電針刺激合谷穴在頸脊髓內效應的功能磁共振成像的初步研究

王偉東，孔抗美，王新家，吳仁華，沈智威

（汕頭大學醫學院第二附屬醫院，廣東 汕頭　515000）

電針刺激合谷穴在頸脊髓內效應的功能磁共振成像的初步研究

王偉東，孔抗美，王新家，吳仁華，沈智威

（汕頭大學醫學院第二附屬醫院，廣東 汕頭515000）

目的：觀察比較穴位刺激與非穴位刺激的正常頸脊髓對針灸信號效應特征，初步探索脊髓針灸效應的作用機制，為探索針灸治療脊髓損傷的作用機理提供一定的實驗依據和方法。方法：16名健康志愿者按要求隨機分成2組（每組8名）分別進行電刺右手合谷穴位和偽穴位，采用“靜息-任務刺激-靜息”的時段設計模式，共4次刺激，5次靜息，各長35 s。獲得的fMRI信號用AFNI軟件進行后處理，得到激活信號與解剖信號的疊加圖、激活信號值曲線。結果：神經功能激活區域大部分位于高位與低位頸脊髓平面，主要集中于C5～T1和C2～C3；5位志愿者在C2、C3、C5與C6平面脊髓前角出現神經功能激活；同時在C2、C5及C6平面對側脊髓后角出現神經功能激活。電刺偽穴位組的脊髓fMRI激活結果：神經功能激活區域主要集中于C5～T1，高位頸脊髓未發現神經功能激活區；激活部位主要位于同側脊髓后角。結論：利用單次激發快速自旋回波序列脊髓功能核磁共振技術能檢測電刺合谷穴及其偽穴位時正常脊髓功能變化的信號，穴位刺激能引起更廣泛的脊髓激活區域，高位脊髓激活區可能是針灸經絡的特定激活區域；使用1.5T醫用核磁共振機和常規頸線圈對脊髓損傷患者的脊髓功能核磁共振成像能檢測到受損脊髓對電刺合谷穴時的神經信號，有助于評估脊髓功能狀況。

脊髓損傷；磁共振成像

脊髓功能核磁共振成像（s-fMRI）檢查是脊髓神經功能研究領域近年來的一個新進展，為脊髓神經功能評價和估計預后提供了一個新方法。功能核磁1990年面世以來，已被廣泛應用于腦功能的研究［1］，而s-fMRI為脊髓神經功能評估提供一種新方法，使初始檢查和隨訪結果更加詳細和科學。Stroman等［2］和Kornelsen等［3］的研究均已證明了這種方法對脊髓神經功能研究的可行性和有效性。s-fMRI目前主要研究成果，s-fMRI可以可靠地獲得較清晰的信號圖像；溫度覺刺激可以引起正常脊髓相應解剖位置的信號增強，不管是感覺刺激還是運動刺激，刺激的強度與功能核磁所反映的脊髓內信號改變在一定范圍內呈正相關。s-fMRI的技術基礎包括：血氧水平依賴性功能核磁與管外質子信號增強功能核磁（SEEP-fMRI）。研究認為s-fMRI提示脊髓神經功能活動信號增高的主要機制是激活區神經組織附近血管外水質子水平的改變，即血管外質子信號增強功能核磁。Stroman等認為局部血流增加導致血管外水含量增加，進而導致質子信號增強［4-7］，SEEP能在很短的弛豫時間里獲得旋轉弛豫像，因而所得到的圖像質量更高。目前已利用fMRI對正常及損傷脊髓在不同形式的感覺、運動等刺激下的激活情況進行研究。雖然國內已有人開始嘗試穴位刺激行脊髓功能成像的研究，但是至今尚未有相關論著的報道。

針灸治療在脊髓損傷（SCI）神經功能修復的作用在臨床應用中是得到肯定的，對其應用基礎研究也取得一定的成果。針刺穴位治療疾病的確切生理學機制尚不清楚，即穴位作為針刺的特異的作用點，是否通過一定的神經路徑起到特定神經調節作用。本實驗應用脊髓SEEP功能成像技術，對照研究電流刺激虎口區皮膚與電針刺激合谷穴頸脊髓神經功能激活情況，為應用SEEP-fMRI技術研究針刺經穴治療相應疾病的脊髓中樞機制提供一些實驗依據和方法。

1　材料和方法

1.1一般資料

16例健康在校大學生志愿者，年齡23～27歲，平均23.8歲，其中男15例，女7例，皆為右利手。所有志愿者檢查前3天內無心理或精神異常，無頸椎病病史及頸椎外傷病史，檢查前兩周無針灸史。因為醫學生之前有接觸或了解針灸，能夠體會到得氣即“酸麻脹沉”感覺。

1.2儀器設備

MRI成像系統采用 GE公司 1.5T超導型SIGNA磁共振成像系統。電刺激儀：由汕頭醫用設備廠生產的脈沖型電針儀。

1.3脊髓fMRI成像參數

常規SE序列T2WI-flair作為解剖背影圖像，參數為TR=1 065.0ms，TE=42.4ms，矩陣128×128。fMRI檢查采用SSFSE序列，矢狀位功能成像參數為TR=1 065.0ms，TE=42.4ms，視野（FOV）16 cm×16 cm，矩陣128×128，帶寬（BW）32 kHz。矢狀面掃描范圍均可完全包納脊髓，層厚2.8mm，層間距0.5mm，NEX 1，層數為7，每一幀圖像掃描時間為1 s。掃描時于脊髓前方加用飽和帶，以避免吞咽、心跳等信號對脊髓功能成像的干擾。軸位功能成像參數設定為TR=1 065.0ms，TE=42.4ms，視野（FOV）16 cm×16 cm，矩陣128×128，帶寬 （BW）32 kHz。軸位掃描范圍C3～C7，層厚7.0mm，層間距2.0mm，NEX 1，層數為7，每一幀圖像掃描時間同樣為1 s。掃描時于脊髓的左右及前方加用飽和帶，以避免髓外信號的干擾。根據實驗設計，每一層可以獲得52幅圖像。志愿者檢查前安靜休息30min，平臥在檢查床上，閉目、放松，不思考問題；用棉球塞緊雙耳，并用GE公司提供的海綿墊塞緊頭部兩側，以防頭部運動，囑志愿者實驗過程避免吞咽活動，減少對脊髓功能成像產生運動偽激活。

1.4刺激模式

見圖1。

圖1　掃描持續時間364 s；R為靜息相；S為刺激相刺激 （與R靜息時間均為35 s）；R1包含兩次預掃描（14 s）共為49 s。Figure 1.　The fMRI task paradigm（five stimulation periods of 35 s each，alternating with five rest periods of 35 s each resulting in a total of 63 time points recorded with the beginning of R1=49）.

1.5刺激方法

1.5.1電流刺激虎口區皮膚

將一對表面附有自粘導電膠的刺激電極分別置于被試者右手虎口區皮膚。電刺激由治療儀產生，選擇刺激強度略高于被試者的感受閾限，故每次刺激被試者均可感覺到刺激部位有輕微的麻木感而不疼痛。

1.5.2電針刺激合谷穴

采用一寸銀針 （避免鐵制或銅制針的順磁性偽影），直徑0.30mm，針體長約40mm，由一位有經驗的針灸醫生進行取穴操作。刺激相采用方波、頻率5Hz，輸出電流為35～40mA，使受試者有酸、脹、熱等感覺或局部肌肉節律性收縮。

1.6圖像后處理及分析步驟

首先從工作站刻錄出無序的DICOM圖像格式數據復制到RedHat 9 LINUX操作系統內的一個文件夾。對SEEP刺激模式進行編程，然后將SEEP的364幅功能圖進行排序、to3D處理、去動、空間平滑、去偽影、反卷積，具體的運算處理程序如下。①對SSFSE無序的DICOM文件按原有的順序排序；②用GEDIT程序對SEEP-fMRI基線激活模式進行1D文件編程：前7個全為0，之后按每5個1，5個0的順序依次排列（共計25次1，27次0），得到我們所設計的block組塊模式；③對Block design進行標準化處理：#waver-GAM-input se*_stim.1D-TR 1＞se*_ideal.1D；④對解剖圖進行to3D處理：#to3dspgr-prefix*；⑤對排序后的脊髓功能成像圖文件進行to3D處理：#to3d-epan-prefix se*-time：zt 7 52 1 alt+z；⑥進行去頭動處理：#3dvolreg-base 8 -prefix se*_reg-1Dflie se*_mot.1D-verb se*+ori；⑦空間平滑，去除噪音，提高信噪比：#3dmerge-1blur_fwhm 5-doall-prefix se*_reg_bl se*_reg+ orig；⑧3dAutomask去掉周邊偽影：#3dAutomaskprefix se*_reg_bl_mask se*_reg_bl+orig；⑨反卷積處理：#3dDeconvolve-input se*_reg_bl+orig-nfirst 2 -num_stimts 7-stim_file 1 se*_ideal.1D-stim_label 1AllStim-stim_file2se*_mot.1D'［0］'-stim_base2-stim_file3se*_mot.1D'［1］'-stim_base3-stim_file4se*_mot.1D'［2］'-stim_base4-stim_file5se*_mot.1D'［3］'-stim_base5-stim_file6se*_mot.1D'［4］'-stim_base6-stim_file7se*_mot.1D'［5］'-stim_base7-tout-fout-automask-bucket se*_reg_bl_func

2　結果

所有志愿者合作佳，均未感惡心、嘔吐等不適感覺。針感刺激感覺明顯，均獲得滿意的功能圖像。表1與表2總結2個實驗組不同脊髓平面所獲得的神經功能激活區域。圖2為AFNI分析軟件分析獲得的功能激活區時間曲線。

表1　電刺合谷穴模式下不同椎體節段和脊髓區域出現fMRI信號的受試者數目

表2　電刺偽穴位模式下不同椎體節段和脊髓區域出現fMRI信號的受試者數目

2.1電刺合谷穴組的脊髓fMRI激活結果

2.1.1不同脊髓平面所獲得的神經功能激活區域

神經功能激活區域大部分位于高位與低位頸脊髓平面，主要集中于C5～T1和C2～C3；5位志愿者在C2、C3、C5與C6平面脊髓前角出現神經功能激活；同時在C2、C5及C6平面對側脊髓后角出現神經功能激活。圖3為一志愿者C2～T1的功能磁共振成像圖。

2.1.2C2～T1的功能磁共振成像圖

見圖3。

圖2　AFNI軟件所繪的第6號受試者的信號強度-刺激模式曲線。Figu re 2.　The time-fMRI signal curve plotted by the AFNI software system showed the fMRI response was consistent with the cycles of stimulation paradigm（shown as green curve）.

2.2電刺偽穴位組的脊髓fMRI激活結果

神經功能激活區域主要集中于C5～T1，高位頸脊髓未發現神經功能激活區；激活部位主要位于同側脊髓后角。圖4為一志愿者C2～T1的功能磁共振成像圖。

3　討論

3.1脊髓fMRI激活

本研究采用先進的單次激發快速自旋回波序列（SSFSE）核磁共振及脊髓SEEP-fMRI成像方法成功地檢測到正常受試者在電刺合谷穴與偽穴位下的脊髓fMRI激活信號。在電刺合谷穴刺激模式下，大部分受試者的脊髓都檢測到fMRI激活信號。功能磁共振矢狀位上可以發現信號主要集中在C2～C3 及C5～C7椎體節段 （對應C3～C4及C6～T1脊髓節段），橫斷位上可以檢測到激活區域主要位于同側脊髓背側區域（表1及圖3）。在電刺合谷穴的偽穴位刺激模式下，大部份受試者的脊髓同樣可以檢測到fMRI激活信號。功能磁共振矢狀位上可以發現神經功能激活區域主要集中于C5～T1（對應C6～T2脊髓節段），激活部位主要位于同側脊髓背側區域（見表3，圖4）；高位頸脊髓未發現神經功能激活區。

圖3電針刺激合谷穴組一名志愿者的頸脊髓神經功能激活區域圖：圖3a為T1加權像矢狀位解剖圖像，功能激活區域主要位于C2/3及C5～C7水平。圖3b～3h分別是C2～T1水平橫斷面解剖圖，功能激活區主要位于C2 及C6的同側脊髓的背側區域；C3及C6的對側背側區域。

Figure 3.An example of activationmapsfromonesubjectin Group-I，thefMRI activations were superimposedontheT1-weighted anatomical images.（Figure 3a）Sagittal view showed that the fMRI activations werelocatedbetweenthevertebral levels C2/3，C5～C7.Ontransversal images of C2～T1（Figure 3b～3h），fMRI activations were found at dorsal ipsilateral spinal cordat C2andC6 and at ventral contralateral spinal cord at C3 and C6.

圖4電針刺激偽穴位組一名志愿者的頸脊髓神經功能激活區域圖：圖4a為T1加權像矢狀位解剖圖像，功能激活區域主要位于C4～T1水平。圖4b～4f分別是C4～T1水平橫斷面解剖圖，功能激活區主要位于C4～T1的同側脊髓的背側區域；C6的對側背側區域。

Figure 4.An example of activation maps from one subject in Group-II，fMRI activations were superimposed on T1-weightedanatomical images.Figure4a：Thesagittal view showed that fMRI activations were located between the vertebral levels from C4 to T1.On transversal images of C4～T1 （Figure 4b～4f），fMRI activations were most located at ventralipsilateral spinal cord segments，and at ventral contralateral spinal cord at C6.

合谷穴位于手陽明大腸經上，在手背第一、二掌骨間，當第二掌骨橈側的中點處。該處在皮膚中有橈神經淺支分布，皮下組織中有上述神經及手背靜脈網，深部有正中神經的指掌側固有神經［8］。從以上合谷穴的位置與解剖中可以看出，針刺或按摩合谷穴時，受到刺激的神經主要為橈神經淺支，也可有正中神經的深支，該穴處橈神經淺支的神經纖維來源于第6頸神經，正中神經的指掌側固有神經的纖維來源于第6頸神經至第1胸神經。沿橈神經的淺支向上追蹤，可以認為，合谷穴處的感覺神經元細胞接受刺激后，將刺激信號沿神經傳導通路經頸部的脊神經節和頸神經后根傳入脊髓后角。既往的脊髓研究發現刺激正中神經得到C4～T1脊髓節段激活信號［9］，而對橈神經刺激可以得到C4～T2脊髓節段的激活［10］，在激活節段上的結果與本研究大致相符。我們認為合谷穴針刺后在脊髓fMRI的激活區域比對應的脊髓的實際解剖位置更廣泛，并且具有相當的可靠性。本文的結果表明，電針合谷穴和其偽穴位均可激活C5～T1水平同側后角脊髓，提示合谷穴對針灸刺激信號的傳導通路與神經解剖傳導通路具有共同之處。

穴位針感信號在中樞內的上行通路包括脊髓和腦內通路。脊髓上行通路：按照現代神經生理學的方法，軀體信號在脊髓內是沿兩條途徑上行入腦的，一條是背索通路，另一條是脊髓丘腦通路。大多數解剖學家把脊髓丘腦通路分成3條不同的束徑：脊髓丘腦前束、脊髓丘腦側束和脊髓網狀束。傳導觸覺和痛覺、溫度覺的纖維進入脊髓后在后角更換神經元，換元后的第二級神經元再發出纖維在中央管前交叉至對側，在脊髓的前外1/4部分形成前外側系的上行纖維，其中傳導痛覺、溫度覺的纖維走行于脊髓丘腦側束，而傳導觸-壓覺的纖維走行于脊髓丘腦前束，這些纖維中一部分抵達丘腦的特異感覺接替核，另一部分投射到丘腦的中線區和髓板內非特異感覺接替核。在頸髓的后角有第二級感覺神經元的胞體，其軸突上行組成脊髓丘腦側束和前束，經腦干時兩束靠攏稱脊髓丘腦束，經延髓下橄欖核的背外側，腦橋和中腦內側丘系的外側，終止于背側丘腦的腹后外側核［39］。本研究結果發現，合谷穴電針刺激能穩定引起高位頸脊髓平面神經功能的激活，尤其是C2～C3脊髓平面。提示針灸的機制有復雜的脊髓內神經機制與經絡獨特傳感通道的存在［11-12］。

脊髓SEEP-fMRI理論基礎：Stroman等認為在脊髓局部灰質血流量增加時，血管內壓力也隨著增高，尤其是動脈旁毛細血管系統。這種壓力的變化改變了正常的流量平衡，加快跨血管外運動，導致激活區神經組織水質子水平的提高。SEEP能在很短的弛豫時間里獲得旋轉弛豫像。并能得到更高質量的圖像。SEEP的生理學原理認為，神經激活區產生SEEP效應的一個因素在于局部水分子（質子）含量增多：當動脈及毛細血管系統血流量增加時，血管內壓力隨之增加，這種變化改變了血管和組織間隙之間的壓力平衡，由于組織灌注壓增加，細胞外液和細胞腫脹，局部組織水含量增加。Fujita和Ohta使用正電子斷層掃描技術（PET）用放射標記的水分子示蹤方法證明腦組織神經激活點處血管內向組織間隙單向外流的水分明顯增加［13-15］。另一個因素在于激活區組織細胞腫脹，主要由星形膠質細胞介導。中樞神經系統中神經膠質細胞的數目是神經元數目的5～10倍，占腦、脊髓近一半的體積，也是最主要的fMRI信號產生源。星形膠質細胞維持著細胞外谷氨酸的濃度并在神經元與血管內物質的交換代謝中起著重要作用［16-18］，很大程度上影響著神經信號傳導的效率［19-20］：神經軸突末端的囊泡將內含的神經遞質（谷氨酸）釋放入軸突間隙，引發相應神經元的去極化反應后，剩余的谷氨酸被星形膠質細胞吸收，這個吸收過程伴隨3分子Na+和1分子H+進入胞～1分子K+出胞交換，這樣神經元在激活產生動作電位的同時膠質細胞本身也發生了去極化［16］。研究發現水通道蛋白廣泛地存在于神經組織中，尤以血管周圍星形細胞突起末端的細胞膜上居多，K+出胞的同時由水通道蛋白aquaporins（特別是水通道蛋白4，Aqp4）將水分子轉運入胞［21］，這種水通道上的K+～H2O交換機制決定著大腦神經組織與血管及腦脊液的主要水分子交換，也在脊髓神經元活動中參與了組織細胞內外的水分調控［22-23］。Anderson和Andrew等用動物實驗也證實神經電活動引起神經元周圍星形膠質細胞腫脹，水分增加的現象能成為功能核磁共振激活信號產生的基礎［24-25］。大量水分子在星形膠質細胞間的移動形成了相當的水流，這種質子密度（水含量）的增減特性被應用于神經影像領域，用fMRI的方法就可以得到脊髓和腦組織中神經元活動的信息，成為SEEP效應的生理學原理基礎。

3.2脊髓fMRI在脊髓損傷臨床應用仍存在的困難和問題

s-fMRI技術是一項新興技術，同腦功能成像一樣有著廣闊的研究前景，本研究使用1.5T醫用核磁共振機和常規頸線圈開展脊髓功能核磁共振的初步實驗，未使用額外的特殊磁共振設備，使脊髓功能磁共振的臨床應用成為可能。將脊髓功能核磁共振技術應用于脊髓損傷的基礎研究和臨床是我們的目標。第一，脊髓的橫截面積很小，外緣緊鄰椎管內的腦脊液，在臨床1.5T核磁的條件下需要較高的空間分辨率，才能顯示脊髓的邊緣，區分脊髓和相鄰的髓外組織，獲得較清晰的圖像。第二，脊髓容易受到心跳、呼吸、肢體運動等方面的影響而發生微小的位移，進而引起圖像重合不良產生偽影。第三，脊柱椎體和椎間盤的空間交替導致局部磁場不均勻，并可能與脊髓的微小位移產生交互作用，從而干擾血氧水平依賴信號。雖然脊髓fMRI尚未常規應用于臨床，但這新型的無創技術是當前及未來的發展方向，具有廣闊的應用前景。未來研究有望與其他成像技術的結合，如PET、磁共振擴散張量成像（DT-MRI）等，才能更好地深入研究諸多脊髓疾病的機制，增加對神經系統功能及損傷修復的認識，并準確的對SCI患者評估損傷、計劃治療策略及預后判斷。

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An fMRI study on cervical spinal cord after acupuncture electrical stimulation at Hegu（LI4）

WANG Wei-dong，KONG Kang-mei，WANG Xin-jia，WU Ren-hua，SHEN Zhi-wei
（The Second Affiliated Hospital，Shantou University Medical College，Shantou Guangdong 515000，China）

Objective：To investigate the acupuncture response by evaluating the neuronal activity in cervical spinal cord assessed with SEEP-fMRI by comparison between electrical acupuncture stimulation at LI4 and the sham point.Methods：The fMRI data using single-shot fast spin-echo sequence（SSFSE）with 42.4ms echo time on a 1.5T MRI scanner（GE Clinical System）were acquired in sixteen subjects with electro-acupuntcure at an acupoint and at a nearby“sham”point，and nine patients with cervical spinal cord injury with electro-acupuntcure at LI4.Cervical spinal cord activation was measured both in the sagittal and transverse imaging planes.Postprocessing was performed by AFNI（Analysis of Functional Neuroimages）software system.Electrical LI4 without stimulation（rest）was applied in 35-s epochs alternating with 35-s epochs of stimulation.Images were acquired repeatedly during alternating rest and stimulation periods for five times，resulting in a total of 63 time points recorded with the ending of R5=35s.Results：Our results revealed that common activation areas in response to LI4 and sham point acupuncture measured in the spinal cord were most in terms of the ipsilateral posterior direction，and the localizations of the segmental fMRI activation were at C5 through T1.The activated regions localized to the ipsilateral side of lower cervical segments（C5 through T1）were in agreement with the neural anatomy.However，the activation of the upper cervical segment，in particular C2～C3 level，located at the ipsilateral posterior and anterior direction was only found at the real acupoint.These specific spinal cord activation patterns might suggest that stimulation of LI4 has a specific effect on spinal cord neuronal activity，absent with the sham-acupoint.Conclusion：The fMRI activations could be reliably detected with electro-acupuntcure at LI4 in the human spinal cord using SSFSE sequence.The anatomic location of neural activity correlated with the sensorimotor deficits.But the activation of the upper cervical segment，in particular C2～C3 level，might correspond to the special transmission channel of acupuncture.

Spinal cord injuries；Magnetic resonance imaging

R744；R445.2

A

1008-1062（2015）01-0038-06

2014-07-18

王偉東（1980-），男，廣東汕頭人，主治醫師。

孔抗美，汕頭大學醫學院第二附屬醫院關節脊柱外科，515000。

國家自然科學基金（No.81273862）。