基于Petri网的中医脏腑与肺经五腧穴的建模

2021-11-17包胡日查卢开信葛崎伟

计算机仿真 2021年3期

包胡日查，卢开信，葛崎伟

(1.扬州大学，江苏扬州 225009；2.扬州大学附属医院，江苏扬州 225009；3.日本山口大学，山口 753-851)

1 引言

针灸疗法是我国中医传统治疗中的重要治疗手段，经过长时间的临床实践，其疗效获得了一致的肯定。中医学中，经络理论是指导针灸临床治疗的核心理论。目前，针灸疗法在临床上的运用越来越广泛，但其具体的作用机制尚未得到科学的证明且还未实现针灸治疗方案的科学化与规范化。Petri 网是能够表现系统的静态结构和解析动态行为的控制理论，在生命系统的模型化和解析中有许多应用成果。本研究的目标是通过中医学中“效能”和“症”[1]的对应关系来勾连肺经与五脏六腑，建立融合了传统五行说的Petri 网“脏腑-肺经”模型。

通过对模型的静态结构与动态行为的分析，验证肺经的运行机制。并利用临床数据与仿真数据的对比，来修正模型，使其合理化。本次研究的目的是建立五脏六腑与肺经五腧穴的关联模型。

近年、大气环境污染是呼吸系统疾病、肺心病和肺癌等病症的主要致病因素之一。从相关文中了解到2008-2016年居民肺癌发病率、死亡率与大气污染指数存在着关系[2]2006-2016《中国统计年鉴》数据见表1.减少以及治疗呼吸系统疾病迫在眉睫，这关系着每一个人的健康，希望通过建模了解肺经机制和作用，能够在预防和治疗上寻求更好的方法和途径。

五行说是中医学中的基础理论，李晓伟对五行说的量化解析进行调查和研究[3]。孙春丽关注五脏六腑系统的生理平衡状态，结合五行说和模糊系统理论，分别对单个脏系和整体的五脏系统进行分析，并建立模糊模型进行模糊化，使五脏系统处于生理平衡状态，建立了模糊模型[4]。郭文夷用数学的手法解释了五行说，通过五行系统的进化法则进行量化并建模[5][6]。

表1 2004-2012年我国居民肺癌发病率与死亡(1/103)

近年葛崎伟在中医学阴阳五行说[4]的基础上，使用Petri Net理论开发，根据经穴的刺激仿真来验证创建的模型[7-10]，以五行学为基础通过Petri Net的控制理论提出五脏六腑模型以及五脏六腑与心包经的关联模型和仿真模型。以上学者的成果为本领域研究发展做出了贡献，但也存在一些问题：建立的模糊模型的可视化呈现比较困难，心包经各穴位与五脏六腑之间的模型仅仅是在现有资料的基础上建立的链接和影响关系，且影响程度假设相同。实际上不同的穴位对脏腑的影响不是单一的，而且程度也不相同。

对于以上问题为了使临床针灸得到更可靠更好的选择穴位依据，提出脏腑-肺经五腧穴模型。

2 基础理论

2.1 Petri网

Petri 网是一个离散并行系统的数学表示，它有直观的图形表达方式，也有丰富的系统描述手段和系统行为分析技术，是建模工具之一。在生命系统的建模和结构解析方面有诸多的研究案例和成果[11-13]。利用Petri网来解析和明确五脏六腑以及肺经经络的构成结构和作用。Petri网是有向图的一种，持有Place和Transition两种节点的带权的两部分图。

一个PetriNet是一个三元组，P={p1，p2，…，pm}为场所(place)的集合；T={t1，t2，…，tn}为变迁(transition)的集合；F=(P×T)∪(T×P)为输入函数和输出函数集，称为流关系。三元组N=(P，T；F)构成网(net)的充分必要条件:P∩T=ф，规定了场所和变迁是两类不同的元素；

①P∪T≠ф，表示网中至少有一个元素；

②F=(P×T)∪(T×P)，建立了从场所到变迁、从变迁到库所的单方向联系，并且规定同类元素之间不能直接联系；

在本研究中，使用CPNTools构建五脏六腑和肺经五腧穴经络的模型。CPNTools是一个Petri Net工具，除了标准的Petri Net以外还有带色Petri Net和时间Petri Net都是非常有用的图形仿真工具[14-15]。CPNTools使用的是ML语言。

图1 CPNTool建模工具

2.2 脏腑与传统五行说

人体的内脏器官分五脏和六腑，五脏的相互关系有用五行说解释的说法。因此在中医学中，相生相克关系的均衡维持被称为保持健康。这种平衡关系一方过强或过弱都被称为是不健康的。这提示可以从相互对应的影响关系查找生病的原因并探寻治疗的方法。图2是表示五脏相生相克的关系图。五脏和六腑相互之间也有影响。肝和胆，心和小肠，脾和胃，肺和大肠，肾和膀胱的相互影响是表里一体的关系。脏在里，腑在表，六腑还有三焦。五行相生说中分别相对应的要素是有相互增强作用。

五行相克，即为相互对立和抑制。所以按照木→火→土→金→水的顺序循环。人体上有经络和经穴，连接身体表面和脏腑。经络是气和血流通的通道，连接皮屑、筋肉、脏腑，并将它们覆盖使之循环。

图2 五行相生相克图

经络是气和血流通的通道，连接皮屑、筋肉、脏腑，并将它们覆盖使之循环。身体从体内深处到表皮都被经络覆盖。在表皮附近一些位置存在经穴。目前被认定的有361处，通过刺激经穴，使这种刺激被传送到经络从而让体内的气和血顺畅流通。气和血的流动通过经络被传送到相对应的脏腑器官。气和血顺畅的流通，有利于活跃脏腑的机能。每个经穴都有不同的功能。五腧穴即十二经脉分布在肘、膝关节以下的井、荥、输、经、合穴，简称“五腧”，其分布次序是根据标本根结的理论，从四肢末端向肘膝方向排列。五腧穴可以说是每经的全息点，与自然节令有其相应关系，与脏腑亦有相应关系，五行配置使五腧穴成为一个五行子系统，从而与其脏腑器官、组织等相关联并发生作用。

3 脏腑-肺经五腧穴的Petri网模型

“症”是中医独有的概念，可综合评价人体全身的状态和体质，通常也可以说成身体发生异常的状态。肺经中有对应“症”的一些穴位，结合症状和病因，建立了肺经与脏腑的关系，如表2所示。

表2 肺经五腧穴与五脏六腑的关联

以表2为基础，建立肺经五腧穴与脏腑的Petri网模型。以孙春丽建立的模型作为基础，对每一个脏器(肝、心、脾、肺、肾)分别建模。将分别建立好的模型通过相生相克的关系进行连接，并对五腑(除三焦，胆、小肠、胃、大肠、膀胱)分别对应的影响的关系模型进行添加来建立整体的模型。

在这里，对脏腑有5个阶段的状态值来呈现，如图3所示。

图3 五脏的状态值

状态值在(-1，b1)区间时，值是非常低的，产生相生的能量是处于困难状态。在(b1，a1)区间时，值是处于一个低的病态状态，产生相生的能量是处于困难状态。在(a1，a2)区间时，值是处于一个平衡状态，身体保持健康平衡。在(a2，b1)区间时，值是处于一个过剩的病态状态，产生相克的能量状态。在(b1，1)区间时，值是处于一个过剩严重的病态状态。这个值是根据每个人的体质和环境的差异而不同的。在这里定义X1(t)是肾水，X2(t)是肝木，X3(t)是心火，X4(t)是脾土，X5(t)是肺金。-1

下面，关于一个脏器的状态用以下函数(1)来表示：

f(t)=as*fs(t-1)-bk*fk(t-1)+c*f(t-1)

(1)

关于函数(1)中，t是时间，as，bk，c是参数，fs函数表示相生，fk函数表示相克，f函数表示脏器的状态。肾催生和肺催生促使相生的能量和抑制相克的能量，再加上，脏器自身的损失能量相组合，从而式(1)成立。肾和心和肝的关系如图4所示，心肝脾之间相生相克的关系模型如图5所示。

图4 肝、肾、心相生相克图

图5 心、肝、脾相生相克关系

4 五腧穴-脏腑关联模型

在针灸治疗中，刺激穴位，这种刺激被传导到经络，贯通气血，通过经络气和血流到脏腑。关于经穴的刺激模型，针对“穴位-脏/腑”的影响关系建立了Petri 网模型图，如图6所示。

图6 一个经穴与单一脏(腑)的结合模型

在这里，经穴(Meridian Point)作为库所，被刺激时输出场所(Point Place)产生令牌，通过tp和脏腑的的状态Place (Output &State Place)的令牌进行组合再移到脏腑的输入场所(Input Place)。移向脏腑的状态Place，表示激活脏腑。在此，对于各脏腑来讲，在一个Place上接收从多个经穴流动过来的令牌。

在五脏六腑Petri 网模型中，将人体的表里即经络和经穴、经穴和脏腑相互进行关联脏和腑的关联手法见图7，单一脏腑Petri网模型如图8所示。