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The Characteristics of Temperature Variation in Electronic Warm Acupuncture Device
전기식 온침기의 온도 변화 특성에 관한 연구
Korean J Acupunct 2023;40:184-193
Published online December 27, 2023;  https://doi.org/10.14406/acu.2023.022
© 2023 Society for Meridian and Acupoint.

Ja-Ha Lee1 , Jeong-Hyun Moon1 , U-Ryeong Chung2 , Soo-Hwa Hong2 , Gyoungeun Park1 , Byung Wook Lee3 , Won-Suk Sung4 , Jong-Hwa Yoon5 , Eun-Jung Kim4
이자하1ㆍ문정현1ㆍ정우령2ㆍ홍수화2ㆍ박경은1ㆍ이병욱3ㆍ성원석4ㆍ윤종화5ㆍ김은정4

1Department of Acupuncture & Moxibustion, College of Korean Medicine, Dongguk University Graduate School,
2Department of Korean Internal Medicine, Dongguk University Bundang Oriental Hospital,
3Division of Medical Classics and History, College of Korean Medicine, Dongguk University,
4Department of Acupuncture & Moxibustion, Dongguk University Bundang Oriental Hospital,
5Department of Acupuncture & Moxibustion, Dogguk University Gyeongju Oriental Hospital
1동국대학교 한의과대학 침구과 대학원, 2동국대학교 분당한방병원 한방내과, 3동국대학교 한의과대학 원전의사학교실, 4동국대학교 분당한방병원 침구과, 5동국대학교 경주한의원 침구과
Correspondence to: Eun-Jung Kim
Department of Acupuncture & Moxibustion, Dongguk University Bundang Oriental Medicine Hospital, 268 Buljeong-ro, Bundang-gu, Seongnam 13601, Korea
Tel: +82-31-710-3751, Fax: +82-31-710-3780, E-mail: hanijjung@naver.com
This research was supported by a grant of the Korea Health Technology R&D Project through the Korea Health Industry Development Institute (KHIDI), funded by the Ministry of Health & Welfare, Republic of Korea (grant number HI19C0142, HF22C0071).
Received October 31, 2023; Revised November 26, 2023; Accepted November 28, 2023.
This is an open access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License (http://creativecommons.org/licenses/by-nc/4.0) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.
Abstract
Objectives : The purpose of this study is to understand the temperature characteristics depending on the thickness and material of the needle used with the Electronic Warm Acupuncture Device (EWAD).
Methods : We controlled experimental environment and measured temperature changes of a silicon phantom in which K-type thermocouples were inserted at depths of 2, 7 mm. EWAD perfomed with acupuncture needles of various thicknesses (0.25×60 mm, 0.40×60 mm, and 0.50×60 mm) and materials (Gold 0.40×50 mm). We set non-needle (only heated with EWAD skin heater) group as a control group.
Results : The maximum temperature and temperature changes of 0.40 mm, 0.50 mm needle group were significantly higher than the non-needle group. The highest temperature range in all needle groups was 0.50 mm needle group (41.44±0.31℃). However, the 0.25 mm needle group was not significantly different from the non-needle group. Maximum temperature of gold needle group was significantly higher than stainless steel needle group. Temperature changes of gold needle group were higher than stainless steel group at the depth of 7 mm.
Conclusions : It was found that needle thickness and material of acupuncture had an effect on the temperature of the EWAD. When performing EWAD treatment, consideration of thickness and material of acupuncture is needed. Future research is needed using phantoms that can reflect actual clinical situations and better mimic the human body.
Keywords: warm needle, electronic warm acupuncture device, temperature distribution, acupuncture
서 론

온침(溫鍼)요법은 호침을 자입한 후, 침미(鍼尾)에 쑥을 붙이고 태워 온열 자극을 가하는 치료방법이다. 온침은 열력(熱力)으로 경맥을 온통(溫通)하고 기혈을 선행시켜서 경락이 한체(寒滯)되고 기혈이 비조(痺阻)한 일련의 질병을 치료한다1). 온침은 침 자극과 뜸의 온열 자극을 함께 줄 수 있어서 효과적이라고 알려져 있다. 특히 적외선 조사기나 찜질팩과 같은 피부의 온도를 높이는 온열 자극에 비해 온침은 호침을 통해 온열 자극이 전해지기 때문에 더 깊은 층의 조직까지 온열 자극을 전달할 수 있다2).

온침치료의 임상적 호전의 예로는 골관절염, 류마티스 관절염, 요추 추간판 탈출증, 경추성 두통과 같은 통증질환에 활용한다는 연구가 있으며3-6), 뇌졸중 이후 일상 생활의 회복, 알츠하이머 환자의 인지기능 및 일상 생활능력 향상시켰다는 치료 효과가 보고된 바 있다7,8).

그러나, 전통적인 온침치료는 애융(艾絨)을 태워서 열자극을 얻는 방법이다. 현대 한의사들은 뜸 연소 시 발생하는 연기와 유해가스로 인해 뜸 시술을 꺼리는 경향이 있으며9), 특히 뜸의 연소로 발생한 연기는 천식 발작 등 호흡기를 자극할 수 있다10). 뜸 시술로 인해 생기는 가장 흔한 부작용은 화상인데11), 화상을 방지하기 위해 시술자가 환자의 곁을 지키며 열을 조절해야 하는 번거로움이 있다12). 침병에 애융을 붙여 열원으로 이용하는 전통적인 온침의 경우에도 위의 뜸과 같이 화상 위험과 연소 가스 발생의 위험성을 공유한다. 특히 침병(鍼柄)에 부착한 애융이 피부 쪽으로 떨어져 환자에게 화상을 입힐 수도 있다.

뜸의 경우 이러한 화상, 연기의 위험성을 피하고자 현재 전기를 열원으로 이용하는 전기식 온구기가 개발되어 활발히 사용되고 있으며 여러 임상연구들이 시행되었다13,14). 온침기의 경우에도 이러한 불편함을 극복하는 대안으로써 개량 애주(艾炷)를 사용한 온침15), 전자기파 자기장을 열원으로 사용하는 온침기기16,17), 전기를 열원으로 사용하는 온침기18) 등의 다양한 열원을 사용하는 온침기가 개발 완료되었다.

기존 온침 특히 온침의 온도와 관련한 연구로는 온침에 대한 온도관리 및 안전성에 대한 연구19), 침의 굵기 및 피부-뜸 거리에 따른 열 자극에 대한 연구20), 점화 부위별 온도 측정 연구21), 애주의 무게에 따른 열 변화 연구22), 침의 재질별 열전도 특성 비교23) 금침과 일반 호침의 열전도율 비교한 연구24), 화침과 온침의 비교연구25)가 있었으나 해당 연구들은 열원을 전통적인 뜸을 이용하여 측정했기 때문에 전기식 온침기와 발열 정도, 열역학 특징 등이 다를 수 있다.

이에 본 연구에서는 외부 환경을 통제한 후 실리콘 팬텀을 이용하여 전기식 온침기의 깊이별 온도 변화를 파악하고자 한다. 또한 침의 굵기, 소재가 미치는 영향을 분석하고자 한다.

재료 및 방법

1. 재료

1) 온도 측정용 팬텀: Polydimethylsiloxane (PDMS)로 구성된 실리콘 팬텀(Sylgard 184, Dow Corning, USA)을 사용하여 전기식 온침기의 온도를 측정하였다(Fig. 1).

Fig. 1. Experimental setup. (A) Acupuncture needle. (B) Electronic warm acupuncture device. (C) Silicon phantom (thermocouple junction located at (a) 2 mm deep, (b) 7 mm deep). (D) Warm water (38∼42℃: the lower part of preheated silicon phantom was sunk).

실리콘 팬텀을 제작하기 위해 상온(25∼26℃)에서 베이스와 경화제를 10:1 무게 비율로 혼합하여 폴리카보네이트 재질의 틀에 부어 경화시켰다. 폴리카보네이트 틀은 내부크기 가로 5 cm, 세로 5 cm, 높이 6.3 cm로 본체, 뚜껑, 바닥판으로 구성되어 있으며, 본체, 뚜껑, 바닥판 3개를 조립, 나사로 고정시켜 사용하였다.

팬텀은 가로 5 cm, 세로 5 cm, 높이 5 cm 정육면체 형태로 팬텀이 굳은 후 thermocouple 삽입을 위한 공간을 만들기 위해 표면으로부터 2, 7 mm 깊이에 수평으로 바늘을 삽입하였으며, 온침 삽입을 위한 바늘은 팬텀의 중심부에서 수직으로 1 cm 깊이로 위치하여, thermocouple이 위치한 공간과 수직으로 만나도록 하였다. 진공펌프(MVP-12, Wooseong Automa Co., Korea)를 이용하여 용액 내 기포를 제거하였으며, 강제대류오븐(OF-02GW, Jeotech Co., Korea) 100℃에서 45분간 두어 경화시켰다. 모든 측정은 온도 측정용 팬텀이 완전히 경화된 후 시행하였다.

2) 전기식 온침기: 전기식 온침기(Dong Jae Medical Co., Korea)를 사용하여 측정하였다(Fig. 2). 사용한 기계는 2차 전지 배터리와 일반전원을 선택적 또는 동시에 사용 가능하며, 경혈에 대해 국소자극이 가능하여 침 치료와 동시에 침체를 가열하는 기능을 구현한 온침 시술용 전기식 온침기이다. 전기식 온침기의 가열부는 두 경로로서, 삽입되는 침체에 접촉하여 열을 전달하는 침체 가열부와 사용자의 피부에 접촉하여 열을 전달하는 피부 가열부로 구성된다. 침체 가열부는 50℃±3℃, 피부 가열부는 43℃±2℃까지 올라가도록 설계되었다. 가열 방법은 배터리로부터 전원을 공급받아 발열체에서 열을 발생시키고, 금속판을 통해 침체 및 피부로 열을 전달하며, 금속판의 온도를 측정하는 온도 센서를 통해 온도를 조절한다.

Fig. 2. Electronic warm acupuncture device. 1: acupuncture needle, 110: control unit housing, 120: battery housing, 130: skin heater, 140: acupuncture needle heater (12 mm from base).

3) 호침: 일회용 스테인리스 스틸 침(Haeng Lim Seo Won Medical Co., Korea) (stainless steel acupuncture: 이하 SSA)과 금침(gold acupuncture: 이하 GA)을 사용하였다. SSA는 3가지 굵기(0.25×60 mm, 0.40×60 mm, 0.50×60 mm)별로 측정하였다. 소재가 미치는 영향을 분석하고자 GA는 0.40×50 mm (Haeng Lim Seo Won Medical Co., Korea)를 활용하여 측정하였다.

2. 방법

1) 실험환경: 외부 환경의 영향을 최소화하기 위하여 아크릴 벤치(60 cm×34 cm×35 cm) 안에서 실험을 진행하였다. 팬텀의 온도를 피부와 유사하게 유지하기 위하여 핫플레이트 및 물이 담긴 트레이로 구성된 실험장치를 사용하였다. 실험 시작 전 팬텀을 오븐에서 30분간 가열하여 팬텀의 표면 온도를 30∼31℃로 유지하도록 세팅하였으며 핫플레이트 위에 38∼42℃로 유지되는 물이 담긴 트레이를 놓고 팬텀을 물 안에 바닥이 닿게 담가 두었다. 또한 내부 공기 온도를 27∼29℃로 유지하기 위해 열판과 트레이 전체를 아크릴 상자로 막고 상자 내부에는 필요시 히팅 팬을 사용하였다.

2) 전기식 온침기 작동: 미리 침을 팬텀의 중심에 10 mm 자입하였으며 전기식 온침기를 부착하였다. 팬텀 표면 온도가 30∼31℃에서 20초간 유지되는 것을 확인한 후 전기식 온침기의 상단 버튼을 눌러 작동시켰다. 900초 동안 2 mm, 7 mm의 온도 변화를 굵기별 소재별로 측정하였다. 이 과정을 각 10회 반복하였다. 또한 침의 열 전달 영향을 확인하고자 침을 삽입하지 않은 상태에서 전기식 온침기의 피부 접촉면만 가열되는 대조군을 설정하여 동일한 방법으로 온도를 측정하였다.

3) 온도 측정 및 분석: 온도 변화를 측정하기 위하여 K형 열전대 (Ø 0.5 mm, Shinsegi Sensor, Korea)를 사용하였다. 측정 환경의 유지를 위해 아크릴 상자 안의 공기 온도와 트레이 안의 물의 온도를 지속적으로 모니터링하였다.

열전대로부터의 아날로그 신호는 NI cDAQ-9174 CompactDAQ chassis (National Instruments, USA)에 삽입된 NI 9211 module (National Instruments, USA)로 구성된 데이터 수집 장치로 전송되었다. 전송된 전기 신호는 디지털 신호로 변환되어 그래프 및 숫자 데이터로 저장되었으며 이는 LabVIEW (National Instruments, USA)를 이용하였다. 시간에 따른 온도 변화는 1초 간격으로 측정하였으며 측정된 온도 데이터는 Excel (Microsoft, USA)로 처리하였다.

3. 통계

모든 데이터는 평균±표준 편차로 표시하였으며, 통계 분석은 STATA version 15.0 (STATA Corp, LP. CollegeStation, USA) 그래프는 GraphPad Prism 10 (GraphPad Software Inc., USA)을 사용하여 수행하였다. 시간별 온도 변화 그래프는 10회 측정 중 최고온도가 중앙값을 이루는 측정값을 대표로하여 Excel (Microsoft, USA)을 사용하여 작성하였다.

각 굵기별, 소재별 최고온도 및 온도 변화량을 비교하는데 온도 변화량은 최대 온도−기저 온도(maximum temperature−baseline temperature)로 정의하였다. 호침의 굵기에 따른 최고온도 및 온도 변화량의 통계적 비교는 정규성 검정 후 정규분포를 따르는 경우 one-way ANOVA를, 따르지 않는 경우 Kruskal-Wallis test를 시행하였으며 통계적으로 유의한 경우 사후검정으로 Bonferroni test를 수행하였다. 호침의 소재에 따른 최고온도 및 온도 변화값의 통계적 비교는 정규성 검정 후 정규분포를 따르는 경우 student t-test를, 따르지 않는 경우 Mann-Whitney U test를 수행하였다.

비교에서 p<0.05인 것을 통계적으로 유의미한 것으로 간주하였다.

결 과

1. 온도 패턴 분석

시간에 따른 전기식 온침기의 온도 변화 패턴을 2 mm, 7 mm에서 대조군, 0.25 mm, 0.4 mm, 0.5 mm 굵기별로 측정한 결과는 아래와 같다(Fig. 3A, B).

Fig. 3. The patterns of thermal change for electronic warm acupuncture device. (A) Temperature change according to needle thickness at 2 mm depth. ​(B) Temperature change according to needle thickness at 7 mm depth. (C) Temperature change depending on needle material at 2 mm and 7 mm depth. Measurements were made once per second for 900 seconds. The case where the highest temperature was the median value among 10 measurements was graphed as a representative example. GA : gold acupuncture needle, SSA : stainless steel acupuncture needle.

시간에 따른 전기식 온침기의 온도 변화 패턴을 2 mm, 7 mm에서 0.40 mm 굵기의 SSA, GA 소재별로 측정한 결과는 아래와 같다(Fig. 3C).

2. 호침의 굵기에 따른 비교

2 mm 깊이에서의 최고 온도는 대조군에서 40.05±0.45℃, 0.25 mm에서 40.06±0.12℃, 0.40 mm에서 41.04±0.30℃, 0.50 mm에서 41.44±0.31℃, 7 mm 깊이에서는 대조군에서 36.63±0.48℃, 0.25 mm에서 36.76±0.12℃, 0.40 mm에서 37.60±0.26℃, 0.50 mm에서 37.62±0.42℃로 관찰되었으며 침의 굵기가 굵어질수록 최고 온도 또한 증가하는 경향을 나타내었다(Fig. 4).

Fig. 4. Comparison of the mean maximum temperature by needle thickness for electronic warm acupuncture device. The maximum temperature of 0.40 mm and 0.50 mm thickness was significantly higher than the control group in both depth. However, the 0.25 mm was not significantly different from the control group. 0.40 mm and 0.50 mm was significantly higher than 0.25 mm in both depth. *Indicates a significant difference (p<0.01) between the two thickness.

2 mm 깊이에서 0.40 mm와 0.50 mm 굵기의 호침은 대조군에 비해 최고온도가 통계적으로 유의하게 높게 나타났다. 하지만 0.25 mm 굵기의 호침은 대조군에 비해 최고온도가 통계적으로 유의한 차이를 나타내지 않았다. 0.40 mm, 0.50 mm 굵기의 호침은 0.25 mm 굵기의 호침에 비해 최고온도가 통계적으로 유의하게 높게 나타냈다(Fig. 4).

7 mm 깊이에서, 0.40 mm와 0.50 mm 굵기의 호침은 대조군에 비해 최고온도가 통계적으로 유의하게 높게 나타났다. 하지만 0.25 mm 굵기의 호침은 대조군에 비해 최고온도가 통계적으로 유의한 차이를 나타내지 않았다. 0.40 mm, 0.50 mm 굵기의 호침은 0.25 mm 굵기의 호침에 비해 최고온도가 통계적으로 유의하게 높게 나타냈다(Fig. 4).

2 mm 깊이에서의 온도 변화량은 대조군에서 8.60±0.56℃, 0.25 mm에서 8.67±0.38℃, 0.40 mm에서 9.84±0.31℃, 0.50 mm에서 9.97±0.49℃로 나타났고, 심부에서는 대조군에서 4.22±0.63℃, 0.25 mm에서 4.27±0.26℃, 0.40 mm에서 5.05±0.32℃, 0.50 mm에서 4.97±0.36℃로 나타났다. 최고온도와 마찬가지로 온도 변화량 또한 침의 굵기가 굵어질수록 증가하는 경향을 나타내었다(Fig. 5).

Fig. 5. Comparison of the mean change of temperature by needle thickness for electronic warm acupuncture device. Change of temperature of 0.40 mm and 0.50 mm thickness was significantly higher than the control group in both depth. However, the 0.25 mm was not significantly different from the control group. 0.40 mm and 0.50 mm was significantly higher than 0.25 mm in both depth. *Indicates a significant difference (p<0.01) between the two thickness.

2 mm 깊이에서 0.40 mm와 0.50 mm 굵기의 호침은 대조군에 비해 온도 변화량이 통계적으로 유의하게 크게 나타났다. 하지만 0.25 mm 굵기의 호침은 대조군에 비해 온도 변화량이 통계적으로 유의한 차이를 나타내지 않았다. 0.40 mm, 0.50 mm 굵기의 호침은 0.25 mm 굵기의 호침에 비해 온도 변화량이 통계적으로 유의하게 크게 나타냈다(Fig. 5).

7 mm 깊이에서 0.40 mm와 0.50 mm 굵기의 호침은 대조군에 비해 온도 변화량이 통계적으로 유의하게 크게 나타났다. 하지만 0.25 mm 굵기의 호침은 온도 변화량이 대조군에 비해 통계적으로 유의한 차이를 나타내지 않았다. 0.40 mm, 0.50 mm 굵기의 호침은 0.25 mm 굵기의 호침에 비해 온도 변화량이 통계적으로 유의하게 크게 나타냈다(Fig. 5).

3. 호침의 소재에 따른 비교

2 mm 깊이에서 최고온도는 SSA에서 41.04±0.30℃, GA에서 41.33±0.15℃로 측정되었고 7 mm 깊이에서 최고온도는 SSA에서 37.60±0.26℃, GA에서 38.00±0.26℃로 측정되었다(Fig. 6).

Fig. 6. Comparison of the mean maximum temperature by material for electronic warm acupuncture device. GA showed a statistically significantly higher maximum temperature than SSA in both the 2 mm and 7 mm depth. *Indicates a significant difference (p<0.01) between the two materials. GA : gold acupuncture needle, SSA : stainless steel acupuncture needle.

2 mm 깊이에서 온도 변화량은 SSA에서 9.83±0.31℃, GA에서 9.83±0.29℃로, 7 mm 깊이에서 온도 변화량은 SSA에서 5.05±0.32℃, GA에서 5.63±0.14℃로 나타났다(Fig. 7).

Fig. 7. Comparison of the mean thermal change by material for electronic warm acupuncture device. GA was not significantly different from SSA at 2 mm depth, but GA showed a significantly higher temperature change than SSA in 7 mm depth. *Indicates a significant difference (p<0.01) between the two thickness. GA : gold acupuncture needle, SSA : stainless steel acupuncture needle.

소재에 따른 비교에서 2, 7 mm에서 모두 GA가 SSA에 비해 최고온도가 통계적으로 유의하게 높게 나타났다(Fig. 6). 하지만 온도 변화량의 경우 GA가 SSA에 비해 2 mm에서는 유의한 차이를 보이지 않았고, 7 mm에서는 GA가 SSA에 비해 통계적으로 유의하게 높은 온도 변화량를 나타내었다(Fig. 7).

고 찰

온침은 침자(鍼刺)를 기초로 하여 열을 이용해 경혈을 자극하는 방법이다. 호침(毫鍼)을 자입하고 진침(進鍼)하여 일정한 깊이에 이르러 감응이 있으면 각종 보사(補瀉)를 시행한 후 유침(留鍼)한다. 그 후 침미(鍼尾)에 대추씨 크기 혹은 작은 대추만 한 크기의 쑥을 붙이고 불을 붙인다. 또는 애권(艾卷)을 약 2 cm로 잘라 침미에 삽입하여 불을 붙인다1). 과거에는 온침 시술 시 열전도율이 높은 은침(銀鍼)이나 금침(金鍼)을 사용했는데, 일반 스테인리스 스틸 재질의 호침에 비해 침미에 붙이는 쑥을 더 작게 사용한다1).

온침은 각종 풍습(風濕)으로 인한 관절 질환, 한성(寒性) 질병을 치료한다. 예를 들어 관절의 산통(酸痛), 사지(四肢)의 냉감, 마비 등에 적용한다1). 온침은 일반적인 호침치료에 비해 통증 및 기능개선에 더 효과적으로 알려져있다26,27). 온침은 시술부위의 혈액 순환을 촉진하고 국소 내부 환경을 개선하며 근육을 이완하고 염증 반응을 완화하여 통증을 줄이거나 제거한다28). 또한 요추 추간판 탈출증 환자에게 온침시술을 했을 때 증상완화와 더불어 혈장 β-엔돌핀 수치를 높였다29).

온침의 열특성에 대한 선행 연구들에서 체표면이나 체표면 위쪽의 침 온도 변화에만 주로 초점을 두고 있거나 열특성에 영향을 미칠 수 있는 기류 등의 환경 요인들의 통제가 종종 이루어지지 못하였다. 또한 전기식 온침기는 전통적 방식과 가열방식에 큰 차이점을 갖기 때문에 열특성에 대해 알아볼 필요가 있다.

이에 본 연구에서는 측정 환경의 통제하 기존 연구의 문제점을 보완하여 외부 환경을 통제한 후 실리콘 팬텀을 이용하여 전기식 온침기를 사용한 온침의 깊이별 온도 변화를 비교하고자 하였으며, 또한 침 굵기, 소재가 열 전달에 미치는 영향을 함께 분석하고자 하였다.

온침의 침 굵기 및 피부-뜸 거리를 중심으로 열 변화 특성에 대한 연구에서 침 굵기보다 피부로부터 뜸의 거리가 가까운 것이 열 자극량을 늘리는 데에 도움이 된다고 보았다20). 주로 사용되고 있는 스테인리스 스틸 침은 열전도율이 낮아 대류나 복사열로 인한 열전달이 더 크다는 결론에 도달하였다16,24).

그러나 전기식 온침기는 전통적 방식의 온침과 달리 애주를 쓰지 않아 침체 가열부와 피부의 거리가 12 mm로 더 가깝다. 대류나 복사열로 인한 열전달은 피부 가열부로 구현되었고, 침체를 통해 전달되는 열은 침체가열부를 통해 가열된다. 침 굵기 변화에 따라 온침의 최고 온도와 온도 변화량에서 0.5 mm는 0.4 mm에 비해 큰 변화량을 보였으며, 차이는 2 mm에서 더 컸다(Fig. 4, 5). 또한 0.4 mm와 0.5 mm는 대조군에 비해 유의미한 차이를 보인 반면, 0.25 mm는 그러지 못했다. 즉, 피부 가열부를 통한 열전달만 되었을 뿐 침체를 통한 열전달은 유의미하지 못했다.

열전도는 물체의 내부에너지가 물체 내에서 또는 접촉해 있는 다른 물체로 이동하는 것을 말한다.

Q=kA(T1-T2)Lt

식 1은 푸리에의 열전도법칙(The fouriere law of heat conduction)으로써 Q는 전달되는 열의 양, (T1−T2)는 두 물체의 온도차이, A는 전달하는 물체의 단면적, t는 전달하는 시간, L은 길이를 각각 나타낸다. 식 1에 따르면 전달되는 열의 양은 열 전달체의 단면적이 넓을수록, 열전도도가 높을수록, 길이가 짧을수록, 그리고 두 물체의 온도차가 클수록 증가한다. 열원인 뜸에서 멀어질수록 Q는 점점 감소하기 때문에 침체 부위별로 다른 온도를 갖는다.

따라서 직경이 0.25 mm인 침과 0.40 mm인 침의 단면적을 비교했을 때 0.40 mm 침은 0.25 mm인 침의 2.56배로써, 같은 깊이 (L)까지 같은 양의 열(Q)을 전달하려면 온도차이(T1−T2)나 시간 (t)을 2.56배 늘려야 한다. 그러나 생체 조직의 열 전도도는 SSA의 약 0.02배로 낮기 때문에 침체가열부로부터 침첨까지 열이 빠르게 전도된 후 생체 조직으로 열전도는 비교적 천천히 이루어진다. 열 전달량의 역치값을 넘어야 침체를 통한 열 전달이 이루어질 것으로 보인다.

온침의 소재에 따른 열 특성을 측정한 선행 연구에서 현재 임상에서 가장 많이 사용되는 스테인리스 스틸은 금, 은에 비해 열전도율이 유의하게 낮았으며, 은, 금, 동, 텅스텐, 스테인리스 스틸 순서로 높은 열 전도율을 보였다. 금침과 스테인리스 스틸 침의 열전달 속도를 비교했을 때 금침이 1.3∼2.6 mm/sec의 열전달 속도를 보였고, 스테인리스 스틸 침은 0.3 mm/sec의 속도를 보였다. 따라서 스테인리스 스틸 침에 비해 금침이 약 4.3∼8.6배 높은 열전달 속도를 갖는다23).

또한 온침을 시술할 때 스테인리스 스틸 침과 금침의 깊이별 온도 변화를 비교한 연구에서 금침이 스테인리스 스틸 침에 비해 최고 온도가 높고, 유효 자극시간이 더 길고, 유효 자극시간 내 평균온도가 더 높은 것으로 나타났다24). 이러한 점을 바탕으로 본 연구에서 전기식 온침기로 가열했을 때 조직 내 온도 변화를 측정함으로써 전통적 방식의 온침에서의 스테인리스 스틸 침과 금침의 열 특성에 대해 확인하고자 하였다. 실제로 최고온도 및 온도 변화량을 소재별로 비교했을 때 금침이 스테인리스 스틸 침에 비해 통계적으로 유의한 차이를 나타내었다(Fig. 3C, 6, 7). 이는 금침이 스테인리스 스틸 침에 비해 약 17배 높은 열전도도를 갖고있어 같은 굵기, 길이에서 더 높은 열 전달이 이루어지기 때문이다.

온침은 뜸에 비해 피부로부터 거리가 있는 침미에 열원이 존재하기 때문에 화상의 위험이 비교적 적으나, 연소 중인 애융의 중심 온도는 600∼700℃에 달하며 종종 피부로 떨어져 화상을 입기도 한다. 따라서 안전한 온침 시술을 위해서는 피부로부터 최소 25 mm의 거리를 두고 뜸을 연소한다. 그러나 온침에 대한 온도관리 및 안전성에 관한 연구에서 적외선 카메라를 통해 열 변화를 측정하였을 때, 침체의 유효 가열범위는 20 mm로 제한되었다. 따라서 온열 자극이 호침을 통해 체내로 전달되지 못하며 온침이 비효율적인 열 자극이라고 결론내렸다19). Ahn 등22)의 연구에서도 애주가 무거울수록 온도 상승폭이 커지나, 애주가 체표면과 가까워야하며, 스테인리스 스틸 침은 열전도도가 낮아 침체를 통한 열 전도를 이루어내기 어려웠다는 연구 결과를 발표하여 열전도를 높일 수 있는 방법에 관한 연구가 필요하다고 보았다. 반면, 전기식 온침기는 피부에 부착하여 피부와 가까운 침체 가열부를 통해 가열함으로써, 바람이나 온도와 같은 외부 환경의 영향을 적게 받으며, 전통적 방식에 비해 가까운 거리에 열원이 존재하므로 열전도에 유리하고 화상의 위험이 적어 안전한 시술이 가능하다.

온침을 통해 피부로 전달된 열은 피부의 온도수용기를 통해 신경섬유를 활성화시킨다30). 온열 자극은 신진대사를 활성화시키고 혈관 확장을 통해 말초 혈류를 증가시켜서 프로스타글란딘(prostaglandin), 브라디키닌(bradykinin), 히스타민(histamine) 등과 같은 염증성 대사산물을 제거하고, 말초신경의 흥분성을 감소시킨다7).

온감각성 섬유(warm fiber)인 C fiber의 Heat sensitive receptor는 피부 20∼600 μm 깊이의 표피와 진피에 위치한다31). Warm fiber은 30℃ 이상에서 활성화되고32), 40∼43℃에서 최대로 방출되며, 50℃에서 최소 활성도를 보인다33). 43∼47℃를 넘는 경우, nociceptor Aδ fiber를 통해 열통증으로 인식된다34). 47∼50℃의 열 자극에서는 화상 또는 수포를 유발할 수 있고 통증이 생기며 조직의 괴사, 응고 및 단백질 변성이 일어날 수 있다35).

따라서 인체 조직에 열 자극을 통해 높은 치료효과를 내려면 C fiber가 최대로 활성화되면서도 화상의 위험성이 적은 40∼43℃의 온도가 필요하다. 본 연구에서 실리콘 팬텀에 전기식 온침기로 가열한 온침 시술 시 측정된 최고 온도는 41.44℃±0.31℃로써 43℃보다 낮게 측정되었다(Fig. 4, 6). 또한 0.4 mm와 0.5 mm의 스테인리스 스틸 침과 0.4 mm 금침은 전기식 온침기를 통해 가열했을 때 표면부의 온도곡선에서 40℃ 이상에 도달했는데, 전기식 온침기로 가열하는 시간은 적어도 400 sec 이상으로 설정해야 충분한 치료 효과를 얻을 수 있을 것으로 판단된다. 반면 대조군과 0.25 mm 스테인리스 스틸 군은 최고 온도일 때 치료 온도의 창에 도달하지 못했다. 따라서 전기식 온침기는 굵기에 따라 치료 효과에 있어 차이가 있을 것으로 보인다.

본 연구에서는 실리콘 팬텀을 이용하여 온도를 측정하였다. 깊이에 따라 온도가 높아지는 인체의 온도값을 비슷하게 따르도록 디자인하고 깊이별로 온도 변화를 측정하였다. 인체는 표피, 진피, 피하조직, 근육 등으로 구성되어 있으며 혈관을 통해 자체적으로 열을 순환시키는 온도 조절 패턴을 지니고 있다. 당연히 실리콘과 인체 조직은 비열과 열용량이 다르기에 인체의 온도 변화와 같게 해석할 수는 없는 것이 본 연구의 한계이다. 하지만 본 연구진은 아크릴과 핫플레이트 등을 이용해서 최대한 인체를 모사하고자 노력하였다. 향후 인체와 최대한 유사한 구조와 비열, 열용량을 가지는 대체체를 이용한 추가적인 연구 또는 인체의 구조별 온도 특성을 반영한 온도 변화 시뮬레이션 프로그램 등을 이용한 연구가 필요하다. 또한 본 연구는 외부의 기류와 같은 체표면 온도 변화에 영향을 미칠 수 있는 외부 환경적 요인들을 통제하면서 전기식 온침기를 사용했을 때의 생체조직 모델에서 얻은 온도 변화를 관찰하고자 하였다. 하지만 측정상 초기에 약 30∼100초간 온도가 하강한 경우가 자주 발생였는데 팬텀이나 주변 온도에 대한 완벽한 통제가 이루어지지 못했거나 기기가 작동하여 온도 변화가 이루어지기 전까지 접촉면으로 열의 손실이 이루어지는 등의 이유가 있을 것으로 생각된다. 따라서 연구 결과를 해석할 때 이러한 부분을 고려할 필요가 있으며 향후 좀 더 엄밀한 실험과정과 밀폐된 항온실에서의 측정 등을 고려해 봐야 할 것이다. 또한 진료실에서 발생할 수 있는 여러 외부 환경적 요소들이나 전기식 온침기의 기계적 오류에 따른 요소가 온도 변화에 미치는 영향은 고려하지 않았다는 한계를 가진다. 또한 본 연구에서는 2, 7 mm의 깊이만 측정했는데, 더 다양한 깊이로 온도를 측정하여 깊이별 체내 열 전달 양상에 대해 연구할 필요가 있을 것이다. 추가적으로 소재별 열전달의 비교에서 금침의 규격을 스테인리스 스틸 침과 같은 길이인 60 mm로 맞추지 못했다. 이는 현재 시중에 구매할 수 있는 가장 유사한 길이가 50 mm였기 때문이다. 따라서 연구의 해석 시 규격의 통일을 완벽하게 이루지 못했다는 부분을 고려할 필요가 있다.

이와 같은 실험 결과를 종합해보면, 전기식 온침기를 사용한 온침 임상시술 시 호침의 굵기별로 적용되는 열전달의 정도가 달라질 수 있다. 따라서 실제 임상시술 시 호침의 굵기를 선택함에 있어 주의를 기울여야 한다. 또한 스테인리스 스틸은 낮은 열전도도를 갖기 때문에 온침을 위한 새로운 일회용 호침 소재 개발을 위한 연구가 필요하다.

Acknowledgement

None.

Funding

This research was supported by a grant of the Korea Health Technology R&D Project through the Korea Health Industry Development Institute (KHIDI), funded by the Ministry of Health & Welfare, Republic of Korea (grant number HI19C0142, HF22C0071).

Data availability

The authors can provide upon reasonable request.

Conflicts of interest

저자들은 아무런 이해 상충이 없음을 밝힌다.

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March 2024, 41 (1)
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