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远红外线在医学上之应用及其作用机制
来源: | 作者:大健红外 | 发布时间: 2019-06-27 | 99 次浏览 | 分享到:
远红外线一般被定义为波长介于5.6-1000μm之电磁波,其中,4-14μm之波段与生物体生长发育息息相关,
被称为为生育光线(growth ray),亦为目前远红外线療法所广泛使用之波段,虽然,远红外线医療器材充斥市面,
但其医療功效及其作用原理对于一般民众而言,依然披复着神秘面纱;因此,本論文尝试阐明远红外线之物理性
质,并介绍远红外线与人体细胞或组织作用之机制,及其在臨床上的应用与療效。
生物体内之分子吸收红外线可能发生振动跃迁及转动跃迁,进而产生热效应及非热效应。远红外线療法
与人体最主要作用机制是透过体内分子对于远红外线之共振吸收后产生之上述兩种效应达到医療的目的,其臨床
应用包括:伤口止痛愈合、高血压治療、纾解精神压力、增进睡眠质量、降低血糖、消除疲勞感、肿瘤之
热治療、产妇尿滞留的治療、治療小儿肠痉挛等,许多新兴之主题使远红外线療法之应用更加多元化,除了在预
防医学上发光发热外,也为主流医学提供另一扇窗。

前言




 

 

   自从1800科学家赫希尔(William Herschel用三镜分光作用探讨光谱的热效应而发现红外线[1],如今已经广泛被运用在于相关医方面以及健用途,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,远红外线仅可以促进生物体的生长发育,在医上亦可用为辅助治之工具,如:伤口止痛愈合、活血化瘀、糖尿病足溃疡愈合、治高血压、纾解精神压[6]等。近年來有许多相关的研究证实远红外线具有床运用之价值;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]低血[11]等症均有正面效。远红外线在医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上使用远红外线辅助治对于人体所导致的相关机制。

远红外线原与机制




 

  生育光线远红外线

  

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

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

   

   红外线的能低于12.4 e V,故属于非游離輻射,虽然人肉眼看不見红外线,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[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




   

   研究各种同物体所释放的红外线射,常使用黑体(Blackbody)为想的射体;黑体是指一个物体在任何温下都能完全吸收任何频的入射射能会产生反射的物体(实际上,绝对黑体并存在)[18]。此外,黑体发射电磁射的能比同温下的任何其它物体为佳,其比(任何实际物体的射发射与同一温下黑体的射发射之比值)被定义为1。物体的比与很多因素有关,如:物体的材、表面特性、温及其释放波长等[19]。黑体射光谱中最大发射之波长(λmax)与绝对温T)之关系可以由维恩定Wien's lawEq.1))表现之,而单位时间、单位面积内从黑体射出的能与温之关系可以使用斯蒂芬-波兹曼射定Stefan-Boltzmann'slaw of radiation Eq.2))描述,由公式(1)和(2)可知者都受到温的影响。维恩定是由德国物学家-维恩(Wilhelm Wien)于1893总结其实验据而提出。用公式(1)可以得知某一温,物体释出最大之波长(λmax)与其绝对温TK)之乘积为常;物体越热,其释出最大之波长越短(频越高;图3),由此可求知地球的平均温300K,最主要的射释出波长约10μm,相当于红外线范围,而太阳的温约为6000K,主要的射释出波长约为0.48μm,相当于黄[20]λmax=2897/Tμm)(1)斯蒂芬-波兹曼射定Stefan-Boltzmann's law ofradiation;公式(2))可应用于探讨某温物体表面的总发射强EW),此总发射强被定义为单位面积A射面上,各方向所放射之所有波长能。由史蒂芬-波兹曼射定可知总射强与绝对温T)的四次方成正比,其中,σ为斯蒂芬-波兹曼常,而ε为物体表面之放射emissivityε=0~1);因此,有一温600K之物体,则其放射能应为300K物体之16[21]E =σεAT4W),

σ= 5.67×10-8W/m2K4)(2

   分子吸收红外光导致子化跃迁现象电子从基态(ground state)获得足够的能,可跃迁到较高能的激发态,而位于激发态的电子并稳定,随即释放能并回到较低智态。此种高能电子放出能的过程,称为缓解(relaxation)。电子从激发态返回基态的缓解过程有种,一种是射缓解(radiation relaxation),另一种则是非射缓解(non-radiation relaxation);前者放出的能是以电磁射的方式呈现,至于后者则以「热」的形式消耗掉(如:晶格振动),而放出电磁[22]。分子吸收红外线(近红外线、中红外线、远红外线),一般会发生电子的跃迁现象,但可能发生两种子化跃迁现象,分别为振动跃迁(vibrational transition)及转动跃迁(rotational transition),此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法与人体最主要作用机制,当分子吸收远红外线能后可导致振动跃迁,由低智阶(基态)跃迁到高能阶(激发态),提高其振动频,随后以射缓解的方式释出能,或以非射缓解的方式到低智阶而释出热。此外,欲使分子吸收红外线而产生振动跃迁必须符合项原则:其一为红外线能必须等于分子振动跃迁的能阶差,换,入射红外线频须等于振动频才能引起分子吸收能而产生振动,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能为

  


   分子吸收远红外线范围之能亦可发生转动跃迁,使分子绕其质心作旋转运动。分子欲发生转动跃迁,入射光子的能必须等于转动能级的能差,且分子转动时也必须符合其净偶极距。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可求知在人体温37oC时,最主要的射波长约为9.35μm,恰好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,由图可知水分子的最有效吸收频约为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,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差与红外线光子能发生共振(resonance),使得分子振动或转动,随后以非射缓解的方式释出热而回到较低智阶,医上的远红外线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[2-424]。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、膜动性与细胞变形能),如:造成人体内与生化反应之分子的浓提高或活性改变,如:改变NO刺激自神经系统,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,使大水分子团变成独细小水分子,使得小水分子容进入细胞内,促进生物化学反应之进[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[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远的地方,而深部组织达到产生温热效果以及引发一連串

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、医业上的运用相当普遍,在医上,远红外线法广泛地应用于健辅助以及疾病治上,且具有正面之[6]

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

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

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[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,但可以增加其发炎期生长因子的分,提升皮肤生长因子活性,也直

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

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

此外,对于疲之消除亦有其[33]。再者,探讨远红外线照射对荷瘤鼠S180大脑内源性鸦片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)、氨酸脑啡肽(leucineenkephalin)含均明显增加,可产生有效之抑痛作用,为床上应用中远红外线治

和减轻肿瘤患者疼痛,或缓解带疱疹及肢体疼痛等应用提供了理論依据[9]。远红外线法亦可应用于产妇的治上,以远红外线照射膀

胱区治療尿和其它药物法相较,会导致产妇痛苦,亦增加产后出血于被产妇接受。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]。远红外线也用小儿肠

痉挛之病症,在208远红外线照射治小儿肠痉挛之研究指出,其效明显优于药物治,容且无副作用,儿童容接受[35]。此外,有人

运用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鼠在光环境下续曝射远外线后,使慢波睡眠(slow wave sleep

SWS)显著地增加,而型睡眠态(Paradoxical sleep)除在黑暗环境中有显著的下外,在观察期间近乎受其影响。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,远红外线对其高血具有明显的缓解作用,可低血而减轻症

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,低血[11]。近,远红外线亦被运用在体内肿瘤之热治上;由于肿瘤细胞对的耐受温比正常组织低,将温提高并控制

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,用远红外线照射小鼠可以抑制其体内肿瘤的生长

[1736-37]

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