基于人工智能的電針儀治療膝骨關(guān)節(jié)炎的最優(yōu)方案研究

趙 祎，李正豪，武 衡，陳書旺

（河北科技大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，石家莊 050018）

電針儀是對傳統(tǒng)中醫(yī)理論的傳承，是對現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，是現(xiàn)代與傳統(tǒng)完美融合的產(chǎn)物。到了現(xiàn)在，電針儀也衍生了經(jīng)皮神經(jīng)電刺激、電針刺激等各種新興治療方法。電針儀的使用方法簡單易懂，是通過輸出電流來對針體加以刺激，或者通過電極貼片輸出電流對穴位所在區(qū)域進行刺激的儀器，經(jīng)常被用來進行電針治療等醫(yī)學(xué)活動。電針治療法是在醫(yī)師對患者的治療穴位進行針刺后，通過對針體通電或者通過電極貼片來使治療效果達到更好的方法。1825年Sarlandiere首次嘗試用電針儀治療某些疼痛且取得一些療效。20世紀40年代，有人提議制作電動針灸治療儀。20世紀50年代以后，人們開始把想法付諸實踐，這個研究方向不斷被開拓，電針儀問世了，并且隨著科技的不斷發(fā)展，電針儀的功能和樣式也在不斷更新。大多數(shù)人都可以輕松駕馭，不僅如此，其見效還很快，是目前保守治療慢性疼痛疾病的首選治療儀器。不僅在醫(yī)院有其身影，其也是一些人家庭保健的選擇之一。

1 電針儀的工作原理

本課題所選用的電針儀電極輸出頻率為14檔，1為最低檔，頻率是1.25 Hz；14為最高檔，頻率是1 000 Hz。強度輸出為100檔，最高為100，最低為0；電壓最大變化值0~20 V。電極可以指定輸出脈沖波形為單頻率強度的波形，也可以指定輸出包含多種頻率強度的組合波形。該電針儀存在3種基礎(chǔ)波型分別為連續(xù)波、疏密波和斷續(xù)波。

連續(xù)波，該電針儀的可調(diào)頻率在1.25~1 000 Hz之間，設(shè)定為14個檔位。一般頻率低于30 Hz的連續(xù)波稱為疏波，頻率高于30 Hz的連續(xù)波稱為密波。密波有抑制神經(jīng)系統(tǒng)、緩解肌肉壓力的作用，疏波主要用于鎮(zhèn)痛。刺激疏波可以迅速提升肌肉興奮度，帶動肌肉韌帶，使其更有活力，可以讓因患病而變得不敏感的肌肉部分恢復(fù)原本的能力，進而達到改善血液循環(huán)、調(diào)節(jié)肌肉舒縮能力的效果，階段治療的話可以起到良好的治療效果。

疏密波，就是疏波密波各持續(xù)1.5 s，交叉變換使用。疏密波很好地解決了形成單波時常常出現(xiàn)的耐受現(xiàn)象，刺激作用較大，將會引起肌肉有節(jié)奏地收縮，從而刺激了各類陣痛介質(zhì)的釋放，有效促進血液循環(huán)、淋巴循環(huán)，加強了組織營養(yǎng)的代謝、快速消除水腫，常用于各種痛癥、軟組織損傷、關(guān)節(jié)周圍炎和腰背筋膜勞損等。

斷續(xù)波，疏波斷續(xù)出現(xiàn)，每次斷、續(xù)時長為1.5 s即為斷續(xù)波。在斷的時間內(nèi)沒有脈沖輸出，續(xù)時有脈沖輸出。斷續(xù)波給患者的感覺將會更舒適，使肌肉興奮的能力也強于其他基礎(chǔ)波形，能更有效地刺激肌肉收縮，常用于治療痿癥和癱瘓等疾病。

2 Apriori算法研究

2.1 Apriori算法

Apriori算法用于解決大規(guī)模數(shù)據(jù)集的關(guān)聯(lián)分析問題。關(guān)聯(lián)分析或校正分析是從眾多數(shù)據(jù)中找出信息之間的各種隱含關(guān)系。尋找大規(guī)模數(shù)據(jù)信息之間的關(guān)系是一項工作量十分龐大的工程，不能靠蠻力搜索，因此需要用更加智能的方法在短時間內(nèi)尋找到頻繁項集，這就是Apriori算法所要解決的問題。

Apriori算法的名詞解釋如下。

項目：項目是數(shù)據(jù)集中最小的獨立單位，比如“內(nèi)膝眼穴”就是一個項目。

項集：數(shù)據(jù)中數(shù)據(jù)構(gòu)成的非空集合，一個穴位分組就對應(yīng)著一個項集，比如{“內(nèi)膝眼穴”，“外膝眼穴”，“血海穴”}。

項集的支持度：支持度就是幾個關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)集中出現(xiàn)的次數(shù)占總數(shù)據(jù)集的比重，或者幾個數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)出現(xiàn)的概率。

頻繁項集：頻繁項集就是在數(shù)據(jù)集中頻繁出現(xiàn)的項集。如果一個項集中含有k個項目，則稱為k項集，若同時滿足最小支持度，則該項集為頻繁k項集。

2.2 頻繁項集和關(guān)聯(lián)規(guī)則的獲得

發(fā)現(xiàn)頻繁項集和發(fā)現(xiàn)關(guān)聯(lián)規(guī)則。首先需要先找到頻繁項集，然后才能獲得關(guān)聯(lián)規(guī)則。Apriori；算法是發(fā)現(xiàn)頻繁項集的一種方法。Apriori；算法的2個輸入?yún)?shù)分別是最小支持度和數(shù)據(jù)集。該算法首先會生成所有單個項目的項集列表。接著掃描來查看哪些項集滿足最小支持度的要求，那些不滿足最小支持度的集合會被去掉。然后，對剩下來的集合進行組合以生成包含2個元素的項集。接下來，再重新掃描穴位分組，去掉不滿足最小支持度的項集。該過程重復(fù)進行直到滿足退出條件。即從頻繁1項集開始，采用頻繁k項集搜索頻繁k+1項集，直到不能找到包含更多項的頻繁項集為止。

2.3 支持度的計算

在運算過程中，可以通過設(shè)置最小支持度來對關(guān)聯(lián)程度低于閾值的項集進行枝剪。如：在n個穴位分組中有m個包含“內(nèi)膝眼穴”，則“內(nèi)膝眼穴”的支持度為m/n；又比如在n個穴位分組中有k個同時包含“內(nèi)膝眼穴”和“血海穴”，則項集{“內(nèi)膝眼穴”，“血海穴”}的支持度為k/n。

支持度的計算公式為

式中：num（XY）為事件X、Y關(guān)聯(lián)出現(xiàn)的次數(shù)；num（ALLSamples）為所有事件出現(xiàn)的次數(shù)。

2.4 軟件流程圖

軟件流程如圖1所示。

圖1 軟件流程圖

3 數(shù)據(jù)的采集及分析

3.1 實驗數(shù)據(jù)采集方案的制定

從大學(xué)生中招募了20名健康、無痛、積極樂觀和無膝骨關(guān)節(jié)炎病史的成人志愿者，同時也要求不能患有起搏器、腫瘤、糖尿病、周圍血管疾病、局部皮膚感染或四肢疼痛等疾病。20名志愿者中男女各為10人，年齡在21~23歲之間，志愿者的各項基本信息均需要記錄在冊（表1）。實驗開始后，根據(jù)實際情況調(diào)節(jié)固定頻率，在固定頻率下不斷變換強度，同時每發(fā)生一個變量的變化都需要詢問并記錄志愿者的感受，如果刺激過大，應(yīng)志愿者要求急停電針儀。需要注意的是，實驗持續(xù)時間不能過長，如果長時間地持續(xù)進行測試，志愿者的感知會變得遲緩、靈敏度降低，所以每進行一段時間就要暫停一會，讓志愿者恢復(fù)感知敏感度后再繼續(xù)實驗。本研究尊重志愿者個人意愿，實驗過程和數(shù)據(jù)公開透明，如果志愿者實驗中途出現(xiàn)任何問題立即停止試驗并積極為志愿者的身體情況負責。20名志愿者每人都需要進行10次電針治療實驗，考慮到電針刺激的效果會保持在1~3 d，所以制定在20 d內(nèi)完成10次治療實驗，每次治療后休息1 d，第3天繼續(xù)進行下次治療，以20 d為1個療程。

表1 志愿者基本信息統(tǒng)計表格

3.2 感覺評估標準制定

人體對于刺激的感覺是反映實驗結(jié)果的一種方式，感覺系統(tǒng)是由神經(jīng)系統(tǒng)和感覺器官組成的，雖然每個人對于不同刺激的感覺可能是不同的，但事實上感覺系統(tǒng)是人的大腦對直接作用于感覺器官的客觀事物最真實的反映，存在一定參考意義和價值。

在使用電針儀刺激的過程中，因為每個人對不同的刺激的感覺是不同的，所以電針儀對不同的人起到的效果也是不同的。對于個體接受電針刺激后的感受制定了如下量化：將感覺劃分為6個等級，數(shù)字越大感受越強烈，分別是無感、微感、有感、治療、麻痛感和難以承受。根據(jù)量化劃分制定的感覺評估表，設(shè)計了以頻率和強度為變量制作1個二維表格，來統(tǒng)計每個志愿者在不同頻率不同強度的刺激下的直接感受。本研究使用的電針儀頻率有14檔，頻率為1.25~1 000 Hz；電針儀的強度100個檔，分別是1~100，由于劃分的一個檔位之間變化不大，研究選取了10、20、30、40、50、60、70、80、90和100這10個檔位作為標準研究。

3.3 實驗過程

實驗數(shù)據(jù)是在大學(xué)的研究實驗室中收集的，保證了實驗環(huán)境的相對安靜，也盡可能讓志愿者感覺放松和舒適。進行實驗之前，需要志愿者進行一些運動，以達到志愿者膝關(guān)節(jié)產(chǎn)生酸痛感，如跑步30 min、上下樓梯10 min或蹬自行車20 min等都可以達到所需效果，來模擬膝骨關(guān)節(jié)炎患者所能感受到的膝骨關(guān)節(jié)炎帶來的疼痛癥狀。實驗開始后，根據(jù)實際情況調(diào)節(jié)固定頻率，在固定頻率下不斷變換強度，同時每發(fā)生一個變量的變化都需要詢問并記錄志愿者的感受，如果刺激過大，應(yīng)志愿者要求需急停電針儀。需要注意的是，實驗持續(xù)時間不能過長，如果長時間地持續(xù)進行測試，志愿者的感知會變得遲緩、靈敏度降低，所以每進行一段時間就要暫停一會，讓志愿者恢復(fù)感知敏感度后再繼續(xù)實驗。

3.4 實驗結(jié)果數(shù)據(jù)的對比分析

通過數(shù)據(jù)查詢平臺的輔助使用，加快了實驗結(jié)果數(shù)據(jù)的對比分析。為了方便做數(shù)據(jù)統(tǒng)計，將每個志愿者編號（表1），也將選取的6個穴位根據(jù)其位置分成了3組，并進行分組編號（表2），將感覺的6個等級分別量化為數(shù)字：1-無感、2-微感、3-有感、4-治療、5-麻痛感、6-難以承受。

表2 穴位分組

實驗結(jié)果數(shù)據(jù)分成了2大部分，通過區(qū)別男生和女生來分析得出了以下情況。

1）男生在刺激內(nèi)膝眼穴和外膝眼穴時，能達到治療的強度大多在60~70之間，除了1.25 Hz和5 Hz下強度90~100才達到治療效果之，其他頻率下能達到治療效果的強度均在60~70左右。

男生在刺激血海穴和梁丘穴時，能達到治療的強度大多在50~60之間，除了1.25、5、10 Hz下強度70~90才達到治療效果，其他頻率下能達到治療效果的強度均在50~60左右。

男生在刺激陰陵泉穴和足三里穴時，能達到治療的強度大多在60~70之間，除了1.25 Hz和5 Hz下強度90~100才達到治療效果，其他頻率下能達到治療效果的強度均在60~70左右。

2）女生在刺激內(nèi)膝眼穴和外膝眼穴時，能達到治療的強度大多在50~70之間，除了1.25 Hz和5 Hz下強度60~80才達到治療效果，其他頻率下能達到治療效果的強度均在50~70左右。

女生在刺激血海穴和梁丘穴時，能達到治療的強度大多在40~60之間，除了1.25 Hz和5 Hz下強度70~80才達到治療效果，其他頻率下能達到治療效果的強度均在40~60左右。

女生在刺激陰陵泉穴和足三里穴時，能達到治療的強度大多在50~70之間，除了1.25、5、10 Hz下強度70~90才達到治療效果，其他頻率下能達到治療效果的強度均在60~70左右。

3.5 小結(jié)

不同穴位對于不同強度、頻率的電針刺激的反饋數(shù)據(jù)分析總結(jié)如下。

通過分析，男生所能承受的可以達到治療效果的強度范圍比女生達到治療效果的范圍要大，說明女生的感覺數(shù)據(jù)比男生的更分散。

由于男女生耐受能力差別較大，所以未研究不同穴位下對于電針刺激所有人的平均適合的治療效果范圍。但是通過觀察發(fā)現(xiàn)受試者的3組穴位的耐受能力是不同的，由大到小可以排序為：內(nèi)膝眼穴和外膝眼穴、陰陵泉穴和足三里穴、血海穴和梁丘穴。

無論是男生還是女生，在1.25 Hz和5 Hz下不同強度的刺激感受與其他頻率下的刺激感受差別較大。由此便可以找到治療膝骨關(guān)節(jié)炎時男女各個穴位適宜的強度和頻率。

4 結(jié)束語

本文對于使用電針儀治療膝骨關(guān)節(jié)炎的最優(yōu)方案進行了研究，通過對男女生不同穴位進行電刺激來觀察其治療效果強度，進而得出最優(yōu)的治療方案，進一步的研究將會應(yīng)用到更多疾病的治療中。