人體14條經脈上共有361個經穴，針刺行針過程中要達到治病的效果，針體一般必須刺穿表皮和真皮，甚至皮下組織等區域。研究發現針刺過程中所刺激的穴位組織是結締組織的富集區，具體可分為：真皮層致密結締組織；皮下疏松結締組織；肌間隔疏松結締組織；神經血管束疏松結締組織；器官門疏松結締組織等5 種類型，其中，皮下疏松結締組織和肌間隔疏松結締組織處穴位最多?？梢钥闯?，針刺過程中對穴位的刺激點主要集中在真皮以下部分，其他穴位刺激點雖然離皮膚比較遠，但是針體必須經過皮膚才能進入這些刺激點，行針過程中皮膚對針體的阻力不可忽視。本研究企圖以提插法和捻轉法為前提，以表皮組織、真皮組織和皮下結締組織為區域對象，對行針過程中針體阻力分布進行分析。
1、 皮膚組織的力學性能
1.1 皮膚組織結構
皮膚是人體最大的器官，總重量占體重的5%～15%，總面積為 1.5～2 m2，厚度因人或因部位而異，為0.5～4 mm。
皮膚由表皮、真皮和皮下組織構成。表皮是皮膚最外面的一層，平均厚度為0.2 mm，根據細胞的不同發展階段和形態特點，由外向內可分為5層：\\(1\\)角質層：由數層角化細胞組成，含有角蛋白。它能抵抗摩擦，防止體液外滲和化學物質內侵。\\(2\\)透明層 ：由2～3層核已消失的扁平透明細胞組成，含有角母蛋白。能防止水分，電解質和化學物質的透過，故又稱屏障帶。\\(3\\)顆粒層 ：由2～4層扁平梭形細胞組成，含有大量嗜堿性透明角質顆粒。\\(4\\)棘細胞層 ：由4～8層多角形的棘細胞組成，由下向上漸趨扁平，細胞間借橋?；ハ噙B接，形成所謂細胞間橋。\\(5\\)基底層：由一層排列呈柵狀的圓柱細胞組成。此層細胞不斷分裂（經常有3%～5%的細胞進行分裂），逐漸向上推移、角化、變形，形成表皮其他各層，最后角化脫落。由于表皮和外界接觸，所考慮的皮膚的力學性能完全可以由表皮的力學性能所代表。
1.2 皮膚力學的重要性
皮膚力學在臨床及相關研究領域具有十分重要的作用，例如整形外科、皮膚醫學、淺表壓傷病因學等。在化妝、皮膚護理和化妝品的開發等領域也具有重要作用。特別是隨著整容業的發展對皮膚力學的研究要求越來越高。針灸和按摩等傳統中醫治病過程，都是通過皮膚實現或者和皮膚緊密相關的治病過程，皮膚力學應該是中醫首先研究并付諸于重要應用學科，遺憾的是到目前為止，按摩、針灸等中醫學科和皮膚力學研究幾乎是風馬牛不相及。隨著機器人的發展，如自動外科手術工具和機器人的出現及其在各種情況下的廣泛應用，對皮膚的力學性能進行精密測量的需求日益迫切。
1.3 皮膚力學性能的測量
有關皮膚力學性能的測量實驗主要分為離體實驗和在體實驗兩類。離體實驗測試從活體上切除的皮膚組織，而在體實驗測試仍然依附在活體上的皮膚。唯一真實可靠的確定皮膚性能的方法應該是通過在體實驗，因為離體實驗過程中，皮膚是與影響環境（例如血液灌注、淋巴管引流、新陳代謝、神經系統調節和激素調節）相分離的。但是，在體測試要受到皮膚組織本身以及所依附的其他結構的影響，因而在進行測試時很難在樣本中獲得均勻的應變場和控制邊界條件，所以也經常要進行離體實驗。目前常用的在體實驗有拉伸法，吸力法，壓痕法，扭力法等。離體實驗則可以用一些傳統的生物力學采用的方法進行試驗，例如單軸實驗和剪切試驗等。
1.4 皮膚的幾個主要力學指標
1.4.1 楊氏模量
彈性模量是描述材料力學性能的最常用的參數，其單位是每單位面積上的力。均質材料的傳統力學特性對于皮膚來說并不適用，皮膚既沒有獨特的單一楊氏模量，也沒有單一的剪切模量，對皮膚而言楊氏模量并不是常數。但是作為皮膚力學性能最重要的參數之一，人類皮膚的在體楊氏模量和離體楊氏模量已經得到了廣泛的測量，因為這些材料參數能夠反映人類皮膚的基本彈性行為方式。
皮膚不同部位楊氏模量測量值之間存在著很大的差異，范圍從0.02 MPa到100 MPa，其主要取決于推倒材料參數所用的模型和所施加的應力。針刺過程中破皮的一瞬間，針尖施加在皮膚單位面積上的力很大，楊氏模量值相應的也很大，代表參數應該是角質層測量參數。
1.4.2 壓縮系數
體積壓縮系數是指固體受到壓力時體積變量和原體積所受壓力之比。實驗發現，人體的軟組織（皮膚、皮下組織和內臟）具有0.30 m2/GN 到 0.38 m2/GN的體積壓縮系數，這說明人類皮膚的可壓縮性不如蒸餾水（0.46 m2/GN）。這些實驗結果表明，人的皮膚是很難壓縮的。
1.4.3 摩擦系數
當兩個物體表面接觸擠壓并且相對運動時，在兩個物體的接觸表面就會產生動摩擦力。摩擦系數是表征物體摩擦性能的重要參量，摩擦系數的大小主要取決于摩擦物體表面的材質，不同材質之間的摩擦系數是不同的。人們已經設計出各種各樣的實驗來測定皮膚和不同物體之間的摩擦系數。
目前測出的皮膚表面的摩擦系數一般在0.12到0.7之間，大部分的測量值集中在0.2到0.5之間。存在測量區間的差別，是因為受到皮膚的干燥度和在人體上的不同部位等因素引起的。有人做過人腹部皮膚和直徑10 mm不銹鋼針之間的摩擦系數測定，當載荷從5 g\\(0.049 N\\)到45 g\\(0.44 N\\)變化時，它們之間的摩擦系數存在從1.1到0.51之間的變化差異,可以看出摩擦系數隨壓力的增加而減小。丁光宏等人根據自己研制的儀器測出針刺人體曲池穴位時，針尖對皮膚的破皮壓力為0.5～1.0 N,此時的摩擦系數應該在0.4到0.5之間。
2、 真皮、皮下組織及其力學性能
2.1 真皮和皮下組織結構
真皮來源于中胚葉，由纖維、基質和細胞構成，真皮分為乳頭層（又稱真皮淺層）和網狀層（又稱真皮深層）。皮下組織也來源于中胚葉，在真皮的下部，由疏松結締組織和脂肪小葉組成，其下緊臨肌膜。真皮和皮下組織主要都是由結締組織組成，區分在于真皮主要是由致密結締組織組成，而皮下組織主要是由疏松結締組織組成。疏松結締組織廣泛存在于各器官之間、組織之間、甚至細胞之間。其結構特點是基質多，纖維少，結構疏松，呈蜂窩狀，故又稱蜂窩組織。我們這里考慮的皮下組織是一種廣義的概念，也可以包含肌間隔疏松結締組織、神經血管束疏松結締組織、器官門疏松結締組織等。從解剖學知，無論是致密結締組織還是疏松結締組織中均含有大量的纖維，而主要的纖維是膠原纖維和彈力纖維。
2.2 真皮和皮下組織的力學性能
真皮及以下的組織為粘彈性組織，和表皮大不相同，粘彈性接近于液體性質，只是粘性比液體大。又因為它們為結締組織，膠原纖維和彈性纖維的力學性能代表了其主要生物力學性能，下面主要討論這兩種纖維的力學性質。
2.2.1 膠原纖維及其力學性質
膠原蛋白借分子間的交聯聚合形成膠原原纖維并繼而由后者聚合形成膠原纖維。膠原纖維為真皮的主要成分，約占95%，集合組成束狀。在皮下組織中膠原纖維含量沒有真皮大，多為平行狀組成，在空腔器官壁上多呈三維排列。膠原纖維是粘彈性體，有明顯的滯后、應力松弛特性，很小的應變就會引起很高的應力，應力-應變關系為非線性。在拉伸試驗中，膠原纖維開始伸長量較小，但隨著載荷增加，伸長量和載荷成正比例直線增加，隨后載荷與變形呈非線性關系，在終點處產生破壞?？梢?，膠原纖維韌性大、抗張力性強。生長發育、創傷修復和某些病理過程中，由于應力的變化，膠原纖維的合成與障礙發生適應性改變，包括各型膠原含量和空間排列的重建。反之，由外界施加影響使膠原纖維發生應力變化，可以修復創傷并治理某些疾病。
2.2.2 彈性纖維及其力學性質
彈性纖維新鮮狀態下呈黃色，又名黃纖維。在HE 標本中，著色輕微，不易與膠原纖維區分。彈性纖維較細，直行,分支交織，粗細不等（0.2～1.0 μm）,表面光滑，斷端常卷曲。電鏡下，彈性纖維的核心部分電子密度低，由均質的彈性蛋白組成，核心外周覆蓋微原纖維，直徑約10 nm。彈性蛋白分子能任意卷曲，分子間藉共價鍵交聯成網。在外力牽拉下，卷曲的彈性蛋白分子伸展拉長；除去外力后，彈性蛋白分子又回復為卷曲狀態。彈性纖維富于彈性而韌性差，與膠原纖維交織在一起，使疏松結締組織既有彈性又有韌性，有利于器官和組織保持形態位置的相對恒定，又具有一定的可變性。彈性纖維除了具有膠原纖維所具有的基本力學性能外，它的另一個顯著性能是，彈性纖維變形和熵的變化有關。經絡和穴位處有豐富的彈性纖維聚集，彈性纖維的這一獨特性能可能對針刺過程中能量傳遞起著關鍵作用。
3、 行針過程中針體所受的阻力分布分析
1991 年，諾貝爾獎獲得者、法國物理學家德熱納在頒獎大會上提出了軟物質的概念。固體是具有固定形狀的物體，液體是可以隨意流動的物體，而軟物質是介于固體和液體之間的一類物體，人體是典型的軟物質。根據以上研究，因為人的皮膚表皮近似具有固體的力學性質，把它從軟物質中剝離出來，可以看成準固體物質；真皮和皮下結締組織是黏彈性體，直接看作軟物質。下面從行針過程中的提插法和捻轉法兩個方面來進行阻力分析。
3.1 提插法行針過程中針體所受阻力分布
若將開始提插作為有效的行針起點，在提插行針過程中，針體將受到兩個區域的阻力：表皮和真皮及以下的結締組織。表皮為準固體物質，堅硬而致密，進針口處相對粗糙，在針體上下提插的過程中阻力很大。而真皮和皮下結締組織為軟物質，柔軟而疏松，相對針體滑膩且阻力較小。在行針過程中當針體上提時可以看見皮膚有明顯的隆起狀，這主要是表皮的阻力所引起的。所以在提插法行針過程非“得氣”情況下，針體受到的主要阻力應該來自表皮，部分機械能以摩擦形式轉換成熱能，其余能量將以機械能形式貢獻給穴位，引起穴位的一系列生理反應。
上面提到過，對于表皮的生物力學性質已經有很多學者進行了實驗研究，從實驗結論知皮膚強度很強，韌度很大且很難壓縮，皮膚表面的摩擦系數也較大。皮膚表面摩擦系數的準確測定對于提插法行針過程關系很大。目前，測定皮膚摩擦系數的實驗大致分為兩類:一類為利用受已知法向力作用并在皮膚上旋轉的探針或轉輪進行測量，另一類則是利用在皮膚上滑動的探針進行測量。針刺過程中針體受力監控系統等的研制成功，對準確測量摩擦系數將會起到積極的幫助。
在“得氣”狀況下，針體所受阻力目前很難確定。如果“得氣”是由結締組織收縮所引起的，在短時間內，纖維細胞的收縮將伴隨著可溶性肌動蛋白的聚合和其受力纖維的形成，那么針體受到的主要阻力就是受力纖維的“緊抱”針體引起的。提插的過程實際上就是在尋找合適的刺激點，刺激結締組織收縮。
3.2 捻轉法法行針過程中針體所受阻力分布
和提插法行針過程一樣，在捻轉法行針過程中，開始捻轉應該是有效的行針起點，針體同樣受到兩個區域的阻力：表皮和真皮及以下的結締組織。因為表皮的厚度很?。?.2 mm），對于捻轉法操作而言，它的阻力可以忽略不計，這樣，針體的主要阻力應該來自于結締組織。前面提到，Kimura等在電子顯微鏡的觀測下已經確認，捻轉法行針時針體在穴位處提出后帶有的殘留物質是一些彈性和膠原纖維纏繞在針體上。從而可以確認，捻轉法行針的阻力主要來自結締組織中的彈性纖維和膠原纖維纏繞，其他阻力則來自針體和結締組織之間的摩擦。有人用自己研制的“動態監測系統”監測了捻轉手法行針過程，該針體扭轉力矩波形圖形象的給出了肌纖維纏繞針體產生的震蕩圖線。該震蕩圖顯示，在捻轉周期為一秒左右內纏繞震蕩時間大約有0.4 s，扭轉力矩在2×10-4N·m 左右。在纖維纏繞時間內產生連續性的小震蕩，說明纏繞的阻力很大，同時也說明纖維是在拉伸和收縮的彈性震蕩中吸收針體能量的。
捻轉行針時，針體對于黏彈性的彈性纖維等扭轉，形成了以針體為中心的多個薄圓面。從能量輸入角度講，捻轉法行針過程可以看成是開耳芬（Kelvin）體模型，內摩擦系數tan d可以由相應的公式給出。
彈性纖維是典型的軟物質，前面提到，彈性纖維一般呈卷曲狀，在外力的作用下會伸長，撤去外力它又會恢復卷曲狀。Hearle在1958年就用X射線觀察到，纖維的結構含有分子規則排列的結晶區和分子無規則排列的非結晶區，因而其性能介于結晶體與非結晶體之間。在外力的作用下彈性纖維的變性會引起兩種效果：內能的變化和熵的變化，其彈性主要由熵的變化而產生的。捻轉行針過程中會引起彈性纖維產生拉伸形變，必然導致纖維內能的增加和熵的變化。內能增加引起纖維強力振動，一般捻轉行針過程中產生的主頻率在次聲頻率范圍內，根據次聲在介質中的傳播特點，這些振動能量會無衰減的沿經絡傳播出去；熵變化會引起纖維及經絡組織溫度的變化，“得氣”以后病人產生涼簌簌的感覺和蟻走樣的感覺是否和熵有關？
4、 結語
由于皮膚表層和真皮及皮下組織有著不同的組織結構，導致了其力學性能也不同，探測它們力學性能的實驗還很不完善。提插法行針和捻轉法行針雖然經過的區域相同，但是其力學表現卻很不相同，提插法行針是針體在和穴位處的組織進行著粘滯性很強的滑動式摩擦，而捻轉法行針是針體在和穴位處的組織進行著粘滯性很強的滾動式摩擦。不同區域組織的致密度、強度、韌度、粘滯度等不同，對不同區域的阻力也不同。不同手法的行針過程其阻力主要來自哪個區域，輸入能量主要貢獻給了哪個區域，探討這些問題對于深入研究針刺過程的力學效果很有必要。其實，行針過程中本身也是一種皮膚力學試驗過程，如果進行科學的設計，直接測量出行針時穴位處的阻力分布等，其結果既是對皮膚力學研究的貢獻也是對針灸研究的貢獻。
參考文獻：
[1]原 林，姚大衛，唐 雷，等.針灸經穴的數字解剖學研究[J].解剖學報，2004，35（4）：337-343.
