下腰痛患者针刺治疗脑功能网络的小世界拓扑特性

下腰痛是一种常见的以腰背部疼痛为主要表现，或伴下肢放射痛、麻木等症状的综合征。

研究［1］显示，下腰痛是全球第一大致残疾病，在我国其是导致活动受限的第二大主要因素，给个人、家庭、社会带来巨大的经济负担。

针灸作为中医保守疗法的一种，对下腰痛症状的缓解有明显效果，但针灸治疗的理论机制尚不明确。

基于图论的复杂网络分析是近年来用于神经学领域很有前景的新方法，在脑功能网络拓扑特性方面的研究越来越多。

本文采用图论的脑功能网络分析方法探讨针刺治疗下腰痛患者脑功能网络的改变，从而探讨针刺治疗前后脑功能网络的差异。

1资料与方法1.1
一般资料
收集2017年10月至2018年1月
甘肃省中医院收治的下腰痛患者20例，其中男12例，女8例；年龄26～54岁，平均（44.5±3.4）岁；体质量（62.53±3.75）kg ；均为右利手。

根据临床症状和影像表现（CT 或MRI 检查证实为L 4～5椎间盘突出压迫神经根所致）明确诊断为腰腿痛患者，病程2个月至1年。

纳入标准：均未使用解热镇痛、安眠、激素类药物，或已停2周；视力、听力和语言功能均正常，体内无金属植入物，既往无心、肺、肝、肾等重要器官疾病史，无精神疾病史，无明确脑卒中或其他颅脑疾病史，无MRI 检查禁忌证；焦虑自评量表（self -rating anxiety scale ，SAS ）及抑郁自评量表（self -rating de 鄄pression scale ，SDS ）评定为正常者。

该研究经甘肃省中医院伦理委员会批准（2017-060-01），患者均签署知情同意书。

1.2量表评价20例在治疗前、后均进行视觉模拟疼痛评分（visual analogue scale ，VAS ）［2］与日本骨科协会（Japanese orthopaedic association scores ，JOA ）下腰痛疗效评定表［3］的测试，以评定疼痛缓解程度及
DOI ：10.3969/j.issn.1672-0512.2021.01.006
［基金项目］甘肃省青年科技基金计划项目（17JR5RA049）。

［通信作者］周晟，E -mail ：。

下腰痛患者针刺治疗脑功能网络的
小世界拓扑特性
贾润慧1，汪新柱1，陈晓飞1，董馥闻1，温玉蓉2，周
晟1
（1．甘肃省中医院放射影像科，甘肃兰州730050；2.兰州大学第二医院介入科，甘肃兰州730030）
［摘要］目的：利用静息态fMRI 探讨针刺治疗下腰痛患者脑功能网络的小世界拓扑特性。

方法：纳入下腰痛患者20例，针刺委中及大肠俞穴，分别于治疗前及治疗14d 后行静息态fMRI 扫描，构建全脑功能网络，分析针刺前后聚类系数（C P ）、最短路径长度（L P ）、局部信息交换效率（E local ）和全局信息交换效率（E global ）的拓扑特性变化。

采用视觉模拟疼痛评分（VAS ）、日本骨科协会（JOA ）下腰痛疗效表评定针刺的临床疗效。

结果：VAS 评分提示针刺治疗后疼痛症状缓解。

JOA 疗效表提示针刺治疗下腰痛有效。

脑网络小世界拓扑特性显示，稀疏度在0.2～0.3内，治疗前后的C P 、E local 、E global 与阈值呈负相关，L P 与阈值呈正相关，且治疗前
C P 值及E local 值明显低于治疗后，差异均有统计学意义（均P ＜0.05）。

结论：下腰痛患者针刺治疗前C P 值及E local 值均明显低于治疗
后，针刺前后全脑功能网络的小世界拓扑特性发生变化，有助于探索针刺的治疗机制。

［关键词］腰痛；磁共振成像；脑功能网络；小世界网络；拓扑
Small -world topological characteristics of the brain functional networks in patients with low back pain which treated by acupuncture
JIA Runhui ，WANG Xinzhu ，CHEN Xiaofei ，DONG Fuwen ，WEN Yurong ，ZHOU Sheng .Department of Radiology ，
Gansu Provincial Hospital of Traditional Chinese Medicine ，Lanzhou ，730050，China.
［Abstract ］Objective ：To explore the topological characteristics of small -world of the brain functional networks in patients with
low back pain which treated by acupuncture.Methods ：Totally 20patients with low back pain were involved.With the treatment of acupuncture at Weizhong and Dachangyu acupoints from the same experienced acupuncturist.Resting -state fMRI data were acquired respectively before and after 14days treatment ，and the whole brain functional networks were constructed.The small -world topological characteristics including C P ，L P ，E local ，E global were analyzed before and after acupuncture.The visual analogue score （VAS ）and JOA low back pain table were used to evaluate the clinical efficacy of acupuncture.Results ：VAS scores showed relief of pain symptoms of low back pain by acupuncture.JOA scores suggested that acupuncture was effective in treating low back pain.Within the range of 0.2≤sparsity ≤0.3，the C P ，E local and E global were negatively correlated with the threshold ，while L P was positively correlated with the threshold before and after treatment.The C P and E local increased obviously after treatment ，and the differences were significant （both P ＜0.05）.Conclusions ：The C P and E local increase after acupuncture treatment ，and the small -world topological characteristics of whole brain functional network vary before and after acupuncture ，which is helpful to explore the mechanism of acupuncture treatment.
［Key words ］Low back pain ；Magnetic resonance imaging ；Brain ’s functional network ；Small world networks ；Topology
下腰痛的临床治疗效果。

VAS的评分标准为：0分为无痛，3分以下为轻度疼痛，4～6分为中度疼痛，7～10分则为重度疼痛。

JOA疗效评分中改善率100%为治愈，>60%为显效，25%～60%为有效，＜25%为无效。

1.3针灸操作所有患者均由同一位针灸主治医师操作，主穴选右侧大肠俞和委中。

大肠俞取穴为L4椎棘突下，旁开1.5寸进针，直刺0.8～1.2寸。

委中取穴为腘横纹中点，直刺1～1.5寸。

根据患者自身情况中医辨证后选取其他副穴辅助治疗。

针刺针为苏州医疗器械厂华佗牌银质针（含银85%，规格0.35mm×50mm），针刺穴位后，患者自感酸麻胀痛，“得气”后留针，连接电针仪（联创科技韩氏RHANS-200A穴位神经刺激仪，标准编码YZB/苏0049-2008），选择波形频率：疏密波2Hz/15Hz，脉冲宽度0.6ms，通电持续30min，电流量选择最大耐受电流。

持续治疗2个疗程（14d）。

所有患者均于针刺治疗前、后间隔1d行2次静息态数据采集。

1.4静息态数据采集采用GE3.0T Signa HDxt MRI扫描仪，8通道高分辨率头线圈。

患者取仰卧位，固定头部以减少伪影，戴静音耳塞降低噪音，闭眼，保持清醒状态，避免有任何的主动思维活动。

扫描序列为T2WI EPI序列，层厚6.0mm，TE40ms，TR 2000ms，翻转角90°，矩阵96×96，视野240mm×240mm，NEX1.0，扫描22层，扫描时间10min，包括300个全脑volumes。

1.5数据处理使用Matlab软件将DICOM格式数据进行180°旋转。

利用SPM的软件包DPARSF程序进行图像预处理，得到20例针刺治疗前后90个脑区的时间序列矩阵，将其导入MATLAB，计算每2个区域间的Pearson相关系数，得到90×90脑区的功能邻接矩阵R，为增加相关矩阵的正态性，再对所有关联值进行Fisher r to z变换，得到标准化矩阵Z。

将稀疏度设为阈值，根据阈值选定规则［4］，设置其范围为0.2～0.3，步长为0.01。

1.6小世界参数计算采用聚类系数（C p）、最短路径长度（L p）、局部信息交换效率（E local）和全局信息交换效率（E global）反映下腰痛患者针刺前后小世界
拓扑性质的改变。

C p=1
n
移i∈N C i，其中C i为节点i的
聚集系数。

L p=1
n
移i∈N L i，其中L i为节点i的平均
路径长度。

E local=1
n
移i∈N E local，i；E local，i为节点i的局部
效率。

E global=1
n
移i∈N E i，E i表示节点i的全局效率。

其中C p和E local代表网络局部信息传输能力，E global与L P 衡量网络全局信息传递能力。

1.7统计学分析采用SPSS18.0软件进行数据分析，定量资料符合正态性分布，用x±s表示，行配对t检验。

以P＜0.05为差异有统计学意义。

2结果
2.1疗效评分20例治疗前后VAS评分分别为（4.650±1.725）、（2.500±1.051）分，行配对t检验，两者差异有统计学意义（P＜0.001），提示针刺治疗后疼痛症状缓解。

JOA疗效评分中改善指数为6.0±1.8、改善率为（4
3.7±5.9）%，提示针刺治疗下腰痛有效。

2.2小世界参数稀疏度在0.2～0.3阈值范围内，治疗前后C p、E local、E global与稀疏度均呈负相关，L p与稀疏度呈正相关。

治疗前C p值及E local值均明显低于治疗后，差异均有统计学意义（均P＜0.05）（图1）。

3讨论
人脑是自然界最复杂的器官。

大脑的功能活动是以各个脑区的解剖结构为基础，脑区间既相互独立，又协同合作，使得大脑成为一个复杂的网络系统。

目前，小世界特性为探索人脑这一复杂的网络系统提供了新的思路［5］。

小世界网络具有较短的L p和较高的C p，即较高的全局效率和较高的局部效率，保证了信息传递和整合在局部和全局水平的高效性，同时具有效率最大化而耗能最小化的特点，是高度整合、优化的网络模型。

小世界属性全面反映了脑网络分化与整合的均衡性［6］。

研究［7］表明，正常人甚至一些大脑功能性疾病患者的大脑功能连接网络或结构网络均具小世界特性。

笔者前期研究［8-9］针对正常人进行针刺前后脑功能网络的对比，而本研究主要针对下腰痛患者，观察下腰痛患者在针刺治疗前后脑功能网络的小世界拓扑特性的改变，发现治疗前后C p、E local、E global与阈值呈负相关，L p与阈值呈正相关，且治疗前C p值及E local 值明显低于治疗后。

C p和E local是衡量大脑网络局部信息的传输能力，与信息的整合及传递密切相关［10］。

本研究发现，C p和E local在治疗后明显增加，说明下腰痛患者大脑局部信息的传输能力、信息的整合及传递能力受到抑制，在针刺治疗后，局部信息的传输能力较治疗前明显增强，信息的整合及传递能力增强。

在复杂网络理论中，E global反映了网络节点间信息交换的便捷性。

L p反映的是信息传递效率较高的一条通路，两者共同衡量大脑网络全局水平的信息传递能力。

既往研究［11］表明，糖尿病患者神经网络的E global有所下降，且脑功能网络E global的下降与认知功能和记忆衰退有关。

本研究中发现，下腰痛患者随着稀疏度阈值的增加E global是下降的，多考虑下腰痛患者的认知能力出现不同程度的下降。

L p在治疗后变
小，E global 在治疗后有所增加，虽然差异无统计学意义，但间接提示针刺治疗后大脑网络中的全局信息传输能力有所增强，究其原因可能是大脑功能网络的小世界拓扑属性，会随着年龄的增长、后天的学习，以及疾病的发生、认知能力的受损而受到不同程度影响有关［12］，有待进一步研究。

综上所述，VAS 评分显示针刺治疗后下腰痛症状缓解，JOA 评分显示针刺治疗有效。

采用图论方法
发现，针刺治疗后下腰痛患者的局部信息传递能力增强，信息的整合和传递能力增强，全局信息传递能力的趋势也有所增强，虽然受到不可控因素的影响。

因此，小世界网络反映的是大脑功能网络在全局水平和局部水平上的一种最佳的、高效的状态。

本研究尚存在一定的局限性，缺少正常对照组，样本量小，有待今后增加正常组进行纵向比较研究。

图1下腰痛患者针刺前、后小世界属性参数图。

针刺前参数曲线为蓝色，针刺后参数曲线为红色图1a 针刺前后C p 随稀疏度增大均逐渐减低，针刺后C p 较针刺前明显升高（P ＜0.05）图1b 针刺前后L p 随稀疏度增大均逐渐升高，针刺后L p 较针刺前有所下降，但差异无统计学意义（P >0.05）图1c 针刺前后E local 随稀疏度增大均逐渐减低，针刺后E local 较针刺前明显升高（P ＜0.05）图1d 针刺前后E global 随稀疏度增大均逐渐降低，针刺后E global 较针刺前有所升高，但差异无统计学意义（P >0.05）
局部信息交换效率（E l o c a l ）
全局信息交换效率（E g l o b a l ）
聚类系数（C p ）
最短路径长度（L p ）
①a ①b
①c
①d
稀疏度
稀疏度
稀疏度
稀疏度
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（收稿日期
2020-02-20）。