激光針灸實驗及其圖像處理結(jié)果

湯茜，李凱揚

武漢大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，湖北武漢430072

前言

經(jīng)絡(luò)、內(nèi)屬臟腑以及外絡(luò)肢節(jié)是運行氣血的通道。經(jīng)絡(luò)學(xué)說在中醫(yī)研究中占有重要地位［1-2］，在疾病診斷［3］、治療［4-6］、病理分析［7］等方面應(yīng)用廣泛。以中醫(yī)經(jīng)絡(luò)學(xué)說為基礎(chǔ)的循經(jīng)感傳現(xiàn)象一直受到廣泛的關(guān)注與研究［8-10］，而經(jīng)絡(luò)循行的客觀顯示是中醫(yī)研究的熱點和難點。紅外熱成像技術(shù)能夠進行實時的觀測和記錄，進而獲取人體體表的溫度分布［11］，在循經(jīng)感傳現(xiàn)象的研究中具有直觀、方便的特點，可使研究更為集中、深入，具有重要的意義和價值［12］。

激光針灸是指以低強度激光束刺激穴位來模擬傳統(tǒng)中醫(yī)的“針”和“灸”。激光針灸無疼痛感、安全可靠、易于控制、操作簡潔，同時還能達到針刺的效果［13］。原穴是臟腑的原氣經(jīng)過和留止的部位，是經(jīng)絡(luò)中十分重要的穴位［14-15］。本研究通過激光針灸太淵穴、合谷穴，同時設(shè)置對照實驗；使用紅外熱成像技術(shù)觀測和記錄對應(yīng)經(jīng)脈循行線體表的溫度變化［16］，并分別對經(jīng)線上穴位點、經(jīng)線上非穴位點以及非經(jīng)非穴旁開點進行溫度值分析；使用MATLAB軟件配準(zhǔn)相減得到溫差效果圖，發(fā)現(xiàn)循經(jīng)高溫線顯示與傳統(tǒng)中醫(yī)經(jīng)絡(luò)循行線一致。

1 研究對象與實驗方法

1.1 實驗儀器

實驗儀器為昊博科技有限公司自主研制的HB-T-2C型熱層析分析儀。該儀器的感性（NETD）≤50 mk f/1.0；分辨率為640×480；波長響應(yīng)范圍為7.5～13.5 μm。該儀器可采集人體的紅外熱像圖，實時存儲于計算機中，便于后期軟件處理。

激光針灸儀是實驗室自主研制的半導(dǎo)體激光針灸模擬儀，采用波長為808 nm與980 nm的雙激光光源，加熱光斑直徑約為0.5 cm，上限功率為100 MW，確保在對人體不會造成傷害的同時滿足實驗要求。通過調(diào)節(jié)激光功率、頻率、波形種類、波形占空比等，模擬傳統(tǒng)針灸中的不同手法［13］。

1.2 實驗對象

受試者為40名年齡范圍在20～35歲的健康男性志愿者。實驗前已對志愿者進行詳細的體檢，確定無心、腦、肝、腎、肺以及免疫、感染性疾病，近15天無感冒、發(fā)熱及服藥史。

1.3 激光針灸實驗操作及人體紅外熱像圖的采集

將實驗室溫度調(diào)節(jié)在27℃左右，并使實驗環(huán)境穩(wěn)定無風(fēng)。受試者進入實驗室后，去除待檢測部位的衣物飾品，使其完全暴露于攝像頭前。在床上靜躺20 min，使人體代謝產(chǎn)熱與周圍環(huán)境平衡，體表溫度到達較穩(wěn)定的狀態(tài)。啟動熱層析軟件，輸入受試者相關(guān)資料（姓名、性別、年齡等），自動生成受試者信息文檔，然后開始實驗。實驗步驟為：（1）將熱層析儀器的探頭對準(zhǔn)受試者的待測部位，使待測部位位于畫面中心。調(diào)整探頭的焦距以及系統(tǒng)溫窗，使采集界面的圖像穩(wěn)定清晰，通過軟件控制鏡頭畫面，準(zhǔn)備采集。（2）進行紅外熱像圖采集，每幅圖像采樣間隔為30 s。待受試者靜躺20 min后，采集圖像，即為激光針灸前的人體紅外熱像圖。對照射點太淵穴（或合谷穴）進行標(biāo)記，然后用激光針灸儀照射穴位點。實驗過程中，詢問受試者手臂是否有熱、麻、脹等感覺，記錄信息。保持室內(nèi)溫度及受試者的體態(tài)、情緒穩(wěn)定。再取激光針灸12 min后的人體紅外熱像圖。（3）兩名受試者隔天輪流交換實驗，太淵穴、合谷穴實驗均重復(fù)多次，以避免結(jié)果的偶然性。

人體溫度由高到低對應(yīng)圖像中的顏色順序為：白、深紅、紅、淺紅、黃、綠、淺綠、淺藍、深藍和黑色。觀察采集的紅外熱像圖，分析激光針灸前后人體對應(yīng)經(jīng)脈部位的溫度變化。后續(xù)用軟件處理實驗圖片，進行溫差分析。

2 實驗結(jié)果

2.1 激光針灸原穴時受試者口述針感

在多次實驗過程中，加激光針灸10 min左右，受試者均表示手臂上沿著理論經(jīng)脈循行路線的部位有熱、酸、麻、脹等感覺，即傳統(tǒng)針灸時的“針感”反應(yīng)［17］。

2.2 激光針灸原穴前后經(jīng)絡(luò)所在體表紅外熱像圖顯示

2.2.1 激光針灸太淵穴前后手太陰肺經(jīng)循行線體表紅外熱像圖顯示由體表紅外熱像圖可見，在環(huán)境溫度維持穩(wěn)定時，激光針灸太淵穴后，手太陰肺經(jīng)循行線所在人體上半身溫度發(fā)生不同程度升高，經(jīng)絡(luò)循行線處的體表溫度較其他部位升高明顯（圖1）。

2.2.2 激光針灸合谷穴前后沿手陽明大腸經(jīng)循行線體表紅外熱像圖顯示由體表熱分布圖可見，在環(huán)境溫度幾乎沒有變化時，激光針灸合谷穴后，手陽明大腸經(jīng)循行線所在上半身有不同程度的升溫現(xiàn)象，手陽明大腸經(jīng)循行線處的體表溫度較其他部位升高明顯（圖2）。

圖2 激光針灸合谷穴前后的體表紅外熱像圖Fig.2 Infrared thermogram of the body surface before and after Hegu laser acupuncture

2.3 激光針灸原穴前后沿對應(yīng)經(jīng)脈循行線的溫度值分析

2.3.1 激光針灸太淵穴前后沿手太陰肺經(jīng)循行線的溫度值分析取手太陰肺經(jīng)循行路線上9個穴位點，分析在激光針灸前后這9個穴位點、經(jīng)線上相鄰穴位中點及距這9個穴位點1 cm處的非經(jīng)非穴旁開對照點的溫度值變化。選取10組效果顯著的圖片，計算溫差平均值。結(jié)果詳見表1～3。

表1 激光針灸太淵穴前后經(jīng)線上穴位點溫差平均值Tab.1 Differences in temperatures of acupoints in the meridian courses before and after Taiyuan laser acupuncture

表2 激光針灸太淵穴前后經(jīng)線上非穴位點溫差平均值Tab.2 Differences in temperatures of non-acupoints in the meridian courses before and after Taiyuan laser acupuncture

表3 激光針灸太淵穴前后非經(jīng)非穴旁開對照點溫差平均值Tab.3 Differences in temperatures of non-acupoints not in the meridian courses before and after Taiyuan laser acupuncture

2.3.2 激光針灸合谷穴前后沿手陽明大腸循行線的溫度值分析取手陽明大腸經(jīng)的循經(jīng)線上9個穴位點，分析在激光針灸前后這9個穴位點、經(jīng)線上相鄰穴位中點及距這9個穴位點1 cm處的非經(jīng)非穴旁開對照點的溫度值變化。選取10組效果顯著的圖片，計算溫差平均值。結(jié)果詳見表4～6。

2.4 激光針灸原穴前后沿對應(yīng)經(jīng)脈循行線手臂溫度變化的顯示

2.4.1 使用MATLAB對手臂部分圖像進行配準(zhǔn)醫(yī)學(xué)圖像配準(zhǔn)是指通過尋找兩幅醫(yī)學(xué)圖像中的空間變換關(guān)系，使圖像中具有診斷意義的對應(yīng)點在空間位置和解剖結(jié)構(gòu)上達到一致，使幾幅圖像對齊，消除醫(yī)學(xué)偽影的影響，方便后期通過圖像獲取患者的信息，從而進行醫(yī)學(xué)診斷和治療。為了更直觀地顯示激光針灸原穴時沿對應(yīng)經(jīng)脈溫度的變化，截取手臂部分紅外熱像圖進行具體分析。由于實驗過程中人體會稍有偏動，為了較好觀察其溫度變化，故先對圖片進行配準(zhǔn)，使其生理位置點對齊。

表4 激光針灸合谷穴前后經(jīng)線上穴位點溫差平均值Tab.4 Differences in temperatures of acupoints in the meridian courses before and after Hegu laser acupuncture

表5 激光針灸合谷穴前后經(jīng)線上非穴位點溫差平均值Tab.5 Differences in temperatures of non-acupoints in the meridian courses before and after Hegu laser acupuncture

表6 激光針灸合谷穴前后非經(jīng)非穴旁開對照點溫差平均值Tab.6 Differences in temperatures of non-acupoints not in the meridian courses before and after Hegu laser acupuncture

醫(yī)學(xué)圖像配準(zhǔn)的方法有多種，有互信息法、基于sift算法、基于surf算法、傅里葉變換法、基于點和面的特征變換法等，這些方法在配準(zhǔn)圖像時各有各的優(yōu)缺點。MATLAB有齊全的圖像處理工具箱，方便對采集的紅外熱像圖進行讀寫及處理［18］。圖像處理工具箱中的Registration Estimator模塊包含多種常用的配準(zhǔn)方法，且每種配準(zhǔn)方法的具體參數(shù)可調(diào)，在實際操作中，對于各種圖像均可以找到合適的配準(zhǔn)方法，十分方便有效。

使用MATLAB 2017a進行圖像配準(zhǔn)的步驟如下：（1）打開MATLAB 2017a，選擇圖像處理工具箱中的Registration Estimator模塊，即可開始圖像配準(zhǔn)。加載圖片（Load Images）；然后分別選擇參考圖像和浮動圖像。（2）在界面中選擇配準(zhǔn)方法。界面上方SURF、FAST、BRISK、Harris分別表示圖像配準(zhǔn)的算法；界面右邊Preprocessing表示前處理，可選擇是否需要歸一化或者對圖像進行高斯模糊；Intensity Parameters表示各種可調(diào)參數(shù)，此處可以選擇空間變換的類型為剛性變換、非剛性變換或者相似性變換、仿射變換等，也可以調(diào)節(jié)配準(zhǔn)過程中的細節(jié)參數(shù)；Post-processing表示后處理。（3）加載好圖片，選好配準(zhǔn)的方法之后，即可點擊Register開始配準(zhǔn)。界面左邊表示各個配準(zhǔn)的結(jié)果顯示，對于不同方法會顯示配準(zhǔn)的準(zhǔn)確率、能匹配到的特征點數(shù)量、有用的特征點數(shù)量，通過嘗試各種方法，選擇準(zhǔn)確率最高的一個即可。使用MATLAB配準(zhǔn)可以達到較好的效果，配準(zhǔn)界面如圖3所示。

當(dāng)圖片加載到MATLAB進行配準(zhǔn)時，必須將圖片的顏色轉(zhuǎn)換成灰度或者品紅等，但對于本研究的紅外熱像圖來說，顏色表示的是溫度的高低，故不能輕易改變圖像的顏色。為了可以更好地使用Registration Estimator模塊中的多種算法進行配準(zhǔn)，本研究只使用其中的空間變換關(guān)系，而不在模塊中輸出配準(zhǔn)后的圖片。調(diào)用Registration Estimator模塊中變換關(guān)系的方法如下：

（1）調(diào)用剛性配準(zhǔn)的變換關(guān)系：

realregiseteredimage=imwarp(im2,movingReg.DisplacementField);

（2）調(diào)用非剛性配準(zhǔn)的變換關(guān)系：

TForm=movingReg.Transformation;%工作空間中的movingReg.Transformation中含有變換信息矩陣。

realregistered=imwarp(im2,TForm,'OutputView',outputView);%根據(jù)變換信息TForm以及配準(zhǔn)后的尺寸outputView進行圖像變換。

將手臂的紅外熱像圖導(dǎo)入Registration Estimator模塊進行多種方法配準(zhǔn)，然后選擇其中準(zhǔn)確率最高的一個方法輸出其空間變換關(guān)系，在MATLAB中使用自己編寫的程序代碼進行配準(zhǔn)，即可不改變圖像的顏色。配準(zhǔn)完畢后，將激光針灸12 min后的圖像與針灸前的圖像相減，得到沿經(jīng)脈循行線手臂部分的紅外熱像溫差圖。

圖3 使用MATLAB配準(zhǔn)示意圖Fig.3 Schematic diagram of registration using MATLAB

2.4.2 激光針灸原穴前后沿對應(yīng)經(jīng)脈循行線手臂部分紅外熱像圖溫差分析由紅外熱像圖4a、b可見，激光針灸后手臂有不同程度的升溫反應(yīng)，且沿原穴對應(yīng)經(jīng)脈循行線的體表溫度較其他部位升高明顯，循經(jīng)現(xiàn)象顯著。軟件配準(zhǔn)相減得到溫差圖4c，圖4a、b這兩幅圖片中的血管、環(huán)境因素完全抵消。圖中綠色表示溫度升高的部位，黑色表示溫度不變或變化很小的部位，紅色表示溫度降低的部位。由溫差圖可更加直觀地看出激光針灸時溫度升高的部位。循經(jīng)高溫線和理論圖上的經(jīng)脈循行線走勢一致（圖4、圖5）。

圖4 激光針灸太淵穴前后手臂部分的紅外熱像圖及溫差效果圖Fig.4 Infrared thermograms and temperature differences before and after Taiyuan laser acupuncture

3 討論

本研究利用半導(dǎo)體激光針灸模擬儀和熱層析軟件，對原穴（肺經(jīng)原穴太淵穴、大腸經(jīng)原穴合谷穴）進行激光針灸實驗；然后使用MATLAB進行人體紅外圖像配準(zhǔn)和減法運算；最終得出明顯的經(jīng)脈循行線。統(tǒng)計激光針灸12 min后手臂溫度值變化結(jié)果，由表1～6可見，在本實驗條件下，太淵穴前后經(jīng)線（手太陰肺經(jīng)）上的9個穴位點的平均溫度升高1.02℃，太淵穴前后經(jīng)線上兩穴位點中點平均溫度升高0.63℃，太淵穴前后非經(jīng)線上穴位點旁開點平均溫度升高0.41℃，即肺經(jīng)上穴位點溫度升高明顯大于非穴位點；合谷穴前后經(jīng)線（手陽明大腸經(jīng)）上的9個穴位的平均溫度升高0.99℃，合谷穴前后經(jīng)線上兩穴位點中點平均溫度升高0.64℃，合谷穴前后非經(jīng)非穴旁開對照點平均溫度升高0.41℃，即大腸經(jīng)上穴位點溫度升高明顯大于非穴位點。這說明激光針灸刺激原穴會引起正常人沿經(jīng)脈循行線溫度升高。利用MATLAB對激光針灸前后圖像進行配準(zhǔn)、相減得到溫差圖。由圖4～5可見，激光針灸原穴時，沿著對應(yīng)經(jīng)脈部位會出現(xiàn)明顯高于其他部位的高溫特征，呈線性分布，與中醫(yī)理論的經(jīng)脈循行線形狀相似、走勢一致，表現(xiàn)出較強的“循經(jīng)性”。本研究為中醫(yī)學(xué)“經(jīng)脈循行路線”提供了新的實驗依據(jù)，從一定程度上證明了循經(jīng)感傳現(xiàn)象的客觀存在性。

圖5 激光針灸合谷穴前后手臂部分的紅外熱像圖及溫差效果圖Fig.5 Infrared thermograms and temperature differences before and after Hegu laser acupuncture

本研究的數(shù)據(jù)僅由上述實驗結(jié)果得出，由于樣本數(shù)量有限，其普遍性仍有待驗證。本實驗有待從以下幾個方面做進一步研究：（1）調(diào)整實驗環(huán)境，如溫度等，探究不同實驗條件下經(jīng)脈循行現(xiàn)象是否一致；（2）本實驗?zāi)壳笆茉囌邇H限于健康男性，以后希望對健康女性、患病男性、患病女性等不同身體狀況的人進行實驗，且大量增加樣本數(shù)量，使其結(jié)果具有統(tǒng)計學(xué)意義；（3）目前僅針對肺經(jīng)和大腸經(jīng)做實驗，接下來可擴展到其他經(jīng)絡(luò)穴位。

經(jīng)絡(luò)的客觀存在性表現(xiàn)在各個方面,主要體現(xiàn)為“循經(jīng)”，循經(jīng)感傳是人群中普遍存在的現(xiàn)象［19-20］。研究“循經(jīng)”的特征和原因在當(dāng)前經(jīng)絡(luò)研究中十分重要而關(guān)鍵,是研究經(jīng)絡(luò)實質(zhì)需要攻破的首要難關(guān)。中醫(yī)經(jīng)絡(luò)學(xué)說博大精深，古人所說“經(jīng)脈循行路線”是否客觀存在以及其原理本質(zhì)如何仍需深入研究。