基于红外成像技术的艾柱燃烧温度特性研究＊

张 喜，陈燕萍，宋 军，闪增郁

北京市防治重大疾病基础研究重点实验室（中国中医科学院医学实验中心）（北京100700）

“灸”原本是指用艾火直接烧灼，艾柱化脓灸是古代应用最广的一种灸法［1］。《医学入门· 针灸》载：“药之不及，针之不到，必须灸之。”说明灸法借火的热力对人体有独特的疗效。灸法疗效的产生是一个多因素综合作用的结果［2］。现代研究证实，灸法作用方式主要由燃烧物药物作用、燃烧热的温热作用、热辐射近红外光的透穴作用及其在经络中传输作用组成［3］。

现有研究较多关注艾灸对人体的作用［4－6］，而检测艾柱自身燃烧温度的研究相对较少，且使用的方法是直接测量燃烧状态艾柱内部的温度。用红外成像技术方法检测艾柱燃烧时温度变化的相关研究较为罕见。

业已证明，艾灸的燃烧光谱以红外辐射为主，艾灸燃烧时的辐射能谱在0.8～5.0μm之间［7］。红外热像仪可采集艾柱燃烧时的红外辐射能量，经过一系列光电信号的转化与计算机智能分析和处理，把人眼所无法观察到的表面热分布可视化，并用不同的色彩显示其温度分布。红外成像技术可以检测艾柱燃烧状态下多个点的温度值，连续动态观察燃烧艾柱的不同距离温度变化，并可以全面、整体、动态地采集和分析艾柱温度信息，是一种清晰、高效的技术手段。

艾灸热对于生物而言是外热源，按照能量守恒定律，艾灸在组织中传输的能量来自艾叶燃烧释放的能量［8］。温热刺激是艾灸取效的关键因素之一，而温度又是不同温热刺激的量化形式［9］。因此应用红外成像技术探讨艾柱温度作为给腧穴以外来的温热性刺激的变化及其有序性规律是一项非常有意义的研究工作。其不仅可以为评价临床灸效提供基础性的参考条件，而且也为评价艾柱及艾条质量提供一定的数据依据和技术参考。

材料与方法

1 仪器和材料 红外热像仪FLIR SC660（美国菲力尔公司生产，采用焦平面阵列（FPA）非制冷型探测器，红外分辨率为640＊480像素。测量范围为－40℃～＋1500℃，测量精度为±1%）。

本研究为了统一标准，规定了艾炷的大小，以避免由于艾炷的形制不统一对结果造成影响。裁切三种艾柱（记为A、B、C）为高（50±2）mm、直径（30±3）mm的圆柱体，每种10支，共30支。对30支艾柱编号并进行随机化处理。

2 实验方法

2.1 记录艾柱燃烧状态下的热图：控制室内温度为（20±2）℃ ，相对湿度为45%～65% ，空气无明显流动。用酒精灯点燃艾柱，直至艾炷正中达到完全燃烧状态。将点燃的艾柱固定于带有标记距离的铁架台上，利用红外成像技术，根据随机方案的次序拍摄A、B、C三种艾柱在同等燃烧条件下垂直、水平两种位置下的红外热图，共60张。

2.2 测量艾柱不同距离的燃烧温度：红外设定测量温度范围0℃～150℃，主要目的是观察艾柱燃烧边缘及边缘以外的温度变化情况。应用图像分析软件，分别测量三种不同艾柱燃烧时的边缘、距离边缘0.4cm、5cm、10cm处所对应的温度值。

3 统计学方法 采用SPSS 24.0统计学软件进行分析，数据以均数±标准差表示，用单因素方差分析评估三种不同艾柱的燃烧温度，以P＜0.05为差异有统计学意义。

结 果

1 三种艾炷不同位温度变化 A、B、C三种艾炷燃烧时垂直位、水平位边缘、距离边缘0.4cm、5cm、10cm所对应的温度值比较（见表1、表2，图1、图2）。

C种艾柱在边缘、距离边缘0.4cm、5cm、10cm处的燃烧温度平均值均大于A，B两种艾柱，但C种艾柱燃烧温度值标准差较大，其曲线坡度较A，B大，说明C组数据变异程度较大，变化不平稳。

表1 三种艾柱垂直位温度变化（℃）

表2 三种艾柱水平位温度变化（℃）

图1 三种艾柱垂直位附近温度

2 三种艾柱垂直位与水平位的燃烧温度差 由表3，图3可见，A种艾柱在三种艾柱中的垂直位与水平位温度差值最小。A、B、C三种艾炷垂直位燃烧温度与水平位燃烧温度不同，说明艾柱放置方向不同其温度值亦有差异。

图2 三种艾柱水平位附近温度

表3 两种位置温差表（垂直－水平，℃）

图3 三种艾柱垂直位置与水平位置的温度差

3 方差分析结果 单因素方差分析结果如图4，三种艾柱燃烧温度在边缘位置，组间比较温度差别均有统计学意义（均P＜0.05）。三种艾柱燃烧温度距离边缘0.4、5、10cm位置，A、B与C组间比较温度差别均有统计学意义（均P＜0.05）。可认为A，B，C三种艾柱在边缘位置的燃烧温度总体均数不同，即不同艾柱的燃烧温度不同。A，B与C种艾柱在距离边缘0.4、5、10cm位置的燃烧温度总体均数不同，即A，B与C种艾柱的燃烧温度不同。

图4 方差分析结果

4 三种艾柱燃烧的红外热图 为了更直观地表达三种艾柱的燃烧状态，在制作图片时将温度范围调整为20℃～70℃。用红外热图记录分析三种艾柱在相同条件下的燃烧温度分布，如图5、图6所示：以艾柱实体半径为序，艾柱边缘，距离边缘0.4、5、10cm处所见图像色彩由红到绿变化，说明对应位置的温度值呈逐渐下降趋势。

图5 三种艾柱燃烧时垂直位热图

图6 三种艾柱燃烧时水平位热图

艾柱燃烧温度成同心圆分布，随着辐射区域的扩大，温度逐渐降低。

讨 论

《医宗金鉴·刺灸心法要诀》指出：“凡灸诸病，必火足气到，始能求愈。”承淡安先生亦提出 “灸穴勿多，热足气匀”。“火足”、“热足”是指艾灸温度要充足，灸热来自艾柱燃烧温度，所以灸效是通过艾柱产生的热量给人体以温热性刺激而产生的。

温度是重要的生物物理因素之一［10］。有研究表明，不同产地艾叶、不同品系艾叶、栽培与野生艾叶、不同制作方式的艾绒燃烧温度特性存在差异［11－13］。

本研究应用红外成像技术测量分析艾柱燃烧温度，弥补了传统接触式测温方法存在的测温延迟现象及不能应用于很高的温度测量和对艾柱燃烧温度进行动态测试及分析的不足。结果发现，三种不同艾柱的燃烧温度不同，其分布成同心圆状，随着辐射区域的扩大，距离的增加，艾柱燃烧温度逐渐降低。C种艾柱在边缘、距离边缘0.4、5、10cm处的燃烧温度平均值均大于A，B两种艾柱，C种艾柱燃烧温度值标准差较大，变异程度较大。

热效应是灸疗的一个重要作用［10］。有研究者证实，不同艾条燃烧温度，其艾灸补泻功效及其临床适应病证亦不同［14］。说明灸效与艾柱燃烧热值及其传递和受激共振相关。

本研究所用三种艾柱中，临床反馈疗效最好的是A种艾柱，测试结果其在各测试位置温度值最低，且位置差值最小。据此推测，艾柱燃烧的温度值低、位置差小，有可能是评判艾柱疗效的一个重要指标。灸热达到多少度是临床施灸效果最佳状态？是否艾柱燃烧温度越高，其灸效越好？这些问题有待于进一步探讨艾柱温度对临床灸效的具体影响机制及其原理。

将红外成像技术用于艾柱燃烧状态检测是一个新的技术方法尝试。该方法对于规范艾柱质量评价体系有积极的促进作用。