三部脈象采集方法及關(guān)聯(lián)性

王學(xué)民，王 欣，郭 丹，宋 鵬，張玉滿，周 鵬

（1. 天津大學(xué)精密儀器與光電子工程學(xué)院，天津 300072；2. 天津市生物醫(yī)學(xué)檢測(cè)技術(shù)與儀器重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300072）

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三部脈象采集方法及關(guān)聯(lián)性

王學(xué)民1, 2，王 欣1，郭 丹1，宋 鵬1，張玉滿1，周 鵬1, 2

（1. 天津大學(xué)精密儀器與光電子工程學(xué)院，天津 300072；2. 天津市生物醫(yī)學(xué)檢測(cè)技術(shù)與儀器重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300072）

摘 要：旨在研究一種新的三部脈象采集方法，同時(shí)利用統(tǒng)計(jì)學(xué)知識(shí)討論寸、關(guān)、尺脈象的關(guān)聯(lián)性.使用一種新的中醫(yī)三部脈象儀，能夠高采樣率、高精度地采集寸、關(guān)、尺三部脈象數(shù)據(jù)，通過(guò)去噪和基線糾漂進(jìn)行信號(hào)的預(yù)處理，在時(shí)域和頻域上進(jìn)行多個(gè)特征參數(shù)的提取，通過(guò)實(shí)驗(yàn)和對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析探究三部脈象最佳取脈壓力之間的相互關(guān)系以及單點(diǎn)壓力變化時(shí)對(duì)于其他點(diǎn)脈象信息的影響，并將這一影響關(guān)系進(jìn)行量化.對(duì)已知的“掌弓旁路效應(yīng)”、“取脈壓組效應(yīng)”以及橈動(dòng)脈血管模型進(jìn)行了驗(yàn)證，并在此定性的基礎(chǔ)上給出了量化的結(jié)論，也為脈象的成因進(jìn)行了有益的探討.

關(guān)鍵詞：中醫(yī)脈象；寸、關(guān)、尺；關(guān)聯(lián)性

網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間：2014-10-31. 網(wǎng)絡(luò)出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/12.1127.N.20141031.1649.001.html.

利用新的技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)中醫(yī)的寸口三部脈象采集是中醫(yī)客觀化發(fā)展的需要，目前，對(duì)于單部脈象信號(hào)檢測(cè)的研究已經(jīng)發(fā)展的相對(duì)成熟，其檢測(cè)、處理、分析以及臨床應(yīng)用上都有較大發(fā)展，但其信息的片面性也是明顯的，中醫(yī)師在診脈時(shí)主要依靠3點(diǎn)的脈象進(jìn)行綜合考量，而目前對(duì)于三部脈象的研究與討論也主要集中在生理結(jié)構(gòu)層面的分析以及3點(diǎn)采集傳感器的研發(fā)上，寸口的“三部九侯”診法的模擬是比較復(fù)雜的操作過(guò)程，寸、關(guān)、尺3點(diǎn)在不同的壓力組合下可以得到不同的脈圖，醫(yī)師根據(jù)豐富的理論和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)根據(jù)手指的感覺(jué)去得到結(jié)論，這種方法和感覺(jué)是醫(yī)師長(zhǎng)期建立的精確的手-腦反饋調(diào)節(jié)系統(tǒng).因此，在三部脈象的客觀化研究過(guò)程中，首先要解決信號(hào)的采集問(wèn)題，其次就是要探究出寸、關(guān)、尺3點(diǎn)的脈象信號(hào)在不同壓力下的相互關(guān)系，這是模擬中醫(yī)“三部九侯”診法的一個(gè)基礎(chǔ)點(diǎn)[1]，同時(shí)有助于逐步建立屬于三部脈象檢測(cè)規(guī)律的脈象判讀標(biāo)準(zhǔn).

寸、關(guān)、尺某一部壓力的變化會(huì)對(duì)另外兩部的脈象信號(hào)波形產(chǎn)生一定程度上的影響[2-3]，但在已有的研究中，并沒(méi)有通過(guò)大量的實(shí)際試驗(yàn)檢測(cè)進(jìn)行驗(yàn)證和支撐，也并未給出一個(gè)具體量化的影響關(guān)系，這種量化的影響關(guān)系的意義在于將單點(diǎn)脈象的分析方式和3點(diǎn)脈象的分析方式加以區(qū)分，并為尚未建立的三部脈象診斷客觀化的診斷標(biāo)準(zhǔn)提供參考，同時(shí)，這一量化關(guān)系也為三部脈象儀在采集脈象時(shí)壓力的施加提供指導(dǎo)，筆者將通過(guò)實(shí)際數(shù)據(jù)的分析對(duì)其進(jìn)行初步的探究.

1　中醫(yī)三部脈象采集及分析系統(tǒng)

中醫(yī)三部脈象采集及分析系統(tǒng)（見(jiàn)圖1）包括：脈象信號(hào)采集部分、壓力控制電路、中央控制器、通訊模塊以及上位機(jī)軟件.其中，脈象信號(hào)采集部分包括3個(gè)壓力傳感器、信號(hào)預(yù)處理電路和AD轉(zhuǎn)換電路；壓力控制部分包括3個(gè)氣動(dòng)加壓氣泵、3個(gè)快減壓電磁閥、3個(gè)慢減壓電磁閥、3個(gè)儲(chǔ)氣倉(cāng)、3個(gè)加壓氣囊以及3個(gè)連接儲(chǔ)氣倉(cāng)和加壓氣囊的膠質(zhì)管道；中央控制器主要由ADUC845單片機(jī)及其相關(guān)電路構(gòu)成；通訊模塊為串口通訊電路；軟件部分可以實(shí)現(xiàn)病例添加、查詢和編輯，3路信號(hào)的采集、顯示和存儲(chǔ)，寸口3點(diǎn)的多種已定義加減壓模式和自定義加減壓模式，信號(hào)的實(shí)時(shí)分析和對(duì)存儲(chǔ)信號(hào)的多參數(shù)提取分析等功能.其檢測(cè)模式比單點(diǎn)檢測(cè)的脈象儀更符合中醫(yī)傳統(tǒng)的“三部九侯”脈診方法，為中醫(yī)脈診科學(xué)化、定量化研究提供了有效科學(xué)手段.

圖1　中醫(yī)三部脈象儀結(jié)構(gòu)Fig.1 Block diagram of cun-guan-chi pulse collection instrument

中醫(yī)三部脈象采集系統(tǒng)的傳感器采用壓力傳感器，3個(gè)獨(dú)立的帶有加壓氣囊的腕帶可以互不影響地進(jìn)行采集和加壓，腕帶的設(shè)計(jì)（如圖2所示）使其既能獲取信號(hào)又能夠同時(shí)控制壓力，最大程度上模擬了中醫(yī)師診脈施指的狀態(tài).該脈象儀的采樣率達(dá)到單路150,Hz，并且可調(diào)至最高500,Hz，在脈象信號(hào)的采集中，達(dá)到了較高的采樣率，同時(shí)采樣精度為24位，為信號(hào)精確度提供了保障.同時(shí)，在壓力控制方面，本系統(tǒng)設(shè)置了簡(jiǎn)單的快減壓和慢減壓操作，同時(shí)輔有多種三部的壓力組合方式和自定義的方式，形成了一種半開(kāi)放的加壓模式，系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)每一路的快速減壓，從而得到最佳取脈壓力，這一模式提高了最佳取脈壓力提取的精度和速度.在數(shù)據(jù)分析上，本系統(tǒng)著重于對(duì)參數(shù)提取算法的不斷優(yōu)化，通過(guò)一維小波消噪、多分辨率分解去噪、基于LPIP的三次樣條插值基線糾漂進(jìn)行信號(hào)的預(yù)處理，通過(guò)小波模極大值法、希爾伯特-黃變換[4]等方法進(jìn)行時(shí)域和頻域多個(gè)特征參數(shù)的提取[5].

圖2　腕帶部分結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of the wristband part

2　實(shí)驗(yàn)方案

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集對(duì)象為天津大學(xué)50名健康師生，其中男女生各25人，體檢正常，脈診正常，年齡在20～30歲之間，平均年齡（23±1.5）歲.用中醫(yī)三部脈象儀采集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，實(shí)驗(yàn)步驟如下.

（1）聯(lián)儀器標(biāo)定.在實(shí)驗(yàn)前要對(duì)儀器進(jìn)行重新標(biāo)定，通過(guò)靜壓標(biāo)定使3路均處于壓力為0的狀態(tài)，同時(shí)斜率一致（誤差小于1），通過(guò)動(dòng)壓標(biāo)定使3路的動(dòng)壓靈敏度保持一致（誤差小于1）.

（2）采集前準(zhǔn)備.在數(shù)據(jù)采集之前，讓受試者心態(tài)保持平和，端坐于儀器前，小臂平放于儀器臺(tái)面上，基本與心臟同高，幫助其找到寸、關(guān)、尺的準(zhǔn)確位置，并固定好帶有傳感器的腕帶.

（3）實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集.對(duì)每位受試者的左手和右手分別根據(jù)以下的實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行數(shù)據(jù)采集.通過(guò)連續(xù)減壓的方式分別獲取三部脈象的最佳取脈壓力.

以寸部和尺部為例，尺部分別施加不同的壓力，壓力梯度為60→80→100→120→140→160克力（即0.588,6→0.784,8→0.988,1→1.185,7→1.383,3→1.581,0,N），同時(shí)寸部通過(guò)連續(xù)減壓的方式獲取最佳取脈壓力.

寸部保持在最佳取脈壓力下采集，尺部分別施加不同的壓力梯度為60→80→100→120→140 →160克力（即0.588,6→0.784,8→0.988,1→1.185,7→1.383,3→1.581,0,N），分別獲得寸部的最大主波峰等幅度和時(shí)間參數(shù).

寸部保持在最佳取脈壓力下采集，尺部進(jìn)行連續(xù)減壓，減壓區(qū)間為200～40克力（即1.976,2～0.395,2,N），分別獲取寸部的最大主波峰等幅度和時(shí)間參數(shù).

3　分析方法

本研究對(duì)數(shù)據(jù)的分析主要是進(jìn)行數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析，從而探尋寸、關(guān)、尺三部之間壓力變化帶來(lái)的脈象變化.

參數(shù)分析程序可以將獲得的多段脈象數(shù)據(jù)進(jìn)行參數(shù)獲取，得到最佳取脈壓力、峰峰值、升支時(shí)間等時(shí)間參數(shù)，使用SPSS統(tǒng)計(jì)分析軟件進(jìn)行回歸模型的建立，通過(guò)一次及多次回歸模型的建立，探索影響關(guān)系，最終得到量化的結(jié)果.

參數(shù)分析程序的主要功能是對(duì)一段脈象數(shù)據(jù)進(jìn)行參數(shù)提取[6].一種是對(duì)連續(xù)減壓的脈象數(shù)據(jù)進(jìn)行最佳取脈壓力的獲取，圖3是歸一化的連續(xù)減壓脈象數(shù)據(jù)，這樣更容易獲得最佳取脈壓力對(duì)應(yīng)的壓力值.另一種是對(duì)一段穩(wěn)定的脈象數(shù)據(jù)進(jìn)行幅度和時(shí)間參數(shù)的提取，涉及到脈象的最大主波峰、脈動(dòng)周期、升支時(shí)間、心縮時(shí)間等，圖4所示為最大主波峰的提取方式，遍歷整段脈象數(shù)據(jù)的各波峰峰值，繪制如圖4所示的圖形，即能尋找到最大主波峰的幅度值.

圖3　最佳取脈壓力提取Fig.3 Extraction of best pressure

圖4　最大主波峰的提取Fig.4 Extraction of maximum principal wave peak

4　寸、關(guān)、尺三部最佳取脈壓力的關(guān)系

通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的整理可知，寸、關(guān)、尺三部的最佳取脈壓力并不相同，這在中醫(yī)理論里也可以得到驗(yàn)證，即中醫(yī)師在診脈時(shí)需要通過(guò)多次的調(diào)整去尋找三部的最佳取脈壓力，3個(gè)手指施加的壓力并不盡相同，湯偉昌等[7]曾使用脈象儀對(duì)三部最佳取脈壓力的關(guān)系進(jìn)行過(guò)一些研究，但是其最佳取脈壓力的獲取是通過(guò)梯度加壓，加壓梯度為50→75→125→150→175克力（即0.494,1→0.741,1→1.235,1→1.482,2→1.729,2,N），最終其結(jié)論為寸部最佳取脈壓力比關(guān)部最佳取脈壓力增加13.6%～24.2%，尺部最佳取脈壓力與關(guān)部最佳取脈壓力相比，增加了18.3%～26.9%.這種方法在精確性上存在很大的問(wèn)題，其每次獲得的最佳取脈壓力只有5個(gè)梯度，本研究對(duì)于最佳取脈壓力的獲取則是通過(guò)連續(xù)減壓的方式，壓力值可以精確到1克力（即0.009,881,N），即每次獲取的最佳取脈壓力有300個(gè)梯度（0～300）.

本實(shí)驗(yàn)中，每組三部最佳取脈壓力的采集包括左手寸、關(guān)、尺和右手寸、關(guān)、尺各點(diǎn)的最佳取脈壓力，對(duì)每個(gè)實(shí)驗(yàn)對(duì)象采集有效數(shù)據(jù)10組，共500組數(shù)據(jù)，使用SPSS進(jìn)行處理，統(tǒng)計(jì)方法使用t檢驗(yàn)，總結(jié)三部最佳取脈壓力之間的數(shù)值關(guān)系，如表1和表2所示.

表1　寸、關(guān)、尺最佳取脈壓力統(tǒng)計(jì)結(jié)果Tab.1 Statistical results of the best pressures of cunguan-chi

表2　寸、關(guān)、尺最佳取脈壓力相互關(guān)系統(tǒng)計(jì)結(jié)果Tab.2 Statistical results of the mutual relation among the best pressures of cun-guan-chi

通過(guò)上述分析，筆者認(rèn)為，各樣本寸、關(guān)、尺的最佳取脈壓力是不同的，寸、關(guān)、尺三部的最佳取脈壓力中，關(guān)部的最小，寸和尺部的最佳取脈壓力要大于關(guān)部，這符合生理結(jié)構(gòu)的特點(diǎn).寸、關(guān)、尺三部的最佳取脈壓力存在一定的衰減或增長(zhǎng)關(guān)系，在可信區(qū)間95%內(nèi)，關(guān)部對(duì)于寸部衰減3.092 1%～15.447 6%，衰減幅度均值為8.027 1%，尺部對(duì)于關(guān)部的增幅為2.882 8%～20.002 3%，增幅均值為7.377 3%.三部的浮中沉并不是一個(gè)等價(jià)的概念，此浮非彼浮，關(guān)部的浮中沉不能代表寸部和尺部的浮中沉.根據(jù)這一衰減/增長(zhǎng)幅度，可以通過(guò)關(guān)部的浮中沉初步推斷寸部和尺部的浮中沉.

5　別部加壓對(duì)峰峰值的影響及對(duì)最佳取脈壓力的影響

以左手關(guān)部加壓對(duì)寸部峰峰值的影響為例，選擇其中的5組數(shù)據(jù)進(jìn)行分析方法的說(shuō)明，5組數(shù)據(jù)分別為5個(gè)不同采集對(duì)象的寸部脈象峰峰值，每個(gè)采集對(duì)象的數(shù)據(jù)均為多次采集獲得的平均值，如圖5所示，橫坐標(biāo)為關(guān)部壓力，縱坐標(biāo)為寸部峰峰值，從曲線中可以得到一個(gè)初步的下降趨勢(shì)，通過(guò)SPSS統(tǒng)計(jì)分析軟件，對(duì)其進(jìn)行了一元線性回歸模型和二元線性回歸模型的建立，表3為這5組數(shù)據(jù)分別進(jìn)行一元線性回歸模型分析后的判定參數(shù)和一元系數(shù).之后對(duì)每組數(shù)據(jù)進(jìn)行了二元線性回歸模型的建立和分析，其結(jié)果如圖6、表4所示.

圖5　關(guān)部壓力變化與寸部主波峰峰值變化關(guān)系Fig.5 Relationship between the change of pressure of guan and maximum principal wave peak-peak of cun

表3　5組數(shù)據(jù)的判定系數(shù)和一元系數(shù)Tab.3 Degree of fitting and coefficient of x for 5 sets of data

通過(guò)一元線性回歸模型和二元線性回歸模型的建立，得到了其判定系數(shù)和模型的系數(shù).結(jié)果顯示，兩種模型均有很好的可靠性，均能較大程度地?cái)M合已有數(shù)據(jù)，而二元線性回歸模型的R值均小于相應(yīng)一元線性回歸模型的R值，同時(shí)其一次項(xiàng)系數(shù)（b2）均為小于萬(wàn)分之一的系數(shù)，表明對(duì)結(jié)果影響很小，因此可以認(rèn)為一元線性回歸模型對(duì)于數(shù)據(jù)的擬合要優(yōu)于二元線性回歸模型.

圖6　二元回歸散點(diǎn)圖和回歸模型曲線Fig.6 Scatter diagram and the curve of regression model

表4　二元回歸模型參數(shù)Tab.4 Parameters of bivariate regression model

通過(guò)對(duì)現(xiàn)有所有有效數(shù)據(jù)的分析整合，得到表5和表6所示的一次項(xiàng)系數(shù)，筆者認(rèn)為，寸、關(guān)、尺相互之間因?yàn)閴毫Φ淖兓瘯?huì)對(duì)脈象波形和最佳取脈壓力產(chǎn)生影響.寸、關(guān)、尺相互之間的這種影響程度并不相同，寸部受到關(guān)部的影響較大，關(guān)部受到尺部的影響較大，這驗(yàn)證了橈動(dòng)脈血管模型的理論[8].通過(guò)建立一次回歸模型得到了寸、關(guān)、尺相互之間影響程度的量化參數(shù)，這個(gè)初步的量化關(guān)系為三部脈象客觀化的研究提供了重要的方向和現(xiàn)實(shí)依據(jù).中醫(yī)認(rèn)為左右手寸、關(guān)、尺對(duì)應(yīng)不同的臟器，完整的脈象診斷分析需要綜合寸口各部脈象進(jìn)行信息整合，不能單一地通過(guò)單部的脈象進(jìn)行判斷，而三部脈象之間的這種影響關(guān)系也說(shuō)明在三部脈象的客觀化過(guò)程中，要充分考慮這種影響關(guān)系，從而才能更加準(zhǔn)確地進(jìn)行脈象識(shí)別和綜合分析.

表5　某部加壓對(duì)另外一部的峰峰值影響Tab.5 Effect of the change of ambient pressure on maximum principal wave peak-peak of another part

表6　某部加壓對(duì)另外一部最佳取脈壓力影響Tab.6 Effect of the change of ambient pressure on the best pressure of another part

在數(shù)據(jù)采集和分析的過(guò)程中，筆者發(fā)現(xiàn)部分?jǐn)?shù)據(jù)顯示另外一種影響關(guān)系，如圖7所示，隨著尺部壓力的增大，寸部脈象信號(hào)發(fā)生平滑化現(xiàn)象.幅值隨著壓力的增大先減小后增大后又減小.尺壓從0開(kāi)始增大在一定壓力范圍內(nèi)，尺部血管橫截面面積不變，所以寸部信號(hào)峰值不會(huì)發(fā)生顯著性變化.尺壓為40克力（0.395 2,N）時(shí)信號(hào)峰值與尺壓為0時(shí)的寸部信號(hào)有顯著性差異.根據(jù)人體的血管特性及手部解剖結(jié)構(gòu)，先開(kāi)始加壓時(shí)，尺部血管橫截面變小，單位時(shí)間流過(guò)的血液量減少，所以寸部脈象信號(hào)幅值減小.尺部壓力增大到120克力（1.185 7,N）時(shí)，經(jīng)掌弓通道流來(lái)的血液受到尺部的阻擾，聚集在寸部，所以寸部脈象信號(hào)幅值有一個(gè)小上升.但其幅值不會(huì)超過(guò)尺部不加壓時(shí)寸部的信號(hào)幅值.尺部的壓力再增大完全阻斷了尺部前后的血流通道，橈動(dòng)脈的血液不再對(duì)寸部脈象信號(hào)起作用，所以寸部脈象信號(hào)幅值又有所下降，升支時(shí)間沒(méi)有產(chǎn)生顯著性差異[9].

圖7　壓力變化對(duì)應(yīng)的脈象波形Fig.7 Pulse contour of different pressures

6　結(jié)語(yǔ)

本文采用課題組研發(fā)的智能中醫(yī)三部脈象儀，通過(guò)長(zhǎng)期的數(shù)據(jù)采集，不斷修正數(shù)據(jù)采集方案，最終確定了一個(gè)受到外界因素影響較小并能較大程度上反映三部關(guān)系的實(shí)驗(yàn)方案，通過(guò)對(duì)50例實(shí)驗(yàn)對(duì)象的數(shù)據(jù)采集，建立了一個(gè)初步的數(shù)據(jù)庫(kù)，并利用SPSS統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行了模型的建立，最終獲得了量化程度較強(qiáng)的結(jié)果，初步獲得了寸、關(guān)、尺三部脈象最佳取脈壓力之間的衰減/增長(zhǎng)幅度值以及寸、關(guān)、尺三部在壓力發(fā)生規(guī)律性變化時(shí)脈象特征發(fā)生的規(guī)律性變化.中醫(yī)的脈診方法是一種綜合性的分析方法，如今中醫(yī)脈診客觀化中的單點(diǎn)脈象采集和分析并不能完整和綜合地反映脈象信息，而本文通過(guò)三部脈象信號(hào)的采集、信號(hào)的獨(dú)立參數(shù)提取和分析、三者之間相互關(guān)系的量化性研究期待能夠建立一種新的三部脈象采集方法，能夠脫離單一脈象采集的簡(jiǎn)單疊加，為三部脈象客觀化的發(fā)展和完善提供幫助，同時(shí)，隨著采集和分析的數(shù)據(jù)量的不斷加大，將獲得更多的規(guī)律性信息.

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（責(zé)任編輯：趙艷靜）

Relevance Between Cun-Guan-Chi Based on a New Data Collection Method

Wang Xuemin1, 2，Wang Xin1，Guo Dan1，Song Peng1，Zhang Yuman1，Zhou Peng1, 2
（1. School of Precision Instrument and Opto-Electronics Engineering，Tianjin University，Tianjin 300072，China；2. Tianjin Key Laboratory of Biomedical Detection Technology and Instrumentation，Tianjin 300072，China）

Abstract：A new instrument was designed in order to find a new method for collecting cun-guan-chi pulse signals. The cun-guan-chi pulse acquisition system was designed with pulse sensors which were combined in a way to solve the problem of space limitation. A single chip microcomputer called ADuC 845 was used in the control system. Signals were preprocessed by removing noise and baseline remedy. Time domain parameters and frequency domain parameters were extracted by some new methods. A new vascular model was established to study the best pulse pressure. According to the analysis data, the interaction effect between cun-guan-chi was preliminarily quantified. Palm bow bypass effect，pressure taken resistance effect and artery blood vessel model were verified. With the quantification of the relationship, pressure control in cun-guan-chi pulse collection will be more scientific, which can better objectify the pulse diagnosis of traditional Chinese medicine.

Keywords：pulse in Chinese medicine；cun-guan-chi；correlation

通訊作者：周 鵬，zpzp@tju.edu.cn.

作者簡(jiǎn)介：王學(xué)民（1961— ），男，博士，副教授，xueminw@tju.edu.cn.

基金項(xiàng)目：天津市自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（13JCQNJC13900）；國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51377120，31271062，81173202）.

收稿日期：2014-06-16；修回日期：2014-10-21.

中圖分類(lèi)號(hào)：TP274＋.2

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：0493-2137（2016）01-0052-06

DOI:10.11784/tdxbz201406041