使用凝胶模型法对经络生物物理特性的模拟研究.doc

使用凝胶模型法对经络生物物理特性的模拟研究原文地址：使用凝胶模型法对经络生物物理特性的模拟研究作者：大志闲人生物医学工程学杂志，18(3)，2001.(EI,CA)使用凝胶模型法对经络生物物理特性的模拟研究*张维波1庄逢源2田宇瑛1李宏1 1(中国中医研究院针灸研究所)2(中日友好医院)摘要曾经在传统经脉线上发现多种生物物理特异性，为研究其机制，使用了物理模型法。在一个用琼脂制成的凝胶模型上用电阻丝加热制造一个溶胶通道，在凝胶中包埋多股金属丝，待凝固后抽出，再注入生理盐水，制成盐水通道。使用双压力传感器流阻仪对两种通道的流阻进行测定；使用5kHz恒流四电极方法对两种通道的阻抗进行测量；使用激振器在通道的一端产生一个约50Hz的振动，在通道另一端用晶体拾音器检测振动信号，对两种通道的声音传导特性进行了测定。结果表明，盐水通道可表现出低流阻特性，而溶胶通道没有低流阻特性；盐水通道和溶胶通道都可表现出低电阻抗的特性，而前者的低电阻更为明显；盐水通道有较好的声传导，而溶胶通道未显示出特异的声传导。结果提示，经脉线上的生物物理特异性可能是由于经脉线下的组织中含有较丰富并且连续分布的组织液,其主要成分为盐、水和蛋白质。关键词经络生物物理特性凝胶模型A Simulating Study of Biophysical Features along Meridians on aGel Model Zhang Weibo1 Zhuang Fengyuan2 Tian Yuying1 Li Hong1 1(Institute of Acupuncture&Moxibustion,China Academy of Traditional Chinese Medicine,Beijing,100700)2(China-Japan Friendship Hospital,100029)Abstract：A physical model was used to study the mechanism of specific biophysical features along the classic acupuncture meridian lines.A sol channel within agel bed was made by aresistance string heating during electrified.A saline channel was produced by withdrawing some fibers in the gel bed and injecting saline into the gaps.A hydraulic resistance instrument composed by two pressure transducers was used to measure the hydraulic resistance across the two kinds of channels.The impedance on both channels was measured by afour electrodes impedance instrument with 5kHz constant current.A vibration generator was put on one set of the channel to produce about 50Hz sound wav es.The signal was detected by acrystal pickup on the other set of the channel to examine the transmission of the wave along the two kinds of channels.The results showed that the low hydraulic resistance appeared on saline channel while no such feature on sol channel.Both channels showed low impedance while saline channel had more marked low impedance than control area.There was abetter transmission of sound wave along saline channel while abad transmission along the sol channel.The results suggest that the specific biophysical feature along meridians may be caused by acontinuous rich distribution of interstitial fluid which mainly contains salt,water and protein.Key words meridians biophysical features gel model*国家攀登计划资助项目(95-预-19-331)1引言经络的生物物理特性是指在循经路线上表现出的各种生物物理特异性，这方面的研究开始于日本中谷一雄和法国Niboyet对穴位皮肤电阻的研究1。我国张协和在1958年也开始了此项研究，并将其电阻仪器命名为经络测定仪2；七十年代，中国科学院的祝总骧等人发明了高压脉冲式的电测量方法，并发现了循经连续的低阻抗特性3；北京大学的张人骥则使用恒流四电极方法发现了循经皮下的低阻抗特性4；80年代，辽宁中医学院的孙平生等发现，在经脉线一端输入一个振动波后，在经脉线的沿线可检测到比两侧高的声信号，说明经脉组织还具有较好的声传导特性5。经络上为什么会产生如此多的生物物理特异性呢，人们可能会产生各种疑问。实际上，所谓的生物物理特性就是生物组织的物理性质，如果经络处的生物组织与其它地方有所不同，则各方面的物理特性都会有所差异，产生多种物理特性也就不奇怪了。关键的是，我们要抓住这种组织结构的特异性到底是什么，它能否形成我们所发现的各种生物物理特异性，这就是从物理特性到经络实质的一个基本研究思路。生物组织的流阻(hydraulic resistance)是生物组织对液体流动的阻力。1952年，日本的藤田六郎曾提出经络的脉管外体液路径假说6，1993年，笔者提出经络是低流阻的组织液通道，并通过一系列的实验验证了经络的低流阻特性，发现了循经低流阻通道7，8，9。进一步的研究需要考察造成循经低流阻特性的物质结构基础是什么，以及这种物质基础是否具有经络所表现出的各种生物物理特异性。为此，我们使用了物理学上常用的模型法。我们考虑经络组织的结构有几种可能，首先，由于组织间质的大部分成分为一种凝胶态(gel)物质，由于经脉线上能量活动较高等原因10，在凝胶基质中形成了一种溶胶(sol)通道。由于溶胶是液体，具有流动性，故通道的流阻较低。其次，组织液可能有两种状态，一种是水、盐、蛋白质和透明质酸混合而成的溶胶态组织液，另一种仅仅是水、盐和蛋白质的混合物(以下简称盐水)，后者的粘滞度应该比前者低得多，因此流阻会更低。通常的组织间质由胶原纤维组成粗的网，其中糖胺多糖构成细的网，在网之间可形成微小的孔隙，通常只有10-100nm11，构成了液态组织液的流动空间。然而，一般的组织切片往往会使这部分液体流失，即使有较多的液体曾经存在于经络线上，也很难被观察到，这也许就是为什么经络的结构难以用解剖学方法发现而经络确确实实又存在一定的功能和物理学特异性的原因。因此，我们的策略是人工制造一种类似的结构，然后测量这种结构是否具有在经络上发现的生物物理学特异性，如果确实有，则说明经络很可能就是这样一种结构。我们考虑了两种模型，一种叫做凝胶-溶胶通道模型(gel-sol,GS模型)，一种叫做凝胶-盐水通道模型(gel-water,GW模型)。2材料与方法2.1 GS模型的建立用蒸溜水与琼脂粉按2.5%3%(2.53g/100ml)的比例混合，加热后冷却，制成凝胶板。将一根电阻丝埋入凝胶中，两端套陶瓷管。在电阻丝上通以6V的交流电(电流0.65A)，5分钟后电阻丝的热量使周围的凝胶溶化成溶胶状态，形成一均匀的凝胶-溶胶通道模型。当测量电阻特性时，考虑到电阻丝可能影响模型的电阻，故在电阻丝上套一长陶瓷管，使其相对绝缘。为了增加凝胶的导电性，配制时，在蒸溜水中加三分之一的生理盐水。2.2 GW模型的建立按上述方法制作凝胶板，当溶化时，在其中埋入8-10根f 0.1mm的细金属丝，待胶凝固后，将金属丝慢慢地抽出，在原金属丝的地方就可以形成一根根细小的通道，用注射器将与体液特性接近的生理盐水注入通道，直到看到水从另一侧流出。2.3经络低流阻特性的模拟验证使用图1所示的连续扫描流阻测定装置，针头为7#带侧孔和尼龙纤维细丝的WIN针头12。使用自动推进器推动针头。将作好的凝胶板从培养皿中取出，经修正后将针头从凝胶板的侧面水平地推入凝胶中，使其通过加热的电阻丝旁边，同时观察流阻曲线。自动推进器的速度为2.5cm/min，当针体完全进入凝胶后推进器自动后退继续反方向的测量。2.4经络低阻抗特性的验证使用北京大学研制的四电极阻抗测定仪，其原理为两个电极提供一恒定的交流电(5kH，38mA)，另两个电极测量周围的电压降，将电压信号送入一高阻抗放大器。由于输入阻抗较大，电极与被测物的接触电阻可以忽略，克服了两电极法受接触电阻影响的缺陷。在凝胶上使用四电极法时，参考电极埋入凝胶中的一侧，另三个电极平行于通道，以自重放到凝胶上(图2)，经过校正后，测量通道上和通道旁边12 cm处的阻抗值。先测量加热前电阻丝上和对照区的电阻，在两个区域分别测56次，取平均值，然后对凝胶进行加热，加热5分钟后再对上述区域进行56次测量，取平均值，比较加热前与加热后，两区域电阻的差异。2.5经络高导声特性的模拟使用激振器产生一个50 Hz振动信号，激振器固定在一万能支架上。调整支架高度，将激振器的头(f2mm)轻轻放在凝胶上的溶胶通道或液体通道的一端，将一个酒石酸钾钠晶体拾音器(直径1.5 cm，重量20g)放到通道另一端(距激振器7 cm)以及与激振器同距离旁开2 cm的对照点，信号经放大后输入计算机的A/D采集电路，采集速率0.46ms，一次采集9000个数据，然而计算信号的幅度和频率(图3)。对于由电阻丝产生的凝胶-溶胶模型，将激振器和传感器放好后，先在电阻丝上和两侧对照区各测5次，然后对电阻丝通电，5分钟后开始再测量，各测5遍，等到加热10分后再测5遍，分别统计加热前、5分钟后和10分钟后电阻丝上和左右对照区的阻抗。对于凝胶-体液模型，直接测量通道上和左右对照区的声传导幅度。3结果3.1经络低流阻特性的模拟验证共对GS模型进行了10次双向测定，结果除一次在电阻丝附近流阻略有下降外，其余9次流阻无任何变化。使用与GS模型相同的方法，将针头对准体液通道的位置进行往返测量，共进行了10次测量，其中8次都可以测出清楚的低流阻区域，通常针头在刚进入凝胶时流阻较低，随着深度增加流阻也上升到较高值，当针尖到达体液通道时流阻即下降，在针孔通过通道时流阻达到最低，当针孔经过通道12 mm后，流阻可恢复到原来的值，有时流阻不能完全恢复，在后退测量时,有时出现流阻持续较低的情况，但在改变方向时流阻较高的情况下，后退也能在通道处出现流阻下降，但继续后退流阻恢复不好(达不到原高阻态)。由于针尖到达通道后即可出现流阻下降，故在模型中测得的低流阻点比较宽，图4为其中一例。3.2经络低阻抗特性的模拟验证在GS模型上总共进行了10个凝胶板的测试，结果如表一：表一.加热前后凝胶-溶胶模型的电阻抗()Table 1.Impedance()on gel-sol model before and after heatingbefore heating after heatingchannel 33.59.6 19.04.8*control 34.010.7 24.06.9*difference 1.23.7 5.04.8*与加热前相比*P 0.05*P 0.005 Compared with the value before heating*P 0.05,*P 0.005经t检验，加热后通道与对照区的差值明显加大，出现了相对低电阻的特性。另外，整个凝胶的阻抗，无论是通道上还是通道外，都出现显著下降，只不过电阻丝处的阻抗下降较大。在GW模型上共进行了10个凝胶板的测定,。统计结果表明，通道上的平均电阻为21.719.2,对照区为29.925.9,两者的差值平均值为8.210.3,经配对t检验有显著性差异(P 0.05).说明液体通道处的电阻显著低于凝胶处.3.3经络高导声特性的模拟在GS模型上共进行了10个凝胶板的测试，结果如表二(对照区为左与右的平均值)表二.加热前后凝胶-溶胶模型的声传导Table 2.Sound transmission on gel-sol model before and after heatingbefore 5heating 10heatingchannel 268.376.5 217.270.5 171.573.8*control 231.679.0 215.9102.4 212.786.9 difference 48.569.7#1.293.8-17.877.8*与加热前比较P 0.05#配对t检验P 0.05*Compared with the value before heating P0.05；#Paired ttest P0.05结果表明,加热前电阻丝具有较好的声传导性,与对照区比有显著性差异.加热形成溶胶通道后,声的传导率不仅没有增加,反而下降,在加热到10分后,通道处的传导率显著下降,而对照区的下降不明显,通道处与对照区的差异显著减小.在GW模型上共对10个凝胶板进行了测定，结果表明，通道上的声传导幅度为275.584.6,对照区为241.286.4,差值平均值为34.322.2。对差值平均值作配对t检验,结果通道上的声传导率显著性高于两侧对照区(P 0.01)。4讨论使用模型法对经络实质进行研究是一个新的尝试,它将以往局限于现象研究的推向实质性的研究。如果一个模型能够较好地重复出在实际经络中所表现的各种特性,则这个模型就比较接近于经络的实质，我们就可以以此为线索，进行更直接的实质研究。同时，模型法的研究能够使我们更好地理解经络生物物理特性的机理，寻找更好的经络客观检测手段，将这一方面的研究推向深入。在模型的制作上，我们开始曾考虑用一束激光照射凝胶板，利用激光的加热，在激光束照射的路上形成一个溶胶的通道。实验发现激光在凝胶中很容易散射，使加热形状呈锥形，难以制成一个均匀的通道，后来改用电阻丝加热的方法。由于每个凝胶板本身会有一些制作上的差异，故采用重复测量及在多个凝胶板上测量取平均的方法消除这一差异。流阻的实验表明，GS通道不能形成低流阻特性，可能因为溶胶虽能流动，但粘度较大，在测量的压力下不足以克服粘滞阻力而流动，故表现不出低流阻。而盐水通道不存在克服粘滞阻力的问题，尽管其通道较细，但盐水可顺通道一直流出，故能够表现出低流阻。从低流阻点的形状看，GW模型的低流阻点宽度较大，而在实际动物和人体上测得的低流阻点较窄，其原因可能是由于生物组织凝胶中含有胶原纤维、弹性纤维和细胞，它们提供的弹性可把针体紧紧地裹住，使盐水不能沿针体外流；而单纯的凝胶则没有这种功能，这一分析也可以解释为什么针头刚进入凝胶板时的流阻较低以及针头后退通过盐水通道时流阻下降后不能恢复的现象。电阻抗的结果表明，GS模型可以显示出低电阻抗的特性，这一点从理论上可以理解。因为凝胶态中，分子互相之间结合成长的分子链，离子在其中的运动比较困难，而溶胶的分子较短，互相之间可以滑动，离子在其中的运动比较容易，因此，温度越高的地方电阻越小。GW模型同样显示出低阻抗特性，而且盐水通道处的阻抗比凝胶处的差异更明显，这显然是因为生理盐水导电的缘故。四电极法的优点在于它测量的是导体的容积阻抗，且基本不受接触电阻的影响。在实际生物组织中，高频电流可通过细胞膜和细胞内液，而低频电流主要通过细胞外液。本研究中所用四电极阻抗仪就是张人骥发现经络低阻抗的仪器，其频率为5KHz，属低频，主要通过细胞外间质，因此，间质的物质构象对电阻抗有影响，但单纯从电阻的角度还难以区别溶胶和盐水的实质差别。关于声音的传导，由于溶胶的粘性增加，弹性减弱，故声的直接传导减弱，而且采用电阻丝加热作成的GS模型不能形成一个边界清楚的通道，故无法形成波导式的传导。也可能用激光作出的溶胶通道边界会更清楚些。因此，GS模型是否可形成波导式传导，尚需进一步的实验证明。由于在GW模型中，盐水与凝胶的声阻有一定差异，而两者的边界比较清楚，故在边界处可出现声波的折射。由于通道边界的反复折射，可以形成类似于波导管式的传导，这种传导的能量损失较少，因而可以表现出较好的声传导特性。在经络声传导的研究中，人们发现，经络线上声传导率较高，而传导速度却低于经线外5。这是由于声波在波导管中反复折射，增加了传播的距离，故传导速度较慢。此现象进一步说明经络上的声波传导很可能是波导式传导。日本的高野千石曾用藤田六郎的脉管外体液通道模型对经络的低阻抗特性和高导声特性进行过理论探讨13,14,认为皮下疏松结缔组织中的脉管外体液具有高离子浓度和低黏度特性，根据Stokes公式，应具有高电导性特性，良导络经络与藤田六郎的经络实质是一致的。另外，他用疏松结缔组织低黏度的特性解释了循经高导声现象。由于他可能没有注意中国在循经声波传导速度方面的报道，故没有分析波导传导的可能性。总之，经络的实质可能是凝胶中的一种液体通道，这种液体可能主要是水、盐和蛋白质的混合液。实际研究中，我们很难看到这一通道，可能因为它是由许多极细小的相互连通的孔道组成的，只有采用Casley-Smith的电镜方法才能看到11。我们的模型尽量模拟接近这一多孔道的情况，但仍有一定差距。比如，我们使用的金属丝其直径为0.1mm,比Cesley-Smith发现的100nm的微孔仍然大很多,另外，实际组织除了凝胶外，还有细胞和胶原纤维等，模型很难作到与实际情况完全相同。因此，最终还是需要通过直接的形态学方法确定经络的实质结构，而模型方法的使用为最终的形态学研究提供了正确的方向。致谢：本研究得到了北京经络研究中心的大力支持，在此表示衷心感谢。参考文献1王本显著.国外对经络问题的研究.北京，人民卫生出版社，1984：53-57 2张协和.经络测定仪的诊病原理及其使用方法.中医杂志，1958；(9)：579 3祝总骧郝金凯主编针灸经络生物物理理学第一版，北京出版社，1988：202-206 4张人骥.低阻经络研究,II健康人常态低阻经络的分布.北京大学学报,1978；(1)：136