穴位行针过程中针体阻力分布研究

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论文摘要

  人体14条经脉上共有361个经穴,针刺行针过程中要达到治病的效果,针体一般必须刺穿表皮和真皮,甚至皮下组织等区域。研究发现针刺过程中所刺激的穴位组织是结缔组织的富集区,具体可分为:真皮层致密结缔组织;皮下疏松结缔组织;肌间隔疏松结缔组织;神经血管束疏松结缔组织;器官门疏松结缔组织等5 种类型,其中,皮下疏松结缔组织和肌间隔疏松结缔组织处穴位最多。可以看出,针刺过程中对穴位的刺激点主要集中在真皮以下部分,其他穴位刺激点虽然离皮肤比较远,但是针体必须经过皮肤才能进入这些刺激点,行针过程中皮肤对针体的阻力不可忽视。本研究企图以提插法和捻转法为前提,以表皮组织、真皮组织和皮下结缔组织为区域对象,对行针过程中针体阻力分布进行分析。

  1、 皮肤组织的力学性能

  1.1 皮肤组织结构

  皮肤是人体最大的器官,总重量占体重的5%~15%,总面积为 1.5~2 m2,厚度因人或因部位而异,为0.5~4 mm。

  皮肤由表皮、真皮和皮下组织构成。表皮是皮肤最外面的一层,平均厚度为0.2 mm,根据细胞的不同发展阶段和形态特点,由外向内可分为5层:(1)角质层:由数层角化细胞组成,含有角蛋白。它能抵抗摩擦,防止体液外渗和化学物质内侵。(2)透明层 :由2~3层核已消失的扁平透明细胞组成,含有角母蛋白。能防止水分,电解质和化学物质的透过,故又称屏障带。(3)颗粒层 :由2~4层扁平梭形细胞组成,含有大量嗜碱性透明角质颗粒。(4)棘细胞层 :由4~8层多角形的棘细胞组成,由下向上渐趋扁平,细胞间借桥粒互相连接,形成所谓细胞间桥。(5)基底层:由一层排列呈栅状的圆柱细胞组成。此层细胞不断分裂(经常有3%~5%的细胞进行分裂),逐渐向上推移、角化、变形,形成表皮其他各层,最后角化脱落。由于表皮和外界接触,所考虑的皮肤的力学性能完全可以由表皮的力学性能所代表。

  1.2 皮肤力学的重要性

  皮肤力学在临床及相关研究领域具有十分重要的作用,例如整形外科、皮肤医学、浅表压伤病因学等。在化妆、皮肤护理和化妆品的开发等领域也具有重要作用。特别是随着整容业的发展对皮肤力学的研究要求越来越高。针灸和按摩等传统中医治病过程,都是通过皮肤实现或者和皮肤紧密相关的治病过程,皮肤力学应该是中医首先研究并付诸于重要应用学科,遗憾的是到目前为止,按摩、针灸等中医学科和皮肤力学研究几乎是风马牛不相及。随着机器人的发展,如自动外科手术工具和机器人的出现及其在各种情况下的广泛应用,对皮肤的力学性能进行精密测量的需求日益迫切。

  1.3 皮肤力学性能的测量

  有关皮肤力学性能的测量实验主要分为离体实验和在体实验两类。离体实验测试从活体上切除的皮肤组织,而在体实验测试仍然依附在活体上的皮肤。唯一真实可靠的确定皮肤性能的方法应该是通过在体实验,因为离体实验过程中,皮肤是与影响环境(例如血液灌注、淋巴管引流、新陈代谢、神经系统调节和激素调节)相分离的。但是,在体测试要受到皮肤组织本身以及所依附的其他结构的影响,因而在进行测试时很难在样本中获得均匀的应变场和控制边界条件,所以也经常要进行离体实验。目前常用的在体实验有拉伸法,吸力法,压痕法,扭力法等。离体实验则可以用一些传统的生物力学采用的方法进行试验,例如单轴实验和剪切试验等。

  1.4 皮肤的几个主要力学指标

  1.4.1 杨氏模量

  弹性模量是描述材料力学性能的最常用的参数,其单位是每单位面积上的力。均质材料的传统力学特性对于皮肤来说并不适用,皮肤既没有独特的单一杨氏模量,也没有单一的剪切模量,对皮肤而言杨氏模量并不是常数。但是作为皮肤力学性能最重要的参数之一,人类皮肤的在体杨氏模量和离体杨氏模量已经得到了广泛的测量,因为这些材料参数能够反映人类皮肤的基本弹性行为方式。

  皮肤不同部位杨氏模量测量值之间存在着很大的差异,范围从0.02 MPa到100 MPa,其主要取决于推倒材料参数所用的模型和所施加的应力。针刺过程中破皮的一瞬间,针尖施加在皮肤单位面积上的力很大,杨氏模量值相应的也很大,代表参数应该是角质层测量参数。

  1.4.2 压缩系数

  体积压缩系数是指固体受到压力时体积变量和原体积所受压力之比。实验发现,人体的软组织(皮肤、皮下组织和内脏)具有0.30 m2/GN 到 0.38 m2/GN的体积压缩系数,这说明人类皮肤的可压缩性不如蒸馏水(0.46 m2/GN)。这些实验结果表明,人的皮肤是很难压缩的。

  1.4.3 摩擦系数

  当两个物体表面接触挤压并且相对运动时,在两个物体的接触表面就会产生动摩擦力。摩擦系数是表征物体摩擦性能的重要参量,摩擦系数的大小主要取决于摩擦物体表面的材质,不同材质之间的摩擦系数是不同的。人们已经设计出各种各样的实验来测定皮肤和不同物体之间的摩擦系数。

  目前测出的皮肤表面的摩擦系数一般在0.12到0.7之间,大部分的测量值集中在0.2到0.5之间。存在测量区间的差别,是因为受到皮肤的干燥度和在人体上的不同部位等因素引起的。有人做过人腹部皮肤和直径10 mm不锈钢针之间的摩擦系数测定,当载荷从5 g(0.049 N)到45 g(0.44 N)变化时,它们之间的摩擦系数存在从1.1到0.51之间的变化差异,可以看出摩擦系数随压力的增加而减小。丁光宏等人根据自己研制的仪器测出针刺人体曲池穴位时,针尖对皮肤的破皮压力为0.5~1.0 N,此时的摩擦系数应该在0.4到0.5之间。

  2、 真皮、皮下组织及其力学性能

  2.1 真皮和皮下组织结构

  真皮来源于中胚叶,由纤维、基质和细胞构成,真皮分为乳头层(又称真皮浅层)和网状层(又称真皮深层)。皮下组织也来源于中胚叶,在真皮的下部,由疏松结缔组织和脂肪小叶组成,其下紧临肌膜。真皮和皮下组织主要都是由结缔组织组成,区分在于真皮主要是由致密结缔组织组成,而皮下组织主要是由疏松结缔组织组成。疏松结缔组织广泛存在于各器官之间、组织之间、甚至细胞之间。其结构特点是基质多,纤维少,结构疏松,呈蜂窝状,故又称蜂窝组织。我们这里考虑的皮下组织是一种广义的概念,也可以包含肌间隔疏松结缔组织、神经血管束疏松结缔组织、器官门疏松结缔组织等。从解剖学知,无论是致密结缔组织还是疏松结缔组织中均含有大量的纤维,而主要的纤维是胶原纤维和弹力纤维。

  2.2 真皮和皮下组织的力学性能

  真皮及以下的组织为粘弹性组织,和表皮大不相同,粘弹性接近于液体性质,只是粘性比液体大。又因为它们为结缔组织,胶原纤维和弹性纤维的力学性能代表了其主要生物力学性能,下面主要讨论这两种纤维的力学性质。

  2.2.1 胶原纤维及其力学性质

  胶原蛋白借分子间的交联聚合形成胶原原纤维并继而由后者聚合形成胶原纤维。胶原纤维为真皮的主要成分,约占95%,集合组成束状。在皮下组织中胶原纤维含量没有真皮大,多为平行状组成,在空腔器官壁上多呈三维排列。胶原纤维是粘弹性体,有明显的滞后、应力松弛特性,很小的应变就会引起很高的应力,应力-应变关系为非线性。在拉伸试验中,胶原纤维开始伸长量较小,但随着载荷增加,伸长量和载荷成正比例直线增加,随后载荷与变形呈非线性关系,在终点处产生破坏。可见,胶原纤维韧性大、抗张力性强。生长发育、创伤修复和某些病理过程中,由于应力的变化,胶原纤维的合成与障碍发生适应性改变,包括各型胶原含量和空间排列的重建。反之,由外界施加影响使胶原纤维发生应力变化,可以修复创伤并治理某些疾病。

  2.2.2 弹性纤维及其力学性质

  弹性纤维新鲜状态下呈黄色,又名黄纤维。在HE 标本中,着色轻微,不易与胶原纤维区分。弹性纤维较细,直行,分支交织,粗细不等(0.2~1.0 μm),表面光滑,断端常卷曲。电镜下,弹性纤维的核心部分电子密度低,由均质的弹性蛋白组成,核心外周覆盖微原纤维,直径约10 nm。弹性蛋白分子能任意卷曲,分子间藉共价键交联成网。在外力牵拉下,卷曲的弹性蛋白分子伸展拉长;除去外力后,弹性蛋白分子又回复为卷曲状态。弹性纤维富于弹性而韧性差,与胶原纤维交织在一起,使疏松结缔组织既有弹性又有韧性,有利于器官和组织保持形态位置的相对恒定,又具有一定的可变性。弹性纤维除了具有胶原纤维所具有的基本力学性能外,它的另一个显著性能是,弹性纤维变形和熵的变化有关。经络和穴位处有丰富的弹性纤维聚集,弹性纤维的这一独特性能可能对针刺过程中能量传递起着关键作用。

  3、 行针过程中针体所受的阻力分布分析

  1991 年,诺贝尔奖获得者、法国物理学家德热纳在颁奖大会上提出了软物质的概念。固体是具有固定形状的物体,液体是可以随意流动的物体,而软物质是介于固体和液体之间的一类物体,人体是典型的软物质。根据以上研究,因为人的皮肤表皮近似具有固体的力学性质,把它从软物质中剥离出来,可以看成准固体物质;真皮和皮下结缔组织是黏弹性体,直接看作软物质。下面从行针过程中的提插法和捻转法两个方面来进行阻力分析。

  3.1 提插法行针过程中针体所受阻力分布

  若将开始提插作为有效的行针起点,在提插行针过程中,针体将受到两个区域的阻力:表皮和真皮及以下的结缔组织。表皮为准固体物质,坚硬而致密,进针口处相对粗糙,在针体上下提插的过程中阻力很大。而真皮和皮下结缔组织为软物质,柔软而疏松,相对针体滑腻且阻力较小。在行针过程中当针体上提时可以看见皮肤有明显的隆起状,这主要是表皮的阻力所引起的。所以在提插法行针过程非“得气”情况下,针体受到的主要阻力应该来自表皮,部分机械能以摩擦形式转换成热能,其余能量将以机械能形式贡献给穴位,引起穴位的一系列生理反应。

  上面提到过,对于表皮的生物力学性质已经有很多学者进行了实验研究,从实验结论知皮肤强度很强,韧度很大且很难压缩,皮肤表面的摩擦系数也较大。皮肤表面摩擦系数的准确测定对于提插法行针过程关系很大。目前,测定皮肤摩擦系数的实验大致分为两类:一类为利用受已知法向力作用并在皮肤上旋转的探针或转轮进行测量,另一类则是利用在皮肤上滑动的探针进行测量。针刺过程中针体受力监控系统等的研制成功,对准确测量摩擦系数将会起到积极的帮助。

  在“得气”状况下,针体所受阻力目前很难确定。如果“得气”是由结缔组织收缩所引起的,在短时间内,纤维细胞的收缩将伴随着可溶性肌动蛋白的聚合和其受力纤维的形成,那么针体受到的主要阻力就是受力纤维的“紧抱”针体引起的。提插的过程实际上就是在寻找合适的刺激点,刺激结缔组织收缩。

  3.2 捻转法法行针过程中针体所受阻力分布

  和提插法行针过程一样,在捻转法行针过程中,开始捻转应该是有效的行针起点,针体同样受到两个区域的阻力:表皮和真皮及以下的结缔组织。因为表皮的厚度很小(0.2 mm),对于捻转法操作而言,它的阻力可以忽略不计,这样,针体的主要阻力应该来自于结缔组织。前面提到,Kimura等在电子显微镜的观测下已经确认,捻转法行针时针体在穴位处提出后带有的残留物质是一些弹性和胶原纤维缠绕在针体上。从而可以确认,捻转法行针的阻力主要来自结缔组织中的弹性纤维和胶原纤维缠绕,其他阻力则来自针体和结缔组织之间的摩擦。有人用自己研制的“动态监测系统”监测了捻转手法行针过程,该针体扭转力矩波形图形象的给出了肌纤维缠绕针体产生的震荡图线。该震荡图显示,在捻转周期为一秒左右内缠绕震荡时间大约有0.4 s,扭转力矩在2×10-4N·m 左右。在纤维缠绕时间内产生连续性的小震荡,说明缠绕的阻力很大,同时也说明纤维是在拉伸和收缩的弹性震荡中吸收针体能量的。

  捻转行针时,针体对于黏弹性的弹性纤维等扭转,形成了以针体为中心的多个薄圆面。从能量输入角度讲,捻转法行针过程可以看成是开耳芬(Kelvin)体模型,内摩擦系数tan d可以由相应的公式给出。

  弹性纤维是典型的软物质,前面提到,弹性纤维一般呈卷曲状,在外力的作用下会伸长,撤去外力它又会恢复卷曲状。Hearle在1958年就用X射线观察到,纤维的结构含有分子规则排列的结晶区和分子无规则排列的非结晶区,因而其性能介于结晶体与非结晶体之间。在外力的作用下弹性纤维的变性会引起两种效果:内能的变化和熵的变化,其弹性主要由熵的变化而产生的。捻转行针过程中会引起弹性纤维产生拉伸形变,必然导致纤维内能的增加和熵的变化。内能增加引起纤维强力振动,一般捻转行针过程中产生的主频率在次声频率范围内,根据次声在介质中的传播特点,这些振动能量会无衰减的沿经络传播出去;熵变化会引起纤维及经络组织温度的变化,“得气”以后病人产生凉簌簌的感觉和蚁走样的感觉是否和熵有关?

  4、 结语

  由于皮肤表层和真皮及皮下组织有着不同的组织结构,导致了其力学性能也不同,探测它们力学性能的实验还很不完善。提插法行针和捻转法行针虽然经过的区域相同,但是其力学表现却很不相同,提插法行针是针体在和穴位处的组织进行着粘滞性很强的滑动式摩擦,而捻转法行针是针体在和穴位处的组织进行着粘滞性很强的滚动式摩擦。不同区域组织的致密度、强度、韧度、粘滞度等不同,对不同区域的阻力也不同。不同手法的行针过程其阻力主要来自哪个区域,输入能量主要贡献给了哪个区域,探讨这些问题对于深入研究针刺过程的力学效果很有必要。其实,行针过程中本身也是一种皮肤力学试验过程,如果进行科学的设计,直接测量出行针时穴位处的阻力分布等,其结果既是对皮肤力学研究的贡献也是对针灸研究的贡献。

  参考文献:
  [1]原 林,姚大卫,唐 雷,等.针灸经穴的数字解剖学研究[J].解剖学报,2004,35(4):337-343.

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