使用高光谱成像仪对拔罐罐斑颜色光谱的初步观察
田宇瑛 王淑友 王广军 贾术永 李宏彦 张栋 张维波*
(中国中医科学院针灸研究所 100700)
摘要：目的：对拔罐后局部皮肤的颜色变化进行定量观察，探索客观定量测量拔罐皮肤反应的方法。方法：用定量可调的经络罐通仪对人体背部分别进行四种强度负压的拔罐各5分钟，使用高光谱成像仪测量拔罐前与拔罐后即刻的皮肤光谱数据，用数码照相机记录拔罐前后皮肤颜色的照片。结果：拔罐前人体背部不同区域的光谱之间无显著性差异，其平均光谱在540-550nm及580-590nm处有两个峰。使用不同压力拔罐后，皮肤的光谱发生了变化，在-0.02MPa时，在波长为550nm处有最大的下降（-12.1%，P<><><><>结论：不同负压拔罐后，皮肤的光谱可发生显著性变化，且不同压力时最大变化处的波长有所不同，用高光谱仪可以定量地观察拔罐的皮肤颜色反应。
关键词：拔罐；高光谱成像仪；罐斑；皮肤；光谱
拔罐疗法是中医临床的常用疗法之一，对由风寒湿引起的各种痛证具有较好的疗效[1]，拔罐还对高血压[2] [3]、感冒 [4] [5]等疾病具有一定的疗效，另外，拔罐还经常配合针刺等中医疗法[6][7]，成为中医临床不可或缺的基本技术。随着罐具的改进，抽气式、旋转式等拔罐装置的出现[8]，近年来，在家庭医疗保健方面，拔罐已成为最常用的方法之一，使用率极高。拔罐疗法不仅在中国广泛应用，还被世界上多个国家和地区使用，然而对于拔罐疗法相应的基础研究，却显得投入不足，远逊于对针刺和艾灸的研究，与其在中医临床中的地位不符，一定程度上影响了拔罐疗法的发展。针、灸和拔罐属于不同的物理刺激，针为伤害性机械刺激，灸以热刺激为主，拔罐以负压作用为主，三者的作用机理有一定差异。在拔罐过程中，拔罐部位的皮肤常会出现一定的颜色反应，称为罐斑或罐印，有红、紫、黑等颜色，在临床上有一定的诊断价值。但罐斑颜色的分辨多为肉眼观察，存在一定的主观性，且受环境光线等因素的影响。高光谱成像是近年来发展起来的一种先进的医学影像技术，该方法使用特殊的光栅对不同波长的光进行分别采集，获得按波长分布的强度光谱，最后形成二维空间成像。使用该技术可更准确地观察皮肤不同区域的颜色，对其中的频率成分进行定量的分析。我们拟使用该技术对拔罐后皮肤的颜色变化进行定量观察。
1. 对象与方法
1.1实验仪器：
使用Photon 高光谱成像仪（型号：HI000257101，Photon etc公司，加拿大，图1），光谱波长范围设定为400 - 800nm，光谱精度1nm。本方法采用cube成像模式，根据采集部位确定采集范围大小。该成像仪与计算机联机，应用PHyspec图像应用软件进行体表高光谱图的采集、记录、分析、处理和贮存。可以同时记录到采集目标的空间位置和高光谱图像及数据信息，建立三维数据立方体，方便对拔罐部位皮肤颜色的光谱进行观察，采集图像及处理分析。
使用JLG-2型经络罐通仪（北京海奥斯凯科技公司制作）产生稳定可调的负压，调节范围为-0.01MPa至 -0.07MPa，通过软管连接到口径64mm的塑料拔罐器上，拔罐器置于受试者的背部（图1）。
使用Nikon D5000数码照相机对拔罐前后的皮肤进行照相，获得皮肤反应的光学图片。
图1.实验现场图。
中间的黑色仪器为高光谱仪，左下角白色仪器为经络罐通仪，左边为受试者及背部的拔罐器
1.2实验对象：
实验对象为无皮肤疾病和过敏性疾病的健康受试者7人，性别均为男性，年龄范围在24-60岁。
1.3拔罐方法：
实验室无阳光直射，无红外辐射及通风，室温25-26℃。受试者在室内休息10分钟以适应环境及室温，并平静心情，脱去上衣暴露上半身。受试者在背部平旦部位，脊柱两侧膀胱经肺俞至膈俞之间区域，拔罐顺序四个罐依次为左上-0.02MPa，右上-0.03MPa，左下-0.04MPa，右下-0.05MPa。拔罐时间每罐均为5分钟。
1.4实验步骤：
先用绿色标记笔标记欲拔罐部位的边缘，检测时受试者背对高光谱成像仪采集镜头，距离镜头约30cm左右，用计算机高光谱采集软件的成像实时监测功能来观察和选择最佳位置，然后对拔罐前的皮肤区域进行高光谱成像采集和普通数码相机照相，再将事先设定好压力的拔罐器吸到拔罐部位，5分钟后取下，立即测量拔罐后即刻的皮肤光谱，采集图像并储存，同时照相。4个部位依次进行上述步骤的操作。
1.5 数据处理：
拔罐后的部位通常会有明显的罐斑，且在边缘区最明显，但并不是完全均匀的。根据在图像中出现的罐斑强度，选择最强变化的部位，用数据处理软件画出一个约5mm（300点左右）的矩形区域（图2），程序自动获得该区域的平均光谱数据，再以记事本格式导出到excel文件里进行处理。不同波长光谱强度之间在拔罐前后的比较采用同体配对t检验，显著性水平P<>
图2. 罐斑的光谱图像。带网格的矩形区域为采集数据的部位
2. 结果
将采集后的高光谱数据存入计算机，使用PHyspec图像应用软件对数据进行处理，选择整个拔罐区域中颜色变化最明显且比较均匀的一块区域计算光谱的分布。每位受试者共有4个部位，均在背部，考虑到同一受试者背部的皮肤光谱可能很接近，我们首先对7位受试者的4个部位在拔罐前的正常皮肤的平均光谱进行单因素(部位)方差分析，结果为F=0.128，P=0.943,无显著性差异，故将4个部位的皮肤光谱合并，结果如表1和图3所示：
图3.拔罐前正常皮肤的平均光谱分布
光谱在540-550nm及580-590nm处有两个峰,分别在绿光区(500-565nm)和黄光区（565-590nm），表明本批受试者在拔罐前的皮肤为绿、黄色混合的颜色。
使用4种不同的负压拔罐后，其皮肤光谱发生了不同的变化，与各自在拔罐前的光谱进行比较，结果如图4a-d所示：
图5.拔罐前及不同负压拔罐后皮肤的颜色变化。（从左上开始依次为拔罐前、-0.02MPa、-0.03MPa、-0.04MPa和-0.05MPa）
1. 讨论
关于拔罐的皮肤反应罐斑已有一些研究。赵喜新等[9]对不同时间和压力因素对拔罐罐斑颜色的影响进行了初步观察，发现时间和压力均对罐斑的形成均有显著影响，以压力的影响最为明显。王艳丽等[10]比较了不同压力（-0.04～ -0.07MPa）在腰背不同部位的罐斑深浅，发现腰部的着色最深，颜色的深度随负压的加强而加大。除了压力和部位，接受治疗者的状态对皮肤反应也有影响。赵喜新等[11]进一步比较了感冒病人与正常人形成罐斑的差异，发现风寒型感冒病人的显色比正常人明显，作者认为是感冒者血管扩张，血管脆性加大的缘故。
以上对罐斑的研究使用了数码相机照相后与人为制定的罐斑颜色图谱进行比对的半主观研究方法，未达到完全的客观判断。人眼观察到的颜色是视网膜上的三种视锥细胞分别对红、绿、兰三种基本颜色（三元色）产生反应后在视觉中枢整合后形成的颜色视觉，主观的色觉与实际的光谱成分相差较大，因此用肉眼难以准确识别颜色中的各种光谱成分。
高光谱成像是近年来发展起来的一种先进的医学影像技术，可更准确地观察皮肤不同区域的颜色，对其中的频率成分进行定量的分析。使用该技术，张栋等[12]对人体的面部和手掌的皮肤光谱进行了初步观察和分析，获得了正常皮肤的部分光谱特征;李荫龙、王淑友等[13]使用高光谱成像技术观察了刮痧前后皮肤光谱的变化进行了初步观察，发现刮痧后心俞区的光谱在580nm处有显著下降，而该技术用于拔罐皮肤反应的研究尚未见报道。
本研究首次使用高光谱成像仪对拔罐前后的皮肤颜色反应进行定量分析，在方法学上是一个创新。结果表明，皮肤的光谱和颜色随着负压的作用发生了明显的变化。在-0.02MPa的较小负压时即开始向红光方向偏移（绿光成分减少），随着负压绝对值的增加，绿光成分进一步减少，到了-0.04MPa，也就是一般火罐的压力，橙光成分也开始减少，表明皮肤颜色向着红黑的方向发展，在-0.05MPa作用5分钟后，多处波长成分显著下降，说明皮肤向这无颜色（黑色）的方向变化，这一过程与临床拔罐的实际情况是吻合的，与李荫龙的刮痧结果也基本吻合，虽然例数较少，仍达到显著性差异，说明其变化规律是一致的。拔罐皮肤颜色变化的生物学本质是什么？田宇瑛等[14]使用上述4种负压对拔罐后皮肤的微循环血流灌注量进行了观察，发现血流量随着负压的增加而显著升高，说明这种颜色的变化可能与血管中血液量的增多有关，血液越多，颜色越红，但该研究同时发现，-0.04MPa与-0.05MPa的变化没有显著性差异，说明并非一味增加负压即可改善血流量，在较强的负压作用下，血管受到罐子边缘的压迫，静脉回流减慢，阻止了二氧化碳代谢物的有效排除，二氧化碳与血红蛋白结合，导致血液的颜色发黑，这一规律用高光谱仪在拔罐压力为-0.05MPa时也可以明显地观察出来，说明高光谱成像仪是灵敏有效的。该研究为客观定量观察拔罐对皮肤的影响奠定了方法学基础，可用于判断拔罐后皮肤的反应情况，由此确定是否有“寒”、“淤”等中医病理特性，在未来的临床罐诊研究和应用方面具有广阔的前景。
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