周艷艷 ，任媛媛 ，張凱亞 ，景柏榮 ，劉豪鋒

（1.陜西中醫(yī)藥大學(xué)，咸陽 712046；2.陜西中醫(yī)藥大學(xué)附屬西安市中醫(yī)醫(yī)院，西安 710021；3.西安電子科技大學(xué)，西安 710071）

針灸是中國在國際醫(yī)療領(lǐng)域中占有一席之地且有發(fā)言權(quán)的優(yōu)勢(shì)行業(yè)，在全球183個(gè)國家及地區(qū)應(yīng)用，并被逐步納入到多個(gè)發(fā)達(dá)國家的醫(yī)保體系[1-2]。這對(duì)針灸研究的標(biāo)準(zhǔn)化、客觀化提出了更高的要求，引用循證醫(yī)學(xué)理念和方法，使中醫(yī)針灸由經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｊ睫D(zhuǎn)變成循證決策模式，是提高針灸臨床療效并加快推廣針灸國際化步伐的關(guān)鍵所在[3-5]。

腦電圖損傷性小且操作性高，在臨床上應(yīng)用廣泛[6]。在針灸學(xué)研究中，腦電信號(hào)主要應(yīng)用于針灸機(jī)制的研究和針灸療效的評(píng)價(jià)兩個(gè)方面。腦電信號(hào)采集技術(shù)具有時(shí)間分辨率高的特點(diǎn)，可用于觀測(cè)腦區(qū)電生理活動(dòng)的實(shí)時(shí)變化，但局限于空間分辨率，尚不能根據(jù)不同穴位刺激的腦信號(hào)確定具體的活動(dòng)腦區(qū)，使得應(yīng)用腦信號(hào)研究的針灸作用機(jī)制受到諸多限制。隨著人工智能技術(shù)的到來，以機(jī)器學(xué)習(xí)算法為代表的信號(hào)解譯技術(shù)的發(fā)展，標(biāo)志著腦信號(hào)分析技術(shù)上升到一個(gè)新的層面。腦信號(hào)逆問題研究上的突破，使用遺傳算法、支撐向量機(jī)等在算法層面提高腦信號(hào)空間分辨率已成為可能，本文將從腦信號(hào)分析在針灸臨床中的應(yīng)用，腦電逆問題的研究進(jìn)展兩個(gè)方面，探討人工智能算法在針灸研究中的應(yīng)用。

1 腦信號(hào)分析在針灸臨床中的應(yīng)用

不同干預(yù)手段情況下，腦電信號(hào)能獲得不同腦區(qū)的電生理變化，具有極高的時(shí)間分辨率，可為多種疾病的針灸療效提供實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)[7-10]。在針灸學(xué)研究中，腦電信號(hào)主要應(yīng)用于針灸機(jī)制的研究和針灸療效的評(píng)價(jià)兩個(gè)方面。

1.1 腦電作為針灸療效的評(píng)價(jià)指標(biāo)

腦電分析技術(shù)從最初的時(shí)域特征，到利用深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)提取的統(tǒng)計(jì)特征，研究方法包含了線性分析、非線性分析、腦網(wǎng)絡(luò)分析等多個(gè)層面和角度。在針灸臨床研究中，常采用腦電的時(shí)域特征作為一種指標(biāo)，來評(píng)定針灸治療疾病的療效。武曉磊等[11]采用電針治療急性缺血性腦卒過程中發(fā)現(xiàn)電針能不同程度增加增快腦信號(hào)的波幅、頻率，其中頻率的變化更有臨床評(píng)價(jià)意義，從神經(jīng)電生理角度闡明了急性缺血性卒中采用電針療法確切有效，且提示腦電信號(hào)能作為針灸治療缺血性卒中的客觀評(píng)價(jià)指標(biāo)。但對(duì)于較為復(fù)雜的疾病，僅用腦電的時(shí)域特征對(duì)針灸的療效進(jìn)行分析和評(píng)價(jià)有一定局限性。為此，在計(jì)算機(jī)和醫(yī)學(xué)等學(xué)科交叉領(lǐng)域的研究中，對(duì)于腦信號(hào)的研究方法又提出線性特征分析和非線性特征分析，以探尋大腦這個(gè)非線性系統(tǒng)的細(xì)節(jié)變化、規(guī)律性和可預(yù)測(cè)性[12]。童基均[13]通過線性方法分析腦電功率譜，發(fā)現(xiàn)邊緣頻譜能反應(yīng)腦電信號(hào)能量分布比率并且和針灸鎮(zhèn)痛的程度存在很好的正相關(guān)性，可作為衡量針灸鎮(zhèn)痛程度的一個(gè)客觀指標(biāo)。劉詩琴[14]通過非線性方法提取失眠組大鼠腦電信號(hào)的熵和復(fù)雜度，發(fā)現(xiàn)失眠組大鼠腦電信號(hào)的熵和復(fù)雜度遠(yuǎn)高于正常組大鼠，并且針灸治療天數(shù)增加治療組大鼠的熵值和復(fù)雜度的值則降低且趨于正常值，從腦電信號(hào)的功率譜分布和非線性動(dòng)力學(xué)特性值的角度，闡明針灸能有效提升患者的睡眠質(zhì)量，且可采用腦電信號(hào)客觀評(píng)價(jià)針灸治療失眠的療效。腦電信號(hào)能實(shí)時(shí)化、客觀化地獲取患者腦區(qū)電生理變化，從多個(gè)層面和角度對(duì)其進(jìn)行分析，可作為判斷和評(píng)定針灸治療療效的指標(biāo)。

1.2 腦電作為研究針灸作用機(jī)制的分析方法

在針刺研究中，腦信號(hào)分析中的非線性動(dòng)力學(xué)分析方法因具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，為臨床中研究針刺作用機(jī)制提供了重要的參考[15-16]。黃曉真[7]根據(jù)患者腦電信號(hào)的近似熵和關(guān)聯(lián)維度，發(fā)現(xiàn)淺針干預(yù)主要是通過影響前額區(qū)、額區(qū)、顳區(qū)等效應(yīng)腦區(qū)的腦電信號(hào)來治療失眠。趙中亭[17]認(rèn)為“疏肝調(diào)神”針法能明顯改變創(chuàng)傷后應(yīng)激睡眠障礙大鼠異常睡眠腦電，可能是修復(fù)了海馬神經(jīng)元結(jié)構(gòu)加速重構(gòu)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)功能，繼而改善創(chuàng)傷后應(yīng)激睡眠障礙。王軒等[18]發(fā)現(xiàn)電針可改變戊四氮致癇大鼠腦電信號(hào)波幅、頻率等，調(diào)整各波段能量比重，提示針灸對(duì)戊四氮致癇大鼠的作用機(jī)制與電生理活動(dòng)有關(guān)。張艷等[19]觀察針刺治療發(fā)作間期癲癇患者腦電背景的變化，發(fā)現(xiàn)針刺治療癲癇療效確切，可能是針刺改善了腦電功率譜，增加了腦電基本頻率，使得腦電背景越來越穩(wěn)定以此發(fā)揮治療作用。Yang X等[20]觀察靳三針對(duì)腦卒中患者腦電圖的影響，發(fā)現(xiàn)針刺前后α波節(jié)律變化顯著，認(rèn)為針刺后α波振幅急劇增加可能是針刺治療卒中的電生理機(jī)制。林棟等[21]采用多元統(tǒng)計(jì)方式對(duì)提取的腦電信號(hào)進(jìn)行二次特征分析發(fā)現(xiàn)，淺針刺激山根穴能夠降低大腦的腦電信號(hào)復(fù)雜度，且這種變化主要集中在右額顳區(qū)及枕部，治療失眠的監(jiān)測(cè)過程中具有穩(wěn)定性、同步性和有序性。Liao F等[22]對(duì)25例腰痛患者進(jìn)行艾灸并觀察腦電圖，發(fā)現(xiàn)12例患者出現(xiàn)熱敏化且伴有θ、α和β頻段的功率譜密度增加。以上研究表明，使用非線性動(dòng)力學(xué)分析方法分析局部腦區(qū)的腦電信號(hào)，能夠提高分析精度，為針灸作用機(jī)制提供一條思路和方法，促進(jìn)針灸作用機(jī)制的研究。

2 腦電逆問題的研究進(jìn)展

通過腦電信號(hào)研究能夠很好地反映針灸-腦電的時(shí)間效應(yīng)，但在空間的追溯上存在一定的缺陷[23]。腦電逆問題是指根據(jù)腦電信號(hào)追溯真實(shí)確切的腦區(qū)分布，即通過盲源分離算法將表面采集的腦電信號(hào)還原成其基本的組成成分——腦源電信號(hào)，從而可以將腦電信號(hào)中的單個(gè)的腦源電信號(hào)識(shí)別出來并進(jìn)行分析。在人工智能領(lǐng)域，解決腦電逆問題并挖掘其應(yīng)用和發(fā)展空間，一直是腦信號(hào)研究中的重點(diǎn)內(nèi)容。

2.1 腦電逆問題的求解方法

產(chǎn)生神經(jīng)電活動(dòng)腦區(qū)并不是獨(dú)立的，即表面電極記錄的腦電信號(hào)反映的是在該位置周圍幾厘米范圍內(nèi)的腦電源活動(dòng)的加權(quán)和，因此腦電逆問題的解具有不唯一、不穩(wěn)定的特點(diǎn)，這使腦信號(hào)溯源算法成為具有挑戰(zhàn)性的研究課題。李建偉等[24]在研究中發(fā)現(xiàn)多維支持向量回歸機(jī)能夠有效地解決腦源追溯定位，解決腦電逆問題。邢大地等[25]發(fā)現(xiàn)采用自適應(yīng)改變遺傳算子的遺傳算法能夠避免腦電逆問題的解集中于局部最優(yōu)的情況，有效地提高求解質(zhì)量。陳穎等[26]將遺傳算法和RBF網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用到腦電逆問題的求解中，提示深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可解決腦電逆問題求解。

2.2 腦電逆問題的應(yīng)用

將腦電逆問題求解與運(yùn)動(dòng)意圖識(shí)別相結(jié)合作為新型的人機(jī)交互方式，在康復(fù)領(lǐng)域受到高度重視。Qin L等[27]采用單偶極子模型和源分布模型，解碼被試左右手的運(yùn)動(dòng)想象，以 80.6%的準(zhǔn)確率說明腦電信號(hào)源空間信號(hào)分析能夠識(shí)別左右手運(yùn)動(dòng)意圖。季淑梅等[28]利用腦電溯源方法，將腦電信號(hào)根據(jù)大腦皮層腦源信號(hào)的分布模式進(jìn)行整理重建，用大腦皮層源信號(hào)構(gòu)建一個(gè)頓悟狀態(tài)的腦網(wǎng)絡(luò)來探討頓悟可能存在的神經(jīng)機(jī)制。時(shí)頻分析在非線性信號(hào)分析處理中具有一定的優(yōu)勢(shì)，張立國等[29]將盲源分離算法引入到運(yùn)動(dòng)想象腦電識(shí)別研究中，發(fā)現(xiàn)將二階盲辨識(shí)算法和信息論特征提取算法相結(jié)合獲取的空間濾波器能夠反映更真實(shí)的大腦源活動(dòng)。陳黎黎等[30]指出利用獨(dú)立分量分析法對(duì)運(yùn)動(dòng)想象的腦電信號(hào)進(jìn)行盲源分離，能得到與運(yùn)動(dòng)想象關(guān)聯(lián)度高的腦區(qū)源信號(hào)，并用支持向量機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)腦區(qū)源信號(hào)的分類識(shí)別。

3 人工智能算法為針灸研究提供新思路

人工智能是目前研究的熱點(diǎn)，已列為我國的國家戰(zhàn)略。作為未來科技發(fā)展的戰(zhàn)略制高點(diǎn)，在醫(yī)工結(jié)合的趨勢(shì)下，人工智能從數(shù)據(jù)挖掘、智能識(shí)別、智能分析等角度，與腦信號(hào)溯源算法相結(jié)合，能從以下3個(gè)方面參與針灸的相關(guān)研究。

3.1 參與針灸效應(yīng)的評(píng)估

大腦皮層誘發(fā)電位是研究腦功能區(qū)活動(dòng)的重要方法，腦信號(hào)分析能從電生理的角度準(zhǔn)確地記錄腦區(qū)活動(dòng)，且具有較高的時(shí)間分辨率[31-33]。通過記錄腦電信號(hào)，采用大數(shù)據(jù)分析技術(shù)研究數(shù)據(jù)之間的差異性，為針灸效應(yīng)的研究提供了客觀支持。大腦作為人的神經(jīng)中樞，有著明確的腦區(qū)劃分，針刺通過對(duì)穴位的刺激或能引起多個(gè)腦區(qū)產(chǎn)生響應(yīng)。因此，使用整體腦信號(hào)的變化趨勢(shì)來衡量針灸治療效應(yīng)變得不再可靠。黃曉真[7]發(fā)現(xiàn)淺針干預(yù)在治療失眠的過程中，主要影響前額區(qū)、額區(qū)、顳區(qū)等多個(gè)效應(yīng)腦區(qū)的腦電信號(hào)。為得到一個(gè)更加精準(zhǔn)地反映治療效應(yīng)的指標(biāo)，用腦電溯源算法對(duì)腦電信號(hào)進(jìn)行處理，得到主要效應(yīng)腦區(qū)的變化情況，再結(jié)合智能分析算法中提到的能量、混合熵、差分矩、逆差分矩等高維度特征，對(duì)該效應(yīng)腦區(qū)腦電信號(hào)而不是整體腦電信號(hào)處理，為針灸治療療效提供客觀、實(shí)時(shí)、可靠、智能的衡量。

3.2 參與針灸機(jī)制的研究

基于人工智能理論的腦源分析方法，能有效提高腦信號(hào)空間分辨率，將傳感器采集的腦電信號(hào)轉(zhuǎn)換成空間分辨率較高的腦區(qū)源信號(hào)，從算法層面拓展腦電信號(hào)在針灸機(jī)制研究中的應(yīng)用。腦信號(hào)分析技術(shù)結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)中的非線性算法、主成分分析法等，在現(xiàn)有的傳感器采集技術(shù)上結(jié)合腦源追蹤算法，能不斷提高腦源信號(hào)的識(shí)別精度，提高腦電信號(hào)空間分辨率定位精準(zhǔn)的效應(yīng)腦區(qū)，為捕捉針灸實(shí)時(shí)且精確的神經(jīng)效應(yīng)通路提供技術(shù)支持。

3.3 參與并指導(dǎo)針灸臨床工作

在針灸的背景知識(shí)下，以機(jī)器學(xué)習(xí)為代表的人工智能技術(shù)與腦—機(jī)融合技術(shù)相交叉，在針灸研究上取得了突破，并應(yīng)用在穴位定位、智能配穴、針灸自動(dòng)化等方面。作為針灸治療過程中的一個(gè)核心問題——對(duì)“針感”或“得氣”效應(yīng)的反饋，無論是機(jī)器與患者，還是醫(yī)生與患者都是一個(gè)亟待解決的問題。隨著腦電信號(hào)的采集、分析技術(shù)日趨完善，結(jié)合其時(shí)間分辨率和空間分辨率的優(yōu)勢(shì)，可以在力學(xué)反饋的基礎(chǔ)上，提供電生理反饋，建立“配穴—施針—效應(yīng)—反饋—調(diào)整穴位”這樣一個(gè)閉環(huán)思路，使得針灸治療細(xì)節(jié)更加量化、標(biāo)準(zhǔn)化，促進(jìn)針灸向循證決策模式發(fā)展。

4 總結(jié)

腦信號(hào)分析是針灸研究現(xiàn)代化的方法和思路之一，應(yīng)用人工智能算法解決腦電逆問題追溯腦源信號(hào)，能更加準(zhǔn)確地定位效應(yīng)腦區(qū)，是醫(yī)學(xué)、生物信息學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)等學(xué)科的多學(xué)科交叉融合?；谥悄芊治龅娜斯ぶ悄芩惴ㄊ悄壳爸嗅t(yī)研究的主流，要求數(shù)據(jù)的完整性、規(guī)范化[34-35]，將其應(yīng)用在針灸研究及臨床工作中，有助于針灸由經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｊ较蜓C決策模式轉(zhuǎn)變，為針灸相關(guān)工作的開展提供新方法和新思路。