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Ⅰ. 탐구 동기 및 실험 개요
예로부터 사상의학에서는 피부의 특별한 반응점, 즉 경혈을 자극하여 효험을 보아왔다. 그리고 자극이 경락을 통하여 음양의 기운이 순환케 하고 그리고 그것이 신체의 생리병사에 큰 영향을 미친다고 말한다. 그러나 현대의학이 발전하는 가운데 아직도 사상의학의 실체는 과학적으로 규명되지 않는 신비의 영역으로 남아있다. 경혈과 경락의 과학적 객관화는 이러한 의미에서 유의미한 일이고 또한 꾸준히 연구되고 있다.
이번 물리탐구에서 `바`조는 물리학을 탐구하는 학생으로서 바로 경혈과 경락의 `전기적` 성질 및 특성을 통해 이러한 의미 있는 연구작업에 동참할 수 있는 주제를 접할 수 있었다.
이미 생체내의 장기-조직의 세포는 세포막의 분극작용에 의하여 전하의 형태로 일종의 생체전기에너지가 존재하는 것은 잘 알려져 있다.
그리고 경락(경맥)의 전기적 특성에서 더 나아가 `생체에너지`와 `생화학적 요소`에서 보이는 주기성과의 관계를 탐구하려고 한다. 이러한 신체의 주기성은 바로 사상의학과 현대물리의 관계를 고찰하는 데 중요한 고리인 것 같다.
그래서 이번 탐구를 경혈과 경혈사이의 전기적 특성과 Circadian Rhythm을 통해 이번 탐구를 진행하였다.
Ⅱ.실험목표
생체의 Circadian Rhythms의 객관적인 변인(전자기장의 영향, 빛의 영향)들을 중심으로 상대적으로 피부전도도가 낮다고 알려진 혈, 즉 `영도` 와 `소해` 두 혈사이의 생체전류를 일주기로 측정한다. 그리고 측정된 생체전류의 특성을 분석하며 경맥 전류의 측정조건을 표준화, 객관화한다.
Ⅲ.탐구 과정
① 경혈과 경맥의 개념에 대한 이해와 토의 진행
② 경맥전류에 대한 의구심과 그로 인한 객관적인 실험설계의 어려움
③ 준비된 실험기자재로 준비실험- 외부 변화에 따라 민감하게 변하는 실험 값을 확인.
④ 기본적인 변인통제 후 1차 실험 진행- 실험실 사정상 일주기의 데이터를 얻지 못함. 뚜렷한 Circadian Rhythms을 측정하는 데 실패
…(생략)
⑤ 탐구 및 실험 진행이 진전이 없어 두 가지로 탐구방향을 분리. 진행 중
1) 측정피부조직의 전기적 특성을 물리적인 전기회로로 구성하려고 시도.
2) 다른 생체내의 Circadian Rhythms의 특성 조사, 분석
⑥ 일주기 측정 전에 사전 실험
-경혈과 경혈사이의 전기전도도와 다른 피부사이의 값을 서로 비교 분석
⑦ 실험 설계
-사전 데이터를 바탕으로 실험방법 및 실험설계
⑧ 실험1-경맥전류의 Circadian Rhythms 시행
⑨ 실험2,3 시행하지 못함
⑩ Data 분석 처리, 조원간 토의
⑪ 최종 보고서 제출
피부조직별 전기적 특성을 연구, 조사한다. 그래서 물리적 전기회로를 통한 추정치와 경맥전류에 대한 실험 측정치를 비교 분석한다. 그리고 이를 토대로 경혈과 경맥의 전기적 특성을 전기회로로 도식화 하려고 한다.
Ⅳ.배경이론
생체 Circadian Rhythm에 생화학적 변화가 큰 영향을 줌. 특히 `멜라토닌`이라는 호르몬의 생체시계 역할에 관심을 가지게 됨. 멜라토닌의 일주기 변화와 생체전기에너지와의 관계를 조사하려고 하였으나 시간적, 실험적 제약이 크다.
그래서 생체 Circadian Rhythm의 변인(에를 들어 빛, 전자기파, 플라시보 등등) 중에 객관적으로 인정된 변인을 본 실험에 적용하기 위해서 변인에 대해서 자세히 조사, 분석
1. 경혈과 경락의 전기적 특성
경락의 실질은 인체 내에 있는 전기적인 전도로 라는 견해를 표명하고 있는데 조직기관에서 발생하는 전류는 그 강도와 분량 등의 특성에 의하여 특수한 전기통로를 연해서 주행하여 전신에 두루 분포되는 것으로 보았다. 경혈, 경락은 생리적, 화학적으로 이온화하기 쉬운 부위이며 경혈에서 방류된 전류를 가장 잘 받아들이고 경락을 따라 잘 흐른다. 즉, 경혈이 축전지이고 경락은 이것을 연결하는 전도로이다.
경락은 조직 세포간의 특수한 연계로서 모종의 파나 전자의 전달 계통이라고 보며 일 종의 진동하는 성질로 된 network system이라고 말하고 있다. 따라서, 경락은 인체 내의 생물적 전기축 현상이며, 전기의 통로이고, 일종의 독특한 전자와 전자의 묶음다발이며, 특정 경로를 따라서 순행하는 전자파라고 할 수 있다. 또한, 경혈은 체내외로 통하는 전기의 문호이며, 통전량이 가장 많은 부위이고, 피부상의 전기 활동은 생체내의 전자기장의 작용과 상호 연관되는 것으로 간주되고 있다.
일반적인 연구결과에 의하면 경혈의 전기현상은 사지의 끝부분이 기전력이 커서 이러한 기전력의 차이에 의해서 전류는 손의 경우에 손가락 끝에서 손목부분으로 흐르는 것으로 알려져 있다.
2. 표면전극
우리가 이번 실험에서 측정하려는 생체 전류는 실험 조건에 많은 영향을 받는다. 특히 측정하는 기구에 의해 그 값의 정확도가 큰 영향을 받는다. 그 중에서도 생체신호를 탐지할 때 중요한 역할을 하는 표면전극에 대하여 조사하여 보았다.
표면전극의 조건으로서는 ① 장시간 안정적으로 접촉을 유지시킬 수 있는 것 ② 전류가 흐르기 쉬울 것 ③ 분극전압이 적을 것 ④ 잡음이 발생하지 않을 것 등이다. 표면전극은 접촉저항을 작게하기 위하여 페이스트를 사용하게 된다.페이스트는 NaCl을 함유한 전해질로서 그 위에 전극을 부착하게 된다. 그러나 페이스트를 사용하게 되면 금속과 전해질(페이스트)사이에 분극(polarization)이 생긴다는 것이다. 분극이란 회의 일부에 +,-이온의 축적이 생기는 것으로 금속에서 흘러나온 금속 +이온은 금속표면의 - 이온과 서로 끌어당겨 전기적 2중층을 형성한다. 이것은 바꿔말하면 전자와 같은 것으로 즉, 분극전압이 여기에 발생한다. 이것은 때로 수 10mV를 넘는 알이 있어 생체신호에 비해 큰 오차값이다.
그래서 이 분극전압을 최소화하기 위하여 이번 실험에 사용한 전극은 Beckman식 불분극전극이다. 이것의 원리는 은표면에 염화은을 부착한 것이다. 즉 은전극의 은은 염화은을 매개로 하여 NaCl에 접촉한다. 그러므로 Ag와 AgCl, AgCl과 NaCl 어느 ?계면에서도 공통의 이온이 존재하기 때문에 이온의 축적,즉 분극이 일어나지 않는다.이 전극의 분극전압은 12μV 이하 라고 한다.
3. Circadian Rhythms
이 용어는 ‘하루’를 뜻하는 라틴어(dies) 앞에 ‘약’을 의미하는 단어(circa)가 합성돼 만들어졌다. 즉 ‘약 하루’ 동안 일어나는 규칙적인 생체현상을 가리킨다. 생체시계는 몸의 어느 부위에 존재할까. 학자들이 주목한 곳은 뇌였다. 햇빛은 인간의 동공을 통해서 들어와 눈 뒤쪽의 망막에 존재하는 세포를 자극한다. 이 자극은 신경다발을 타고 뇌에 전달된다. 그렇다면 뇌의 특정 부위에서 햇빛에 대해 반응하고 있지 않을까. 1940년대 한 학자는 생쥐를 대상으로 뇌의 시상하부를 절단하자 생쥐의 수면-각성 주기가 엉망이 된 사실을 발견했다. 그래서 시상하부 주위에 생체시계가 존재한다는 학설이 제기됐다. 최근에는 뇌의 송과선에서 분비되는 멜라토닌이라는 호르몬이 생체시계를 관장하는 주인공이라는 점이 받아들여지고 있다. 송과선은 시상 주변에 존재하는 콩알만한 크기의 뇌조직이다. 햇빛이 어떤 방식으로든 우리 눈을 통과해 들어올 때 멜라토닌의 분비가 중단된다. 반대로 햇빛이 없는 어두운 곳에서 잠을 잘 때 멜라토닌은 분비되기 시작한다. 즉 인간의 수면시간과 멜라토닌이 분비되는 시간은 대체로 일치한다. 따라서 멜라토닌을 낮과 밤을 구별하는 호르몬이라고 할 수 있다. 또 계절에 따라 분비가 달라진다. 빛의 양이 적은 겨울에는 분비가 줄고 여름에는 증가한다.
하지만 멜라토닌 만으로는 일주기리듬을 모두 설명할 수 없다. 인간의 각 조직에서는 하루를 주기로 수많은 변화가 발생하기 때문이다. 예를 들어 잠을 잘 때 혈압이 떨어지고 체온이 식으며 호흡이 길어지는 현상은 누구라도 상식적으로 아는 사항이다. 학자에 따라서는 인체에 존재하는 생리기능의 리듬을 1백개 정도로 추산하기도 한다. 하지만 일주기리듬을 관장하는 곳이 뇌라는 점, 그리고 뇌에서 분비되는 호르몬의 양에 따라 생체 기능이 바뀐다는 점 외에는 정확한 메커니즘이 밝혀지지 않았다.이번 실험에서는 멜라토닌과 호르몬에 대한 분석은 생화학적 지식과 실험을 요구하기 때문에 구체적으로 실시할 수 는 없지만 생체전류의 일주기와 생체내 호르몬의 관계는 앞으로도 탐구할 가치는 있는 것 같다. 왜냐하면 경혈과 경맥의 객관화 작업에서 무엇보다도 생화학적 분석도 필요하기 때문이다.
Ⅴ.실험방법 및 설계
실험1-경맥전류의 Circadian Rhythms
① 편작을 이용해 다른 피부에 비해 전기전도도가 높다고 알려진 혈(영도,소해)를 찾는다.
② `수소음심경`에 위치하는 혈인 소해와 영도에 Beckman식 불분극 전극을 부착한다.
③ 0.5V,-0.5V 전위차를 5.25초마다 번갈아 가면서 8번 걸어주고 전류측정장치로 두 혈 사이에 생체전류를 측정한다.
④ 그리고 그림처럼 소해와 영도에서 안쪽으로 3.5cm 위치에 피부전극을 부착하여 위와 마찬가지로 생체전류를 측정한다.(총4가지경우)
⑤ 측정주기는 2시간 간격으로 측정한다. 24 시간동안 측정한다.
⑥ 그리고 측정 전에 30분 동안 주위환경에 적응하도록 한다.
실험2-빛과 경맥전류의 Circadian Rhythms과의 관계
① 실험환경을 암실로 만들어 피실험자가 빛을 통해 가장 많은 영향을 받는 Circadian Rhythms에 장애가 오게 한다.
② 나머지 과정은 실험 1과 같다.
실험 3-전자기파와 경맥전류의 Circadian Rhythms과의 관계
① 피실험자가 실험 하루전에 전기장판위에서 자게하여 상당한 양의 전자기파를 받게한다.
② 그리고 실험1과 같은 방식으로 측정한다.
Ⅵ. 실험결과 및 분석
① 사전 실험
이 실험은 우리가 먼저 경혈과 경혈사이에 전위차를 걸어주었을 때 측정되는 생체 전류가 다른 피부사이의 생체전류와 어떠한 차이가 있는 지를 확인하기 위한 실험이었다.
왜냐하면 우선 경맥전류라는 것의 실체가 밝혀지지 않은 상황이고 우리가 측정하는 값이 의미있는 값인가를 확인하기 위한 실험이었다.
그런데 실험결과 모든 피실험자들이 위와같은 분포를 보인 것은 아니었지만 경혈과 경혈 사이에서 일반적으로 경혈이 아닌 곳 보다 전류가 크게 측정되었다. 그리고 경혈과 경혈아닌 곳을 연결한 ②,③의 경우도 경혈이 아닌 두곳을 연결한 ④ 보다 큰 전류값을 나타내었다.그래서 사전 시험 결과를 토대로 그 다음 실제로 이 경혈과 경혈사이에 생체전류의 Circadian Rhythm을 측정하는 실험을 진행하였다.
②실험1-경맥전류의 Circadian Rhythms(0.52초마다 위치바꿈)
위의 4종류의 데이터를 살펴보면 첫 번째 데이터를 제외하곤 시간에 따라 규칙적인 모습이 나타나지 않고 있다. 그 이유는 시간이 지남에 따라 전극과 피부사이의 접촉정도가 일정하지 못하였다. 그래서 시간이 지날수록 피부전극이 경혈과 경혈사이의 생체전류를 탐지하는 능력은 점점 떨어지게 된 것 같다. #4 데이터를 보면 처음에는 전류차이가 확실히 나더니 시간이 지남에 따라 결국 보통 피부에 흐르는 전류와 경혈과 경혈 사이의 생체전류가 거의 차이가 나지 않는다.
물론 추가적인 데이터가 없어 정확하게 분석할 수 없지만 #1의 데이터가 가장 정확하게 전류값들이 측정된 것 같다. 무엇보다도 시간에 따라 위치별 측정되는 전류의 양이 다르다는 것을 확인할 수 있다. 경혈과 경혈을 연결하는 부분에서는 점점 늦은밤일수록 생체전류가 높게 측정되는 것을 확인할 수 있었다. 그리고 그 변화도 보통 낮에서의 데이터보다 변화가 큰 것 같가. 그래서 만약 전일주기의 생체전류값을 측정하였다면 밤, 새벽동안 경맥전류의 변화는 다른 곳에 비하여 특징을 보일것이라고 예상된다.
그러나 전 일주기의 데이터를 얻지 못하였기 때문에 더 이상의 분석이나 예측은 힘들 것 같다.
③ 실험2,3 시행하지 못함
Ⅶ.토의 및 고찰
① 이번 실험의 주제는 경맥 전류의 Circadian Rhythm이다. 경맥 사이에 전압을 걸어주고 측정한 전류가 하루를 주기로 특정한 경향성을 가지는지를 알아보는 것이다. 우리 조에서는 어떤 것이 경맥 전류인지 정확히 확인 할 수가 없어서 영도, 소해의 두 경혈 사이의 전류를 경맥 전류라 생각하였다. 예비실험으로 경혈 사이의 전류가 경혈이 아닌 곳보다 작게 측정되었으므로 이 곳에서 측정한 전류의 주기성이 경맥 전류의 주기성과 일치한다고 판단하였기 때문이다. 이번 실험결과로는 Circadian Rhythm을 확인 할 수가 없다. 최소한 이틀의 시간을 가지고 24시간 측정하여 비교하여야 결과를 얻을 수 있는데 그 만큼의 데이터를 얻지 못하였다. 우리 조의 실험결과 내에서만 생각해 본다면 경맥 전류가 시간에 따라 변한다는 것은 알 수가 있다. 대체로 새벽 3시에 경맥 전류가 최고치를 나타내었다. 여기에서 생각이 된 것은 멜라토닌 이다. 우리조에서는 멜라토닌이라는 호르몬의 분비가 Circadian Rhythm에 관계하지 않을까 생각했는데 이 호르몬의 분비가 3-5시에 최고치를 보이기 때문이다. 하지만 데이터가 부정확할 수 도 있으므로 경맥전류의 주기성과 호르몬 분비의 정확한 상관관계를 확인할 수는 없다.
② 이번 실험의 목표 중 하나는 변인통제와 실험의 표준화이다. Circadian Rhythm이므로 시간과 그것과 관계되는 자연적인 변인 외에는 일정하게 통제해 주어야 한다. (또는 자연적인 변인도 일정하게 통제하고 실험 할 수도 있다.) 우리조의 실험에서는 이것이 부족하였다. 원래 밤 시간에 측정할 때는 자고 있는 상태에서 측정하여야 하는데 어쩔 수 없어서 잠을 자지 않고 측정하였다. 또 중간에 음식을 먹어서 이것이 Circadian Rhythm에 영향을 주지 않았을까 생각된다. 접촉저항을 일정하게 유지하는 것도 중요하다. 접촉저항은 전극이 피부에 붙어 있는 정도와 전류를 측정하는 집게와 전극사이의 연결정도에 따라 다르다. data 4를 통해서도 알 수 있듯이 우리조에서는 이 접촉저항을 일정하게 유지하는데 부족하였다.
③우리조에서는 Circadian Rhythm 의 객관적인 변인 중 전기장의 영향과 빛의 영향에 주목하여 이것을 통제하여 실험하려 했었다. 암실을 만들어 실험하는 것과 피실험자가 전기장판 위에서 자게 한 후 실험하는 것이 그것이다. 이 실험은 상당히 의미 있는 것이지만 실험실 환경과 시간의 제한으로 인해 실행할 수 가 없었다.
④ 경맥 전류의 Circadian Rhythm을 완전히 확인 할 수는 없었지만 전류의 변화는 확인할 수 있었고 실험 방법의 설계 중 변인 통제가 중요함을 알 수 있었다.
Ⅷ.참고문헌
`의용공학(Medical engineering)` 이경성 저 (청구문화사,1993)
`생전자학` 안영태 (1976)
과학동아,뉴튼 각종 신문 잡지
`Biophysics: an Introduction` Sybesama.C (Kluwer Academic Publishers, 1989)
`Biological rhythms in clinical and laboratory medicine`
Touitou.Yvan (Springer-Verlag,1994)
`Melatonin: your body`s natural wonder drug` Reiter,Russel.J (1995)
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