王伟东，孔抗美，王新家，吴仁华，沈智威

（汕头大学医学院第二附属医院，广东 汕头　515000）

电针刺激合谷穴在颈脊髓内效应的功能磁共振成像的初步研究

王伟东，孔抗美，王新家，吴仁华，沈智威

（汕头大学医学院第二附属医院，广东 汕头515000）

目的：观察比较穴位刺激与非穴位刺激的正常颈脊髓对针灸信号效应特征，初步探索脊髓针灸效应的作用机制，为探索针灸治疗脊髓损伤的作用机理提供一定的实验依据和方法。方法：16名健康志愿者按要求随机分成2组（每组8名）分别进行电刺右手合谷穴位和伪穴位，采用“静息-任务刺激-静息”的时段设计模式，共4次刺激，5次静息，各长35 s。获得的fMRI信号用AFNI软件进行后处理，得到激活信号与解剖信号的叠加图、激活信号值曲线。结果：神经功能激活区域大部分位于高位与低位颈脊髓平面，主要集中于C5～T1和C2～C3；5位志愿者在C2、C3、C5与C6平面脊髓前角出现神经功能激活；同时在C2、C5及C6平面对侧脊髓后角出现神经功能激活。电刺伪穴位组的脊髓fMRI激活结果：神经功能激活区域主要集中于C5～T1，高位颈脊髓未发现神经功能激活区；激活部位主要位于同侧脊髓后角。结论：利用单次激发快速自旋回波序列脊髓功能核磁共振技术能检测电刺合谷穴及其伪穴位时正常脊髓功能变化的信号，穴位刺激能引起更广泛的脊髓激活区域，高位脊髓激活区可能是针灸经络的特定激活区域；使用1.5T医用核磁共振机和常规颈线圈对脊髓损伤患者的脊髓功能核磁共振成像能检测到受损脊髓对电刺合谷穴时的神经信号，有助于评估脊髓功能状况。

脊髓损伤；磁共振成像

脊髓功能核磁共振成像（s-fMRI）检查是脊髓神经功能研究领域近年来的一个新进展，为脊髓神经功能评价和估计预后提供了一个新方法。功能核磁1990年面世以来，已被广泛应用于脑功能的研究［1］，而s-fMRI为脊髓神经功能评估提供一种新方法，使初始检查和随访结果更加详细和科学。Stroman等［2］和Kornelsen等［3］的研究均已证明了这种方法对脊髓神经功能研究的可行性和有效性。s-fMRI目前主要研究成果，s-fMRI可以可靠地获得较清晰的信号图像；温度觉刺激可以引起正常脊髓相应解剖位置的信号增强，不管是感觉刺激还是运动刺激，刺激的强度与功能核磁所反映的脊髓内信号改变在一定范围内呈正相关。s-fMRI的技术基础包括：血氧水平依赖性功能核磁与管外质子信号增强功能核磁（SEEP-fMRI）。研究认为s-fMRI提示脊髓神经功能活动信号增高的主要机制是激活区神经组织附近血管外水质子水平的改变，即血管外质子信号增强功能核磁。Stroman等认为局部血流增加导致血管外水含量增加，进而导致质子信号增强［4-7］，SEEP能在很短的弛豫时间里获得旋转弛豫像，因而所得到的图像质量更高。目前已利用fMRI对正常及损伤脊髓在不同形式的感觉、运动等刺激下的激活情况进行研究。虽然国内已有人开始尝试穴位刺激行脊髓功能成像的研究，但是至今尚未有相关论著的报道。

针灸治疗在脊髓损伤（SCI）神经功能修复的作用在临床应用中是得到肯定的，对其应用基础研究也取得一定的成果。针刺穴位治疗疾病的确切生理学机制尚不清楚，即穴位作为针刺的特异的作用点，是否通过一定的神经路径起到特定神经调节作用。本实验应用脊髓SEEP功能成像技术，对照研究电流刺激虎口区皮肤与电针刺激合谷穴颈脊髓神经功能激活情况，为应用SEEP-fMRI技术研究针刺经穴治疗相应疾病的脊髓中枢机制提供一些实验依据和方法。

1　材料和方法

1.1一般资料

16例健康在校大学生志愿者，年龄23～27岁，平均23.8岁，其中男15例，女7例，皆为右利手。所有志愿者检查前3天内无心理或精神异常，无颈椎病病史及颈椎外伤病史，检查前两周无针灸史。因为医学生之前有接触或了解针灸，能够体会到得气即“酸麻胀沉”感觉。

1.2仪器设备

MRI成像系统采用 GE公司 1.5T超导型SIGNA磁共振成像系统。电刺激仪：由汕头医用设备厂生产的脉冲型电针仪。

1.3脊髓fMRI成像参数

常规SE序列T2WI-flair作为解剖背影图像，参数为TR=1 065.0ms，TE=42.4ms，矩阵128×128。fMRI检查采用SSFSE序列，矢状位功能成像参数为TR=1 065.0ms，TE=42.4ms，视野（FOV）16 cm×16 cm，矩阵128×128，带宽（BW）32 kHz。矢状面扫描范围均可完全包纳脊髓，层厚2.8mm，层间距0.5mm，NEX 1，层数为7，每一帧图像扫描时间为1 s。扫描时于脊髓前方加用饱和带，以避免吞咽、心跳等信号对脊髓功能成像的干扰。轴位功能成像参数设定为TR=1 065.0ms，TE=42.4ms，视野（FOV）16 cm×16 cm，矩阵128×128，带宽 （BW）32 kHz。轴位扫描范围C3～C7，层厚7.0mm，层间距2.0mm，NEX 1，层数为7，每一帧图像扫描时间同样为1 s。扫描时于脊髓的左右及前方加用饱和带，以避免髓外信号的干扰。根据实验设计，每一层可以获得52幅图像。志愿者检查前安静休息30min，平卧在检查床上，闭目、放松，不思考问题；用棉球塞紧双耳，并用GE公司提供的海绵垫塞紧头部两侧，以防头部运动，嘱志愿者实验过程避免吞咽活动，减少对脊髓功能成像产生运动伪激活。

1.4刺激模式

见图1。

图1　扫描持续时间364 s；R为静息相；S为刺激相刺激 （与R静息时间均为35 s）；R1包含两次预扫描（14 s）共为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电流刺激虎口区皮肤

将一对表面附有自粘导电胶的刺激电极分别置于被试者右手虎口区皮肤。电刺激由治疗仪产生，选择刺激强度略高于被试者的感受阈限，故每次刺激被试者均可感觉到刺激部位有轻微的麻木感而不疼痛。

1.5.2电针刺激合谷穴

采用一寸银针 （避免铁制或铜制针的顺磁性伪影），直径0.30mm，针体长约40mm，由一位有经验的针灸医生进行取穴操作。刺激相采用方波、频率5Hz，输出电流为35～40mA，使受试者有酸、胀、热等感觉或局部肌肉节律性收缩。

1.6图像后处理及分析步骤

首先从工作站刻录出无序的DICOM图像格式数据复制到RedHat 9 LINUX操作系统内的一个文件夹。对SEEP刺激模式进行编程，然后将SEEP的364幅功能图进行排序、to3D处理、去动、空间平滑、去伪影、反卷积，具体的运算处理程序如下。①对SSFSE无序的DICOM文件按原有的顺序排序；②用GEDIT程序对SEEP-fMRI基线激活模式进行1D文件编程：前7个全为0，之后按每5个1，5个0的顺序依次排列（共计25次1，27次0），得到我们所设计的block组块模式；③对Block design进行标准化处理：#waver-GAM-input se*_stim.1D-TR 1＞se*_ideal.1D；④对解剖图进行to3D处理：#to3dspgr-prefix*；⑤对排序后的脊髓功能成像图文件进行to3D处理：#to3d-epan-prefix se*-time：zt 7 52 1 alt+z；⑥进行去头动处理：#3dvolreg-base 8 -prefix se*_reg-1Dflie se*_mot.1D-verb se*+ori；⑦空间平滑，去除噪音，提高信噪比：#3dmerge-1blur_fwhm 5-doall-prefix se*_reg_bl se*_reg+ orig；⑧3dAutomask去掉周边伪影：#3dAutomaskprefix se*_reg_bl_mask se*_reg_bl+orig；⑨反卷积处理：#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　结果

所有志愿者合作佳，均未感恶心、呕吐等不适感觉。针感刺激感觉明显，均获得满意的功能图像。表1与表2总结2个实验组不同脊髓平面所获得的神经功能激活区域。图2为AFNI分析软件分析获得的功能激活区时间曲线。

表1　电刺合谷穴模式下不同椎体节段和脊髓区域出现fMRI信号的受试者数目

表2　电刺伪穴位模式下不同椎体节段和脊髓区域出现fMRI信号的受试者数目

2.1电刺合谷穴组的脊髓fMRI激活结果

2.1.1不同脊髓平面所获得的神经功能激活区域

神经功能激活区域大部分位于高位与低位颈脊髓平面，主要集中于C5～T1和C2～C3；5位志愿者在C2、C3、C5与C6平面脊髓前角出现神经功能激活；同时在C2、C5及C6平面对侧脊髓后角出现神经功能激活。图3为一志愿者C2～T1的功能磁共振成像图。

2.1.2C2～T1的功能磁共振成像图

见图3。

图2　AFNI软件所绘的第6号受试者的信号强度-刺激模式曲线。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电刺伪穴位组的脊髓fMRI激活结果

神经功能激活区域主要集中于C5～T1，高位颈脊髓未发现神经功能激活区；激活部位主要位于同侧脊髓后角。图4为一志愿者C2～T1的功能磁共振成像图。

3　讨论

3.1脊髓fMRI激活

本研究采用先进的单次激发快速自旋回波序列（SSFSE）核磁共振及脊髓SEEP-fMRI成像方法成功地检测到正常受试者在电刺合谷穴与伪穴位下的脊髓fMRI激活信号。在电刺合谷穴刺激模式下，大部分受试者的脊髓都检测到fMRI激活信号。功能磁共振矢状位上可以发现信号主要集中在C2～C3 及C5～C7椎体节段 （对应C3～C4及C6～T1脊髓节段），横断位上可以检测到激活区域主要位于同侧脊髓背侧区域（表1及图3）。在电刺合谷穴的伪穴位刺激模式下，大部份受试者的脊髓同样可以检测到fMRI激活信号。功能磁共振矢状位上可以发现神经功能激活区域主要集中于C5～T1（对应C6～T2脊髓节段），激活部位主要位于同侧脊髓背侧区域（见表3，图4）；高位颈脊髓未发现神经功能激活区。

图3电针刺激合谷穴组一名志愿者的颈脊髓神经功能激活区域图：图3a为T1加权像矢状位解剖图像，功能激活区域主要位于C2/3及C5～C7水平。图3b～3h分别是C2～T1水平横断面解剖图，功能激活区主要位于C2 及C6的同侧脊髓的背侧区域；C3及C6的对侧背侧区域。

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.

图4电针刺激伪穴位组一名志愿者的颈脊髓神经功能激活区域图：图4a为T1加权像矢状位解剖图像，功能激活区域主要位于C4～T1水平。图4b～4f分别是C4～T1水平横断面解剖图，功能激活区主要位于C4～T1的同侧脊髓的背侧区域；C6的对侧背侧区域。

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.

合谷穴位于手阳明大肠经上，在手背第一、二掌骨间，当第二掌骨桡侧的中点处。该处在皮肤中有桡神经浅支分布，皮下组织中有上述神经及手背静脉网，深部有正中神经的指掌侧固有神经［8］。从以上合谷穴的位置与解剖中可以看出，针刺或按摩合谷穴时，受到刺激的神经主要为桡神经浅支，也可有正中神经的深支，该穴处桡神经浅支的神经纤维来源于第6颈神经，正中神经的指掌侧固有神经的纤维来源于第6颈神经至第1胸神经。沿桡神经的浅支向上追踪，可以认为，合谷穴处的感觉神经元细胞接受刺激后，将刺激信号沿神经传导通路经颈部的脊神经节和颈神经后根传入脊髓后角。既往的脊髓研究发现刺激正中神经得到C4～T1脊髓节段激活信号［9］，而对桡神经刺激可以得到C4～T2脊髓节段的激活［10］，在激活节段上的结果与本研究大致相符。我们认为合谷穴针刺后在脊髓fMRI的激活区域比对应的脊髓的实际解剖位置更广泛，并且具有相当的可靠性。本文的结果表明，电针合谷穴和其伪穴位均可激活C5～T1水平同侧后角脊髓，提示合谷穴对针灸刺激信号的传导通路与神经解剖传导通路具有共同之处。

穴位针感信号在中枢内的上行通路包括脊髓和脑内通路。脊髓上行通路：按照现代神经生理学的方法，躯体信号在脊髓内是沿两条途径上行入脑的，一条是背索通路，另一条是脊髓丘脑通路。大多数解剖学家把脊髓丘脑通路分成3条不同的束径：脊髓丘脑前束、脊髓丘脑侧束和脊髓网状束。传导触觉和痛觉、温度觉的纤维进入脊髓后在后角更换神经元，换元后的第二级神经元再发出纤维在中央管前交叉至对侧，在脊髓的前外1/4部分形成前外侧系的上行纤维，其中传导痛觉、温度觉的纤维走行于脊髓丘脑侧束，而传导触-压觉的纤维走行于脊髓丘脑前束，这些纤维中一部分抵达丘脑的特异感觉接替核，另一部分投射到丘脑的中线区和髓板内非特异感觉接替核。在颈髓的后角有第二级感觉神经元的胞体，其轴突上行组成脊髓丘脑侧束和前束，经脑干时两束靠拢称脊髓丘脑束，经延髓下橄榄核的背外侧，脑桥和中脑内侧丘系的外侧，终止于背侧丘脑的腹后外侧核［39］。本研究结果发现，合谷穴电针刺激能稳定引起高位颈脊髓平面神经功能的激活，尤其是C2～C3脊髓平面。提示针灸的机制有复杂的脊髓内神经机制与经络独特传感通道的存在［11-12］。

脊髓SEEP-fMRI理论基础：Stroman等认为在脊髓局部灰质血流量增加时，血管内压力也随着增高，尤其是动脉旁毛细血管系统。这种压力的变化改变了正常的流量平衡，加快跨血管外运动，导致激活区神经组织水质子水平的提高。SEEP能在很短的弛豫时间里获得旋转弛豫像。并能得到更高质量的图像。SEEP的生理学原理认为，神经激活区产生SEEP效应的一个因素在于局部水分子（质子）含量增多：当动脉及毛细血管系统血流量增加时，血管内压力随之增加，这种变化改变了血管和组织间隙之间的压力平衡，由于组织灌注压增加，细胞外液和细胞肿胀，局部组织水含量增加。Fujita和Ohta使用正电子断层扫描技术（PET）用放射标记的水分子示踪方法证明脑组织神经激活点处血管内向组织间隙单向外流的水分明显增加［13-15］。另一个因素在于激活区组织细胞肿胀，主要由星形胶质细胞介导。中枢神经系统中神经胶质细胞的数目是神经元数目的5～10倍，占脑、脊髓近一半的体积，也是最主要的fMRI信号产生源。星形胶质细胞维持着细胞外谷氨酸的浓度并在神经元与血管内物质的交换代谢中起着重要作用［16-18］，很大程度上影响着神经信号传导的效率［19-20］：神经轴突末端的囊泡将内含的神经递质（谷氨酸）释放入轴突间隙，引发相应神经元的去极化反应后，剩余的谷氨酸被星形胶质细胞吸收，这个吸收过程伴随3分子Na+和1分子H+进入胞～1分子K+出胞交换，这样神经元在激活产生动作电位的同时胶质细胞本身也发生了去极化［16］。研究发现水通道蛋白广泛地存在于神经组织中，尤以血管周围星形细胞突起末端的细胞膜上居多，K+出胞的同时由水通道蛋白aquaporins（特别是水通道蛋白4，Aqp4）将水分子转运入胞［21］，这种水通道上的K+～H2O交换机制决定着大脑神经组织与血管及脑脊液的主要水分子交换，也在脊髓神经元活动中参与了组织细胞内外的水分调控［22-23］。Anderson和Andrew等用动物实验也证实神经电活动引起神经元周围星形胶质细胞肿胀，水分增加的现象能成为功能核磁共振激活信号产生的基础［24-25］。大量水分子在星形胶质细胞间的移动形成了相当的水流，这种质子密度（水含量）的增减特性被应用于神经影像领域，用fMRI的方法就可以得到脊髓和脑组织中神经元活动的信息，成为SEEP效应的生理学原理基础。

3.2脊髓fMRI在脊髓损伤临床应用仍存在的困难和问题

s-fMRI技术是一项新兴技术，同脑功能成像一样有着广阔的研究前景，本研究使用1.5T医用核磁共振机和常规颈线圈开展脊髓功能核磁共振的初步实验，未使用额外的特殊磁共振设备，使脊髓功能磁共振的临床应用成为可能。将脊髓功能核磁共振技术应用于脊髓损伤的基础研究和临床是我们的目标。第一，脊髓的横截面积很小，外缘紧邻椎管内的脑脊液，在临床1.5T核磁的条件下需要较高的空间分辨率，才能显示脊髓的边缘，区分脊髓和相邻的髓外组织，获得较清晰的图像。第二，脊髓容易受到心跳、呼吸、肢体运动等方面的影响而发生微小的位移，进而引起图像重合不良产生伪影。第三，脊柱椎体和椎间盘的空间交替导致局部磁场不均匀，并可能与脊髓的微小位移产生交互作用，从而干扰血氧水平依赖信号。虽然脊髓fMRI尚未常规应用于临床，但这新型的无创技术是当前及未来的发展方向，具有广阔的应用前景。未来研究有望与其他成像技术的结合，如PET、磁共振扩散张量成像（DT-MRI）等，才能更好地深入研究诸多脊髓疾病的机制，增加对神经系统功能及损伤修复的认识，并准确的对SCI患者评估损伤、计划治疗策略及预后判断。

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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

王伟东（1980-），男，广东汕头人，主治医师。

孔抗美，汕头大学医学院第二附属医院关节脊柱外科，515000。

国家自然科学基金（No.81273862）。