基于生物电放大器的经络阻抗研究

1、第26卷第4期2007年8月北京生物医学工程Beijing B i omedical Engineering Vol .26No .4August 2007作者单位:天津大学精密仪器与光电子工程学院生物医学工程系(天津300072作者简介:王学民(1961,男,博士,副教授,主要从事图像处理、经络、脑认知等的研究基于生物电放大器的经络阻抗研究王学民常晓剑曹玉珍摘要已有的经络定位方法都是定性或半定量的,而经络实质的研究需要一种定量的方法来实现经络的准确定位。将低频方波脉冲注入人体手掌的穴位,利用生物电放大器采集前臂一些部位的脉冲信号。根据经络的低阻抗特性,响应信号的大小与阻抗成反比。用Fouri

2、er 变换和小波分析方法对采集到的实验数据进行分析处理,确定前臂响应信号的最大点,也即阻抗最小点,该点应在经络上。连接阻抗最小点,在前臂皮肤上可以形成一条线。研究表明,这种方法得到的连线与传统中医对经络的位置的描述一致。此研究结果为中医经络的研究提供了一种新的研究手段。关键词经络;生物电放大器;Fourier 变换;小波分析中图分类号R318.04文献标识码A 文章编号1002-3208(200704-0365-04M er i d i a n resist ance research ba sed on b i oelectr i c ity am pli f i er WAN G Xue

3、m in,CHAN G X iaojian,CAO Yuzhen School of Precision Instrum ents and O pto 2electronics Engineering,Tianjin U niversity,Tianjin 300072【Abstract 】A ll of the meridian l ocati on methods are qualitative or half 2quantitative at p resent ti m e .while meridianessence reserch need an exact quantitative

4、 l ocati on method .I nfused square 2wave int o a point on the pal m ,and measured the electric signals of several parts at the f orear m.Acorrding t o the characteristic of meridians resistance,the res ponse signals are inversely p r oporti onal t o resistances .Pr ocessed the data which gained fr

5、om the bi oelectricity a mp lifier with Fourier transf or m and wavelet analysis,and f ound out the maxi m u m res ponse points with m ini m u m resistances which should be the meridian points .These points constitute a line and further study has s ome si m ilarity with the TC M.This research raises

6、 a ne w method f or TC M studying .【Key words 】meridian;bi oelectricity a mp lifier;Fourier transfor m;wavelet analysis中医是我国的三大国粹之一,是中华民族的瑰宝,有着悠久的历史。经络学说作为中医理论内容之一,自形成以来一直指导着中医的临床诊断和治疗,与针灸的关系尤为密切1。自春秋战国时期经络理论形成以来2,各个时期都有学者进行经络实质的研究。现代经络研究始于20世纪50年代3,4。到目前为止,中外学者利用多种现代技术,从不同角度揭示了经络的存在及走向定位。其中具有代表性的包括

7、机械叩诊锤方法、电阻抗法、高振动声法、红外辐射轨迹测量以及PET 等成像设备配合示踪剂检测等5。这些方法大多只给出了经络在体表的大概位置,却不能准确地描述经络点与非经络点存在的差别到底有多大,也得不到经络的深度信息,而这两点对于经络实质的研究是非常重要的。因此需要一种新的能够准确获得这种差别信息的实验方法来推动经络实质研究向前发展。1实验方法前人的研究已经证明经络对生物电具有低阻抗特性。这就是说在前提条件都相同的情况下,若用生物电放大器采集人体表面各点对于外部注入信号的响应大小,那么沿经络传输的信号衰减小,响应信号大;而沿非经络组织传输的信号衰减大,响应信号小。若在某一区域放置足够多的电极,生

8、物电放大器就能够测出该区域的信号大小分布。通过对测得的信号进行处理,就能够得到这一区域的阻抗分布情况,进而获得经络在该区域的准确位置及走向。1.1信号采集系统整个信号采集系统由以下几部分组成:脉冲发 生器、生物电放大器、36支圆盘电极,以及导电膏、细砂纸、医用胶布、医用酒精、刻度尺等辅助器材。参与实验的7名志愿者均为在校学生,其中5名男性、2名女性。选取合谷等穴位6为脉冲信号注入点。脉冲信号为5Hz 的方波,占空比50%,幅值为10mV 。这样做的目的是避免信号幅值过大而使得注入点周围的其他组织细胞兴奋,形成动作电位,带来不必要的噪声,干扰最后的实验结果。选择安静的实验室,房间内除了笔记本电脑

9、之外,没有明显的电磁干扰源。实验前,将注意事项告知志愿者,以便顺利配合实验。实验过程如下 :图1前臂电极横向分布线Fig 1Electr ode s transverse line ar ound the forear m图2前臂横截面电极分布Fig 2Electr ode s distributi on in cr oss secti on of forear m(1步骤一实验前,将志愿者的前臂洗净,用医用酒精去脂,如有必要可用细砂纸轻轻打磨去掉死皮。沿其前臂纵向用4条横线、9条纵线将所要研究的部位均匀分割,每个交点处用笔做一个标记。36个点的分布如图1、图2所示。把生物电放大器的36支电极

10、涂抹适量的导电膏后,分别用医用橡皮膏固定到已经作好的标记点上,并记录电极与每个点的对应关系。(2步骤二把导电性良好的铜网裹在肘部作为生物电放大器的参考电极(参考极铜网的位置如图1所示,以降低噪声提高信号的共模抑制比,将信号注入电极固定在预先选定的穴位处。(3步骤三设置生物电放大器的参数。放大器采样率1000Hz 。选择15Hz 低通滤波,时间常数选择0.1s,工频50Hz 陷波。开始实验后,等志愿者调整好状态,情绪稳定之后再开始记录实验数据。为防止疲劳保证实验数据的有效性和重复性,隔10m in 让志愿者休息510m in 。(4步骤四将脉冲信号移至其他穴位点以及非穴位点处,重复步骤一至三。2

11、实验数据的处理2.1算法原理较常用的一种方法。(1小波基的选择小波基函数(x 不具备唯一性,应用不同的小波基,得出的结果往往不同。在实验中,通过对实验数据的处理,对比各种小波基去噪和提取有用频率的效果,最终选择了db 小波。db 小波是正交小波,同时也是双正交小波,并且是紧支撑的。它的支撑范围在(1-N N ,db 小波是非对称的,其相应的的滤波器组属于共轭正交镜相滤波器组(CQMF B 。db 小波对实验数据的中高频噪声滤除效果最佳。(2小波分解应用小波变换能够将复合信号中的有用信号提取出来。因为在小波分解下,不同的尺度具有不同的时间和频率分辨率,所以小波分解能将信号的不同频率成分分开。小波

12、分解过程如图3所示。在小波分解中,若将信号中的最高频率成分看作是1,则各层小波分解分别是带通或低通滤波器,663北京生物医学工程第26卷 图3小波分解示意图Fig 3Sche matic diagram of wavelet transf or m且各层所占的具体频带为a1:00.5;d1:0.51;a2:00.25;d2:0.250.5。在实验数据的处理过程中,增加分解层数就能得到更高精度的频率定位,从而可以提取所需要的频率成分,达到进一步抑制噪声的效果。2.2实验数据处理及结果对于每一个信号注入穴位,选择在空间位置上与它距离最近的5列电极采集到的数据进行研究。下面以从合谷穴注入信号为例,如

13、图4所示。黑点为手阳明经上的穴位点,点线为手阳明经。脉冲信号从合谷穴注入,选择C 、B 、A 、I 、H 五列电极采集到 的数据进行处理。图4前臂表面展开示意Fig 4Unf olded view of f orear m对数据首先进行Fourier 变换,明确数据中包含的频率组成,以及各频率所占的比重。图5所示为小波去噪前信号的Fourier 频谱,横坐标“1”代表信号中的最高频率成分。容易看出中间有许多中高频成分,在图中表现为毛刺。根据图5(a Fourier 变换的结果,确定小波变换的层数。选择“db3”小波基来进行小波去噪,也就是通过抑制信号中的中高频频率成分,来达到提取有用频率成分的

14、目的。去噪后这些干扰频率成分都消失了,如图5(b 所示,只保留了有用信号的频率成分,信噪比得到了很大的提高 。图5小波去噪前后信号的频谱Fig 5Spectrum before &after wavelet de 2noising对小波去噪后的信号计算各导电极数据在每一个周期内峰峰值V p -p 。V p -p 最大的电极所对应的点就是该时间段内脉冲响应的最大点,也就是电阻抗最小的点。表1所示为在其中一名志愿者的合谷穴注入脉冲信号所采集到的696组测量数据。每个数据表示对应电极的阻抗为最小的次数。可以看到阻抗最小的点很有规律,主要分布在第B 列的四个电极上,且合谷穴正好位于手阳明经上,

15、如图4所示。图中画“x ”的四个电极的连线与手阳明经非常吻合。表1合谷穴注入信号的阻抗最小点分布Table 1M i n i m u m resist ance po i n t d istr i buti n g ofHe 2gu exper i m en t纵向4026015314895将信号注入点选择在非穴位点,进行相同的实验和数据处理。同样选择5列电极采集到的实验数763第4期基于生物电放大器的经络阻抗研究据,处理结果见表2。由表2可以得出的阻抗最小点1E、2A、3E、4C,但是这四点的连线缺乏明显的规律性,即阻抗最小点的连线不合理,与已知的其他几条经络都不吻合。因此,在非穴位点注入信

16、号不能正确的定位经络。表2非穴位点注入信号的实验结果Table2M i n i m u m resist ance po i n t d istr i buti n g of non2m er i d i a n exper i m en t纵向C B A I H2207581111164对其余6名志愿者进行相同的研究,实验结果基本相同。即在合谷穴处注入脉冲信号得到的阻抗最小点的连线与手阳明经吻合。当然由于高矮胖瘦的区别,电极在每个人前臂安放的位置会有一点儿差别。但是这并没有影响实验的结果。同时,对手掌的其他3个穴位:劳宫、鱼际、少冲等穴注入信号,用上述方法进行研究发现,阻抗最小点的连线与它们

17、所在的手厥阴经、手太阴经和手少阴经都能很好地吻合。所以说,在穴位点注入信号得到的阻抗最小点连线就是穴位所在的经络线,也证明这种方法有良好的有效性和重复性。实验中,除了得到经络线外,还得到了各个采样点处的信号的峰峰值Vp-p。这些数据是脉冲信号经过经络、皮下脂肪、皮肤等组织衰减之后得到的,因而这些数据包含了经络的深度信息。只要测得相应频率下的经络阻抗,以及皮下脂肪、皮肤的阻抗、厚度,建立皮肤浅层的模型,就有可能计算出经络的深度。3结论以上实验结果表明:在穴位点注入信号,利用生物电放大器测量皮肤表面各点的信号响应大小,能够得到人体表面的阻抗最小点,它们的连线与中医描述的“经络线”基本吻合。因而把生

18、物电放大器测量阻抗最小点的方法应用到经络研究中,不但可以定性的得到经络的位置信息,还可以得到每个采样点处信号的大小信息,以及深度信息,给经络的三维重建提供了可能。虽然这种方法研究经络尚处于探索阶段,但是随着实验设备和方法的不断改进,它必将会对经络的研究产生积极的影响。同时,这种方法也有助于中医的教学,可以让学生更快更准确地了解人体的经络。参考文献1王中文,刘军,周东.论经络学说在祖国医学中的重要作用.中国当代医学,2005,4(11:51-51杂志,2003,9(12:44-473王广军,郭义,王秀云.建国50年来我国经络研究的历史及其分析.天津中医学院学报,2003,22(1:41-43术,

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