周紅生，王歡，董昌盛，楊紅穗，張世功

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超聲模擬中醫(yī)針刺手法量化技術(shù)研究進(jìn)展

周紅生1，王歡1，董昌盛2，楊紅穗1，張世功1

(1. 中國科學(xué)院聲學(xué)研究所東海研究站，上海200032；2. 上海中醫(yī)藥大學(xué)附屬龍華醫(yī)院中醫(yī)腫瘤研究所，上海200032)

傳統(tǒng)針灸腧穴定位、行針手法依賴于醫(yī)生的臨床經(jīng)驗(yàn)，醫(yī)生不同治療手段就不同，所造成的治療效果也不同，具有不可重復(fù)性，限制了中醫(yī)學(xué)學(xué)術(shù)傳承。針刺手法是針刺效應(yīng)系統(tǒng)中的一個(gè)組成要素，針刺手法刺激量與針刺效應(yīng)密切相關(guān)，針刺手法量化對于促進(jìn)針刺技術(shù)進(jìn)步和評(píng)價(jià)針刺治療效果具有重要意義。在對針刺手法量化研究的發(fā)展、超聲在針灸上的應(yīng)用及相控陣超聲技術(shù)在針刺手法量化進(jìn)行綜述的基礎(chǔ)上，對二維相控陣超聲應(yīng)用于針刺手法模擬及量化分析進(jìn)行了探索性研究，認(rèn)為利用二維超聲相控陣通過電子控制實(shí)現(xiàn)聲能在皮下聚焦的深度、角度和強(qiáng)度的任意調(diào)節(jié)，準(zhǔn)確模擬針刺手法，為針刺手法的量化研究、治療手段的重復(fù)再現(xiàn)、治療效果的科學(xué)計(jì)量提供了新的思路。

針刺手法；超聲針灸；量化研究；超聲相控陣

0 引言

針灸是針刺與艾灸的總稱，最早見于戰(zhàn)國時(shí)代《黃帝內(nèi)經(jīng)》一書，是中華民族的偉大智慧結(jié)晶[1]。針灸作為中醫(yī)最具特色的一部分，已大規(guī)模走出國門，美國、澳大利亞、加拿大等發(fā)達(dá)國家陸續(xù)對針灸立法，是中醫(yī)現(xiàn)代化進(jìn)程中的重要組成部分。

傳統(tǒng)針灸遵循中醫(yī)望、聞、問、切互參綜合辨證的“四診合參”之法，腧穴定位、針刺手法多依賴于醫(yī)生的臨床經(jīng)驗(yàn)，醫(yī)者不同，治療手段不同，造成的治療效果就不同，相對而言具有不可重復(fù)性。

針刺手法作為針灸施術(shù)的基礎(chǔ)，是實(shí)現(xiàn)補(bǔ)虛瀉實(shí)、調(diào)整臟腑經(jīng)絡(luò)、氣血陰陽的重要環(huán)節(jié)，與針灸療效的發(fā)揮直接相關(guān)。作為針刺效應(yīng)系統(tǒng)的主要組成要素，針刺手法的刺激量與針刺效應(yīng)密切相關(guān)[2]。如果能夠?qū)︶槾淌址ㄟM(jìn)行量化，就可以指導(dǎo)和促進(jìn)中醫(yī)針灸的臨床應(yīng)用與科學(xué)研究，獲得更好的治療效果，并且使臨床研究更具科學(xué)性和可重復(fù)性。

隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)針灸與聲、光、電、磁等學(xué)科交叉，出現(xiàn)了一些新的針灸方法，給疾病治療帶來了新的手段，也為實(shí)現(xiàn)針灸的規(guī)范化和定量化提供了新的思路[3-5]。

1 針刺手法量化研究的發(fā)展

最早最具代表性的針刺手法的量化研究，是由石學(xué)敏院士提出的“針刺手法量學(xué)理論”[6]，對針刺作用力的方向、大小、施術(shù)時(shí)間、兩次針刺間隔時(shí)間這四大要素進(jìn)行了科學(xué)界定：作用力的方向是決定補(bǔ)和瀉的重要因素之一；捻轉(zhuǎn)補(bǔ)瀉與作用力的大小有直接關(guān)系；施行捻轉(zhuǎn)補(bǔ)瀉手法所持續(xù)時(shí)間的最佳參數(shù)是每個(gè)穴位1~3 min；兩次施術(shù)間隔時(shí)間的最佳參數(shù)為3~6 h，針刺治療后其持續(xù)作用時(shí)間因病而異。

之后，圍繞針刺手法的定量化，諸多醫(yī)家和學(xué)者分別基于傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)與臨床、傳感器檢測技術(shù)、現(xiàn)代醫(yī)學(xué)技術(shù)開展了大量的工作：

(1) 基于傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)與臨床的研究

吳松等[7]結(jié)合自身教學(xué)和臨床經(jīng)驗(yàn)，從刺數(shù)的多少、針具粗細(xì)、針刺深淺、手法輕重、留針時(shí)間等形成針刺治療量的要素入手，總結(jié)了針刺治療量與臨床療效的密切關(guān)系。周國祥等[8]采用不同手法針刺大鼠內(nèi)關(guān)穴，以研究針刺手法對心肌缺血再注損傷和β-內(nèi)啡肽的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在減輕應(yīng)激反應(yīng)方面，捻轉(zhuǎn)角度360°、頻率200 次/min的強(qiáng)針刺刺激量效果優(yōu)于捻轉(zhuǎn)角度180°、頻率60 次/min的弱針刺刺激量。姚鳳禎等[9]對78例急性腦梗死患者頭穴透刺時(shí)不同刺激量的即刻效應(yīng)和遠(yuǎn)期效應(yīng)進(jìn)行了觀察，發(fā)現(xiàn)捻轉(zhuǎn)3 min組的運(yùn)動(dòng)指數(shù)提高程度與捻轉(zhuǎn)0.5 min組相比，要明顯占優(yōu)。楊元華等[10]利用針刺手法仿真系統(tǒng)對捻轉(zhuǎn)手法進(jìn)行模擬，然后將33只大鼠隨機(jī)分為輕刺激組、中刺激組、重刺激組和模型組進(jìn)行血壓測定，實(shí)驗(yàn)表明，輕刺激量捻轉(zhuǎn)手法與中刺激量捻轉(zhuǎn)手法均可以顯著抑制血壓上升，而重刺激量捻轉(zhuǎn)手法對抑制血壓上升的效果不明顯。

(2) 基于傳感器檢測技術(shù)的研究

楊元華等[11]通過自行研制的針刺傳感器，對針刺手法操作過程中參數(shù)的變化進(jìn)行實(shí)時(shí)采集和觀察，該針刺手法傳感器采用半導(dǎo)體應(yīng)變片作為檢測元件，可以按X、Y、Z三軸方向?qū)κ┬g(shù)者在運(yùn)針時(shí)的針刺手法進(jìn)行參數(shù)檢測?；谖⑿×鞲屑夹g(shù)和生物力學(xué)原理，李慶華等[12]研制了“針刺手法傳感針”，通過該針的操作能直接在計(jì)算機(jī)中顯示運(yùn)針過程中傳感針的受力波形。李靖等[13]運(yùn)用高精度動(dòng)作捕捉系統(tǒng)結(jié)合六軸力學(xué)傳感器，可有效提高捻轉(zhuǎn)手法的幅度、頻率、力量及操作時(shí)間等指標(biāo)的測量精度。

(3) 基于現(xiàn)代醫(yī)學(xué)記錄技術(shù)的研究

現(xiàn)代醫(yī)學(xué)記錄技術(shù)如成像技術(shù)、核磁共振技術(shù)等的不斷發(fā)展，為針刺治療效果的記錄量化提供了新的研究手段。

利用超聲成像技術(shù)，Helene[14]觀察到捻轉(zhuǎn)時(shí)結(jié)締組織的膠原束纏繞在針體周圍，并使用超聲波量化組織的變化，結(jié)合半方差曲線(semi-variogram curve)的分析，定量評(píng)價(jià)了針刺操作時(shí)人體結(jié)締組織動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)的改變。運(yùn)用功能性核磁共振顯像技術(shù)，Bai L等[15-16]揭示了針灸穴位特異性與大腦的關(guān)系，實(shí)驗(yàn)認(rèn)為，針對聽覺、視覺、感覺、運(yùn)動(dòng)神經(jīng)或機(jī)能和認(rèn)知功能的傳統(tǒng)針灸穴位只能調(diào)整對應(yīng)其功能的大腦區(qū)域的活動(dòng)性。

目前的這些針刺手法量化研究，雖然各有特點(diǎn)，代表了現(xiàn)階段的研究水平，但仍具有一定的局限性。基于傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)與臨床的研究，更多是從醫(yī)者的經(jīng)驗(yàn)出發(fā)，要求施針者個(gè)人具有相對豐富的針刺經(jīng)驗(yàn)，方能對針刺效果進(jìn)行量化判斷，如手法輕重的界定。如果開展大規(guī)模的臨床研究，將會(huì)受到量化評(píng)判的差異性影響，不利于深入持續(xù)研究，這也是中醫(yī)學(xué)至今未能打開黑箱的關(guān)鍵所在?；趥鞲衅鳈z測技術(shù)的研究，著重在于對施針過程中的定量檢測，針刺參數(shù)的定量化高度依賴于傳感器的精度?；诂F(xiàn)代醫(yī)學(xué)記錄技術(shù)的研究，也只是運(yùn)用顯像技術(shù)對針刺效果的定性評(píng)價(jià)而已。

針刺手法和針刺刺激量與疾病治療和機(jī)體反應(yīng)直接相關(guān)，不同的進(jìn)針角度、針刺深度、操作頻率和幅度、行針時(shí)間產(chǎn)生不同的治療效果。對相應(yīng)的病癥，如果在施針過程中能夠有效確定并及時(shí)調(diào)整施針的角度、力度、強(qiáng)度及對應(yīng)區(qū)域面積等參數(shù)，針刺治療的有效性可能會(huì)大為提高；如果能進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)針刺手法的嚴(yán)密定量分析，則可提高針刺技術(shù)的可重復(fù)性。

頻率大于20 kHz的超聲波，具有較強(qiáng)的穿透性和指向性，獨(dú)特的機(jī)械效應(yīng)、熱效應(yīng)、生物效應(yīng)，使得它可以被廣泛應(yīng)用[17]。超聲波作為機(jī)械波，可以在強(qiáng)度、空間區(qū)域等方面進(jìn)行精確控制，從而實(shí)現(xiàn)對施針過程的量化模擬。

2 超聲在針灸上的應(yīng)用

超聲診斷和超聲治療是超聲在現(xiàn)代醫(yī)學(xué)上的兩大類應(yīng)用[18]。超聲“針灸”屬于超聲治療的范疇，它運(yùn)用聲能、熱能等作為刺激手段對穴位進(jìn)行刺激，使機(jī)體產(chǎn)生相應(yīng)的生物效應(yīng)，達(dá)到針刺穴位的效果，是傳統(tǒng)針灸的一種創(chuàng)新應(yīng)用[19]，其配合常規(guī)方法治療冠心病、心絞痛、急性缺血性腦卒中等疾病效果顯著，臨床應(yīng)用前景良好。

依據(jù)超聲作用于人體的方式不同，超聲“針灸”可以分為兩類：

(1) 侵入式超聲“針灸”：該方法是將超聲波換能器和針灸針通過特定的夾具安裝在一起，治療時(shí)將針灸針刺入穴位后，聲能通過針灸針作用于人體。

如實(shí)用新型專利[20]披露了一種超聲波針灸儀，它將銀針通過夾具連接在超聲波換能器上，工作時(shí)超聲波換能器產(chǎn)生的超聲振動(dòng)傳送給銀針，加強(qiáng)銀針對穴位的刺激。但這類針灸的一個(gè)缺點(diǎn)是超聲波在針灸針作用處是以導(dǎo)波的形式出現(xiàn)，而不是以聚焦聲的場能量形式出現(xiàn)，這樣聲能對穴位的刺激量是有限的。為克服上述缺點(diǎn)，中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院的錢明等[21]，研制了一種聚焦超聲波換能器，并將針灸針設(shè)置在換能器的中心軸上，超聲波在聚焦面的軸線上可以形成聚焦區(qū)域并沿著聲軸線方向聚焦在針灸針上，使得穴位處的能量更集中，有效地促進(jìn)了針刺的療效。

實(shí)質(zhì)上，這類侵入式超聲“針灸”只是對傳統(tǒng)針灸的加強(qiáng)，沒能有效發(fā)揮超聲自身的特有性能，受針者仍然要承受針刺破皮時(shí)的輕微疼痛，對敏感人群的適應(yīng)性差。

(2) 非侵入式超聲“針灸”：用超聲波發(fā)生器產(chǎn)生超聲能量，通過特制的超聲探頭使聲能直接作用于人體，這也是現(xiàn)在通常意義上的超聲“針灸”。

當(dāng)前的非侵入式超聲“針灸”多采用自聚焦超聲換能器[22]，可以是將壓電材料直接制作成凹球面的超聲換能器，它不需要再借助其他輔助手段便可實(shí)現(xiàn)輸出聲場的聚焦；也可以是在平面超聲換能器的表面加上聲透鏡，通過聲透鏡的聚焦作用以實(shí)現(xiàn)超聲換能器輸出聲場的聚焦。

非侵入式超聲“針灸”具有對機(jī)體無痛無創(chuàng)、安全無感染、可消除針刺恐懼感等優(yōu)點(diǎn)，其治療效果也較為明顯：劉真珍[23]利用聚焦超聲輻照單側(cè)足三里研究痛閥變化，發(fā)現(xiàn)超聲輻照穴位下，其痛閥有明顯升高，在治療慢性腰背疼痛方面也有滿意的效果；王彩霞[24]等隨機(jī)分組觀察197例確診為冠心病心絞痛的患者，發(fā)現(xiàn)常規(guī)西醫(yī)基礎(chǔ)治療聯(lián)合超聲刺激內(nèi)關(guān)穴的治療方法，療效優(yōu)于單獨(dú)使用常規(guī)西醫(yī)治療；廖叢[25]研究發(fā)現(xiàn)聚焦超聲穴位治療相對于傳統(tǒng)超聲穴位治療可以改善缺血缺氧腦損傷大鼠的前肢肌力。

腧穴是人體上與臟腑器官和有關(guān)部位相聯(lián)系的特殊區(qū)域，它從屬于經(jīng)絡(luò)，具有輸注氣血、反映病痛和感受信息的特性，又稱孔穴、穴道和穴位[26]。穴位作為針灸時(shí)的針刺部位，并非僅為單個(gè)的點(diǎn)位而是一個(gè)具有一定線度的區(qū)域。其空間位置和線度對超聲聚焦的要求應(yīng)比較嚴(yán)格。

臨床治療時(shí)，根據(jù)病癥的陰、陽、表、里、寒、熱、虛、實(shí)情況和穴位深淺，采用不同的針刺手法，行針時(shí)提、插、捻、搗的頻率、幅度和時(shí)間也不同。采用非侵入式超聲“針灸”進(jìn)行疾病治療及針刺量化研究，需實(shí)現(xiàn)對經(jīng)穴區(qū)域的精確刺激，另外還需對傳統(tǒng)針刺手法進(jìn)行準(zhǔn)確的量化模擬，比如實(shí)現(xiàn)聲能在皮下聚焦的深度、廣度、角度和強(qiáng)度的任意調(diào)節(jié)等。

目前，非侵入式超聲“針灸”在技術(shù)實(shí)現(xiàn)上采用單個(gè)元件通過物理方式實(shí)現(xiàn)聲場聚焦，盡管這種方式對目標(biāo)區(qū)域具有靶向作用，但由于其刺激區(qū)域僅為以焦點(diǎn)為中心的一個(gè)很小的類橢球區(qū)域，很難做到對穴位區(qū)域的準(zhǔn)確覆蓋，也不能隨意調(diào)節(jié)焦域模式等，不具備靈活模擬針刺手法的條件，在一定程度上限制了該技術(shù)的深入研究和發(fā)展。

超聲相控陣是由若干獨(dú)立的陣元按照一定的形狀和尺寸組合而成，不同的陣元形狀和排列方式通過電子控制可產(chǎn)生不同特性的焦域。它的基本思路是通過調(diào)控各陣元的激發(fā)時(shí)序、激發(fā)數(shù)目、激發(fā)幅度、排布方式等，實(shí)現(xiàn)對產(chǎn)生的聲束形狀和聲壓分布的控制。超聲相控陣的技術(shù)特性，從理論上為非侵入式超聲“針灸”準(zhǔn)確模擬傳統(tǒng)針刺手法提供了實(shí)現(xiàn)的可能。

3 相控陣超聲技術(shù)在針刺手法量化上的適用性

當(dāng)前，超聲診斷和超聲治療領(lǐng)域都不同程度地應(yīng)用了相控陣技術(shù)。超聲診斷主要指超聲成像，目前成像應(yīng)用的換能器已經(jīng)大量采用了相控陣技術(shù)，其可在噪聲較大的背景下獲得良好的成像效果[27]。在超聲治療領(lǐng)域，研究者將相控技術(shù)引入到高強(qiáng)度聚焦超聲(High Intensity Focused Utrasound, HIFU)中，研制了可用于超聲治療的矩形排布面陣、扇渦陣、凹球面活塞陣等相控陣換能器[28-29]，解決了傳統(tǒng)HIFU技術(shù)的聚焦模式單一，無法實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)聚焦位置和焦斑大小等問題。由于主要目的在于滅活病變組織，此類相控陣換能器的聚焦區(qū)域能量很大。

基于超聲相控陣技術(shù)的針灸研究，目前文獻(xiàn)較少。雖然李悅欣等[30]對利用凹球面壓電陶瓷片分割成的6個(gè)面積相等的環(huán)域所產(chǎn)生的軸向聲場進(jìn)行了優(yōu)化、模擬和驗(yàn)證等，最終得到了滿足超聲“針灸”的“針”形聲場分布。但是，這種環(huán)狀超聲相控陣針灸設(shè)計(jì)方法，聲場只能沿環(huán)的中心軸聚焦，聲場形態(tài)雖呈“針形”，卻不能實(shí)現(xiàn)“針”的捻轉(zhuǎn)、進(jìn)針角度的靈活變化等。

超聲相控陣換能器按照維度可分為一維線性陣列、二維陣列和非整數(shù)維陣列；按照各陣元的形狀又可為矩形、方形、圓形和環(huán)形等。二維相控陣分平面直角陣和圓陣，它們都能在三維空間內(nèi)靈活聚焦、偏轉(zhuǎn)以及偏轉(zhuǎn)聚焦，可以用來模擬針灸的提插、捻轉(zhuǎn)及進(jìn)針角度的變化，更適宜于模擬傳統(tǒng)針刺手法。其中，相對于平面直角二維相控陣，圓形陣更容易實(shí)現(xiàn)聲束的傾斜、旋轉(zhuǎn)及“針”形焦域的聚焦，其聚焦原理如下：

以超聲晶片所在的平面為=0建立三維空間，如圖1所示，為坐標(biāo)原點(diǎn)，為預(yù)期聚焦點(diǎn)，其在=0平面上的投影點(diǎn)為，超聲晶片的坐標(biāo)點(diǎn)為，預(yù)期聚焦點(diǎn)到任一超聲晶片的距離為

從而，預(yù)期聚焦點(diǎn)到任意超聲晶片的聲時(shí)為

(2)

根據(jù)式(2)可以計(jì)算出所有晶片的聲時(shí)，找出最小聲時(shí)并與所有聲時(shí)取差值，即可獲得所有晶片的延時(shí)。

中國科學(xué)院聲學(xué)研究所東海研究站對二維相控陣超聲應(yīng)用于針刺手法模擬及量化分析進(jìn)行了探索性研究：設(shè)計(jì)了陣元個(gè)數(shù)為61的二維圓形相控陣換能器，對聲束在不同深度的聚焦和不同角度的偏轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)了模擬。

表1給出了二種頻率下不同聚焦深度和有一定偏轉(zhuǎn)角的聚焦情況。其中，聚焦體定義為比焦點(diǎn)最大幅度低3 dB的長方體。更高頻率的信號(hào)源可使聚焦的區(qū)域更集中，實(shí)現(xiàn)對細(xì)小針形聚焦的實(shí)際模擬。但聚焦深度和偏轉(zhuǎn)角增加，聚焦體也增大明顯。

表1 不同參數(shù)二維相控陣聚焦信息表

綜上所述，傳統(tǒng)超聲“針灸”不能夠靈活對空間任意位置進(jìn)行聚焦，而引入二維超聲相控陣可有效改善這一缺點(diǎn)；另外，在實(shí)際模擬中，還可以對激勵(lì)信號(hào)進(jìn)行調(diào)幅處理，使聚焦區(qū)域更接近細(xì)小針形狀。同時(shí)，聲學(xué)參量作為一種可科學(xué)計(jì)量、可精確控制的物理量，可以為針刺相關(guān)參數(shù)的定量化提供一種新的技術(shù)思路。

4 結(jié)論

針刺手法的量化，將極大地促進(jìn)針灸的精確重復(fù)、傳統(tǒng)針灸學(xué)術(shù)經(jīng)驗(yàn)的傳承、針灸療效的科學(xué)定量分析，并有利于發(fā)展適應(yīng)科技進(jìn)步的現(xiàn)代針灸技術(shù)。利用二維圓形超聲相控陣準(zhǔn)確模擬針刺手法，可在一定程度上解決當(dāng)前針刺手法量化研究過程中，因人為因素造成的量化評(píng)判存在差異性的問題；同時(shí)，還可促進(jìn)非侵入式超聲“針灸”技術(shù)的發(fā)展。

未來還需在適用于超聲“針灸”的二維相控陣換能器設(shè)計(jì)、超聲相控陣聲場控制算法、聚焦方式的快速實(shí)現(xiàn)以及超聲“針灸”與傳統(tǒng)針灸行針之間的對應(yīng)關(guān)系、針刺手法量化的多維度考量等方面做進(jìn)一步深入研究，以更好地實(shí)現(xiàn)針刺手法的量化。

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The quantification study of acupuncture manipulation by using ultrasonic simulation

ZHOU Hong-sheng1, WANG Huan1, DONG Chang-sheng2, YANG Hong-sui1, ZHANG Shi-gong1

(1. Shanghai Acoustics Laboratory, Chinese Academy of Science, Shanghai 200032, China;2.Tumor Institute of Traditional Chinese Medicine, Longhua Hospital, Shanghai University of Traditional Chinese Medicine, Shanghai 200032, China)

Traditional acupuncture location and needling manipulation rely on clinical experience of specific doctors. Different technicians give different acupuncture treatments that will bring different treatment effects. Acupuncture is not repeatable and short of scientific quantitative analysis, which limits the academic inheritance of Traditional Chinese Medicine (TCM). Acupuncture manipulation is one of components in acupuncture effect system. The stimulus parameters of acupuncture manipulation are closely related to acupuncture effect. The quantification study of acupuncture manipulation is of great significance to develop the technology and to evaluate the treatment of acupuncture. After reviewing the development of the quantification studies of acupuncture manipulation, the application of ultrasound in acupuncture and the quantification of acupuncture manipulation by using phased ultrasonic technology, this paper explores the feasibility of using 2D phased ultrasonic to simulate and quantify acupuncture manipulation. It is proved that using ultrasonic phased array can both realize free adjustments on the depth, angle and intense of focus below patients’ skin through electronic monitor and accurately simulate acupuncture manipulation. Our preliminary study provides a new way for quantification, duplication and scientific assessments of acupuncture treatments.

acupuncture manipulatio; ultrasonic acupuncture; qualification; ultrasonic phased array

TB551

A

1000-3630(2016)-01-0033-05

10.16300/j.cnki.1000-3630.2016.01.008

2015-09-20;

2015-10-10

周紅生(1973－), 男, 安徽東至人, 副研究員, 研究方向?yàn)槌晳?yīng)用。

王歡, E-mail: wh_salas@126.com