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基於生物電放大器的經絡阻抗研究
王學民 常曉劍 曹玉珍
(2017年03月10日) （杏林論壇第125期）
摘要 已有的經絡定位方法都是定性或半定量的，而經絡實質的研究需要一種定量的方法來實現經絡的準確定位。將低頻方波脈衝注入人體手掌的穴位，利用生物電放大器採集前臂一些部位的脈衝信號。根據經絡的低阻抗特性，響應信號的大小與阻抗成反比。用Fourier變換和小波分析方法對採集到的實驗數據進行分析處理，確定前臂響應信號的最大點，也即阻抗最小點，該點應在經絡上。連接阻抗最小點，在前臂皮膚上可以形成一條線。研究表明，這種方法得到的連線與傳統中醫對經絡的位置的描述一致。此研究結果為中醫經絡的研究提供了一種新的研究手段。
關鍵詞 經絡；生物電放大器；Fourier變換；小波分析
中醫是我國的三大國粹之一，是中華民族的瑰寶，有著悠久的歷史。經絡學說作為中醫理論內容之一，自形成以來一直指導著中醫的臨床診斷和治療，與針灸的關係尤為密切。
自春秋戰國時期經絡理論形成以來，各個時期都有學者進行經絡的研究。現代經絡研究始於20世紀50年代。到目前為止，中外學者利用多種現代技術，從不同角度揭示了經絡的存在及走向定位。其中具有代表性的包括機械叩診錘方法、電阻抗法、高振動聲法、紅外輻射軌跡測量以及PET等成像設備配合示踪劑檢測等。這些方法大多只給出了經絡在體表的大概位置，卻不能準確地描述經絡點與非經絡點存在的差別到底有多大，也得不到經絡的深度信息，而這兩點對於經絡實質的研究是非常重要的。因此需要一種新的能夠準確獲得這種差別信息的實驗方法來推動經絡實質研究向前發展。
1 實驗方法
前人的研究已經證明經絡對生物電具有低阻抗特性。這就是說在前提條件都相同的情況下，若用生物電放大器採集人體表面各點對於外部注入信號的響應大小，那麼沿經絡傳輸的信號衰減小，響應信號大；而沿非經絡組織傳輸的信號衰減大，響應信號小。若在某一區域放置足夠多的電極，生物電放大器就能夠測出該區域的信號大小分佈。通過對測得的信號進行處理，就能夠得到這一區域的阻抗分佈情況，進而獲得經絡在該區域的準確位置及走向。
1.1 信號採集系統
整個信號採集系統由以下幾部分組成：脈衝發生器、生物電放大器、36支圓盤電極，以及導電膏、細砂紙、醫用膠布、醫用酒精、刻度尺等輔助器材。參與實驗的7名志願者均為在校學生，其中5名男性、2名女性。選取合谷等穴位為脈衝信號注入點。脈衝信號為5Hz的方波，佔空比50%，幅值為10mV。這樣做的目的是避免信號幅值過大而使得注入點周圍的其他組織細胞興奮，形成動作電位，帶來不必要的噪聲，干擾最後的實驗結果。
選擇安靜的實驗室，房間內除了筆記本電腦之外，沒有明顯的電磁干擾源。實驗前，將注意事項告知志願者，以便順利配合實驗。實驗過程如下：
圖1 前臂電極橫向分佈線 Fig 1 Electrode's transverse line
around the forearm
圖2 前臂橫截面電極分佈 Fig 2 Electrode’s distribution in cross section of forearm
(1) 步驟一 實驗前，將志願者的前臂洗淨，用醫用酒精去脂，如有必要可用細砂紙輕輕打磨去掉死皮。沿其前臂縱向用4條橫線、9條縱線將所要研究的部位均勻分割，每個交點處用筆做一個標記。 36個點的分佈如圖1、圖2所示。把生物電放大器的36支電極塗抹適量的導電膏後，分別用醫用橡皮膏固定到已經作好的標記點上，並記錄電極與每個點的對應關係。
(2) 步驟二 把導電性良好的銅網裹在肘部作為生物電放大器的參考電極(參考極銅網的位置如圖1所示)，以降低噪聲提高信號的共模抑制比，將信號注入電極固定在預先選定的穴位處。
(3) 步驟三 設置生物電放大器的參數。放大器採樣率1000 Hz。選擇15Hz低通濾波，時間常數選擇0。1s，工頻50Hz陷波。開始實驗後，等志願者調整好狀態，情緒穩定之後再開始記錄實驗數據。為防止疲勞保證實驗數據的有效性和重複性，隔10 min讓志願者休息5～10 min。
(4) 步驟四 將脈衝信號移至其他穴位點以及非穴位點處，重複步驟一至三。
2 實驗數據的處理
2.1 算法原理
2.1.1 Fourier變換 Fourier變換是信號處理中比較常用的一種方法。
利用Fourier變換可以很容易地分析信號的頻率成分，它可以將時域的脈衝信號以及噪聲信號變換到頻率域上，使得信號的頻率特性一目了然。實驗中，頻率成分包括注入的脈衝信號、人體自身的電信號以及其他噪聲信號。與脈衝信號同頻率的信號是有用的，要保留下來，其他信號是噪聲要想辦法去除。而下面將要介紹的小波變換正好能夠保留有用信號同時去除噪聲。
2.1.2 小波分析小波分析(wavelet analysis)或者說多分辨率分析(multi-resolution analysis)在時域和頻域都具有良好的局部化特性，而且由於對高頻信號採取逐漸精細的時域或空域步長，從而可以聚焦到分析對象的任意細節。
(1) 小波基的選擇 小波基函數ψ(x)不具備唯一性，應用不同的小波基，得出的結果往往不同。在實驗中，通過對實驗數據的處理，對比各種小波基去噪和提取有用頻率的效果，最終選擇了db小波。 db小波是正交小波，同時也是雙正交小波，並且是緊支撐的。它的支撐範圍在(1-N)～N，db小波是非對稱的，其相應的的濾波器組屬於共軛正交鏡相濾波器組(CQMFB)。 db小波對實驗數據的中高頻噪聲濾除效果最佳。
(2) 小波分解 應用小波變換能夠將復合信號中的有用信號提取出來。因為在小波分解下，不同的尺度具有不同的時間和頻率分辨率，所以小波分解能將信號的不同頻率成分分開。小波分解過程如圖3所示。
圖3 小波分解示意圖 Fig 3 Schematic diagram of wavelet
transform
在小波分解中，若將信號中的最高頻率成分看成是1，則各層小波分解分別是帶通或低通濾波器，且各層所佔的具體頻帶為al: 0~0.5; dl: 0.5~1; a2: 0~0.25; d2:
0.25~0.5。
在實驗數據的處理過程中，增加分解層數就能得到更高精度的頻率定位，從而可以提取所需要的頻率成分，達到進一步抑制噪聲的效果。
2.2 實驗數據處理及結果
對於每一個信號注入穴位，選擇在空間位置上與它距離最近的5列電極採集到的數據進行研究。下面以從合谷穴注入信號為例，如圖4所示。黑點為手陽明經上的穴位點，點線為手陽明經。脈衝信號從合谷穴注入，選擇C、B、A、I、H五列電極採集到的數據進行處理。
圖4 前臂表面展開示意 Fig4 Unfolded view of forearm
對數據首先進行Fourier變換，明確數據中包含的頻率組成，以及各頻率所佔的比重。圖5(a)所示為小波去噪前信號的Fourier頻譜，橫坐標“1”代表信號中的最高頻率成分。容易看出中間有許多中高頻成分，在圖中表現為毛刺。
根據圖5(a) Fourier變換的結果，確定小波變換的層數。選擇“db3”小波基來進行小波去噪，也就是通過抑制信號中的中高頻頻率成分，來達到提取有用頻率成分的目的。去噪後這些干擾頻率成分都消失了，如圖5(b)所示，只保留了有用信號的頻率成分，信噪比得到了很大的提高。
圖5 小波去噪前後信號的頻譜 Fig 5 Spectrum before & after
wavelet de-noising
對小波去噪後的信號計算各導電極數據在每一個週期內峰對峰值Vp-p。 Vp-p最大的電極所對應的點就是該時間段內脈衝響應的最大點，也就是電阻抗最小的點。表1所示為在其中一名志願者的合谷穴注入脈衝信號所採集到的696組測量數據。每個數據表示對應電極的阻抗為最小的次數。可以看到阻抗最小的點很有規律，主要分佈在第B列的四個電極上，且合谷穴正好位於手陽明經上，如圖4所示。圖中畫“x”的四個電極的連線與手陽明經非常吻合。
表1 合谷穴注入信號的阻抗最小點分佈
Table1 Minimum
resistance point distributing of He-gu experiment
|
縱向 |
C |
B |
A |
I |
H |
|
1 |
160 |
213 |
162 |
84 |
77 |
|
2 |
88 |
325 |
132 |
151 |
0 |
|
3 |
43 |
295 |
74 |
164 |
120 |
|
4 |
40 |
260 |
153 |
148 |
95 |
將信號注入點選擇在非穴位點，進行相同的實驗和數據處理。同樣選擇5列電極採集到的實驗數據，處理結果見表2。由表2可以得出的阻抗最小點1E、2A、3E、4C，但是這四點的連線缺乏明顯的規律性，即阻抗最小點的連線不合理，與已知的其他幾條經絡都不吻合。因此，在非穴位點注入信號不能正確的定位經絡。
表2 非穴位點注入信號的實驗結果
Table2 Minimum
resistance point distributing of none meridian experiment
|
縱向 |
C |
B |
A |
I |
H |
|
1 |
114 |
111 |
73 |
60 |
183 |
|
2 |
207 |
58 |
111 |
1 |
164 |
|
3 |
12 |
80 |
129 |
51 |
266 |
|
4 |
21 |
144 |
214 |
69 |
93 |
對其餘6名志願者進行相同的研究，實驗結果基本相同。即在合谷處注入脈衝信號得到的阻抗最小點的連線與手陽明經吻合。當然由於高矮胖瘦的區別，電極在每個人前臂安放的位置會有一點兒差別，但是這並沒有影響實驗的結果。
同時，對手掌的其他3個穴位：勞宮、魚際、少衝等穴注入信號，用上述方法進行研究發現，阻抗最小點的連線與它們所在的手厥陰經、手太陰經和手少陰經都能很好地吻合。所以說，在穴位點注入信號得到的阻抗最小點連線就是穴位所在的經絡線，也證明這種方法有良好的有效性和重複性。
實驗中，除了得到經絡線外，還得到了各個採樣點處的信號的峰峰值Vp-p。這些數據是脈衝信號經過經絡、皮下脂肪、皮膚等組織衰減之後得到的，因而這些數據包含了經絡的深度信息。只要測得相應頻率下的經絡阻抗，以及皮下脂肪、皮膚的阻抗、厚度，建立皮膚淺層的模型，就有可能計算出經絡的深度。
3 結論
以上實驗結果表明：在穴位點注入信號，利用生物電放大器測量皮膚表面各點的信號響應大小，能夠得到人體表面的阻抗最小點，它們的連線與中醫描述的“經絡線”基本吻合。因而把生物電放大器測量阻抗最小點的方法應用到經絡研究中，不但可以定性的得到經絡的位置信息，還可以得到每個採樣點處信號的大小信息，以及深度信息，給經絡的三維重建提供了可能。雖然這種方法研究經絡尚處於探索階段，但是隨著實驗設備和方法的不斷改進，它必將會對經絡的研究產生積極的影響。同時，這種方法也有助於中醫的教學，可以讓學生更快更準確地了解人體的經絡。
參考文獻
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作者單位：天津大學精密儀器與光電子工程學院生物醫學工程系(天津300072)。
作者簡介：王學民(1961—)，男，博士，副教授，主要從事圖像處理、經絡、腦認知等的研究。
（此文刊登於2016中國特色醫療國際研討會暨中醫藥產品展銷會會議論文集）
（朱昱翎、包克新 校核）
