超聲模擬中醫針刺手法量化技術研究進展

周紅生，王歡，董昌盛，楊紅穗，張世功

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超聲模擬中醫針刺手法量化技術研究進展

周紅生1，王歡1，董昌盛2，楊紅穗1，張世功1

(1. 中國科學院聲學研究所東海研究站，上海200032；2. 上海中醫藥大學附屬龍華醫院中醫腫瘤研究所，上海200032)

傳統針灸腧穴定位、行針手法依賴于醫生的臨床經驗，醫生不同治療手段就不同，所造成的治療效果也不同，具有不可重復性，限制了中醫學學術傳承。針刺手法是針刺效應系統中的一個組成要素，針刺手法刺激量與針刺效應密切相關，針刺手法量化對于促進針刺技術進步和評價針刺治療效果具有重要意義。在對針刺手法量化研究的發展、超聲在針灸上的應用及相控陣超聲技術在針刺手法量化進行綜述的基礎上，對二維相控陣超聲應用于針刺手法模擬及量化分析進行了探索性研究，認為利用二維超聲相控陣通過電子控制實現聲能在皮下聚焦的深度、角度和強度的任意調節，準確模擬針刺手法，為針刺手法的量化研究、治療手段的重復再現、治療效果的科學計量提供了新的思路。

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，最早見于戰國時代《黃帝內經》一書，是中華民族的偉大智慧結晶[1]。針灸作為中醫最具特色的一部分，已大規模走出國門，美國、澳大利亞、加拿大等發達國家陸續對針灸立法，是中醫現代化進程中的重要組成部分。

傳統針灸遵循中醫望、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生的臨床經驗，醫者不同，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性。

針刺手法作為針灸施術的基礎，是實現補虛瀉實、調整臟腑經絡、氣血陰陽的重要環節，與針灸療效的發揮直接相關。作為針刺效應系統的主要組成要素，針刺手法的刺激量與針刺效應密切相關[2]。如果能夠對針刺手法進行量化，就可以指導和促進中醫針灸的臨床應用與科學研究，獲得更好的治療效果，并且使臨床研究更具科學性和可重復性。

隨著現代科學技術的發展，傳統針灸與聲、光、電、磁等學科交叉，出現了一些新的針灸方法，給疾病治療帶來了新的手段，也為實現針灸的規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展

最早最具代表性的針刺手法的量化研究，是由石學敏院士提出的“針刺手法量學理論”[6]，對針刺作用力的方向、大小、施術時間、兩次針刺間隔時間這四大要素進行了科學界定：作用力的方向是決定補和瀉的重要因素之一；捻轉補瀉與作用力的大小有直接關系；施行捻轉補瀉手法所持續時間的最佳參數是每個穴位1~3 min；兩次施術間隔時間的最佳參數為3~6 h，針刺治療后其持續作用時間因病而異。

之后，圍繞針刺手法的定量化，諸多醫家和學者分別基于傳統實驗與臨床、傳感器檢測技術、現代醫學技術開展了大量的工作：

(1) 基于傳統實驗與臨床的研究

吳松等[7]結合自身教學和臨床經驗，從刺數的多少、針具粗細、針刺深淺、手法輕重、留針時間等形成針刺治療量的要素入手，總結了針刺治療量與臨床療效的密切關系。周國祥等[8]采用不同手法針刺大鼠內關穴，以研究針刺手法對心肌缺血再注損傷和β-內啡肽的影響，結果發現，在減輕應激反應方面，捻轉角度360°、頻率200 次/min的強針刺刺激量效果優于捻轉角度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不同刺激量的即刻效應和遠期效應進行了觀察，發現捻轉3 min組的運動指數提高程度與捻轉0.5 min組相比，要明顯占優。楊元華等[10]利用針刺手法仿真系統對捻轉手法進行模擬，然后將33只大鼠隨機分為輕刺激組、中刺激組、重刺激組和模型組進行血壓測定，實驗表明，輕刺激量捻轉手法與中刺激量捻轉手法均可以顯著抑制血壓上升，而重刺激量捻轉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的變化進行實時采集和觀察，該針刺手法傳感器采用半導體應變片作為檢測元件，可以按X、Y、Z三軸方向對施術者在運針時的針刺手法進行參數檢測。基于微小力傳感技術和生物力學原理，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算機中顯示運針過程中傳感針的受力波形。李靖等[13]運用高精度動作捕捉系統結合六軸力學傳感器，可有效提高捻轉手法的幅度、頻率、力量及操作時間等指標的測量精度。

(3) 基于現代醫學記錄技術的研究

現代醫學記錄技術如成像技術、核磁共振技術等的不斷發展，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，Helene[14]觀察到捻轉時結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，結合半方差曲線(semi-variogram curve)的分析，定量評價了針刺操作時人體結締組織動態結構的改變。運用功能性核磁共振顯像技術，Bai L等[15-16]揭示了針灸穴位特異性與大腦的關系，實驗認為，針對聽覺、視覺、感覺、運動神經或機能和認知功能的傳統針灸穴位只能調整對應其功能的大腦區域的活動性。

目前的這些針刺手法量化研究，雖然各有特點，代表了現階段的研究水平，但仍具有一定的局限性。基于傳統實驗與臨床的研究，更多是從醫者的經驗出發，要求施針者個人具有相對豐富的針刺經驗，方能對針刺效果進行量化判斷，如手法輕重的界定。如果開展大規模的臨床研究，將會受到量化評判的差異性影響，不利于深入持續研究，這也是中醫學至今未能打開黑箱的關鍵所在。基于傳感器檢測技術的研究，著重在于對施針過程中的定量檢測，針刺參數的定量化高度依賴于傳感器的精度。基于現代醫學記錄技術的研究，也只是運用顯像技術對針刺效果的定性評價而已。

針刺手法和針刺刺激量與疾病治療和機體反應直接相關，不同的進針角度、針刺深度、操作頻率和幅度、行針時間產生不同的治療效果。對相應的病癥，如果在施針過程中能夠有效確定并及時調整施針的角度、力度、強度及對應區域面積等參數，針刺治療的有效性可能會大為提高；如果能進一步實現針刺手法的嚴密定量分析，則可提高針刺技術的可重復性。

頻率大于20 kHz的超聲波，具有較強的穿透性和指向性，獨特的機械效應、熱效應、生物效應，使得它可以被廣泛應用[17]。超聲波作為機械波，可以在強度、空間區域等方面進行精確控制，從而實現對施針過程的量化模擬。

2 超聲在針灸上的應用

超聲診斷和超聲治療是超聲在現代醫學上的兩大類應用[18]。超聲“針灸”屬于超聲治療的范疇，它運用聲能、熱能等作為刺激手段對穴位進行刺激，使機體產生相應的生物效應，達到針刺穴位的效果，是傳統針灸的一種創新應用[19]，其配合常規方法治療冠心病、心絞痛、急性缺血性腦卒中等疾病效果顯著，臨床應用前景良好。

依據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，治療時將針灸針刺入穴位后，聲能通過針灸針作用于人體。

如實用新型專利[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，工作時超聲波換能器產生的超聲振動傳送給銀針，加強銀針對穴位的刺激。但這類針灸的一個缺點是超聲波在針灸針作用處是以導波的形式出現，而不是以聚焦聲的場能量形式出現，這樣聲能對穴位的刺激量是有限的。為克服上述缺點，中國科學院深圳先進技術研究院的錢明等[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，有效地促進了針刺的療效。

實質上，這類侵入式超聲“針灸”只是對傳統針灸的加強，沒能有效發揮超聲自身的特有性能，受針者仍然要承受針刺破皮時的輕微疼痛，對敏感人群的適應性差。

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

當前的非侵入式超聲“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現輸出聲場的聚焦；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現超聲換能器輸出聲場的聚焦。

非侵入式超聲“針灸”具有對機體無痛無創、安全無感染、可消除針刺恐懼感等優點，其治療效果也較為明顯：劉真珍[23]利用聚焦超聲輻照單側足三里研究痛閥變化，發現超聲輻照穴位下，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]等隨機分組觀察197例確診為冠心病心絞痛的患者，發現常規西醫基礎治療聯合超聲刺激內關穴的治療方法，療效優于單獨使用常規西醫治療；廖叢[25]研究發現聚焦超聲穴位治療相對于傳統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部位相聯系的特殊區域，它從屬于經絡，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]。穴位作為針灸時的針刺部位，并非僅為單個的點位而是一個具有一定線度的區域。其空間位置和線度對超聲聚焦的要求應比較嚴格。

臨床治療時，根據病癥的陰、陽、表、里、寒、熱、虛、實情況和穴位深淺，采用不同的針刺手法，行針時提、插、捻、搗的頻率、幅度和時間也不同。采用非侵入式超聲“針灸”進行疾病治療及針刺量化研究，需實現對經穴區域的精確刺激，另外還需對傳統針刺手法進行準確的量化模擬，比如實現聲能在皮下聚焦的深度、廣度、角度和強度的任意調節等。

目前，非侵入式超聲“針灸”在技術實現上采用單個元件通過物理方式實現聲場聚焦，盡管這種方式對目標區域具有靶向作用，但由于其刺激區域僅為以焦點為中心的一個很小的類橢球區域，很難做到對穴位區域的準確覆蓋，也不能隨意調節焦域模式等，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的深入研究和發展。

超聲相控陣是由若干獨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生不同特性的焦域。它的基本思路是通過調控各陣元的激發時序、激發數目、激發幅度、排布方式等，實現對產生的聲束形狀和聲壓分布的控制。超聲相控陣的技術特性，從理論上為非侵入式超聲“針灸”準確模擬傳統針刺手法提供了實現的可能。

3 相控陣超聲技術在針刺手法量化上的適用性

當前，超聲診斷和超聲治療領域都不同程度地應用了相控陣技術。超聲診斷主要指超聲成像，目前成像應用的換能器已經大量采用了相控陣技術，其可在噪聲較大的背景下獲得良好的成像效果[27]。在超聲治療領域，研究者將相控技術引入到高強度聚焦超聲(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HIFU技術的聚焦模式單一，無法實時調節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域能量很大。

基于超聲相控陣技術的針灸研究，目前文獻較少。雖然李悅欣等[30]對利用凹球面壓電陶瓷片分割成的6個面積相等的環域所產生的軸向聲場進行了優化、模擬和驗證等，最終得到了滿足超聲“針灸”的“針”形聲場分布。但是，這種環狀超聲相控陣針灸設計方法，聲場只能沿環的中心軸聚焦，聲場形態雖呈“針形”，卻不能實現“針”的捻轉、進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、二維陣列和非整數維陣列；按照各陣元的形狀又可為矩形、方形、圓形和環形等。二維相控陣分平面直角陣和圓陣，它們都能在三維空間內靈活聚焦、偏轉以及偏轉聚焦，可以用來模擬針灸的提插、捻轉及進針角度的變化，更適宜于模擬傳統針刺手法。其中，相對于平面直角二維相控陣，圓形陣更容易實現聲束的傾斜、旋轉及“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，為坐標原點，為預期聚焦點，其在=0平面上的投影點為，超聲晶片的坐標點為，預期聚焦點到任一超聲晶片的距離為

從而，預期聚焦點到任意超聲晶片的聲時為

(2)

根據式(2)可以計算出所有晶片的聲時，找出最小聲時并與所有聲時取差值，即可獲得所有晶片的延時。

中國科學院聲學研究所東海研究站對二維相控陣超聲應用于針刺手法模擬及量化分析進行了探索性研究：設計了陣元個數為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實現了模擬。

表1給出了二種頻率下不同聚焦深度和有一定偏轉角的聚焦情況。其中，聚焦體定義為比焦點最大幅度低3 dB的長方體。更高頻率的信號源可使聚焦的區域更集中，實現對細小針形聚焦的實際模擬。但聚焦深度和偏轉角增加，聚焦體也增大明顯。

表1 不同參數二維相控陣聚焦信息表

綜上所述，傳統超聲“針灸”不能夠靈活對空間任意位置進行聚焦，而引入二維超聲相控陣可有效改善這一缺點；另外，在實際模擬中，還可以對激勵信號進行調幅處理，使聚焦區域更接近細小針形狀。同時，聲學參量作為一種可科學計量、可精確控制的物理量，可以為針刺相關參數的定量化提供一種新的技術思路。

4 結論

針刺手法的量化，將極大地促進針灸的精確重復、傳統針灸學術經驗的傳承、針灸療效的科學定量分析，并有利于發展適應科技進步的現代針灸技術。利用二維圓形超聲相控陣準確模擬針刺手法，可在一定程度上解決當前針刺手法量化研究過程中，因人為因素造成的量化評判存在差異性的問題；同時，還可促進非侵入式超聲“針灸”技術的發展。

未來還需在適用于超聲“針灸”的二維相控陣換能器設計、超聲相控陣聲場控制算法、聚焦方式的快速實現以及超聲“針灸”與傳統針灸行針之間的對應關系、針刺手法量化的多維度考量等方面做進一步深入研究，以更好地實現針刺手法的量化。

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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, 研究方向為超聲應用。

王歡, E-mail: wh_salas@126.com