雷火神针热传递特性的实验研究

薛昊,郭静,赵占豪,吴宏达,常清语,余芝,张建斌(南京中医药大学第二临床医学院,南京 210029)



雷火神针热传递特性的实验研究

薛昊,郭静,赵占豪,吴宏达,常清语,余芝,张建斌
(南京中医药大学第二临床医学院,南京 210029)

【摘要】雷火神针是实按灸疗法之一,对于肢体疼痛、疮痈、寒证有十分出色的治疗效用。为了揭示前人对雷火神针临床实践成果的背后原理,寻找雷火神针治疗优势的物理学依据,该研究通过一系列实验,在不同条件下比较雷火神针和清艾条对在模拟生物组织中传热规律的差异,初步揭示了雷火神针的热辐射、热传递特性,试着找到适合临床实按灸操作的下压力度,对历代临床操作的变化作出了思考。

【关键词】雷火神针;雷火针灸疗法;实按灸;艾条灸;传热;物理

雷火神针是一种特殊的实按灸法,主要通过燃着的药艾条隔布按压于体表特定部位来治疗疾病,此法将按压动作整合进施灸过程[1-4]。近年临床研究表明雷火神针对肢体疼痛、疮痈、寒证等病证的确有较好的疗效[5-10]。而它的治疗优势来自哪里?温热作用是艾灸公认的重要作用机理之一[11],而独特的按压动作与治疗优势有无关联?施灸过程中给生物组织带来怎样的变化?回答这些问题,首先需要清晰雷火神针的热传递特性。

已有一些学者的相关研究,为我们探索雷火神针的热传递过程和特性提供了参考。夏永莉等[12]以能量传递核心标记——温度为指标,从生物传热学的角度研究艾灸机理,探讨物质和能量在生物体内的传输规律;丁海峰[13]皮肤组织光热响应研究,为艾灸传热研究提供了可借鉴的方法。此外,丁海峰等[14]还发现“热响应时间及热弛豫时间与组织深度的关系,即组织越深(0～60mm),其热响应时间(0～4 ms)与热弛豫时间(0.4～12.1 ms)越长”,提示雷火神针的传热规律可能与不同压力、艾灸条是否掺药等因素有关。为此,我们首先探索雷火神针施灸过程中,生物体组织中的温度变化和传递规律,以便进一步研究雷火神针治疗机制的生物物理学依据。

1　实验材料

1.1生物组织

选取新鲜带皮猪腿肉一块(长9 cm,宽9 cm,高3.5 cm),作为模拟生物活体组织。并按照不同组织结构及其深度,放置温度感知电极。

1.2测温系统

参考丁海峰[14]设计实时性测温系统,以热电偶作为采集器(温度感知电极),以多通道电子温度记录仪作为信息收集和显示器,与模拟生物组织共同组成实验系统。

依照不同实验目标,热电偶的排列方式有以下两种,第一种适用于实验1(图1);第二种适用于除实验1以外其他实验(图2)。

图1　实时性测温系统1

图2　实时性测温系统2

1.3实验用艾条

实验用艾条主要有雷火神针与清艾条两种。

雷火神针参考《针灸大成》记载[15],以冰片代替麝香,去穿山甲。方药为沉香、木香、乳香、茵陈、羌活、干姜各9 g,冰片5 g,蕲艾60 g。各药物打粉,与艾绒混合均匀,备用。将20 cm×38 cm桑皮纸一张,卷成直径2 cm层数7层的纸筒,用蛋清糊牢,再糊上一层桑皮纸。将纸筒用手扶住,竖立在桌面上。填入少量掺药艾绒,以通条夯实,再填入少量,如此反复,将纸筒填满。

清艾条全部填充蕲艾。制作方法同雷火神针。

1.4实验工具

打火机1个;固定支架1个;秒表1只;剪刀1把;绳子不拘长度;尺1把;生理盐水;砝码1组;白色棉布、红色棉布、桑皮纸各1块;镊子1个。

实验1中,由于需要悬空放置艾条,因此选用铁架台作为悬挂艾条用的固定支架,构成一套装置(图1B)。

1.5实验仪器

温度记录仪1台(深圳拓普瑞TP700)及热电偶通道8个,自制实按灸压力控制装置1套(图3)。

图3　实按灸压力控制装置

2　实验结果

2.1在悬空状态下雷火神针的热辐射量

2.1.1方法

将雷火神针艾条直立悬空固定于支架上;将热电偶以三层球面形式固定于支架,连接至巡检仪上;打开巡检仪,待机。点燃雷火神针艾条,燃烧稳定,记录数据。待曲线稳定于某个水平,即撤去艾条。剪灭艾条,更换清艾条,重复实验。雷火神针、清艾条各做3次。

2.1.2结果

清艾条与雷火神针在空气中的热辐射量测量值比较见表1。雷火神针组各通道温度从高到低为2＞4＞7 ＞1＞3＞8＞5＞6;清艾条组各通道温度从高到低为2 ＞7＞4＞1＞3＞8＞5＞6。

表1　升温温度对照统计表

表1　升温温度对照统计表

组别　　通道1　　通道2　　通道3　　通道4　　通道5　　通道6　　通道7　　通道8清艾条组　13.90±1.10　27.90±5.20　8.20±0.30　14.80±0.10　5.30±0.20　3.80±0.40　15.40±0.30　4.70±0.30雷火神针组　13.10±2.10　42.70±2.10　10.00±2.70　17.00±1.10　5.10±0.50　4.00±0.90　15.90±1.90　5.40±0.60

2.2不同压力对雷火神针传热的影响

2.2.1方法

新鲜带皮猪肉置于实验台面上。将热电偶抹上生理盐水,放置在猪肉组织中的不同部位,以三层半球状排列(图1A),猪皮上覆盖棉布(白色)5层。将实按灸压力控制装置罩于猪肉组织上,放置好雷火神针,点燃,打开巡检仪。待其燃烧稳定(艾条燃烧面红亮均匀无灰烬覆盖),分别选取500 g/1000 g/1500 g的砝码,置于平板上,待雷火神针焰端压至棉布时开始计时,时间为10 s,撤去砝码,使火焰离开棉布,当巡检仪温度曲线降至灸前停止记录。更换清艾条,重复上述步骤。

2.2.2结果

4.9N取清艾条组有效数据6次,雷火神针组3次计算。9.8N取清艾条组有效数据6次,雷火神针组3次计算。14.7N取清艾条组有效数据7次,雷火神针组4次计算。详见图3、表2-3。

图3　不同压力升温曲线示意图

表2　不同压力下各通道升温幅度统计　)

表2　不同压力下各通道升温幅度统计　)

压力　　通道　　雷火神针组　　清艾条组4.9N(500 g)通道1　15.27±0.45　3.30±0.52通道2　1.23±0.28　1.17±0.40通道3　0.83±0.03　0.50±0.08通道4　0.30±0.00　0.37±0.03通道5　0.50±0.00　0.38±0.04通道6　0.43±0.03　0.28±0.03通道7　0.30±0.00　0.30±0.04通道8　0.27±0.03　0.32±0.02 9.8N(1000 g)通道1　11.83±1.02　4.31±0.77通道2　0.97±0.09　1.41±0.33通道3　0.70±0.10　0.50±0.06通道4　0.33±0.03　0.39±0.05通道5　0.43±0.09　0.40±0.04通道6　0.33±0.03　0.33±0.04通道7　0.30±0.06　0.31±0.03通道8　0.30±0.00　0.31±0.03 14.7N(1500 g)通道1　5.13±0.28　4.09±0.50通道2　1.30±0.45　1.01±0.15通道3　0.65±0.15　0.53±0.07通道4　0.45±0.10　0.41±0.06通道5　0.50±0.11　0.43±0.05通道6　0.33±0.06　0.36±0.02通道7　0.35±0.03　0.36±0.04通道8　0.30±0.04　0.36±0.05

图3显示,在图像中变化最明显的是通道1、2、3,其余通道温度变化幅度,在图像上显示不明显。其中通道1的变化曲线最具特点。压力处于4.9N、9.8N时,二者曲线形状差异明显,但当压力达到14.7N时,二者图像形状变得较相似。雷火神针的各通道升温曲线为开始加热后在极短时间内迅速升至一个较高的顶点,然后快速下滑,之后趋于平稳。而清艾条的升温曲线则整体显得平缓,升温来得慢,且峰值低于雷火神针,之后温度下滑较慢,趋于一个较稳定的水平。

表2显示,在三个不同的压力下,雷火针组通道1、3、5三个正位电偶的升温幅度均高于清艾条组。而艾条种类对位于最深部的通道7则显得作用不大,基本可以认为没有影响。在4.9N、9.8N的压力下,雷火神针组通道2、4两个偏位电偶升温幅度均低于清艾条组。通道6、8两个较深的偏位电偶所受影响并不明显。当压力达到14.7N时,雷火神针组通道2的升温幅度高于清艾条组;雷火神针神组通道4的升温幅度只稍高于清艾条组,两组趋同。在三个不同压力下,雷火神针和清艾条对各通道影响的幅度随着压力变大而减小。在4.9N时,雷火神针和清艾条之间的加热效应差异最明显,各通道升温幅度也最大;压力为9.8N时,两种艾条的加热效果差异缩小,各通道升温幅度也减少;当压力为14.7N时,两种艾条的加热效果最少,二者之间的差异也变得最小。

表3显示,在压力为4.9N、9.8N时,雷火神针的热量从表层通道1传播到通道3以及再往下传播到通道5的时间要短于清艾条。也就是用雷火神针加热时,热量透入深部更快。当压力为14.7N时,雷火神针的热量从表层往下传播到通道3所需时间明显长于清艾条,从通道3继续下传所需时间基本趋同。

表3　不同压力下组织内部正位电偶响应时间

表3　不同压力下组织内部正位电偶响应时间

组别　　雷火神针组清艾条组下压力度　4.9N　9.8N　14.7N　4.9N　9.8N　14.7N通道3响应时间　70.67±2.91　67.67±6.94　109.25±25.68　93.83±16.17　91.29±11.12　64.8±0.97通道5响应时间　106.67±10.73　91.29±11.12　121.5±26.93　166.83±19.43　146.43±9.90　122.8±16.86响应间隔　36.00±11.72　22.67±11.68　12.25±4.61　73.00±6.09　55.14±4.58　58.00±17.26

2.3不同隔物对雷火神针传热的影响

2.3.1方法

将新鲜带皮猪肉皮朝上置于台面。将热电偶抹上生理盐水插入猪肉组织中,以三层半球状排列,猪皮上覆盖白色棉布5层。将实按灸压力控制装置罩于猪肉组织上,放置好雷火神针,点燃,打开巡检仪。待其燃烧稳定,选取砝码1000 g置于控制装置平板上,待雷火神针焰端压至棉布时开始计时,时间为10 s,时间到时撤去砝码,使火焰离开棉布,当巡检仪温度曲线降至灸前停止记录。更换棉布为红色棉布5层,重复上述实验。更换白色麻布5层,重复上述实验。3种不同的隔物下各做4次。

2.3.2结果

图4　雷火神针隔白麻布灸的传热过程示意图

3组实验,通道1所得数据对比,峰值温度由高到低排序依次为白棉布、红麻布、白麻布;达峰值的时间由短到长排序依次为白棉布、白麻布、红棉布。从峰值高度来看,红棉、白麻不及白棉。3组实验,其他通道所得数据对比,通道2所示数据,隔红棉与白棉布灸变化相比隔白麻布灸明显,其他通道除了共有的一些变化外无明显特别之处。详见图4-6、表4。

图5　雷火神针隔白棉布灸的传热过程示意图

图6　雷火神针隔红棉布灸的传热过程示意图

表4　雷火神针各通道升温幅度统计

表4　雷火神针各通道升温幅度统计

组别　　通道1　　通道2　　通道3　　通道4　　通道5　　通道6　　通道7　　通道8　　通道1峰值　达峰值所用时间(s)白麻布组　4.70±0.35　0.55±0.10　0.40±0.04　0.43±0.08　0.38±0.02　0.33±0.03　0.35±0.03　1.03±0.66 45.50±2.47 22.78±0.32白棉布组　9.85±1.87　0.93±0.08　0.63±0.10　0.33±0.03　0.38±0.08　0.33±0.03　0.30±0.04　0.28±0.03 27.00±8.39 30.88±2.78红棉布组　5.18±0.96　0.95±0.42　0.40±0.10　0.35±0.03　0.35±0.09　0.33±0.02　0.28±0.05　0.30±0.04 48.75±6.47 24.63±1.79

3　讨论

3.1实验原理

艾灸对生物组织产生温热效应,温度是主要测量指标,而其本质是热传递的过程,也即是能量传递过程[12]。分析施灸过程中整个生物组织各部分的温度变化,则能得出整个施灸过程中能量传递的规律。比较不同灸法的能量传递规律,就可能得到雷火神针治疗优势的生物物理学依据;比较不同变量的能量传递规律,就能够知道在雷火神针中操作参数的意义所在。

3.2雷火神针热辐射和热传递的主要特点

艾灸的热量传导主要是通过热辐射和热传递两种方式。

实验研究表明,作为热源,点燃后的雷火神针温度比清艾条要高,即“火力”可能由于药物的加入而得到了增强。在实验1中,雷火神针的全程平均燃烧温度比清艾条要高出10℃以上。

雷火神针点燃后,热量在空气中主要以热辐射的方式传导。从实验1的结果来看,雷火神针正下方扇形60°左右(测量准确范围需要放置更多通道)的范围内(通道4,7所在半径与燃烧端所成扇形)温度比周围明显高,这可能是雷火神针热量传导的最主要范围。通道1虽然距离较近,但是温度低于相对距离较远的通道4,7。但雷火针热辐射的范围实际是一个立体区域,据此我们推测,艾条燃烧时的热辐射范围,如圆锥体(将之前所述的扇形竖直旋转一周)一样,由热源向远部辐射;考虑红外线因素,处于红外辐射范围内的感应通道升温幅度高于辐射范围外的通道。因此,雷火神针悬起灸存在辐射区域,即为主要受热辐射区域。

雷火神针以实按灸的形式存在,传热方式以热传递为主。雷火神针实按灸的传热集中在一定范围,如通道1、3、5有明显的温度上升变化,而其余温度上升基本无变化。实按灸热量从浅层传递到深层,更为直接、集中,减少了热量在空气中的损耗,能量可以做到最大程度的保留。

雷火神针热量在浅层的传递范围大于深层的传递范围,热量在按压点正下方的传递深度大于按压点周围的传递深度。雷火神针对于组织的加热能力不论是浅层还是深层,在升温幅度方面强于清艾条,在传递速度方面也要强于清艾条。

3.3雷火神针热源辐射、热传递特性的主要影响因素

雷火神针热源辐射、热传递特性的主要影响因素包括按压的力量、阻隔物的材料等。

3.3.1按压力

实验2证实,下按的力度是影响实按灸热传递效应的因素。第一对按压力4.9N的实验中,通过SPSS分析得知,所得数据中,通道1、3、5,P＜0.05均有显著差异,通道2、4、6均无显著差异即没有统计学意义。结合具体数值,可见通道1可以迅速升至一个较高的水平,正位电偶的升温比较明显,曲线在最后稳定阶段可以与偏位曲线分离,形成两个集群。统计数据表明,雷火神针对通道1(皮肤与皮下组织之间的正位电偶)加热作用明显,远高于清艾条。通道3、5,雷火神针的升温幅度高于清艾条。从响应时间来看,雷火神针对浅层组织的加热不仅升温幅度大,而且向下传导的速度也较快。初步表明,雷火神针向组织深层传导能量的能力高于清艾条。当按压力增加至9.8N,雷火神针与清艾条的差异性与第一对实验相似,但通道2～8数据经检验均无显著差异。

当按压力增加到14.7N时,通道1的升温幅度明显下降,雷火神针和清艾条的对应数值都出现反常,皮肤下热电偶(通道1、2)所采集到的升温幅度明显缩小,仅为9.8N时的1/2,而清艾条施灸时,通道1、2的升温幅度与之前9.8N时所测得的数据较为接近。提示压力在9.8N以上,在相同输入时间下,可能不利于热的输入和在生物组织内的热传递。

实验2结果提示,在一定实按力量范围内,雷火神针的热输入量和传递效率是明显高于清艾条的。而超过这个范围,则出现热输入量(通道1升温幅度)下降以及传热效率下降的趋势。

3.3.2隔物材质

雷火神针在古代不断进行操作上的发展,一大特点是隔布灸,程珂等[16]的研究成果表明,隔物可能有助于热量向深层传递,而魏建子等[17]的论述中则有关于隔物的性状对传热特性有影响的表述。实验3旨在探索其所隔之物从纸张到衣物(麻)到棉布,后期又尤其点出红布这三者之间的差异和缘由。

实验3结果提示,用红棉布做隔物时,雷火神针热传递温度达到的峰值较高。棉布相较于麻布,温度达到峰值所需要的时间较短。根据实按灸的施灸特点,需要短时间达到高温度,白棉布是最佳选择。

从雷火神针诞生一直到明末,棉和麻都作为隔物使用;明清之交出现红布,继而医书记载中出现使用红棉布作为隔物灸的材料。对于古人施灸所用隔物的更换,结合当时的科技水平和社会背景并参考本次实验的数据,可以看出还是有一定的合理性。

隔物材质的孔隙大小与厚度、颜色可能都是不同隔物对传热的主要影响因素,但深入研究不同隔物材质相关参数对施灸传热的影响,需要更加精细的实验。另外,古代红色棉布的染料都为矿石提取或植物提取,与现代化学染料有很大的区别,这也是实验中需要考虑的。

3.4实验现象及雷火神针热传导的推论

实验1中,雷火神针3次实验与清艾条3次实验曲线图比较,雷火神针3次实验的温度曲线上升较为迅速,达到的峰值也较高,维持燃烧过程中可看出有两个高峰段,前一个较高,后一个较低。第一个高峰段的维持时间较短,在这个时间段内,艾条并未移动,说明降温是一个必经的过程,通过观察整个燃烧过程,我们推断艾条头部表层燃烧殆尽后产生了灰烬,阻挡了热能的放射,故使温度稍微降低而维持在一个稍低于最高峰值的水平上。这个变化过程受周围环境的影响(比如有较大空气流动时,将灰烬拂去,烧红的艾头露出,温度会发生略大的变化)。另一方面,清艾条温度上升较为缓慢,达到的峰值比雷火神针组低,峰值较晚才出现,且无明显的两个高峰段和降温段,这是因为雷火神针有多种药物成分,燃烧后产生的杂质比较多,灰烬也会相对厚一些。按照我们得到的曲线图,正常的清艾条燃烧曲线应为一个持续的缓慢的上升过程,相较于雷火神针要缓和得多,如果没有撤去热源的话,曲线会持续稳定在一个近似峰值的水平上下波动。雷火神针燃烧曲线在初期迅速上升,达到峰值后略微下降,在低于峰值的水平线附近上下波动。这种升温曲线也能说明,雷火神针如果像清艾条一样以温和灸的形式投入临床,可能在持续稳定输出方面不及清艾条。

实验2中,当下压力在9.8N以内时,雷火神针能发挥较好的深透特性,但当力度达到9.8N或以上时,雷火神针和清艾条在热量的输入和热量在组织中的传递效率差异变得不明显。

我们推测原因可能出现在浅层,首先是不同压力带来的差异,压力增大使得艾条燃烧端与布料接触更紧实而充分,对空气的隔绝作用更强,燃烧中的外层内容物迅速熄灭,形成比压力较小条件下所成更厚的灰烬层,一方面减少了热的输入量,一方面阻隔了内部未熄灭部分的热量输出。压力增加后,按压点下陷更明显,使焰端与通道2距离靠近,使得燃烧温度较高的雷火神针对通道2的加热作用变得明显。

其次是艾条种类带来的差异,在实践中,雷火神针在按压后形成的灰烬层比清艾条要厚、密,这也可能导致热量无法像清艾条组那样充分地传递出来,而被封存在内部,减缓燃烧甚至熄灭。

因此,以9.8N以下的操作力度可以较好地发挥雷火神针的优势,即将热量深透进组织较深的部位,应该是临床较为适宜的压力,通常实践中我们认为合适的下压力度(10N左右)对于雷火神针实按灸来说可能大了一些。

3.5不足及展望

由于生物体的组织层次和厚度及组织类型的差异性,可能会影响热传导。因此,在实验中需要在相同的生物体上进行,但是由于保鲜保水等原因,反复在相同生物体上的实验,也会造成实验误差。

热电偶容易受环境噪音以及实验者气息等因素的干扰。只能尽可能做到环境恒温和空气静止。

实验由人工及自制装置控制变量,存在少许摩擦力,对压力有影响。

未能深究雷火神针性能变化的压力临界值。

还需要对影响因素作更加精细的观察和比较研究。

4　小结

通过实验,初步揭示了雷火神针在施灸过程中的热传导特性和规律,发现其在传热上具有集中区域和渗透力强的特性,热传递速率和深度较清艾条有明显优势。雷火神针将药艾、按压动作整合入施灸过程,提高了燃烧的最高温度,同时也使热量更深地传递。雷火神针实按灸的传热效果还受按压力大小、隔物材质等因素的影响。

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【中图分类号】R2-03

【文献标志码】A

DOI:10.13460/j.issn.1005-0957.2016.06.0745

文章编号:1005-0957(2016)06-0745-06

收稿日期2015-12-28

基金项目:国家自然科学基金项目(81373750);江苏省大学生创新创业训练计划项目(201310315020Z)

作者简介:薛昊(1992-),男,2011级本科生,Email:rzsg17xh@163.com

通信作者:张建斌(1967-),男,副教授,研究方向为针灸理论的现代研究,Email:zhangjianbin@njutcm.edu.com

Experimental Study of the Heat Transfer Characteristics of Thunder-fire Wonder Moxibustion

XUE Hao,GUO Jing,ZHAO Zhan-hao,WU Hong-da,CHANG Qing-yu,YU Zhi,ZHANG Jian-bin.
Nanjing University of Traditional Chinese Medicine Second School of Clinical Medicine,Nanjing 210029,China

[Abstract]Thunder-fire wonder moxibustion is one of pressing moxibustion therapies and has a very good therapeutic effect on limb pains,furuncle-carbuncle and cold syndrome.To reveal the mechanism of clinical action of ancestors’thunder-fire wonder moxibustion and seek the physical basis of its therapeutic advantage,this study,by a series of experiments,compared heat transfer regularities of thunder-fire wonder moxibustion versus pure moxa stick in simulated biological tissues under different conditions,preliminarily revealed heat radiation and heat transfer regularities of thunder-fire wonder moxibustion,tried to find pressing strength suitable for clinical operation of pressing moxibustion and had thoughts about changes in the clinical operation of past dynasties.

[Key words]Thunder-fire wonder moxibustion;Thunder-fire wonder moxibustion therapy;Pressing moxibustion;Moxa stick moxibustion;Heat transfer;Physics