周红生，王欢，董昌盛，杨红穗，张世功



超声模拟中医针刺手法量化技术研究进展

周红生1，王欢1，董昌盛2，杨红穗1，张世功1

(1. 中国科学院声学研究所东海研究站，上海200032；2. 上海中医药大学附属龙华医院中医肿瘤研究所，上海200032)

传统针灸腧穴定位、行针手法依赖于医生的临床经验，医生不同治疗手段就不同，所造成的治疗效果也不同，具有不可重复性，限制了中医学学术传承。针刺手法是针刺效应系统中的一个组成要素，针刺手法刺激量与针刺效应密切相关，针刺手法量化对于促进针刺技术进步和评价针刺治疗效果具有重要意义。在对针刺手法量化研究的发展、超声在针灸上的应用及相控阵超声技术在针刺手法量化进行综述的基础上，对二维相控阵超声应用于针刺手法模拟及量化分析进行了探索性研究，认为利用二维超声相控阵通过电子控制实现声能在皮下聚焦的深度、角度和强度的任意调节，准确模拟针刺手法，为针刺手法的量化研究、治疗手段的重复再现、治疗效果的科学计量提供了新的思路。

针刺手法；超声针灸；量化研究；超声相控阵

0 引言

针灸是针刺与艾灸的总称，最早见于战国时代《黄帝内经》一书，是中华民族的伟大智慧结晶[1]。针灸作为中医最具特色的一部分，已大规模走出国门，美国、澳大利亚、加拿大等发达国家陆续对针灸立法，是中医现代化进程中的重要组成部分。

传统针灸遵循中医望、闻、问、切互参综合辨证的“四诊合参”之法，腧穴定位、针刺手法多依赖于医生的临床经验，医者不同，治疗手段不同，造成的治疗效果就不同，相对而言具有不可重复性。

针刺手法作为针灸施术的基础，是实现补虚泻实、调整脏腑经络、气血阴阳的重要环节，与针灸疗效的发挥直接相关。作为针刺效应系统的主要组成要素，针刺手法的刺激量与针刺效应密切相关[2]。如果能够对针刺手法进行量化，就可以指导和促进中医针灸的临床应用与科学研究，获得更好的治疗效果，并且使临床研究更具科学性和可重复性。

随着现代科学技术的发展，传统针灸与声、光、电、磁等学科交叉，出现了一些新的针灸方法，给疾病治疗带来了新的手段，也为实现针灸的规范化和定量化提供了新的思路[3-5]。

1 针刺手法量化研究的发展

最早最具代表性的针刺手法的量化研究，是由石学敏院士提出的“针刺手法量学理论”[6]，对针刺作用力的方向、大小、施术时间、两次针刺间隔时间这四大要素进行了科学界定：作用力的方向是决定补和泻的重要因素之一；捻转补泻与作用力的大小有直接关系；施行捻转补泻手法所持续时间的最佳参数是每个穴位1~3 min；两次施术间隔时间的最佳参数为3~6 h，针刺治疗后其持续作用时间因病而异。

之后，围绕针刺手法的定量化，诸多医家和学者分别基于传统实验与临床、传感器检测技术、现代医学技术开展了大量的工作：

(1) 基于传统实验与临床的研究

吴松等[7]结合自身教学和临床经验，从刺数的多少、针具粗细、针刺深浅、手法轻重、留针时间等形成针刺治疗量的要素入手，总结了针刺治疗量与临床疗效的密切关系。周国祥等[8]采用不同手法针刺大鼠内关穴，以研究针刺手法对心肌缺血再注损伤和β-内啡肽的影响，结果发现，在减轻应激反应方面，捻转角度360°、频率200 次/min的强针刺刺激量效果优于捻转角度180°、频率60 次/min的弱针刺刺激量。姚凤祯等[9]对78例急性脑梗死患者头穴透刺时不同刺激量的即刻效应和远期效应进行了观察，发现捻转3 min组的运动指数提高程度与捻转0.5 min组相比，要明显占优。杨元华等[10]利用针刺手法仿真系统对捻转手法进行模拟，然后将33只大鼠随机分为轻刺激组、中刺激组、重刺激组和模型组进行血压测定，实验表明，轻刺激量捻转手法与中刺激量捻转手法均可以显著抑制血压上升，而重刺激量捻转手法对抑制血压上升的效果不明显。

(2) 基于传感器检测技术的研究

杨元华等[11]通过自行研制的针刺传感器，对针刺手法操作过程中参数的变化进行实时采集和观察，该针刺手法传感器采用半导体应变片作为检测元件，可以按X、Y、Z三轴方向对施术者在运针时的针刺手法进行参数检测。基于微小力传感技术和生物力学原理，李庆华等[12]研制了“针刺手法传感针”，通过该针的操作能直接在计算机中显示运针过程中传感针的受力波形。李靖等[13]运用高精度动作捕捉系统结合六轴力学传感器，可有效提高捻转手法的幅度、频率、力量及操作时间等指标的测量精度。

(3) 基于现代医学记录技术的研究

现代医学记录技术如成像技术、核磁共振技术等的不断发展，为针刺治疗效果的记录量化提供了新的研究手段。

利用超声成像技术，Helene[14]观察到捻转时结缔组织的胶原束缠绕在针体周围，并使用超声波量化组织的变化，结合半方差曲线(semi-variogram curve)的分析，定量评价了针刺操作时人体结缔组织动态结构的改变。运用功能性核磁共振显像技术，Bai L等[15-16]揭示了针灸穴位特异性与大脑的关系，实验认为，针对听觉、视觉、感觉、运动神经或机能和认知功能的传统针灸穴位只能调整对应其功能的大脑区域的活动性。

目前的这些针刺手法量化研究，虽然各有特点，代表了现阶段的研究水平，但仍具有一定的局限性。基于传统实验与临床的研究，更多是从医者的经验出发，要求施针者个人具有相对丰富的针刺经验，方能对针刺效果进行量化判断，如手法轻重的界定。如果开展大规模的临床研究，将会受到量化评判的差异性影响，不利于深入持续研究，这也是中医学至今未能打开黑箱的关键所在。基于传感器检测技术的研究，着重在于对施针过程中的定量检测，针刺参数的定量化高度依赖于传感器的精度。基于现代医学记录技术的研究，也只是运用显像技术对针刺效果的定性评价而已。

针刺手法和针刺刺激量与疾病治疗和机体反应直接相关，不同的进针角度、针刺深度、操作频率和幅度、行针时间产生不同的治疗效果。对相应的病症，如果在施针过程中能够有效确定并及时调整施针的角度、力度、强度及对应区域面积等参数，针刺治疗的有效性可能会大为提高；如果能进一步实现针刺手法的严密定量分析，则可提高针刺技术的可重复性。

频率大于20 kHz的超声波，具有较强的穿透性和指向性，独特的机械效应、热效应、生物效应，使得它可以被广泛应用[17]。超声波作为机械波，可以在强度、空间区域等方面进行精确控制，从而实现对施针过程的量化模拟。

2 超声在针灸上的应用

超声诊断和超声治疗是超声在现代医学上的两大类应用[18]。超声“针灸”属于超声治疗的范畴，它运用声能、热能等作为刺激手段对穴位进行刺激，使机体产生相应的生物效应，达到针刺穴位的效果，是传统针灸的一种创新应用[19]，其配合常规方法治疗冠心病、心绞痛、急性缺血性脑卒中等疾病效果显著，临床应用前景良好。

依据超声作用于人体的方式不同，超声“针灸”可以分为两类：

(1) 侵入式超声“针灸”：该方法是将超声波换能器和针灸针通过特定的夹具安装在一起，治疗时将针灸针刺入穴位后，声能通过针灸针作用于人体。

如实用新型专利[20]披露了一种超声波针灸仪，它将银针通过夹具连接在超声波换能器上，工作时超声波换能器产生的超声振动传送给银针，加强银针对穴位的刺激。但这类针灸的一个缺点是超声波在针灸针作用处是以导波的形式出现，而不是以聚焦声的场能量形式出现，这样声能对穴位的刺激量是有限的。为克服上述缺点，中国科学院深圳先进技术研究院的钱明等[21]，研制了一种聚焦超声波换能器，并将针灸针设置在换能器的中心轴上，超声波在聚焦面的轴线上可以形成聚焦区域并沿着声轴线方向聚焦在针灸针上，使得穴位处的能量更集中，有效地促进了针刺的疗效。

实质上，这类侵入式超声“针灸”只是对传统针灸的加强，没能有效发挥超声自身的特有性能，受针者仍然要承受针刺破皮时的轻微疼痛，对敏感人群的适应性差。

(2) 非侵入式超声“针灸”：用超声波发生器产生超声能量，通过特制的超声探头使声能直接作用于人体，这也是现在通常意义上的超声“针灸”。

当前的非侵入式超声“针灸”多采用自聚焦超声换能器[22]，可以是将压电材料直接制作成凹球面的超声换能器，它不需要再借助其他辅助手段便可实现输出声场的聚焦；也可以是在平面超声换能器的表面加上声透镜，通过声透镜的聚焦作用以实现超声换能器输出声场的聚焦。

非侵入式超声“针灸”具有对机体无痛无创、安全无感染、可消除针刺恐惧感等优点，其治疗效果也较为明显：刘真珍[23]利用聚焦超声辐照单侧足三里研究痛阀变化，发现超声辐照穴位下，其痛阀有明显升高，在治疗慢性腰背疼痛方面也有满意的效果；王彩霞[24]等随机分组观察197例确诊为冠心病心绞痛的患者，发现常规西医基础治疗联合超声刺激内关穴的治疗方法，疗效优于单独使用常规西医治疗；廖丛[25]研究发现聚焦超声穴位治疗相对于传统超声穴位治疗可以改善缺血缺氧脑损伤大鼠的前肢肌力。

腧穴是人体上与脏腑器官和有关部位相联系的特殊区域，它从属于经络，具有输注气血、反映病痛和感受信息的特性，又称孔穴、穴道和穴位[26]。穴位作为针灸时的针刺部位，并非仅为单个的点位而是一个具有一定线度的区域。其空间位置和线度对超声聚焦的要求应比较严格。

临床治疗时，根据病症的阴、阳、表、里、寒、热、虚、实情况和穴位深浅，采用不同的针刺手法，行针时提、插、捻、捣的频率、幅度和时间也不同。采用非侵入式超声“针灸”进行疾病治疗及针刺量化研究，需实现对经穴区域的精确刺激，另外还需对传统针刺手法进行准确的量化模拟，比如实现声能在皮下聚焦的深度、广度、角度和强度的任意调节等。

目前，非侵入式超声“针灸”在技术实现上采用单个元件通过物理方式实现声场聚焦，尽管这种方式对目标区域具有靶向作用，但由于其刺激区域仅为以焦点为中心的一个很小的类椭球区域，很难做到对穴位区域的准确覆盖，也不能随意调节焦域模式等，不具备灵活模拟针刺手法的条件，在一定程度上限制了该技术的深入研究和发展。

超声相控阵是由若干独立的阵元按照一定的形状和尺寸组合而成，不同的阵元形状和排列方式通过电子控制可产生不同特性的焦域。它的基本思路是通过调控各阵元的激发时序、激发数目、激发幅度、排布方式等，实现对产生的声束形状和声压分布的控制。超声相控阵的技术特性，从理论上为非侵入式超声“针灸”准确模拟传统针刺手法提供了实现的可能。

3 相控阵超声技术在针刺手法量化上的适用性

当前，超声诊断和超声治疗领域都不同程度地应用了相控阵技术。超声诊断主要指超声成像，目前成像应用的换能器已经大量采用了相控阵技术，其可在噪声较大的背景下获得良好的成像效果[27]。在超声治疗领域，研究者将相控技术引入到高强度聚焦超声(High Intensity Focused Utrasound, HIFU)中，研制了可用于超声治疗的矩形排布面阵、扇涡阵、凹球面活塞阵等相控阵换能器[28-29]，解决了传统HIFU技术的聚焦模式单一，无法实时调节聚焦位置和焦斑大小等问题。由于主要目的在于灭活病变组织，此类相控阵换能器的聚焦区域能量很大。

基于超声相控阵技术的针灸研究，目前文献较少。虽然李悦欣等[30]对利用凹球面压电陶瓷片分割成的6个面积相等的环域所产生的轴向声场进行了优化、模拟和验证等，最终得到了满足超声“针灸”的“针”形声场分布。但是，这种环状超声相控阵针灸设计方法，声场只能沿环的中心轴聚焦，声场形态虽呈“针形”，却不能实现“针”的捻转、进针角度的灵活变化等。

超声相控阵换能器按照维度可分为一维线性阵列、二维阵列和非整数维阵列；按照各阵元的形状又可为矩形、方形、圆形和环形等。二维相控阵分平面直角阵和圆阵，它们都能在三维空间内灵活聚焦、偏转以及偏转聚焦，可以用来模拟针灸的提插、捻转及进针角度的变化，更适宜于模拟传统针刺手法。其中，相对于平面直角二维相控阵，圆形阵更容易实现声束的倾斜、旋转及“针”形焦域的聚焦，其聚焦原理如下：

以超声晶片所在的平面为=0建立三维空间，如图1所示，为坐标原点，为预期聚焦点，其在=0平面上的投影点为，超声晶片的坐标点为，预期聚焦点到任一超声晶片的距离为

从而，预期聚焦点到任意超声晶片的声时为

(2)

根据式(2)可以计算出所有晶片的声时，找出最小声时并与所有声时取差值，即可获得所有晶片的延时。

中国科学院声学研究所东海研究站对二维相控阵超声应用于针刺手法模拟及量化分析进行了探索性研究：设计了阵元个数为61的二维圆形相控阵换能器，对声束在不同深度的聚焦和不同角度的偏转实现了模拟。

表1给出了二种频率下不同聚焦深度和有一定偏转角的聚焦情况。其中，聚焦体定义为比焦点最大幅度低3 dB的长方体。更高频率的信号源可使聚焦的区域更集中，实现对细小针形聚焦的实际模拟。但聚焦深度和偏转角增加，聚焦体也增大明显。

表1 不同参数二维相控阵聚焦信息表

综上所述，传统超声“针灸”不能够灵活对空间任意位置进行聚焦，而引入二维超声相控阵可有效改善这一缺点；另外，在实际模拟中，还可以对激励信号进行调幅处理，使聚焦区域更接近细小针形状。同时，声学参量作为一种可科学计量、可精确控制的物理量，可以为针刺相关参数的定量化提供一种新的技术思路。

4 结论

针刺手法的量化，将极大地促进针灸的精确重复、传统针灸学术经验的传承、针灸疗效的科学定量分析，并有利于发展适应科技进步的现代针灸技术。利用二维圆形超声相控阵准确模拟针刺手法，可在一定程度上解决当前针刺手法量化研究过程中，因人为因素造成的量化评判存在差异性的问题；同时，还可促进非侵入式超声“针灸”技术的发展。

未来还需在适用于超声“针灸”的二维相控阵换能器设计、超声相控阵声场控制算法、聚焦方式的快速实现以及超声“针灸”与传统针灸行针之间的对应关系、针刺手法量化的多维度考量等方面做进一步深入研究，以更好地实现针刺手法的量化。

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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

周红生(1973－), 男, 安徽东至人, 副研究员, 研究方向为超声应用。

王欢, E-mail: wh_salas@126.com