo)系數(shù)KXX、密度ρ和比熱C。然后將前文得到的溫針灸整個(gè)燃燒過(guò)程中紅外熱像圖上針插入穴位點(diǎn)處針體的溫度作為數(shù)值分析的邊界條件,施加在生物組織上進(jìn)行計(jì)算,測(cè)得生物組織溫度分布、熱向量的動(dòng)態(tài)傳導(dǎo)過(guò)程。3.2模擬結(jié)果android3.2.1種金針菇熱傳導(dǎo)系數(shù)的比較數(shù)值模擬結(jié)果能得到三種溫針灸整個(gè)過(guò)程中的溫度分布圖,這樣能直觀觀察到組織中各部分的溫度隨時(shí)間的動(dòng)態(tài)變化。圖8和圖9分別給出了金針灸、不銹鋼針灸和銀針灸第12分鐘時(shí)的溫度分布圖。從三種溫針灸整個(gè)過(guò)程的溫度分布圖可以看到由于金屬針體的熱傳導(dǎo)系數(shù)大于組織的其他組成部分,熱主要沿著針體傳導(dǎo),同時(shí)也向周?chē)鷶U(kuò)散,速度比較慢。由于金屬是熱的良導(dǎo)體,在針體周?chē)臏囟让黠@升高,這樣的灸法比間接灸更能使溫度傳導(dǎo)到組織深部。在等量艾絨的情況下,銀針針體達(dá)到的最大溫度值321.5K(48℃)在三種針?lè)ㄖ凶罡?同時(shí)針體周?chē)M織溫度也隨之上升最快,熱傳遞的范圍也最廣。因此銀針溫針灸的療效最好,但由于其溫度升高程度較高,速度較快,臨床上一般取用較少量的艾絨捏在針尾,且針不會(huì)插到很深的組織中。3.2.2針刺熱傳導(dǎo)的范圍通過(guò)數(shù)值模型還可以模擬整個(gè)金針灸、不銹鋼針灸和銀針灸過(guò)程中的熱量向量圖。圖11和圖12分別給出了金針、不銹鋼針灸12min時(shí)和銀針灸15min時(shí)的熱流量向量圖。從圖中可以更加明顯地看到熱量主要沿著針體傳遞,快速向組織深處傳導(dǎo),再以針體為中心向四周擴(kuò)散,但速度要慢于沿針體的傳導(dǎo)速度,在針體周?chē)妮^大范圍內(nèi)均見(jiàn)熱量傳遞。這說(shuō)明在溫針灸這種將針和灸相結(jié)合的方法中,針插的深度對(duì)于熱傳導(dǎo)的范圍起著重要作用。而且熱主要集中在針上傳遞,使熱量能夠高度集中,更加有效地作用在穴位深處,獲得更好的療效。比較發(fā)現(xiàn),金針灸熱流量的最大值是不銹鋼針灸熱流量最大值的2倍多,而銀針灸熱流量最大值大約是金針灸熱流量最大值的2倍多。由于銀針溫針灸較快的熱傳遞速度,在臨床上使用療效最好。銀針體周?chē)M織溫度也上升比較快,從流量向量圖中可以看到,只有銀針灸過(guò)程中由于組織溫度和環(huán)境溫度有了較大的溫差,熱流量傳遞的方向從向內(nèi)傳導(dǎo)發(fā)展到最后的向外傳導(dǎo)。4實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬結(jié)果的討論4.1實(shí)驗(yàn)值和數(shù)值模擬值的選取存在一定的偏差為了對(duì)實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬結(jié)果有個(gè)清晰的認(rèn)識(shí),我們將這兩種結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。同時(shí)取某個(gè)時(shí)刻的紅外熱像圖和ANSYS模型溫度分布圖,在垂直于針的方向上取一條直線(xiàn),如圖13所示,比較在這一直線(xiàn)上的實(shí)驗(yàn)值和數(shù)值模擬值。圖14~16中實(shí)線(xiàn)為數(shù)值模擬值,十字點(diǎn)為實(shí)驗(yàn)值?？梢园l(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)值和數(shù)值模擬值的總體趨勢(shì)相同,實(shí)驗(yàn)值位于數(shù)值模擬值的兩側(cè)。兩條曲線(xiàn)均有一個(gè)波峰,這是由于針插入生物組織后,熱主要沿著針傳導(dǎo),所以針上的溫度最高,會(huì)達(dá)到一個(gè)峰值。但是,實(shí)驗(yàn)值和數(shù)值模擬值之間存在一定誤差,可能有以下幾方面因素:(1)實(shí)驗(yàn)拍攝截面與空氣存在熱對(duì)流,計(jì)算的是絕熱面。(2)實(shí)際的生物組織是三維的,而在數(shù)值模擬建模時(shí)被簡(jiǎn)化為二維處理。(3)紅外熱像圖的精度不是很高,在取直線(xiàn)的時(shí)候,可能在選取坐標(biāo)時(shí)會(huì)有一定的偏差。(4)雖然做實(shí)驗(yàn)前會(huì)提早將豬后腿拿出解凍,但是整個(gè)生物組織橫截面各點(diǎn)的溫度并不相同。而進(jìn)行數(shù)值模擬時(shí),為了簡(jiǎn)便,將整個(gè)橫截面上點(diǎn)的初始溫度設(shè)為統(tǒng)一的溫度。4.2銀針傳熱的特性油在比較實(shí)驗(yàn)值和數(shù)值模擬值以后,我們將不同材料的溫針灸進(jìn)行對(duì)比。圖17是3種溫針灸在如圖13所示在同垂直于針的直線(xiàn)上的溫度對(duì)照?qǐng)D。圖上顯示3種溫針灸曲線(xiàn)的趨勢(shì)基本相同,都會(huì)有一個(gè)最高值,然后逐漸下降,且上升和下降區(qū)域的曲線(xiàn)基本成線(xiàn)性。從圖中可以看出,在其他條件都相同的情況下,銀針傳熱的速度最快,其最大值達(dá)到了其他幾種溫針灸的幾倍。熱能較快沿著針體傳遞,直至組織深處,能直接作用于穴位深處,這也證實(shí)了臨床上銀針溫針灸的療效最好。但由于其價(jià)格昂貴,臨床上較少使用,而用價(jià)格低廉的普通不銹鋼針代替銀針。此外,相比而言,溫針灸比間接灸更快將熱傳遞到組織深處,熱效應(yīng)更加明顯、迅速。5實(shí)驗(yàn)結(jié)果和分析溫針灸法源于古代,由于療效顯著而流傳至今,兼具針與灸的雙重作用,但灸療對(duì)人體經(jīng)絡(luò)穴位的作用機(jī)理尚不明了。本文從傳熱學(xué)角度模擬溫針灸產(chǎn)生的熱在人體組織中的傳導(dǎo)過(guò)程,并給出熱在組織中傳導(dǎo)的定性和定量分析。研究發(fā)現(xiàn),溫針灸中熱主要沿著針快速傳遞,其他方向上的傳遞速度明顯要慢。從紅外熱像圖上看,溫針灸后穴位點(diǎn)處的組織溫度分布呈現(xiàn)出V字型。同時(shí)我們還發(fā)現(xiàn)銀針的熱傳導(dǎo)速度最快,組織溫度上升最多,而且熱傳導(dǎo)范圍最廣。金針熱傳導(dǎo)速度其次,不銹鋼針的熱傳遞速度最慢,而且針上的溫度和其他幾種溫針灸比,要低很多。上述這些現(xiàn)象也證實(shí)了臨床上銀針溫針灸的療效最好。雖然從實(shí)驗(yàn)值和數(shù)值模擬