数字经络智能针灸机器人的研发及其应用探讨

2018/07/11 11:45

本站原创

1791

徐天成，卢东东2，王雪军2，卢梦叶3，林　祺3，张小强2，林晓峰2，陆鹏4，贾卜宇2，孙建华5* （1南京中医药大学附属医院，210023； 2南京理工大学，210089；3南京中医药大学第二临床医学院，210023；4天津大学，300072；5江苏省中医院针灸康复科，210029）摘要：基于传统经络腧穴学，引入混沌理论与分形几何学，绘制数字经络作为机器人自动取穴的理论基础；研究进针速度与患者痛觉的定量关系，开发针灸机器人快速无痛进针的特色功能；建立经穴-主治相关复杂网络，开发智慧针灸APP-AcuAI，为利用人工智能模拟中医思维提供数学模型；同步设计交互式无线控制平台AcuCloud，赋予机器人科研和临床的双重角色，用于临床试验及中兽医诊所等，推动建立针刺定量研究和针灸精准治疗的国际标准，以科技传承中医。关键词：针灸学；医疗机器人；经络腧穴；分形理论；小世界效应       近期JAMA报道的关于针灸治疗PCOS及压力性尿失禁的文章再次引发热议，而假针刺的设计争议和个体化针刺的缺失是针刺研究难以避开的难点。 “轻滑慢而未来，沉涩紧而已至”——得气感的体会在于针灸师的“手感”和患者的主观反馈，针刺手法的频率控制虽有电针仪等设备的协助，其标准化程度与有效性仍未充分获得国际认可。针灸从传统走向国际的过程，也是针灸研究从定性到定量的过程，本文结合正在研发中的针灸机器人，讨论团队原创的数字经络理论对针刺治疗效应及中医理论定量研究的意义。近期JAMA报道的关于针灸治疗PCOS及压力性尿失禁的文章再次引发热议，而假针刺的设计争议和个体化针刺的缺失是针刺研究难以避开的难点。 “轻滑慢而未来，沉涩紧而已至”——得气感的体会在于针灸师的“手感”和患者的主观反馈，针刺手法的频率控制虽有电针仪等设备的协助，其标准化程度与有效性仍未充分获得国际认可。针灸从传统走向国际的过程，也是针灸研究从定性到定量的过程，本文结合正在研发中的针灸机器人，讨论团队原创的数字经络理论对针刺治疗效应及中医理论定量研究的意义。<img src="/Public/uploads/image/20180711/1531280344189656.png" title="1531280344189656.png" alt="QQ截图20180711113747.png" width="482" height="304" style="width: 482px; height: 304px;"/>1分形几何学——揭示经穴体表分布的数学规律      针灸是我国少数拥有自主知识产权的自然科学领域之一。针灸标准化是中国在国际标准化方面最有发言权的优势领域，能让中医针灸传统理论得到国际社会的广泛认同[[]陈正荣,张宇,张小明.闭合性腹部损伤的早期诊断[J] .河北医药,2007,29(3):244]。而《针灸穴名国际标准》和国标《经穴部位》等，都是外国人先提出并制定方案后，我国才跟随研究的，不仅使我国常处于被动状态，也为已制定的国家标准推向世界增加困难[[]吴在德,吴肇汉.外科学[M] .6版.北京:人民卫生出版社,2005:420]。穴位和经络的国际标准制定中仍存在显著问题：如在经脉循行方面，似乎很少考虑经络上穴位之间的连线是如何确定的！古籍乃至现行国家标准中都存在较大争议。能否把握传统经脉学的理论特点，为制定经络穴位国际标准提供切实可行的新思路呢?1.1《灵枢》骨度分寸法与分形几何学的相似性     分形是对没有特征长度但具有一定意义下的自相似图形和结构的总称。即整体与局部在某种意义下的对称性或自相似的集合[[]Mandelbrot B B, Wheeler J A. The Fractal Geometry of Nature[J]. Journal of the Royal Statistical Society, 1982, 147(4):468 ]。一般具有如下典型性质：具有精细的结构，即有任意小比例的细节、不规则、不能用传统几何语言描述——“等比例缩放”是其核心性质，而分形的思想其实早已蕴含于《内经》之中——始见于《灵枢·骨度》篇的骨度分寸法,以骨节为标志测量周身各部长短,并依其比例折算尺寸作为定穴标准。不论男女、老少、高矮、肥瘦都可准确定位穴位，而这里的“一寸”是适用于所有个体的，即所有个体的经络或穴位在分布规律上都是“自相似”的，因而才能够按照比例乘以个体化的“一寸”准确定位穴位。而分形理论巧妙地将这一思想变为客观的数学模型。1.2分形数字经络图的绘制       分形的自相似性为研究经络循行的数学规律提供了突破口。基于这一性质，可根据经络的整体循行特征提取出其几何特征。之后根据计算机编程实现的迭代法则作出分形经络图。      为确认数字化经络分形构型的科学性，使用Matlab计算数字化心经的分形维数为1.24。欧式几何中分形维数为整数，而分形维数为小数的结果证明了所绘制图像符合分形特征，佐证了绘图工作的科学性。       以上我们以手少阴心经的数字化建模和临床实践工作实现了经络数字化从理论到实践的初步突破，而人体中最核心的十二经脉是经络系统的主体，具有表里经脉相合，与相应脏腑络属的主要特征，亦是临床上使用最多的经络。采取相同技术路线，选取十二条经络中六条经络上85个国标穴位按照分形迭代原则绘制数字经络，经过计算机校验，成功实现了84个国标穴位的数字化，而基于分形经络图与机器视觉技术的结合，我们首创了针灸机器人自动定位经穴的功能并完成了初步的人体试验[[]徐天成,卢东东,韩旭,杨晓媛,贾卜宇,孙建华.针刺机器人在针刺定量研究中的应用探索[J]. 中医杂志,2017,58(09):752-755]。2小世界理论——构建经穴主治与症状联系的无标度网络      经脉理论长期对针灸临床发挥重要的指导作用，自《针灸甲乙经》问世至今，经脉理论发生了诸多变化，而随着人工智能技术的成熟，以复杂性科学的视角定量分析中医理论成为潜在趋势，以下我们分析了以经穴为节点、主治作为连边的穴-症网络的拓扑学性质，如高聚类系数与小世界效应，并首次给出了抽象为不同时期穴-症网络的经脉系统具备高效信息传递性质的拓扑学证明，研究了经络“联系”功能的拓扑学性质，为针灸机器人的自动配穴功能提供理论依据。2.1建模方法       我们提取《经络腧穴学》及《针灸甲乙经》书中的“穴名”和“主治”两个元素进行经脉系统的数学建模，其基本原理为：若两穴间有相同的主治则形成一条连边，如劳宫穴与涌泉穴均能治疗中暑，形成一条无向连边。2.2研究结果     “六度分隔假说”认为，任何两个欲取得联系的陌生人间最多只隔着6个人。这一假说逐步得到了理论和实践的证明[[[] Travers J, Milgram S. An experimental study fo the small world problem[J]. Sociometry,1969,32:425-443]]，被称为“小世界效应”[[[]Kleinberg J. The Small-World Phenomenon: An Algorithmic Perspective[J]. Proceedings of Acm Symposium on Theory of Computing, 2000, 406(2):163--170]]。      如前文所述，在未标定网络经穴连线方向（即构建无向网络）的情况下，计算[[[]Latapy M. Main-memory triangle  computations for very large (sparse (power-law)) graphs[J]. Theor Comput Sci,2008,407(1–3):458-473]]出《经络腧穴学》中穴-症网络平均聚类系数为0.643，而相同条件下，节点数362个，连线率5%的随机网络的平均聚类系数为0.026。经穴-主治复杂网络的高聚类系数是同规模随机网络的24倍体现了高度的聚类特性。同样的，得到《针灸甲乙经》穴-症网络平均聚类系数为0.709，而节点数306个，连线率5%的随机网络的平均聚类系数为0.022。       相隔1700余年的不同时期的穴-症网络，表现出了高度相似的拓扑学性质，而这也正体现了抽象为数学模型的经脉系统具备类似自然界网络（如昆虫间通信网络）和人工网络的特殊性质：即高效地传递各节点间的信息，并通过最优化的结构来实现，我们首次给出了抽象为不同时期穴-症网络的经脉系统具备高效信息传递性质的拓扑学证明。2.3临床意义      学者将具备小世界效应的网络特征数量化，提出了特征路径长度和聚类系数两个指标[[[]Watts D J, Strogatz S H. Collective dynamics of 'small-world' networks.[J]. Nature, 1998, 393(6684):440-442]]。前者是网络的全局特征，在网络中任选两个节点，连通它们的最少边数定义为两节点的路径长度。网络中所有节点对的路径长度的平均值，定义为网络的特征路径长度；后者是网络的局部特征，表示每个节点与相邻节点间连接的程度。      计算[[[]Ulrik Brandes.A Faster Algorithm for Betweenness Centrality[J]. J Math Sociol, 2010,25(2):163-177]]得《针灸甲乙经》穴-证网络的平均路径长度为1.852，《经络腧穴学》则为1.798。如表2所示，高度接近的平均聚类系数再次表明了相差1700余年的书籍中所记载的穴-症关系网均是人体生理病理信息高效传递的网络，蹊跷的是，《针灸甲乙经》网络包含的连边数17655个，即疾病数虽远少于《经络腧穴学》的24576个，前者的平均路径长度与平均聚类系数这两个表征网络联系紧密强度的数据却均高于后者，反映出《针灸甲乙经》对临床实践经验的朴素记载，或许没有《经络腧穴学》的系统，在拓扑学上，却是更加高效的。或许说明强行按照“经脉理论”进行归经和主治的整理，却弱化了穴位之间因为主治相同产生的其他联系，则“经脉”并不是穴位之间共性的唯一体现，而不同穴位间的差异，可能正因为这种整理被过分夸大了[[[]徐天成. 混沌内部的隐秩序——经络内涵的另一种解读[J].中国针灸, 2015, 35(2):151-154]]，则基于临床经验事实如穴位间主治的实际相似性，而不是完全参照典籍进行腧穴的“归经”，通过最新的大规模临床试验验证对于特定病症有效的穴位处方，并发掘穴位之间因主治相同产生的联系，可能是经脉理论重构的新思路。                                                         表1 不同时期的穴-症网络拓扑性质定量分析数据<img src="/Public/uploads/image/20180711/1531280672248164.png" title="1531280672248164.png" alt="QQ截图20180711114200.png" width="534" height="105" style="width: 534px; height: 105px;"/>3数字经络理论对智能针灸机器人研发的意义      人的大脑是物质的，却产生出了精神性的思维，思维并不存在于大脑的任何组分之中[[[]吴彤. 试论复杂系统思想对于科学哲学的影响[J].系统科学学报, 2013(1):9-14]]。类似的，经脉之于人体也类比思维之于大脑，作为“涌现机能”的思维不能绝对脱离脑细胞组分事物而存在，同样，经脉也不能脱离物质基础。      而如今，我们需要做的是通过严格的临床实验，去除古代文献记载的经验中因各种主观因素的干扰而导致的错误的经验描述，借助科学的大数据处理方法进行总结提升，再通过对古今文献的系统考察以及临床针对性的检验，补充古人经验陈述中欠缺的事实，可使经络理论中的经验归纳上升为系统而完整的科学事实，基于拓扑学的穴-症关系分析即是一种可行的思路，而基于此类标准化模式对针灸临床大数据进行更加精准的研究，或将是后续的方向，我们给出了项目整体的规划图：即根据分形经络图作为机器人自动定位穴位的理论基础，而依据小世界网络理论进行针刺的量效关系分析，通过整合定量可控的针灸治疗平台及更加客观的疗效评估技术（我团队与广州中医药大学“24小时动态经络仪”建立了合作关系，如图6），建立了完整的经络仪诊断-针灸机器人治疗-经络仪再评估体系，项目开展4年来已屡次获得多项国际、国内荣誉，将为针灸医学的发展注入更强大的动力，而其具体意义有如下4点：1.重拾经典针刺手法，提高疗效：临床广泛使用的电针仪虽能增强针刺刺激，然而其模仿的针刺手法非常有限，随着医疗机器人技术的普及和软硬件购置成本的下降，可以模仿更多复杂手法的针灸机器人或将为患者带来更好的疗效。2.无痛进针，优化患者治疗体验：一个熟练的针灸医生需要5年本科+3年住院医师规范化培训的培养周期，而实现无痛进针，需要更多的临床训练。与治疗无关的进针疼痛是许多患者避免使用针灸疗法的一大原因，机器人可以稳定、快速地实现无痛进针，并且不会因为针刺患者的多少而体力不支，从而优化患者的治疗体验，更好地推广针灸。3.增加针灸临床试验的可重复性：“中医不够客观”一直是被诟病的地方，针灸似乎更是这样，“得气”的感觉几乎全凭针灸医生手感，“轻滑慢而未来，沉涩紧而已至”——得气感的体会在于针灸师的“手感”和患者的主观反馈，而带有大量传感器的针灸机器人除了可以高度模仿专家手法外，也能客观记录针刺时患者反馈的进针阻力等客观物理指标，如此建立针刺的量-效参数评估体系，或对提高针灸试验的可重复性提供帮助。而自带数据挖掘技能的智能针灸机器人，或许能集成诸多针灸专家的临床经验，实现优质医疗资源的共享。4.动物针灸，拓展中兽医市场：据《使辽录》记载，我国少数民族已用醇作麻醉剂曾进行马的切肺手术。而宋代的《明堂灸马经》、《伯乐针经》、《医驼方》等更是以书面形式记载了动物的针灸方法，如今的德国也有宠物针刺的服务，而兽医的价格也是相对高昂的，使用针灸机器人给动物针灸，或许能使目前较为冷门的中兽医得到振兴。参考文献[1]陈正荣,张宇,张小明.闭合性腹部损伤的早期诊断[J] .河北医药,2007,29(3):244[2]吴在德,吴肇汉.外科学[M] .6版.北京:人民卫生出版社,2005:420[3]Mandelbrot B B, Wheeler J A. The Fractal Geometry of Nature[J]. Journal of the Royal Statistical Society, 1982, 147(4):468 [4]徐天成,卢东东,韩旭,杨晓媛,贾卜宇,孙建华.针刺机器人在针刺定量研究中的应用探索[J]. 中医杂志,2017,58(09):752-755[5] Travers J, Milgram S. An experimental study fo the small world problem[J]. Sociometry,1969,32:425-443[6]Kleinberg J. The Small-World Phenomenon: An Algorithmic Perspective[J]. Proceedings of Acm Symposium on Theory of Computing, 2000, 406(2):163--170[7]Latapy M. Main-memory triangle computations for very large (sparse (power-law)) graphs[J]. Theor Comput Sci,2008,407(1–3):458-473[8]Watts D J, Strogatz S H. Collective dynamics of 'small-world' networks.[J]. Nature, 1998, 393(6684):440-442[9]Ulrik Brandes.A Faster Algorithm for Betweenness Centrality[J]. J Math Sociol, 2010,25(2):163-177[10]徐天成. 混沌内部的隐秩序——经络内涵的另一种解读[J].中国针灸, 2015, 35(2):151-154[11]吴彤. 试论复杂系统思想对于科学哲学的影响[J].系统科学学报, 2013(1):9-14