艾灸太赫兹光谱分析

康良，严强，李赜宇，尹海燕，许雪梅，周逊▲，余曙光▲

(1．成都体育学院 运动医学与健康研究所，四川 成都 610041；2．中国工程物理研究院 激光聚变研究中心，四川 成都 610041；3．成都中医药大学 针灸推拿学院，四川 成都 610075；4．中南大学 物理与电子学院，湖南 长沙 410000)

艾灸光谱特征是艾灸现代化研究的重要内容之一，为丰富针灸临床治疗手段及灸疗法创新发展提供了重要手段。既往研究发现，艾灸光谱范围较宽，基本涵盖了除可见光之外的0.6～15 μm红外光谱，并包含近、中和远红外波段。对于艾灸燃烧产生的光谱，有研究认为峰值在1.5 μm的近红外谱段附近[1-2]；还有学者提出，艾条燃烧在0.6～2.5 μm谱段存在多个峰值[3]；有学者认为，艾灸光谱紧邻近红外、以远红外为主，辐射峰值集中在3.5 μm左右[4-7]。既往报道提示，艾灸光谱范围与太赫兹波段(波长30 μm～3 mm)也较接近。太赫兹波(Terahertz Waves)指频率在0.1～10 THz (1 THz=1 012 Hz) 的电磁波，介于微波与红外之间，属于宏观电子学向微观光子学过渡的频段。太赫兹科学的应用已日益广泛，但艾灸与太赫兹的相关研究尚存较大空白。本研究借助太赫兹相机和团队自制太赫兹光谱仪，就艾灸光谱是否存在太赫兹波段、艾灸燃烧产生的太赫兹光谱特征开展了进一步探索，以进一步丰富和确认艾灸辐射光谱特征，揭示艾灸光学参量，从而为艾灸效应研究提供新启示。

1 实验材料与设备

1.1 主要材料

定制实验用艾柱(含6 g一年纯艾绒，河南汉医艾绒厂，规格：5 mm×120 mm)；定制实验用艾柱(含25 g一年纯艾绒，河南汉医艾绒厂，规格：18 mm×200 mm)；五年陈特级艾条(五年陈艾条，河南汉医艾绒厂，规格：18 mm×200 mm)；伍元素108艾柱(含8 ∶1五年陈艾绒，南阳医乐嘉艾草制品有限公司，规格：18 mm×27 mm)；云烟牌香烟(红云红河烟草有限责任公司，规格：7.3 mm×84 mm)。

1.2 主要仪器

太赫兹阵列探测器(加拿大INO公司，型号：IRXCAM-THz-384)；傅里叶变换红外光谱仪(美国布鲁克公司，型号：VERTEX.80V)。

2 方法

2.1 艾灸太赫兹成像探测方法

借助中国工程物理研究院的专用光学平台，采用太赫兹阵列探测器并配合太赫兹高密度聚乙烯透镜(透镜焦距50.8 mm)搭建焦平面阵列成像系统，将直径18 mm、五年艾绒制成的艾灸固定在镜头前。点燃后，通过在光轴方向调节探测器位置来聚焦，观察并以系统内部采集软件记录燃着艾灸的太赫兹成像情况(图1)。

图1 艾灸太赫兹成像探测示意图

2.2 艾灸太赫兹光谱检测方法

在光学平台上安装专用滤波装置，使傅里叶变换红外光谱仪成为太赫兹光谱仪。将香烟和4种艾灸(不同直径、年份、材质)放置在光谱仪探测窗前1 cm，测量分辨率0.2 cm，在水平和垂直方向调节位置，测试前严格按专用光学平台要求控制湿温度、并把太赫兹光谱仪抽到真空状态，待气压小于1 Pa时开始测量基线，测量10次取平均值，光谱范围2～10 THz；对稳定燃烧的香烟和艾灸进行太赫兹光谱数据测试，每5 s用专用集灰装置刮灰1次；因艾灸发射光谱需要经过空气，为模拟空气对艾灸发射光谱的影响，需事先打开光谱仪内部光源、测量14 200 Pa空气光谱进行校正。

3 结果

3.1 艾灸太赫兹成像情况

如图2所示，艾灸点燃后可出现燃着区域轮廓太赫兹图像；成像镜头前放置无色透明聚乙烯塑料袋后，太赫兹成像效果未被明显削弱；袋内注入水后则无法成像。太赫兹波具有穿透性较强、易被水吸收的特点；故结合本结果可知，燃着艾灸光谱中存在着太赫兹波段。

图2 燃着艾条的太赫兹成像

3.2 艾灸太赫兹光谱情况

如图3所示，燃烧艾灸和香烟中均存在着太赫兹光谱，艾灸太赫兹光谱基本涵盖了2.5～10 THz的范围，其相应波长范围为112 μm～3 mm。直径18 mm艾灸的太赫兹相对强度高于直径7.3 mm的香烟，直径7.3 mm香烟的太赫兹相对强度高于直径5 mm的艾灸，说明燃着面积越大、太赫兹相对强度越高；直径18 mm的五年艾灸太赫兹相对强度高于同等直径的一年艾灸；直径18 mm的五年产纯艾绒制成的艾灸太赫兹相对强度高于同等直径和年份的普通艾条，说明太赫兹光谱相对强度可能与艾灸直径、年份和艾绒含量有关。香烟和四种艾灸点燃产生的太赫兹光谱相对强度不同，但光谱特征与空气吸收谱高度相似、这说明燃着物处于空气中，空气中的水分对太赫兹有着强烈的吸收作用。

图3 燃着香烟和四种艾灸的太赫兹光谱

4 讨论

艾灸疗法是中医针灸学的重要组成部分，具有温阳扶正、活血化瘀、温通经络及防病保健等功效。《黄帝内经》指出，“针所不为，灸之所宜”；《医学入门》中有“凡病药之不及，针之不到，必须灸之”，故其时至今日仍是中医临床治疗的重要手段之一。灸法通过穴位、药物和温热刺激等多方面作用刺激穴位，达到防治疾病目的。相关机理研究中，由艾绒燃烧产生的温热作用效果最为明确，艾灸发挥作用均依赖温热刺激[8]。温热刺激主要经皮肤组织温度传递、变化来产生灸效，灸热刺激量主要经不同艾温实现[9]。既往光谱研究发现[10]，间接灸与人体穴位自发的红外辐射峰接近，推测灸与穴位发生的光谱共振辐射可能对其生物效应起着更重要的作用。另一方面，燃着艾灸所包含的近红外光谱疗效确切、却几乎不产热。这提示热辐射虽关键、但无法解释艾灸全部物理性质，燃着艾灸所发挥的光辐射作用(包括热效应和非热效应)可能是灸效产生的关键物理学解释。早有研究者发现[7]，模仿燃着艾灸辐射能谱研制的仿灸仪比波长固定在某一波段的电灸仪效果更佳，认为灸效的发挥是艾灸各光谱段的综合效应。故全面解析艾灸光谱构成及其谱效特征，对艾灸领域传承创新研究具有重要意义。目前，电磁波谱和光谱中的“太赫兹空隙”已随电子学和光子学技术的发展得到填补；为拓展艾灸光谱研究，深入分析艾灸太赫兹光谱特征和影响要素，需借助太赫兹前沿技术、在相关领域开展持续探索研究。国内有研究者发现[11]，在太赫兹检测窗口施以雀啄灸手法时，0.90～2.00 THz范围会出现类似太赫兹波曲线；且艾灸太赫兹辐射强度与艾灸到检测窗口的距离相关。本研究根据太赫兹相机和太赫兹光谱仪综合结果确认，艾灸燃着后的自身光谱包含太赫兹波段，且光谱特征与空气吸收谱高度相似；艾灸太赫兹光谱涉及2.5～10 THz，波长范围涵盖112 μm～3 mm。本研究的艾灸太赫兹谱段探测结果与既往报道存在差异，这或许与不同太赫兹光谱仪的探测范围差异有关。

就生物效应而言，太赫兹较远红外波长更长，对组织穿透性较差且容易被水吸收，故利用其辐射作用时、多运用于生物组织含水量少或局部表浅位置；但生物分子普遍存在的氢键能级恰好处于太赫兹范围内[12]。国内有研究认为[13]：对患者进行太赫兹针照射后，能够改善大分子的有序性，推动生物能量在机体内的有序、顺畅传递，最终改善睡眠质量。太赫兹的光子能量低，不能直接破坏共价键或引起电子跃迁，但可通过共振型的相互作用导致生物效应，如干扰蛋白质-蛋白质相互作用、细胞成分稳态、蛋白质-DNA相互作用、DNA双应变动力学、基因表达稳定性等[14]。故利用太赫兹辐射的热效应和非热效应[15-16]，从生物体、组织、细胞到生物分子的不同层次开展治疗也是太赫兹技术应用于生物医学的重要方向之一[17]。但目前，有效的太赫兹辐射源对于医学工作者仍相对缺乏；如在传统疗法中寻找简、便、廉、验的天然太赫兹源，则有望为太赫兹技术的应用提供更广阔空间。有研究者发现，艾灸五脏募穴，能激发脏腑经气感传，同时引起对应经络原穴的太赫兹辐射强度发生改变[18]，这为针灸疗法的太赫兹相关研究提供了借鉴。另一方面，灸材会对灸效产生重要影响，探求灸材与太赫兹相关参数的关系也有助于创新发展传统灸疗手段。本研究发现，香烟和艾灸点燃产生的太赫兹光谱相对强度不同；直径18 mm艾灸的燃着后太赫兹相对强度高于直径5 mm者；五年艾绒制成的艾灸，燃着后太赫兹相对强度高于一年艾绒；纯艾绒制成的艾灸则高于同等直径和年份的普通艾灸，说明艾灸燃着后太赫兹光谱相对强度可能与艾灸的直径、年份和艾绒含量有关。

综上所述，艾灸燃烧光谱中的确存在着太赫兹波段；艾灸太赫兹光谱相对强度与燃着艾灸的直径、年份和灸材有关。如进一步研究艾灸太赫兹光谱的作用特点，将为太赫兹技术的研究与应用提供可行的思路，也将有助于艾灸新疗法的研发、推广和应用。