韓春曉，王 江，鄧 斌，郭 義，劉陽(yáng)陽(yáng)

(1. 天津大學(xué)電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院，天津 300072；2. 天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)自動(dòng)化與電氣工程學(xué)院，天津 300222；3. 天津中醫(yī)藥大學(xué)針灸學(xué)院，天津 300193)

針刺是中國(guó)傳統(tǒng)的自然治療，兩千多年的臨床實(shí)踐已經(jīng)充分證明了其有效性，目前針灸已經(jīng)傳播到世界上160多個(gè)國(guó)家和地區(qū)，部分國(guó)家和地區(qū)已經(jīng)對(duì)中醫(yī)針灸立法，承認(rèn)其法律地位．?dāng)?shù)千年來(lái)，針灸者通常都是按照“經(jīng)絡(luò)、穴位”施治，然而，對(duì)于針灸具體是如何調(diào)節(jié)并影響機(jī)體各項(xiàng)生理機(jī)能的尚不清楚，因此針刺確切的作用機(jī)理的科學(xué)解釋亟待系統(tǒng)的闡明.

神經(jīng)系統(tǒng)是復(fù)雜的動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)，通過(guò)神經(jīng)電活動(dòng)調(diào)控著機(jī)體的各項(xiàng)生理機(jī)能．大量研究表明，針刺穴位能夠誘發(fā)神經(jīng)系統(tǒng)產(chǎn)生相應(yīng)的神經(jīng)電信息，因此神經(jīng)電活動(dòng)中必然蘊(yùn)含著針刺作用信息．隨著功能性成像技術(shù)、膜片鉗技術(shù)等現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)手段的發(fā)展，人們不斷嘗試從現(xiàn)代科學(xué)角度揭示針灸的效應(yīng)、作用機(jī)理和本質(zhì)[1-2]．對(duì)于針刺神經(jīng)電信號(hào)的研究，主要是借助EEG、fMRI等功能成像技術(shù)，研究針刺對(duì)神經(jīng)系統(tǒng)的影響，如尹玲等[3]采用功能核磁共振技術(shù)研究針刺對(duì)植物神經(jīng)中樞的影響；韓國(guó)學(xué)者Cho等[4]通過(guò)研究針刺對(duì)視覺(jué)皮層的影響，發(fā)現(xiàn)“針刺非穴位區(qū)不會(huì)引起視覺(jué)皮層神經(jīng)響應(yīng)”．然而這些研究主要集中于針刺作用對(duì)神經(jīng)系統(tǒng)高級(jí)中樞——大腦的影響[3,5-7]，且絕大部分給出的都是定性描述，而對(duì)于針刺神經(jīng)電信號(hào)由穴位區(qū)至高級(jí)中樞的中間傳導(dǎo)過(guò)程的研究卻鮮見(jiàn)報(bào)道．

足三里穴是臨床上常用的療效顯著的穴位之一，實(shí)驗(yàn)研究表明，當(dāng)針刺足三里穴時(shí)，處于針刺神經(jīng)電信號(hào)通路上的脊髓背根處會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的神經(jīng)電活動(dòng)．因此從神經(jīng)電信息的角度，以足三里穴為切入點(diǎn)，以處于針刺神經(jīng)電通路上的脊髓背根神經(jīng)電信號(hào)為對(duì)象，研究針刺對(duì)低級(jí)神經(jīng)系統(tǒng)的影響.

筆者通過(guò)對(duì)大鼠脊髓背根的針刺神經(jīng)電信號(hào)輸出響應(yīng)，系統(tǒng)地提取不同針刺手法作用下電信號(hào)的特征規(guī)律．首先從整體的統(tǒng)計(jì)規(guī)律出發(fā)，將小波理論與信息論方法結(jié)合，建立基于小波分解的小波能量熵的概念，通過(guò)計(jì)算小波熵量化指標(biāo)，得到不同針刺手法的能量分布；其次，提出時(shí)間窗放電頻率的分析方法，分析不同手法作用時(shí)針刺電信號(hào)的強(qiáng)度變化，提取不同針刺神經(jīng)電信號(hào)放電頻率隨時(shí)間變化規(guī)律；然后，采用峰峰間期的概念，通過(guò)變異性分析，得到不同手法的峰峰間期分布特點(diǎn)，得到神經(jīng)電信號(hào)的時(shí)間編碼特性以及放電規(guī)律．最后，采用多參數(shù)結(jié)合的統(tǒng)計(jì)分析方法，將針刺信號(hào)進(jìn)行有效分類和特征辨識(shí).

1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)獲取

1.1 針刺實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

本研究設(shè)計(jì)了以不同手法針刺足三里穴位的實(shí)驗(yàn)，獲取脊髓背根神經(jīng)束動(dòng)作電位序列[8]．實(shí)驗(yàn)對(duì)象為成年健康的雄性 SD大鼠，手術(shù)分離出位于外周神經(jīng)系統(tǒng)脊髓背根處對(duì)感受野敏感點(diǎn)在足三里穴位區(qū)的單個(gè)神經(jīng)纖維，然后采用 BIOPAC-MP150生理記錄儀對(duì)針刺誘發(fā)的脊髓背根神經(jīng)纖維放電進(jìn)行記錄，采樣頻率為40,kHz．圖1給出了實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思路.

為了研究不同針刺手法對(duì)低級(jí)神經(jīng)電活動(dòng)的影響，本文選取了臨床上常用的 4種針刺手法，分別為提插補(bǔ)法(tb)、提插瀉法(tx)、捻轉(zhuǎn)補(bǔ)法(nb)、捻轉(zhuǎn)瀉法(nx)，4種手法刺激頻率均為 90次/min.在每次實(shí)驗(yàn)過(guò)程中對(duì)足三里穴分別施加上述4種手法，每種手法施加 2,min，不同手法之間停止動(dòng)作留針 5,min，為了排除手法順序?qū)ι窠?jīng)電信號(hào)的影響，將施針順序打亂，按隨機(jī)順序施加手法.

本文主要對(duì) 9次實(shí)驗(yàn)中由 4種不同手法針刺足三里穴在脊髓背根處誘發(fā)的持續(xù) 60,s的神經(jīng)電信號(hào)進(jìn)行分析．圖 2給出了其中一組實(shí)驗(yàn)結(jié)果，由上到下依次為tb、tx、nb、nx作用下在脊髓背根處誘發(fā)的神經(jīng)電信號(hào).

圖1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)整體框圖Fig.1 Block diagram of experimental design

圖2 針刺足三里穴脊髓背根電信號(hào)Fig.2 Electrical signals from dorsal spinal nerve root based on acupuncture at Zusanli point

1.2 針刺電信號(hào)數(shù)據(jù)預(yù)處理

在對(duì)脊髓背根神經(jīng)電信號(hào)進(jìn)行采集過(guò)程中，由于外界電磁和實(shí)驗(yàn)對(duì)象本身呼吸等因素的影響，采集到的神經(jīng)電信號(hào)將受到噪聲不同程度的污染．這里采用小波閾值降噪的方法[9-10]對(duì)受到噪聲污染的的信號(hào)進(jìn)行濾波處理．圖 3(a)給出了一組經(jīng)濾波處理后的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果，由上到下依次為 tb、tx、nb和 nx．圖3(b)為圖 3(a)的局部放大圖，可見(jiàn)濾波效果十分明顯，濾波后信噪比顯著提高.

圖3 針刺足三里穴脊髓背根電信號(hào)濾波Fig.3 Filter of the electrical signals from dorsal spinal nerve root based on acupuncture at Zusanli point

2 針刺電信號(hào)聚類分析

2.1 小波能量熵分析

針刺電信號(hào)并非單一時(shí)間尺度信號(hào)，是具有統(tǒng)計(jì)自相似性分形特征的.小波分析作為多分辨率時(shí)頻分析的代表比通常時(shí)域統(tǒng)計(jì)指標(biāo)及頻域分析方法揭示更多的信息.由于小波變換結(jié)果中包含了大量的小波分解信息和數(shù)據(jù)，在通常的檢測(cè)方法中，特征提取都少不了人工的干預(yù)或?qū)μ囟ür的假設(shè)，因此沒(méi)有直接從針刺信號(hào)的小波分析入手，而是在小波分析的基礎(chǔ)上引入熵的概念來(lái)進(jìn)行研究，即小波能量熵.

這里把小波變換系數(shù)矩陣轉(zhuǎn)換成概率分布序列，計(jì)算其熵值，即小波熵，它反映了小波系數(shù)矩陣的稀疏程度，也就是信號(hào)概率分布的無(wú)序程度．對(duì)于單一頻率的周期信號(hào)，除了包含這個(gè)典型信號(hào)頻率的小波尺度，所有的其他小波系數(shù)幾乎都是零，此時(shí)信號(hào)的熵值將接近于 0；相反，由一個(gè)完全無(wú)序的過(guò)程生成的信號(hào)，在所有的頻段上都有小波系數(shù)，而無(wú)明顯差別，此時(shí)信號(hào)的熵值將接近于1.

多分辨率下的小波能量熵是以小波變換為基礎(chǔ)在不同的分辨率觀察信號(hào)，可以放大其局部特性，計(jì)算其熵值就能夠發(fā)現(xiàn)信號(hào)中微小而短促的異常，而傳統(tǒng)的方法由于直接根據(jù)信號(hào)的概率分布計(jì)算熵值，那些幅值小、持續(xù)時(shí)間短，統(tǒng)計(jì)分布所占比例小的信號(hào)很容易就被忽略，從而造成信息丟失．

設(shè)在某一時(shí)間窗內(nèi)(設(shè)窗寬為w∈N)，信號(hào)x( t)在m個(gè)尺度上的小波能量譜為 E1,E2,…,Em，信號(hào)總功率E等于各分量功率 Ej之和．設(shè) pj= Ej/E，則pj=1，于是此窗內(nèi)的小波總能量 WEE為

隨著窗的滑動(dòng)，可得到小波能量熵隨時(shí)間的變化規(guī)律．這里計(jì)算了不同手法作用時(shí)脊髓背根信號(hào)的小波能量熵平均值(WEE)，衡量每組間不同手法神經(jīng)電信號(hào)的能量比例關(guān)系．為便于觀察，將每組4種針刺手法實(shí)驗(yàn)得到的小波能量熵平均值進(jìn)行歸一化處理，如圖 4所示．結(jié)果表明，捻轉(zhuǎn)補(bǔ)法小波能量熵均值明顯高于另外3種手法，不確定度度量最大．

圖4 4種針刺手法小波能量熵分布Fig.4 Wavelet-entropy of neural electrical signals evoked by four acupuncture manipulations

2.2 單位時(shí)間窗放電頻率分析

針刺刺激引起的神經(jīng)放電信息蘊(yùn)含在動(dòng)作電位時(shí)間序列的放電頻率中[11]，因此本文中提出單位時(shí)間窗放電頻率的概念，從神經(jīng)電信號(hào)在單位時(shí)間段內(nèi)放電個(gè)數(shù)的統(tǒng)計(jì)角度入手進(jìn)行量化．單位時(shí)間窗放電頻率是通過(guò)設(shè)定時(shí)間窗，計(jì)算每個(gè)時(shí)間窗內(nèi)神經(jīng)電信號(hào)的放電個(gè)數(shù)，并對(duì)時(shí)間窗進(jìn)行平移，統(tǒng)計(jì)不同針刺手法刺激對(duì)應(yīng)的脊髓背根神經(jīng)電信號(hào)輸出響應(yīng)的強(qiáng)烈程度．

筆者統(tǒng)計(jì)了 4種針刺手法作用時(shí)脊髓背根神經(jīng)電信號(hào)單位時(shí)間窗平均放電頻率(Rate)，圖 5是歸一化后的時(shí)間窗放電頻率變化趨勢(shì)圖．其中，提插補(bǔ)法窗放電率最高，提插瀉法次之，而捻轉(zhuǎn)補(bǔ)法最小．從總體上看，提插法引起的脊髓背根響應(yīng)放電頻率要高于捻轉(zhuǎn)法．從臨床的角度，提插法的針刺刺激強(qiáng)度大于捻轉(zhuǎn)法，這也與得到的放電率關(guān)系所對(duì)應(yīng)．

圖5 4種針刺手法單位時(shí)間窗放電頻率分布Fig.5 Time-window spike frequency of neural electrical signals evoked by four acupuncture manipulations

2.3 峰峰間期變異性分析

峰峰時(shí)間間隔(interspike intervals，ISI)是指動(dòng)作電位序列中相鄰 2個(gè)動(dòng)作電位發(fā)放時(shí)刻的時(shí)間間隔．在ISI序列中蘊(yùn)含著豐富的神經(jīng)編碼信息[11]，因此原始的動(dòng)作電位時(shí)間序列可被簡(jiǎn)化為 ISI序列進(jìn)行各種檢驗(yàn)與分析．ISI的變異性可以用變異系數(shù)(coefficient of variation，CV)來(lái)表達(dá)，CV 定義為 ISI分布的標(biāo)準(zhǔn)差和平均值的比值[12]，即

統(tǒng)計(jì)了 4種針刺手法作用時(shí)脊髓背根神經(jīng)電信號(hào)的ISI變異系數(shù)，圖6是歸一化后的ISI變異系數(shù)變化趨勢(shì)圖．從總體上看，捻轉(zhuǎn)法的變異性要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于提插的變異性.

圖6 4種針刺手法的ISI變異性分布Fig.6 Coefficient of variation of ISI of neural electrical signals evoked by four acupuncture manipulations

2.4 聚類分析

通過(guò)特征分析，分別提取了小波能量熵平均值、單位時(shí)間窗放電頻率和ISI變異系數(shù)3類特征參數(shù)，將它們結(jié)合，可以構(gòu)成(變異系數(shù)-小波能量熵-放電頻率)3參數(shù)聯(lián)合分布空間，如圖7(a)所示，可以有效地劃分不同針刺手法引起的脊髓背根神經(jīng)電信號(hào)所對(duì)應(yīng)的空間區(qū)域圖7(b)通過(guò)(小波能量熵-放電頻率)雙參數(shù)空間有效區(qū)分了捻轉(zhuǎn)補(bǔ)法和提插補(bǔ)法，但捻轉(zhuǎn)瀉法和提插瀉法存在區(qū)域交疊；圖 7(c)引入了變異系數(shù)，將捻轉(zhuǎn)(補(bǔ)瀉)手法和提插(補(bǔ)瀉)手法明顯的劃分開(kāi)；特別地，圖7(d)表征的(變異系數(shù)-放電頻率)參數(shù)空間，既保留了捻轉(zhuǎn)補(bǔ)法和提插補(bǔ)法明顯的放電頻率分布特點(diǎn)，又通過(guò) ISI有效區(qū)別了在放電頻率分布區(qū)域重疊的捻轉(zhuǎn)瀉法和提插瀉法.

圖7 特征參數(shù)聯(lián)合分布Fig.7 Joint distribution diagram of characteristic Fig .7 parameters

3 結(jié) 語(yǔ)

設(shè)計(jì)了 4種不同的針刺手法針刺足三里穴測(cè)取大鼠脊髓背根神經(jīng)束動(dòng)作電位的實(shí)驗(yàn)，為深入了解不同針刺作用誘發(fā)的神經(jīng)電信號(hào)的規(guī)律，提出了小波能量熵、單位時(shí)間窗放電頻率和ISI變異系數(shù)等3種特征提取方法，對(duì)4種不同手法的針刺電信號(hào)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)學(xué)分析，得到了明顯的規(guī)律性結(jié)論，且研究結(jié)果表明，通過(guò)3參數(shù)的聯(lián)合分布能夠有效地區(qū)分4種針刺手法信號(hào)．在此基礎(chǔ)上，可以繼續(xù)在針刺手法神經(jīng)電信號(hào)的區(qū)別和特征辨識(shí)方面應(yīng)用更多的信號(hào)處理方法進(jìn)行分析和特征提取；還可以繼續(xù)擴(kuò)大針刺手法種類，將有效的方法應(yīng)用到更多針刺手法之上；結(jié)合分析得到的手法作用規(guī)律，建立針刺神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模擬針刺過(guò)程.

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