远红外线在医学上之应用及其作用机制

2017-06-26

前言




   自从1800年科学家赫希尔(William Herschel)利用三稜镜分光作用探讨光谱的热效应而发现了红外线[1],如今已经广泛被运用在于相关医療方面以及復健用途,依其波长可以再分为近红外线、中红外线和远红外线,红外线医療仪器所释放的波长位于远红外线范围内。远红外线对于生物体可产生温热效应,达到血液循环、改善微血管循环不良[2-4]、促使组织生长与再生[5]等作用,远红外线不仅可以促进生物体的生长发育,在医療上亦可用为辅助治療之工具,例如:伤口止痛愈合、活血化瘀、糖尿病足溃疡愈合、治療高血压、纾解精神压力[6]等。近年來有许多相关的研究证实远红外线具有臨床运用之价值;文献指出远红外线对于伤口提早愈合。[7]、抑制疼痛[8-9]、增进睡眠质量[10]、降低血糖[11]等症狀均有正面療效。远红外线在医療上的效果已受到肯定,但使用者对于远红外线与人体的作用机制却常常一知半解,也往往对市面上相关的广告或器材感到疑惑,却难以分辨真伪而莫衷一是。为了提升使用者对于远红外线的认知,本篇文章将针对远红外线做相关的介绍并且探讨医療上使用远红外线辅助治療对于人体所导致的相关机制。

远红外线原理与机制



  生育光线─远红外线

  

   在电磁波光谱中,依能量的高低可分为兩种輻射,其一是可会使物质原子产生电子之直接或间接游離作用的游離輻射(ionizing radiation)

,而另一种则是能量不足以使原子之电子产生離子或自由基的,谓之非游離輻射(nonionizing radiation),其分际约为10 ke V [12],若以參考人全身所含之元素來分析,其平均游離能量为12.9 e V,此能量相当等于光子波长96 nm,大部分存在人体的元素原子游離能都低于12.4 e V [13],由图1可得知此区界相当于波长100 nm、频率3×1015Hz或是能量为1.987×10-18J之光子。其中,非游離輻射包括射频(radiofrequency)、微波、红外线、可見光、紫外线等[14]。

   

   红外线的能量低于12.4 e V,故属于非游離輻射,虽然人類肉眼看不見红外线,但皮肤可感受其温热效应。欧美大众颇喜好日光浴,其功效在于阳光照射人体后,使体温上升,进而导致排汗、促进血液循环。由图一可知,太阳光谱大致上可以分为三个波段,其中可見光约占44%、紫外线占3%,而红外线则占53%,占整个太阳光谱之比例最多如图2。

   

   红外线的波长约介于0.78-1000μm,依其波长又可以区分为近红外线、中红外线及远红外线。在化学及物理学上,近红外线波长范围被划分为

0.78-2.5μm,中红外线为2.5-50μm,远红外线为50-1000μm [15]。另一种在医学上常用的区分方式则是,近红外线波长为0.8-1.5μm,中红外线为1.5-5.6μm,远红外线为5.6-1000μm之电磁輻射[16],其中,波长4-14μm之波段能被生物体有效地吸收,故又称之为生长光线或生育光线(

growth ray)[17]。

黑体輻射


   

   为了研究各种不同物体所释放的红外线輻射,常使用黑体(Blackbody)为理想的輻射体;黑体是指一个物体在任何温度下都能完全吸收任何频率的入射輻射能量而不会产生反射的物体(实际上,绝对黑体并不存在)[18]。此外,黑体发射电磁輻射的能力比同温度下的任何其它物体为佳,其輻射率比(任何实际物体的輻射发射量与同一温度下黑体的輻射发射量之比值)被定义为1。物体的輻射率比与很多因素有关,例如:物体的材料、表面特性、温度及其释放波长等[19]。黑体輻射光谱中最大发射率之波长(λmax)与绝对温度(T)之关系可以由维恩定律(Wien's law;Eq.(1))表现之,而单位时间、单位面积内从黑体輻射出的能量与温度之关系可以使用斯蒂芬-波兹曼輻射定律(Stefan-Boltzmann'slaw of radiation Eq.(2))來描述,由公式(1)和(2)可知兩者都受到温度的影响。维恩定律是由德国物理学家威廉-维恩(Wilhelm Wien)于1893年总结其实验數据而提出。利用公式(1)可以得知某一温度,物体释出最大輻射量之波长(λmax)与其绝对温度T(K)之乘积为常數;物体越热,其释出最大輻射量之波长越短(频率越高;图3),由此可求知地球的平均温度为300K,最主要的輻射释出波长约10μm,相当于红外线范围,而太阳的温度约为6000K,主要的輻射释出波长约为0.48μm,相当于黄綠光[20]。λmax=2897/T(μm)(1)斯蒂芬-波兹曼輻射定律(Stefan-Boltzmann's law ofradiation;公式(2))可应用于探讨某温度物体表面的总发射强度E(W),此总发射强度被定义为单位面积A之輻射面上,各方向所放射之所有波长能量。由史蒂芬-波兹曼輻射定律可知总輻射强度与绝对温度(T)的四次方成正比,其中,σ为斯蒂芬-波兹曼常數,而ε为物体表面之放射率(emissivity;ε=0~1);因此,若有一温度为600K之物体,则其放射能量应为300K物体之16倍[21]。E =σεAT4(W),

σ= 5.67×10-8(W/m2K4)(2)

   分子吸收红外光导致量子化跃迁现象电子从基态(ground state)获得足够的能量,可跃迁到较高能量的激发态,而位于激发态的电子并不稳定,随即释放能量并回到较低智态。此种高能量电子放出能量的过程,称为缓解(relaxation)。电子从激发态返回基态的缓解过程有兩种,一种是輻射缓解(radiation relaxation),另一种则是非輻射缓解(non-radiation relaxation);前者放出的能量是以电磁輻射的方式呈现,至于后者则以「热」的形式消耗掉(例如:晶格振动),而不放出电磁輻射[22]。分子吸收红外线(近红外线、中红外线、远红外线),一般不会发生电子的跃迁现象,但可能发生两种量子化跃迁现象,分别为振动跃迁(vibrational transition)及转动跃迁(rotational transition),此兩种的能级差一般分别为0.05-1 e V以及小于0.05 e V。分子之振动方式[23],可分为分子内化学键之伸展(stretching;又可分为对称性伸展(symmetry)和不对称性伸展(asymmetric)运动,如图4、交剪(scissoring)、摇摆(wagging)、摇动(rocking)、弯曲(bending)或扭转(twisting)的变化如图5,这些振动方式则为远红外线療法与人体最主要作用机制,当分子吸收远红外线能量后可导致振动跃迁,由低智阶(基态)跃迁到高能阶(激发态),提高其振动频率,随后以輻射缓解的方式释出能量,或以非輻射缓解的方式降到低智阶而释出热。此外,欲使分子吸收红外线而产生振动跃迁必须符合兩项原则:其一为红外线能量必须等于分子振动跃迁的能阶差,换句话說,入射红外线频率须等于振动频率才能引起分子吸收能量而产生振动,其二为分子振动必须伴随偶极矩(dipole moment)产生变化,亦即分子之净偶极矩不能为零。

  

   分子吸收远红外线范围之能量亦可发生转动跃迁,使分子绕其质心作旋转运动。分子欲发生转动跃迁,入射光子的能量必须等于转动能级的能量差,且分子转动时也必须符合其净偶极距不为零。当分子发生振动跃迁时,也可能伴随转动的跃迁,而使其放射光谱复杂化。远红外线与人体作用机制由维恩定律可求知在人体温37oC时,最主要的輻射波长约为9.35μm,恰好落在生育光波长范围内,人体约有60兆个细胞,细胞中占最大部分的是水分,由图六可知水分子的最有效吸收频率约为6.27μm恰好在生育之光的4~14μm区域内,另外在细胞膜上有许多的磷脂质、蛋白质及醣類,它们的平均波长也介于4~14μm生育之光范围内。人体在吸收远红外线后可产生兩个主要的生物效应,即热效应以及非热效应。其中,热效应是组织中分子的振动或转动能阶跃迁之能量差与红外线光子能量发生共振(resonance),使得分子振动或转动,随后以非輻射缓解的方式释出热而回到较低智阶,医療上的远红外线療法以振动跃迁产热为主要作用机制,此温热效应可以达到人体血管扩张的效果,造成血流量增加如图7、促进新陈代谢等[2-4;24]。此外,远红外线之非热效应主要是生物体内之细胞或组织吸收后产生之生物化学反应(如:红血球膜电位、膜流动性与细胞变形能力),例如:造成人体内參与生化反应之分子的浓度提高或活性改变,如:改变NO浓度或刺激自律神经系统,亦可造成皮肤血管扩张之效果[24]。再者,人体约有70%是水分,血液的水分比率更高达80%,远红外线之非热效应可促使大水分子团产生共振,进而导致水分子与水分子之间的氢键断裂,使大水分子团变成独立细小水分子,使得小水分子容易进入细胞内,促进生物化学反应之进行[2]。皮肤的基本构造可以分为三层,从外到内,依次是表皮、真皮、皮下组织。近红外线可以穿透到皮下组织,而远红外线几乎在表皮都被吸收了[25],但它却可以在深部组织产生温热效果,其原因就在于远红外线释出的波长大部分的能量都被浅层皮肤的组织分子以及水分子有效吸收,进而产生振动跃迁,而自低智阶(基态)跃迁到高能阶(激发态),随后以非輻射缓解的方式释出热,或伴随转动跃迁而导致摩擦产生热。产生的热能可以透过传导的方式,传送到更深的组织,或者透过促进血液循环的方式,使得热能能传到深部组织或更远的地方,而令深部组织达到产生温热效果以及引发一連串有益的生物效应。

红外线疗法在医疗上的相关应用及研究


   远红外线在现今农、工、医療业上的运用相当普遍,在医療上,远红外线療法广泛地应用于復健辅助以及疾病治療上,且具有正面之療效[6]。

远红外线照射产生之温热效应,除了被发现可促进血液循环和新陈代谢之外,亦可使饱和脂肪酸不容易再被氧化成血脂(过氧化脂质),故能减少血

管内脂质的沉积,降低动脉硬化现象之发生[28-29]。远红外线局部照射具有類似于血管扩张剂的作用,可改善微循环,提升皮瓣成活率,且在治療

剂量范围内无明显副作用[30]。此外,亦有研究指出,远红外线照射受损之血管内皮细胞有助于其恢復[31]。远红外线亦能加速伤口的愈合;伤口在

愈合过程中,组织需经过发炎期、增生期与整合期。以远红外线照射伤口后,不但可以增加其发炎期生长因子的分泌,提升皮肤生长因子活性,也直

接刺激增生期与整合期的胶原蛋白堆积,借此加速伤口的復合[7]。以远红外线治療红臀和臀部溃疡之儿童病患,亦可发现治療组和对照组相比,其

治愈的平均时间缩短,效率提高[32]。再者,远红外线照射可减缓运动伤害引起的疼痛感[8],降低神经传导之兴奋程度,提高对于疼痛的忍受度,

此外,对于疲勞之消除亦有其療效[33]。再者,探讨远红外线照射对荷瘤鼠S180大脑内源性鸦片類物质之影响的研究亦发现,照射远红外线之各组,

其大脑β─内啡肽(β- endorphin)、離氨酸脑啡肽(leucineenkephalin)含量均明显增加,可产生有效之抑痛作用,为臨床上应用中远红外线治

療和减轻肿瘤患者疼痛,或缓解带狀疱疹及肢体疼痛等应用提供了理論依据[9]。远红外线療法亦可应用于产妇尿滞留的治療上,以远红外线照射膀

胱区治療尿滞留和其它药物療法相较,不会导致产妇痛苦,亦不增加产后出血量,易于被产妇接受。其机制在于远红外线之热效应可刺激皮肤内热感

受器,透过丘脑反射使血管平滑肌松弛,促进血液循环,促使渗出液吸收进而消退炎肿,并减缓肌肉的紧张和痉挛[34]。远红外线也用來治療小儿肠

痉挛之病症,在208例远红外线照射治療小儿肠痉挛之研究指出,其療效明显优于药物治療,容易进行且无副作用,儿童容易接受[35]。此外,有人

运用老鼠实验去探究远红外线对于睡眠调节的影响,其研究发现非限制的老鼠在光亮环境下連续曝射远外线后,使慢波睡眠(slow wave sleep;

SWS)显著地增加,而異型睡眠狀态(Paradoxical sleep)除了在黑暗环境中有显著的下降外,在观察期间近乎不受其影响。因此由本实验可知其远

红外线可调节睡眠进而提升睡眠的质量[10]。在糖尿病兔研究之中发现,远红外线对其高血糖症狀具有明显的缓解作用,可降低血糖而减轻症狀。

其机制是透过腺核苷酸环化酶(adenylate cyclase)活性抑制的同时激活磷酸二酯酶(phosphodiesterase)活性,使环磷酸腺苷(c AMP)合成受

阻,进而加快水解,降低血糖[11]。近來,远红外线亦被运用在体内肿瘤之热治療上;由于肿瘤细胞对的耐受温度比正常组织低,将温度提高并控制

在正常组织耐受范围之内,可导致肿瘤细胞凋亡以抑制肿瘤细胞增生,此外,动物实验也证实,利用远红外线照射小鼠可以抑制其体内肿瘤的生长

[17;36-37]。

参考文献

1.Herschel W. Experiments on the refrangibility of the

in-visible rays of the Sun,Phil.Trans.Roy.Soc.

London 1800;90:284

2.Inoue S,Kabaya M. Biological activities caused by

far-infrared radiation.Int J Biometerol.

1989;33:145-150

3.Lin CC,Chang CF,Lai MY,Chen TW,Lee PC,

Yang WC,.Far-infrared therapy: a novel treatment to

improve access blood flow and unassisted patency of

arteriovenous fistula in hemodialysis patients.

Journal of the American Society of Nephrology.

1989;18(3):92 -985

4.邹其俊,远红外线生物效应谈,微循环学杂志,

1997;7(4):39─41

5.Udagawa,Y.,Nagasawa,H. Effects of far-infrared

ray on reproduction,growth,behaviour and some

physiological parameters in mice.In Vivo.

2000;14(2):321-326

6.http://www.far-infrared.info/whats_far_infra-ray.htm;

远红外线医療网

7.Toyokawa H,Matsui Y,Uhara J,et al.Effects of

Far-Infrared Ray on Full-Thickness Skin Wound

Healing in Rats.Experimental Biology and Medicine.

2003;228(6):724-729

8.Masuda A,Koga Y,Hattanmaru M,Minagoe S,Tei

C. The effects of repeated thermal therapy for

patients with chronic pain.Psychotherapy and

psychosomatics.2005;74(5):288-294

9.何勇、李志新、崔友,中远红外线对荷瘤鼠大

脑β─内啡肽、脑啡肽、强啡肽水平影响的实

验研究,黑龍江医药科学,2001;24(6):42-43

10.Honda K,Inoue S. Sleep-enhancing effects of

ar-infrared radiation in rats.Int J Biometeorol

1988;32:92-94

11.程绍钧、王荡、张广运,红外线輻射对糖尿病兔

糖代谢调控的实验性研究。中华物理医学与康

復杂志,2000;22(3):165-167

12.翁宝山,原子科学导論(修定版),茂昌图书有限

公司,1998:31

13.亓允中,科学月刊。游離輻射与非游離輻射,

1993;277:47-52

14.行政院环境保护署,非属原子能游離輻射管制

网,电磁輻射

http://ivy3.epa.gov.tw/nonionized_net/EME/emf.aspx

15.Skoog DA,Leary JJ.Principles of Instrumental

Analysis 4

th

Ed. Saunders College Pulishing.

1992a:252

16.Dover JS,Phillips TJ,Arndt KA.Cutaneous effects

and therapeutic uses of heat with emphasis on

infrared radiation.J Am Acad Dermatol.

1989;20:278-286

17.Hamada Y,Teraoka F,Matsumotob T,et al.Effects

of far infrared ray on Hela cells and WI-38 cells.

International Congress Series.2003;1255:339–341

18.林宜弘、廖建贵,远红外线輻射性能之简单量测

-逆向热传导法之探讨,力学期刊,

1996;12(2):181-186

19.黄文雄,热传学,中央图书出版社,1985a:402-404

20.吴强、郭光灿,《光学》,中国科学技术大学出版

社,合肥,1996:381–382

21.黄文雄,热传学,中央图书出版社,1985b:405-406

22.高逢时,黑夜的精靈-荧光体,科学发展月刊,

2003;367:64 -69

23.Skoog DA,Leary JJ.Principles of Instrumental

Analysis 4

th

Ed. Saunders College Pulishing.

1992b:254-260

24.Yu SY,Chiu JH,Yang SD,Hsu YC,Lui WY,Wu

CW.Biological effect of far-infrared therapy on

increasing skin microcirculation in rats.

Photodermatology,photoimmunology &

photomedicine.2006;22(2):78-86

25.Bachem A,Reed C. The penetration of radiation

through human skin.Am J Physiol.1931;97: 86–91


26.Skoog DA,Leary JJ.Principles of Instrumental

Analysis 4

th

Ed. Saunders College Pulishing.

1992c:264

27.http://www.feelgoodproducts.com/SD_whatis.html;

Feel good products.Blood Circulation

28.Tei C,Horikiri Y,Park JC,Jeong JW,Chang RS,

Toyama Y,Tanaka N. Effects of hot water bath or

sauna on patients with congestive heart failure: acute

hemodynamic improvement by thermal vasodilation,

J Cardiol.1994;24(3):175-183

29.严永清,生命光线‧微循环‧远红纤维,江苏纺

织,1997;12:11-12

30.姜平、羅力生,远红外线对鼠随意皮瓣成活的影

响,微循环学杂志,2000;10(1):69-71

31.Imamura M,Biro S,Kihara T,et al.Repeated thermal

therapy improves impaired vascular endothelial

function in patients with coronary risk factors.Journal

of the American College of Cardiology.2001;38(4):

1083-1088

32.张燕华、袁洪华、王新华,远红外线輻射加温床

治療新生儿红臀及臀部溃疡36例,山西护理杂

志,1999;13(6):255

33.Masuda A,Kihara T,Fukudome T,Shinsato T,

Minagoe S,Tei C. The effects of repeated thermal

therapy for two patients with chronic fatigue

syndrome.Journal of psychosomatic research.

2005;58(4):383-387

34.荆蕊平、王昕、劉淑青,远红外线照射治療产后

尿潴留15例,现代中西医结合杂志,

2000;9(13):1270

35.徐秀美、邹剑平,远红外线照射治療小儿肠痉挛

208例,中华理療杂志,1999;22(4):229

36.Nagasawa,H.,Udagawa,Y.,Kiyokawa,S. Evidence

that irradiation of far-infrared rays inhibits mammary

tumor growth in SHN mice.Anticancer Research.

1999;19:1797-1800

37.Udagawa,Y.,Ishigame,H.,Nagasawa,H. Effects of

hydroxyapatite in combination with far-infrared rays

on spontaneous mammary tumorigenesis in SHN mice.

The American journal of Chinese medicine.

2002;30(4):495-505



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