針刺手法量化以及仿真應用的研究進展

張虹巖,劉佳慧,宋晶,王東巖

(1.黑龍江中醫藥大學,哈爾濱 150040;2.黑龍江中醫藥大學附屬第二醫院,哈爾濱 150001)

針刺手法是通過刺法刺激人體的腧穴,以起到疏通經絡、溝通臟腑、調節氣血陰陽的作用,針刺手法是直接影響針刺療效的關鍵因素。中醫學針刺手法通常是以口述、示范傳授的方式家傳或師傳,或是文字記錄著書的方式傳承至今。致使諸多針灸大家的針刺手法不同程度的遺失,這也對我們中醫學文化承繼造成了很大的影響。隨著現代化的推進,完整、詳細、科學的傳承針刺手法已經成為針灸學科的熱點領域。近年來開展的針灸手法參數量化分析的學者日益增加,將傳統醫學與現代技術相結合,促進針刺手法量學發展,能夠準確記錄、分析針灸大家的針刺手法,讓更多醫學生能更精準和科學地學習、傳承名醫針刺操作,能很大程度提高臨床治療效果,并將中醫學推向世界。

1 針刺手法量學的由來

針刺手法的量化早在古典醫籍時期就開始形成了模糊的初步概念,在《黃帝內經》中就有對針刺補瀉手法的論述,如“瀉必用員,且而轉之……補必用方……微旋而徐推之”這也體現出針刺手法從古時就得到眾醫家的重視,并且有原文提到“刺之害中而不去,則精泄;害中而去,則致氣;精泄則病益甚而恇,致氣則生為癰瘍”,其表明針刺療效與針刺刺激量有著密不可分之聯系。后明代針灸名家楊繼洲在《針灸大成》中提出“刺有大小、刺有深淺”,他根據不同患者、不同疾病在針刺操作時有針對性地改變針刺量的輕重、針刺深淺的程度,初步形成了對針刺補瀉手法定量化這一概念,這也對后世醫學工作者產生了深刻的影響。90年代,有學者提出針刺手法的科研研究與實際臨床應用之間存在了很多不通之處,他認為針刺手法對臨床治療效果產生的影響比較有限[1]。后又有學者[2]提出要嚴格把控好針刺刺激量是臨床起效的關鍵,針刺手法的精良程度直接關系到針刺治療效果。至此還沒有明確有哪些具體因素會對針刺手法產生影響。

石學敏院士打破僵局,在研究古籍并且結合現代醫學的基礎上,首次提出一個既形象直觀,又具體精確的概念“針刺手法量學”。石院士給出了極具科學性的定義,總結出四大要素[3],針刺作用力方向、作用力大小、針刺施術時間、兩次針刺間隔時間,使針刺更規范穩定。石學敏團隊在長期的臨床真實案例中也證實了四大要素對針刺效果產生的影響是真實有效、客觀存在的。之后也有學者[4]對這四大要素進行了驗證補充,進一步證實量化針刺手法、結合四要素操作可以很好地提高臨床療效。石學敏院士后期提出對針刺手法量學的發展要結合現代科學技術,利用現代科技對針刺手法量化進行更科學、更準確、更直觀的界定。后代各醫家將生物學、物理學、工程學、計算機學等學科與針刺手法量化相結合,進行了諸多研究。

2 針刺手法量化的研究及發展

傳統的針刺手法主要師承口述、古籍記載的方式用文字進行傳達。雖然中國語言博大精深,對于各種針刺手法的描述也是躍然紙上,但是還存在著諸多問題。第一,文字的描述只能局限于肉眼可見的大體手法變化;第二,閱讀者對文字描述的理解千差萬別會導致針刺手法存在各種形式的差別;第三,沒有清晰完整的規律標準能讓操作者進行精準練習。所以,當針刺后施加手法的過程如何科學的表達出來,如何識別針刺手法各個參數是急需解決的問題。

2.1 通過儀器間接采集針刺手法力學參數

針刺手法測定儀主要是通過采集操作者在儀器上的針刺過程中毫針所傳遞出的力學變化,將其轉化成不同的參數,來進行針刺手法的科學表達。張會等[5]將物理學結合于針刺手法操作過程中,將針刺入人體時的受力情況進行分析,根據物理學知識研發出手法測定儀。儀器上的傳感器能夠檢測出針刺手法操作時捻轉、提插、擺動的物理量變。劉里遠等[6]觀察到針刺施加手法過程中手指用力的變化,故開發出能夠記錄針刺操作時力學變化的裝置,當運用提插、捻轉手法時可以記錄出毫針的頻率、速度以及強度。并在初步試驗中得出,操作者針刺頻率差異、補法瀉法的相反曲線、持續刺激時的曲線波動。楊華元等[7]制作出針刺手法參數測定儀,通過此儀器可以將針刺手法提插、捻轉、搖擺的手法動作轉換成電信號,與此同時測定儀將其記錄保存,所得到的電信號參數能夠客觀提供針刺操作時力學變化情況。以此為基礎該團隊又對針刺手法的受力分析進行進一步研究[8],通過物理學知識從針刺手法操作時的受力分析中找出其中物理量的變化特點以及規律,進而研制出計算機針刺手法模擬系統[9]。而后劉堂義等[10]開發了“ATP-I型針刺手法參數測定儀”,該儀器能夠采集針刺手法操作時的多種參數。此儀器上設有配套的操作軟件,進過模-數轉換形成的數字信號進行分析,儀器所能采集到的參數包括頻率、峰值、位移、離散度等,分析后的數值可以直接保存在計算機內以供調用。針對這些參數的處理,該團隊又研制出與其配套的“針刺手法參數分析”系統[11],對所得參數的數據進行分析,并給出相應的參數曲線。

2.2 通過人體腧穴直接采集針刺手法力學參數

針刺是要在人體上進行操作以達到治療疾病的效果,所以又有學者研制了傳感測定儀器,此儀器是可以直接連接到毫針上,采集毫針刺入人體肌肉時力學變化過程,將這一物理力學過程轉換為信號數據作為針刺手法的各個參數進行表達。丁光宏等[12]所研發的針體傳感器能夠將拉壓力和扭轉力矩微型傳感器安裝在臨床針灸針的針體上,操作者將針刺入腧穴后在針體末端施加手法,此時的作用力被傳感器檢測到之后信號傳至計算機,再通過專門的軟件進行分析處理。并用此針體傳感器進行了臨床實驗,研究表明,傳感針所得到的受力大小以及波形變化可以作為針刺手法量化的有效參數。李慶華等[13]針刺時手指所發生的力學變化相對較小,所以他們采用微小力傳感技術以及生物力學原理,研制出了一套可以監測針刺行針時力學扭矩變化的傳感針,傳感針所接收到的信號傳入相應的計算機軟件,能科學客觀地顯示出針刺操作時的各個物理參數。后應用此傳感針做了足三里穴針刺手法的臨床試驗,分析結果顯示出傳感針在針刺過程中能敏感地檢測出行針手法的波形,證實它可以為針刺手法量化提供科學依據以及具有重要意義。

2.3 通過運動視頻量化針刺手法

在針刺手法儀器研制之初,大家都把焦點集中于毫針下力學變化的采集分析上,后有學者提出針刺手法是在腕部、手部整體運動下完成的,單純研究毫針力學變化還不足以詮釋針刺量化的全部內容,隨著數字化時代的發展,能夠觀察腕手整體變化的運動視頻進入量化研究范疇,它可以根據標注的運動點,對針刺整體運動過程進行解析量化探究。李靖等[14]在研究運動中使用了動作捕捉系統,對比針灸專家以及初學者在仿真皮膚上操作平補平瀉手法時針刺的幅度、頻率,采集的參數包括X、Y、Z各軸向的精準的捻轉力、操作時長等,定量的分析操作針刺手法過程中的行為特征,結果說明在實際操作中量化捻轉頻率的離散度以及捻轉前的操作時間這兩點十分重要。唐文超等[15]以運動視頻的形式記錄平補平瀉手法的操作過程,并且使用Simi Motion 3D系統對所得到的運動視頻進行運動圖像解析,分析針刺時 4個事先標記的跟蹤位點所形成的運動參數。這種形式能夠較為客觀細致地記錄針刺時手指、關節的運動特點,對于針刺手法量化的研究具有參考價值。之后該團隊又進行了進一步研究[16],應用自組織特征映射神經網絡分析由上述 3D系統所捕捉到的運動圖像并導出采集教師的提插手法的各項參數,從而分析研究手法分類及其特征。分析顯示教師針刺手法參數為離散度較大的非正態分布曲線,呈現出多樣性特征,即“人為控制曲線”,根據個人操作的針刺手法難易程度曲線發生變化。根據曲線可以對補法、瀉法進行分類,此研究將補法分為4類、瀉法分為5類。通過實驗研究說明,運動視頻可以用作針刺手法量化的研究,對傳承專家手法、針灸操作標準化等均具有參考意義。

2.4 通過多學科技術量化針刺手法

針刺手法量化的研究經過多年的實踐探索,眾學者從針刺量化不同切入點,結合各個不同學科,從多角度對針刺手法量化給出了不同的見解。LANGEVIN H M等[17]在研究中采用了一種新型的超聲技術,對針刺手法的定量化進行了研究。觀察到在計算機控制下的針灸針旋轉、上提、下按時的運動過程,能夠繪制以及定量分析操作時的組織位移情況。發現旋轉量的增加對提針、按針時的組織移位具有顯著的線性影響。郭彥[18]首先設計了測量手法的傳感器以及高速采集系統,再通過串口將數據導入計算機進行顯示、儲存,在軟件MATLAB中對得到信號波形進行時域、頻域的分析,最后對手法進行判別。他們的研究選擇較為容易的針刺手法(提插法、捻轉法)進行研究,只能對基礎的提插力、捻轉力進行分析且只考慮到了均勻提插以及捻轉,之后還需要對其他手法以及手法的不同操作形式的采集再做進一步改進。裴昕等[19]由于針刺會引發神經系統放電從而以產生的電信號來傳遞信息,動物實驗利用可視圖方法,對針刺動物產生的電信號進行網絡建模,觀察到在不同的針刺頻率下產生的各種放電模式,然后對這些不同的放電模式進行量化,提供了對針刺手法進行量化的另外一種新思路。

2.5 針刺手法結合計算針灸學

針灸發展至今,傳統的針灸學主要由幾千年的臨床實踐以及傳承的古籍理論支撐。80年代“實驗針灸學”[20]這一新概念學科被推上針灸的歷史舞臺,主要通過科學實驗對針灸發揮作用的原理進行深入探究,隨著時代的發展、信息時代的到來,“計算針灸學”應運而生[21],它是根據信息時代下的數據體系與傳統針灸學精密聯合,用于針灸學目前為止沒能解決的各個問題,這門新興科學將針灸學與多種現代學科交織于一體,為針灸學的發展開辟出嶄新的研究方式。計算針灸學是根據傳統針灸學所提供的理論基礎,以及實驗針灸學所提供的實驗數據,對所得信息進行數字化建模,根據對所得數據統計分析探究針灸發揮效應的原理及機制,最后計算出最有利方案并預判未來發展方向。計算針灸學的出現更進一步證實針刺手法量化的時代進展情況,一直以來各醫家致力于針刺手法的研究與計算針灸學的主體內容高度切合,針刺手法量化就是將針刺過程數字化、信息化、標準化,能從嚴謹科學的角度將針刺手法進行量化分析。郭義教授團隊聯合楊華元教授團隊、王江教授團隊,通過 ATP-Ⅱ針刺手法測定儀對針刺手法進行采集,將其得到的特征參數建立數據庫,將針刺手法參數特征構建數學模型用數學語言科學表達;發掘出針刺手法基于神經電信息的一部分作用規律;并發現不同的針刺手法所產生的神經電信息存在不同,這也屬于針刺手法不同導致針刺效應存在差別的一種發生機制[22]。這種結合數學、神經電生理的研究客觀科學地為針刺手法量化提供了有力依據,將計算針灸學完美引入到針刺手法量學當中。

2.6 針刺手法標準化

中醫針灸標準化在20世紀的開始發展,國家對此也愈發重視,將中醫藥標準化提升至國家戰略水平[23],自此針灸標準化進程在國內外得到很大的支持,國內目前對針灸標準化方案相對完善,對針灸基本部分的基礎、技術、器具、管理都給出了明確標準,并對針灸標準的推行也有其相關的管理、運行、實施監督、推廣、服務保障體系[24]。臨床針刺治療過程中雖然存在著很多個體化的方式方法,但是大體的針刺過程萬變不離其宗。根據觀察大量臨床操作時的整體流程,將其中共通的操作流程做標準化要求,制定出標準方案也是針刺手法量化的一種思路。李靖等[25]編制出《針刺基本手法操作行為量表》,經過德爾菲法檢驗效度后,對該量表進行了實驗,用此量表評估醫師、學生的計算評判間信度,并且比較針刺手法操作過程給出評分。結果顯示可以用此量表對針刺手法操作過程進行評估,此量表的出現,細化了操作手法特征,實現了對操作手法定量化、規范化。國際上對針灸學科給予十分的肯定,并將其正式歸為“人類非物質文化遺產”[26],但針灸國際標準化水平還存在諸多問題,比如國際標準覆蓋面較小、多系統之間的標準重疊、標準化人才的缺失等[27]。因此目前我們要繼續發展并完善中醫針灸標準化,解決國內外尚存的問題。

3 針刺手法仿真

現代醫家對針刺手法量化的研究一直在不斷突破,定量、客觀地描述和記錄手法,運用現有的科學技術手段所得到的參數,是為了能夠仿真復刻出歷代醫家各具特點且臨床效果極佳的針刺手法,將科技成果運用于現實、服務于現實才是科研的最終目標。

3.1 針刺手法參數輸出的仿真模擬

將針刺手法量化所得到的數據信息帶入實際操作時,雖然操作者可以通過反復練習達到一定的穩定操作水平,但這其中的過程是漫長的,因此制造出精準的仿真機械是可以代替一部分的實踐操作,用來滿足精準的針刺手法輸出的需求。胡銀娥等[28]認為能夠記錄、量化、分析手法還是不夠,還要將所得到的科學化、數字化的針刺手法仿真出來,研制出“ZSF-I型針刺補瀉手法仿真系統”,它可以確保針刺手法各參數定量、規律的輸出,ZSF-I具有小、中、大3個不同刺激量,它可以確保實驗精確地可重復性。但是它的不足表現在不能還原采集到的專家手法參數,不能對專家手法進行仿真。該團隊也對仿真系統提出了構想[29]用來解決專家手法仿真這一問題。周紅生等[30]提出可以應用二維圓形超聲相控陣來模擬傳統針刺手法,這樣在理論上可以解決目前傳統針刺時,人為操作中仍無法精確量化的問題,這種模擬傳統針刺方法的“超聲針刺”從另外一種維度來實現針刺手法量化的課題。

3.2 針刺手法的量化輸入與仿真輸出

仿真儀器的發展過程中又出現了新的挑戰,如何能將量化儀器所得參數直接用仿真機械模擬出來,能讓收集到專家、國醫大師的手法完美重現。眾學者又進行了進一步的開發研究,馬明宇等[31-32],對智能量化機器人進行了設計開發,研制出既能對針刺手法進行量化,又能檢測針刺效應的智能化機器人系統。通過構建多傳感系統、人機交互軟件、數字信號控制系統來獲取針刺手法操作時的特征參數,再將獲得的參數控制機器手進行模擬仿真針刺操作。這一智能機器人系統不僅能對針刺手法量化、檢測所得到的參數進行輸入,還能將采集到的特征參數進行模擬仿真輸出,這種智能機器系統是未來世界的發展趨勢,對各門學科的發展都有著重要意義。楊華元[33]設計運用ZigBee無線傳感技術研制出更科學、效率更高的針刺手法采集系統,并將所獲得的手法參數數據信息無線傳輸至仿真機械手,經過接收器轉輸出使機械手完成針刺手法的仿真。此裝置集針刺量化、仿真于一體,新型裝置的完成能夠解決針刺研究的諸多問題。

4 針刺手法的教學與科研應用

針刺手法記錄分析的最終目的還是為了將這些手法精確地教授給一代又一代的中醫人,讓我們針灸學科得到更好地傳承與發揚,能夠讓針灸這一歷經幾千年文化沉淀的中華瑰寶逐步走向國際標準化的進程。所以將針刺手法復刻仿真用于科研實驗,將采集到的針刺手法參數標準用于教育教學也是針刺手法量化發展的重要組成部分。

4.1 針刺手法實訓系統

現代針灸教學多數還是以傳統的書本教學為主要方式,也有高校開展了實訓操作,但大多還是以硅膠假體作為載體,讓學生感受針刺手感,這種方式實際操作感受不強,教學效果有限。在針刺科研實驗當中,主要以同一實驗人員完成針刺操作,但這種方式還是避免不了手法操作存在誤差。所以在針刺手法開展現代化、數據化、標準化的今天,針刺手法實訓系統陸續面世。顧星[34]研制出了一種能夠用于教學的針刺手法測定儀,告別以往口述式教學,讓學生通過傳感系統感受到提插、捻轉手法操作時力度、深度的運針過程,并能直觀地觀察到操作過程中的針刺手法波形變化。楊華元等[35]對針刺手法參數測定儀做了進一步開發研究,使所采集到的針刺手法具有可比性、可重復性,還可以對針刺手法進行整理評估,不僅克服了傳統針刺教學的口頭描述,為針刺教學提供科學性依據,并且能夠量化手法參數用于科研研究。為了更進一步明確各個參數的分析方法,胡銀娥等[36-37]根據針刺手法參數測定儀所得出的參數特征,開發了以適用的聚類分析方法為核心的信息軟件,對手法參數之間的規律、關聯進行更加有效的分析。楊霖等[38]采用WEKA軟件對6種參數進行數據挖掘與分析,分析結果說明對針刺手法參數進行數據挖掘以及分析對于針刺手法量化有重要的參考意義。牛溪野[39]通過前期對針刺過程進行量化分析,對毫針刺入機體時的力學變化也進行了深入研究,根據所得力學信息選擇適用的傳動裝置,對各部分元器件進行了多次分析并建立三維模型,然后結合物理學、生物學、虛擬現實構建控制系統,設計出了一套能讓操作練習者感受到力感變化的針灸仿真訓練裝置。張奧等[40]基于光學動作捕捉系統設計出一種新型針刺手法實訓考核儀器,將光學捕捉系統采集到的各個參數(包括“押手動作”作為其中參數)做真實全面的記錄,并做出智能化分析。此儀器不僅能記錄專家針刺手法,對各個參數進行量化分析,能將專家手法轉化成數字化參數提供時訓教學、操作考核、科研實驗等多種功能。楊旭明等[41]建立了面部腧穴的定位系統,通過獲取多名專家針刺面部腧穴的精確位置,將人面部圖片上傳至系統后即可識別并標注出專家最優的面部各腧穴坐標位置,這一系統可以讓操作者更直觀具體地學習面部腧穴定位、針灸處方、模擬專家精準針刺定位。

4.2 針刺手法虛擬現實系統

針灸學與計算機技術進行高度結合,計算機技術可以使傳統中醫針灸的操作過程更科學真實。運用虛擬現實技術,讓針刺操作不僅僅局限于文字描述之中,使整個針刺過程更立體多維地展示出來。LEUNG K M等[42]觀察到針灸專業學生在學習、練習針刺過程中為求真實只能在人體上進行操作,他們開發了“中國針灸觸覺式手法模擬儀”,3D立體的顯示在針刺操作時提供逼真的觸覺反饋。這套系統可以三維立體的感受到針刺過程為針刺教學提供了便利,但這套系統并不能滿足記錄針刺手法、給出各個參數等要求。姜雨晨等[43]研究針刺手法仿真系統,在虛擬人體上實現針刺手法的VR再現,提供的虛擬現實環境是以數字化技術為核心,建立能體現出針刺過程力度、針刺位移以及針刺速度的傳感器,并搭建反饋系統,使操作者能真實感受到計算機中采集到的專家針刺手法,在此系統的人機互動操作平臺進行實際操作時,能夠給操作者反饋到接近于真實針灸的反饋力,并且在計算機中選擇針刺不同組織部位時能感受到不同的力感變化。在操作者進行實際訓練時,計算機顯示的身體組織圖像、虛擬針反饋的真實且靈敏的觸感,對針刺手法實現了 VR再現,在仿真的同時滿足了教學需求,使得操作者在虛擬現實的體驗中感受專家手法針刺全程,并在感受中不斷學習專家針刺手法。姬宇程等[44]認為蒙醫針刺手法相對于傳統中醫的手法相對簡單,學者們對上肢不同腧穴進行在虛擬環境下的建模,為了從多維度觀察蒙醫操作手法。然后運用傳感設備在虛擬現實的條件下將力學數據傳遞給操作者,使操作者具有模擬現實的感覺從而學習針刺手法。

5 問題與展望

綜上所述,針刺手法量化從上個世紀90年代就開始了不斷深入的研究探索,不僅對針刺手法量化這一問題進行剖析鉆研,對其衍生出的手法仿真以及實際應用也做出了思考與探索。現有儀器所采集到毫針的參數、曲線等實驗數據通過分析研究可以得出針刺過程中指下施加的物理刺激量,物理刺激量的差異成為不同針刺手法對疾病能產生各異的治療效應這一理論的有力證據。計算針灸學引入針刺手法量學后,可以用數學語言科學表達針刺手法特征,將信息時代下的數據體系與傳統針灸學精密聯合,使得針刺手法量化更加數字化、信息化、標準化。目前針刺手法量化已經達到了一定的現代化水平,針刺手法仿真輸出系統以及科研、教學應用的部分成果也得以實現,但仍然存在以下問題,首先,不難發現各個醫學工作者從采集方式、參數標準、分析方法等均沒有統一標準,這也使得整體研究進程呈現多樣化、參差化,導致現在還是沒有能夠大規模推行實施的針刺手法量化方案,因此筆者認為應該將現有各個研究的優勢綜合統一,并總結出一套可實施的、可重復的標準化量化實驗方案,這樣才能使各個團隊之間互相參考,共同進步,整體推動針刺手法量化的研究進展;其次,到目前為止還是沒有能夠全面且準確計算出針刺手法刺激量的儀器。歸根結底,量化針刺手法是為了能在針刺實際臨床應用中提高治療效果。中醫傳承至今,有一獨特優勢仍是西醫所無法企及的,那就是“辨證論治”,其在針刺治療過程中不僅從選穴能夠體現出來,還可以從手下、指尖的行針手法上加以變化從而達到不同的治療效果,針刺治療中“量”與“效”的研究是熱點也是難題[45],所以研制出能夠準確量化針刺手法的儀器將是針刺手法量化的關鍵問題,只有完成了對“量”的透徹分析,才能繼續攻克針刺量與效之間的難題。未來醫者們還是要研究一套具有規范性、可重復性、科學性的標準化量化方案,并且結合物理學、計算機學、生物學等現代科學研發出毫針施加手法過程中外力所施加在腧穴內部的三維參數,不僅能檢測針刺深度、針刺角度、捻轉頻數,還可以測量出腧穴內所產生的能量強度(如行針過程中所產生的熱能)的精密儀器來繼續針刺手法量化的科學研究;其衍生出的手法仿真系統能夠精準復刻出各具特點且臨床效果極佳的針刺手法的各項參數;在科研教學的實際應用中也要從虛擬現實角度出發,使體驗人員能在虛擬環境中感受、體驗并學習到效果最優的針刺手法精髓,以此來充實針灸現代化理論、揭示針灸起效機理、闡明針灸的量效關系,全面推動針灸從臨床經驗醫學向客觀、精準、科學的現代化中醫學發展。

在現在這個多學科齊齊綻放的時代,世界給予中醫展示的機會越來越多,國家也從各個方面全力推動中醫藥發展,針灸是中醫學范疇中最得到世界各國認可的學科,所以充實針灸傳統理論、完善針灸操作流程、規范針灸處方運用、推動針刺手法量化、精進針刺量化仿真機械、應用科技化針刺教學科研方法均是針灸學科逐步國際化的重要條件,是推動針灸發展的關鍵部分。