基于人工智能的电针仪治疗膝骨关节炎的最优方案研究

赵 祎，李正豪，武 衡，陈书旺

（河北科技大学 信息科学与工程学院，石家庄 050018）

电针仪是对传统中医理论的传承，是对现代科学技术的发展，是现代与传统完美融合的产物。到了现在，电针仪也衍生了经皮神经电刺激、电针刺激等各种新兴治疗方法。电针仪的使用方法简单易懂，是通过输出电流来对针体加以刺激，或者通过电极贴片输出电流对穴位所在区域进行刺激的仪器，经常被用来进行电针治疗等医学活动。电针治疗法是在医师对患者的治疗穴位进行针刺后，通过对针体通电或者通过电极贴片来使治疗效果达到更好的方法。1825年Sarlandiere首次尝试用电针仪治疗某些疼痛且取得一些疗效。20世纪40年代，有人提议制作电动针灸治疗仪。20世纪50年代以后，人们开始把想法付诸实践，这个研究方向不断被开拓，电针仪问世了，并且随着科技的不断发展，电针仪的功能和样式也在不断更新。大多数人都可以轻松驾驭，不仅如此，其见效还很快，是目前保守治疗慢性疼痛疾病的首选治疗仪器。不仅在医院有其身影，其也是一些人家庭保健的选择之一。

1 电针仪的工作原理

本课题所选用的电针仪电极输出频率为14档，1为最低档，频率是1.25 Hz；14为最高档，频率是1 000 Hz。强度输出为100档，最高为100，最低为0；电压最大变化值0~20 V。电极可以指定输出脉冲波形为单频率强度的波形，也可以指定输出包含多种频率强度的组合波形。该电针仪存在3种基础波型分别为连续波、疏密波和断续波。

连续波，该电针仪的可调频率在1.25~1 000 Hz之间，设定为14个档位。一般频率低于30 Hz的连续波称为疏波，频率高于30 Hz的连续波称为密波。密波有抑制神经系统、缓解肌肉压力的作用，疏波主要用于镇痛。刺激疏波可以迅速提升肌肉兴奋度，带动肌肉韧带，使其更有活力，可以让因患病而变得不敏感的肌肉部分恢复原本的能力，进而达到改善血液循环、调节肌肉舒缩能力的效果，阶段治疗的话可以起到良好的治疗效果。

疏密波，就是疏波密波各持续1.5 s，交叉变换使用。疏密波很好地解决了形成单波时常常出现的耐受现象，刺激作用较大，将会引起肌肉有节奏地收缩，从而刺激了各类阵痛介质的释放，有效促进血液循环、淋巴循环，加强了组织营养的代谢、快速消除水肿，常用于各种痛症、软组织损伤、关节周围炎和腰背筋膜劳损等。

断续波，疏波断续出现，每次断、续时长为1.5 s即为断续波。在断的时间内没有脉冲输出，续时有脉冲输出。断续波给患者的感觉将会更舒适，使肌肉兴奋的能力也强于其他基础波形，能更有效地刺激肌肉收缩，常用于治疗痿症和瘫痪等疾病。

2 Apriori算法研究

2.1 Apriori算法

Apriori算法用于解决大规模数据集的关联分析问题。关联分析或校正分析是从众多数据中找出信息之间的各种隐含关系。寻找大规模数据信息之间的关系是一项工作量十分庞大的工程，不能靠蛮力搜索，因此需要用更加智能的方法在短时间内寻找到频繁项集，这就是Apriori算法所要解决的问题。

Apriori算法的名词解释如下。

项目：项目是数据集中最小的独立单位，比如“内膝眼穴”就是一个项目。

项集：数据中数据构成的非空集合，一个穴位分组就对应着一个项集，比如{“内膝眼穴”，“外膝眼穴”，“血海穴”}。

项集的支持度：支持度就是几个关联的数据在数据集中出现的次数占总数据集的比重，或者几个数据关联出现的概率。

频繁项集：频繁项集就是在数据集中频繁出现的项集。如果一个项集中含有k个项目，则称为k项集，若同时满足最小支持度，则该项集为频繁k项集。

2.2 频繁项集和关联规则的获得

发现频繁项集和发现关联规则。首先需要先找到频繁项集，然后才能获得关联规则。Apriori；算法是发现频繁项集的一种方法。Apriori；算法的2个输入参数分别是最小支持度和数据集。该算法首先会生成所有单个项目的项集列表。接着扫描来查看哪些项集满足最小支持度的要求，那些不满足最小支持度的集合会被去掉。然后，对剩下来的集合进行组合以生成包含2个元素的项集。接下来，再重新扫描穴位分组，去掉不满足最小支持度的项集。该过程重复进行直到满足退出条件。即从频繁1项集开始，采用频繁k项集搜索频繁k+1项集，直到不能找到包含更多项的频繁项集为止。

2.3 支持度的计算

在运算过程中，可以通过设置最小支持度来对关联程度低于阈值的项集进行枝剪。如：在n个穴位分组中有m个包含“内膝眼穴”，则“内膝眼穴”的支持度为m/n；又比如在n个穴位分组中有k个同时包含“内膝眼穴”和“血海穴”，则项集{“内膝眼穴”，“血海穴”}的支持度为k/n。

支持度的计算公式为

式中：num（XY）为事件X、Y关联出现的次数；num（ALLSamples）为所有事件出现的次数。

2.4 软件流程图

软件流程如图1所示。

图1 软件流程图

3 数据的采集及分析

3.1 实验数据采集方案的制定

从大学生中招募了20名健康、无痛、积极乐观和无膝骨关节炎病史的成人志愿者，同时也要求不能患有起搏器、肿瘤、糖尿病、周围血管疾病、局部皮肤感染或四肢疼痛等疾病。20名志愿者中男女各为10人，年龄在21~23岁之间，志愿者的各项基本信息均需要记录在册（表1）。实验开始后，根据实际情况调节固定频率，在固定频率下不断变换强度，同时每发生一个变量的变化都需要询问并记录志愿者的感受，如果刺激过大，应志愿者要求急停电针仪。需要注意的是，实验持续时间不能过长，如果长时间地持续进行测试，志愿者的感知会变得迟缓、灵敏度降低，所以每进行一段时间就要暂停一会，让志愿者恢复感知敏感度后再继续实验。本研究尊重志愿者个人意愿，实验过程和数据公开透明，如果志愿者实验中途出现任何问题立即停止试验并积极为志愿者的身体情况负责。20名志愿者每人都需要进行10次电针治疗实验，考虑到电针刺激的效果会保持在1~3 d，所以制定在20 d内完成10次治疗实验，每次治疗后休息1 d，第3天继续进行下次治疗，以20 d为1个疗程。

表1 志愿者基本信息统计表格

3.2 感觉评估标准制定

人体对于刺激的感觉是反映实验结果的一种方式，感觉系统是由神经系统和感觉器官组成的，虽然每个人对于不同刺激的感觉可能是不同的，但事实上感觉系统是人的大脑对直接作用于感觉器官的客观事物最真实的反映，存在一定参考意义和价值。

在使用电针仪刺激的过程中，因为每个人对不同的刺激的感觉是不同的，所以电针仪对不同的人起到的效果也是不同的。对于个体接受电针刺激后的感受制定了如下量化：将感觉划分为6个等级，数字越大感受越强烈，分别是无感、微感、有感、治疗、麻痛感和难以承受。根据量化划分制定的感觉评估表，设计了以频率和强度为变量制作1个二维表格，来统计每个志愿者在不同频率不同强度的刺激下的直接感受。本研究使用的电针仪频率有14档，频率为1.25~1 000 Hz；电针仪的强度100个档，分别是1~100，由于划分的一个档位之间变化不大，研究选取了10、20、30、40、50、60、70、80、90和100这10个档位作为标准研究。

3.3 实验过程

实验数据是在大学的研究实验室中收集的，保证了实验环境的相对安静，也尽可能让志愿者感觉放松和舒适。进行实验之前，需要志愿者进行一些运动，以达到志愿者膝关节产生酸痛感，如跑步30 min、上下楼梯10 min或蹬自行车20 min等都可以达到所需效果，来模拟膝骨关节炎患者所能感受到的膝骨关节炎带来的疼痛症状。实验开始后，根据实际情况调节固定频率，在固定频率下不断变换强度，同时每发生一个变量的变化都需要询问并记录志愿者的感受，如果刺激过大，应志愿者要求需急停电针仪。需要注意的是，实验持续时间不能过长，如果长时间地持续进行测试，志愿者的感知会变得迟缓、灵敏度降低，所以每进行一段时间就要暂停一会，让志愿者恢复感知敏感度后再继续实验。

3.4 实验结果数据的对比分析

通过数据查询平台的辅助使用，加快了实验结果数据的对比分析。为了方便做数据统计，将每个志愿者编号（表1），也将选取的6个穴位根据其位置分成了3组，并进行分组编号（表2），将感觉的6个等级分别量化为数字：1-无感、2-微感、3-有感、4-治疗、5-麻痛感、6-难以承受。

表2 穴位分组

实验结果数据分成了2大部分，通过区别男生和女生来分析得出了以下情况。

1）男生在刺激内膝眼穴和外膝眼穴时，能达到治疗的强度大多在60~70之间，除了1.25 Hz和5 Hz下强度90~100才达到治疗效果之，其他频率下能达到治疗效果的强度均在60~70左右。

男生在刺激血海穴和梁丘穴时，能达到治疗的强度大多在50~60之间，除了1.25、5、10 Hz下强度70~90才达到治疗效果，其他频率下能达到治疗效果的强度均在50~60左右。

男生在刺激阴陵泉穴和足三里穴时，能达到治疗的强度大多在60~70之间，除了1.25 Hz和5 Hz下强度90~100才达到治疗效果，其他频率下能达到治疗效果的强度均在60~70左右。

2）女生在刺激内膝眼穴和外膝眼穴时，能达到治疗的强度大多在50~70之间，除了1.25 Hz和5 Hz下强度60~80才达到治疗效果，其他频率下能达到治疗效果的强度均在50~70左右。

女生在刺激血海穴和梁丘穴时，能达到治疗的强度大多在40~60之间，除了1.25 Hz和5 Hz下强度70~80才达到治疗效果，其他频率下能达到治疗效果的强度均在40~60左右。

女生在刺激阴陵泉穴和足三里穴时，能达到治疗的强度大多在50~70之间，除了1.25、5、10 Hz下强度70~90才达到治疗效果，其他频率下能达到治疗效果的强度均在60~70左右。

3.5 小结

不同穴位对于不同强度、频率的电针刺激的反馈数据分析总结如下。

通过分析，男生所能承受的可以达到治疗效果的强度范围比女生达到治疗效果的范围要大，说明女生的感觉数据比男生的更分散。

由于男女生耐受能力差别较大，所以未研究不同穴位下对于电针刺激所有人的平均适合的治疗效果范围。但是通过观察发现受试者的3组穴位的耐受能力是不同的，由大到小可以排序为：内膝眼穴和外膝眼穴、阴陵泉穴和足三里穴、血海穴和梁丘穴。

无论是男生还是女生，在1.25 Hz和5 Hz下不同强度的刺激感受与其他频率下的刺激感受差别较大。由此便可以找到治疗膝骨关节炎时男女各个穴位适宜的强度和频率。

4 结束语

本文对于使用电针仪治疗膝骨关节炎的最优方案进行了研究，通过对男女生不同穴位进行电刺激来观察其治疗效果强度，进而得出最优的治疗方案，进一步的研究将会应用到更多疾病的治疗中。