溫針灸的熱傳導(dǎo)過程研究

溫針灸的熱傳導(dǎo)過程研究

1序言1.1針刺、艾絨的制備針灸和艾灸是人類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)驗醫(yī)學(xué)的色彩,在西方被稱為替代醫(yī)學(xué)。但是近年來由于針灸獨特的臨床療效、安全簡單的操作以及極低的副作用和費用,引起了國際前沿科學(xué)界的關(guān)注。美國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燃,直到艾絨燃盡為止,使熱力通過針身傳入體內(nèi),達(dá)到治療目的。具有溫通經(jīng)脈,行氣活血的作用。此法始見于東漢時張仲景的《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。”此法源于古代,由于療效顯著而流傳至今,兼具針與灸的雙重作用,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),探測紅外輻射,經(jīng)過一系列信號處理,把不可見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,受到國內(nèi)科學(xué)者的普遍關(guān)注。目前,國內(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)血管參與的對流換熱。對于灸穴位點的局部組織而言,微細(xì)血管參與的對流換熱與生物組織間的熱傳導(dǎo)相比要小得多。因此,可以近似忽略對流換熱對生物組織內(nèi)熱傳導(dǎo)形成的熱場分布的影響。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)實驗2.1anasas非織造布的制備FLIRSystems公司的ThermaCAMTMP30紅外熱像儀一臺,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%。實驗時,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)針方向插入穴位深度。由于在ANSYS數(shù)值分析模型中,針的區(qū)域上沒有任何生物組織遮蓋,所以實驗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不同種類針的動力特性觀察上述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燃燒過程中紅外熱像圖上針插入穴位點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)見圖5。圖5中橫坐標(biāo)為時間,單位為秒,縱坐標(biāo)為溫度,單位為K。從圖中可以發(fā)現(xiàn),在整個灸療的過程中,各種溫針灸作用于生物組織的溫度曲線都經(jīng)歷一個上升到達(dá)最大值,然后逐漸下降的過程。每條曲線的溫度最大值,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區(qū)域的邊界條件,以坐標(biāo)點的形式導(dǎo)出;(4)調(diào)整坐標(biāo)值,統(tǒng)一成生物組織的實際尺寸;(5)將生物組織各個部分的坐標(biāo)點導(dǎo)入ANSYS,并用樣條曲線連接各個節(jié)點,描繪出各個區(qū)域的輪廓線,再將線構(gòu)成一個個面,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物大小。圖上不同顏色表示整個生物組織中各個不同邊界的部分,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燃燒過程中紅外熱像圖上針插入穴位點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)行計算,測得生物組織溫度分布、熱向量的動態(tài)傳導(dǎo)過程。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過程中的溫度分布圖,這樣能直觀觀察到組織中各部分的溫度隨時間的動態(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分鐘時的溫度分布圖。從三種溫針灸整個過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),同時也向周圍擴(kuò)散,速度比較慢。由于金屬是熱的良導(dǎo)體,在針體周圍的溫度明顯升高,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℃)在三種針法中最高,同時針體周圍組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,且針不會插到很深的組織中。3.2.2針刺熱傳導(dǎo)的范圍通過數(shù)值模型還可以模擬整個金針灸、不銹鋼針灸和銀針灸過程中的熱量向量圖。圖11和圖12分別給出了金針、不銹鋼針灸12min時和銀針灸15min時的熱流量向量圖。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,在針體周圍的較大范圍內(nèi)均見熱量傳遞。這說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。銀針體周圍組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實驗與數(shù)值模擬結(jié)果的討論4.1實驗值和數(shù)值模擬值的選取存在一定的偏差為了對實驗和數(shù)值模擬結(jié)果有個清晰的認(rèn)識,我們將這兩種結(jié)果進(jìn)行對比。同時取某個時刻的紅外熱像圖和ANSYS模型溫度分布圖,在垂直于針的方向上取一條直線,如圖13所示,比較在這一直線上的實驗值和數(shù)值模擬值。圖14~16中實線為數(shù)值模擬值,十字點為實驗值?？梢园l(fā)現(xiàn)實驗值和數(shù)值模擬值的總體趨勢相同,實驗值位于數(shù)值模擬值的兩側(cè)。兩條曲線均有一個波峰,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,會達(dá)到一個峰值。但是,實驗值和數(shù)值模擬值之間存在一定誤差,可能有以下幾方面因素:(1)實驗拍攝截面與空氣存在熱對流,計算的是絕熱面。(2)實際的生物組織是三維的,而在數(shù)值模擬建模時被簡化為二維處理。(3)紅外熱像圖的精度不是很高,在取直線的時候,可能在選取坐標(biāo)時會有一定的偏差。(4)雖然做實驗前會提早將豬后腿拿出解凍,但是整個生物組織橫截面各點的溫度并不相同。而進(jìn)行數(shù)值模擬時,為了簡便,將整個橫截面上點的初始溫度設(shè)為統(tǒng)一的溫度。4.2銀針傳熱的特性油在比較實驗值和數(shù)值模擬值以后,我們將不同材料的溫針灸進(jìn)行對比。圖17是3種溫針灸在如圖13所示在同垂直于針的直線上的溫度對照圖。圖上顯示3種溫針灸曲線的趨勢基本相同,都會有一個最高值,然后逐漸下降,且上升和下降區(qū)域的曲線基本成線性。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,這也證實了臨床上銀針溫針灸的療效最好。但由于其價格昂貴,臨床上較少使用,而用價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實驗結(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,溫針灸后穴位點處的組織溫度分布呈現(xiàn)出V字型。同時我們還發(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)象也證實了臨床上銀針溫針灸的療效最好。雖然從實驗值和數(shù)值模擬