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方法文章

一种用于大鼠穴位可重复振动刺激的机械针灸仪器

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DOI：

10.3791/72266

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2026年8月25日

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1KM Science Research Division, Korea Institute of Oriental Medicine, 2Department of Acupuncture, Moxibustion and Acupoint, College of Korean Medicine, Daegu Haany University, Daegu, 3Department of Physiology, Yonsei University College of Medicine

* These authors contributed equally

本文内容

摘要

本方案描述了一种使用振动刺激装置在大鼠HT7穴位进行可重复针刺刺激的标准化机械针灸方法。该方法已在可卡因诱导的运动活性模型中得到验证，为研究针灸介导效应背后的外周和中枢神经生理机制提供了一个定量且可重复的实验平台。

摘要

尽管手工针灸在实验和临床研究中被广泛应用，但由于操作者在针具操作上的个体差异导致其可重复性较差，限制了其应用。为克服这一局限，已开发出一种机械针灸仪器（MAI），可通过插入的针灸针传递受控的振动刺激，且无需使用电流。本文介绍了一种在大鼠HT7穴位上应用MAI刺激的标准化操作流程，包括动物准备、穴位定位、进针操作、刺激参数设置以及行为学评估。代表性验证研究表明，在HT7穴位进行MAI刺激可降低可卡因诱导的运动活性，并优先激活与机械感受器相关的A纤维通路。后续研究进一步证实，外周尺神经传入纤维、背柱通路以及中脑边缘奖赏环路参与介导了这些效应。本文所呈现的代表性结果基于先前已发表的使用MAI平台的验证研究。该操作流程为在实验动物模型中研究针灸刺激的神经生理学机制提供了一种可重复且定量的研究方法。

引言

手针是一种传统的基于针具的刺激方法，通过直接操作针具向周围组织传递动态的机械输入，在临床和实验环境中均得到了广泛应用1,2。与电针（EA）不同，手针通过物理性操作插入的针具，产生复杂的机械刺激，包括组织形变和外周机械感受器的激活2。这些机械成分被认为是针灸特征性生理效应的重要贡献因素，并且被认为与电刺激不同，可差异性地激活躯体感觉传入通路3,4。

尽管手动针灸具有生理相关性和广泛应用，但其在实验中的应用仍受限于较差的可重复性2。手动针灸的治疗效果在很大程度上依赖于操作者相关的因素，包括进针手法、刺激强度、频率和持续时间，这些因素在不同操作者和实验条件下可能存在显著差异1。这种变异性为机制研究带来了主要障碍，阻碍了针灸刺激与神经生理学结果之间因果关系的建立。

为了克服这些局限性，电针（EA）常被用作替代方法，因为它能够精确控制刺激参数，如频率、幅度和持续时间。然而，电针引入了电输入，可能会激活与手工针刺不同的神经通路5。因此，仍难以分离并评估机械刺激的特定作用，而机械刺激是传统手工针刺的基本组成部分。因此，针灸机制研究亟需一种可重复的方法，能够在无电学干扰的情况下提供可控的机械刺激。

为解决这一局限性，2013年开发了一种机械针刺仪器（MAI），可在实现基于振动的机械刺激复现的同时，对刺激参数进行定量控制3,5。该装置可将受控的振动刺激直接传递至已插入的针灸针，从而标准化施加于组织的机械输入。利用该方法，先前的研究表明，机械针刺可在多种实验模型中调节躯体感觉、与奖赏相关以及自主神经回路4,6,7,8。例如，在HT7穴位施加机械刺激可通过调节中脑边缘多巴胺神经环路、内源性阿片通路及躯体感觉中继环路，减轻可卡因诱导的行为反应和酒精依赖6,7。此外，在神经源性位点联合施加机械与电刺激，可通过中枢自主神经区域的阿片介导机制抑制高血压5。总体而言，已有约30项采用该平台的研究增进了对针灸在成瘾、自主神经调节及其他实验条件下作用机制的理解。

与仅提供振动刺激的通用系统不同，本方案为清醒大鼠提供了针耦合、非电性、基于振动的机械针灸的集成化操作流程。该流程整合了设备组装、针-电机耦合、进针深度标准化、基于加速度计的校准、针灸穴位定位，以及在可卡因诱导的大鼠运动活性模型中通过HT7刺激进行的典型行为学验证。因此，本文提供了一种可重复的机械针灸刺激实验方案，而非介绍一种新的治疗设备。

MAI 输出的标准化和定量控制特性，也可能为未来与数据驱动分析方法的整合提供一个有用的平台。由于振动频率、加速度、插入深度和刺激持续时间等刺激参数可以被精确定义和重复，这些变量可作为计算建模的结构化输入。近期研究表明，机器学习、深度学习和迁移学习方法能够提升复杂生物医学图像及基于振动的信号数据集中的特征提取、信号分类、模式识别和优化能力9,10,11,12。类似的方法有望应用于基于 MAI 的针灸研究，通过将刺激参数与行为学、神经生理学及振动输出数据相结合，支持信号分析、行为分类、刺激参数优化以及针灸相关反应的预测。因此，未来将基于 MAI 的刺激与机器学习方法相结合的研究，可能进一步提高针灸研究的精确性、可重复性及机制解析能力。

重要的是，本文展示的代表性验证数据均来自先前已发表的研究，这些研究使用了MAI平台，数据经过复制、改编或总结而成。本文的主要目的并非报告新的实验发现，而是提供一份详细的分步操作方案，以确保在实验动物模型中可重复地应用标准化的机械针刺刺激。

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方案

本文所述所有动物实验方案均经大邱韩医大学机构动物护理和使用委员会（IACUCs）（DHU2012-008、DHU2022-12）和延世大学医学院（#2023-0006）批准，并依照美国国立卫生研究院《实验动物护理与使用指南》进行。

1. 机械针灸仪器的准备

  1. 组装机械针刺仪器（MAI）（图1）。
    1. 准备一个机械针刺仪器（MAI），该仪器由定制的控制单元和连接至针灸针的机械振动器组成（图1D）。使用控制单元调节刺激强度、振动频率和刺激持续时间3,4,13。
    2. 使用直径为0.10 mm、针体长10 mm、手柄长10 mm的无菌针灸针。在针尖上方3 mm处的针体上固定一个橡胶限位器，以标准化进针深度。
    3. 使用稳定的夹式连接器将振动电机固定在针灸针上。确认在振动过程中针体不会滑动，且在刺激期间限位器保持固定。
  2. 设置刺激参数。
    1. 将刺激条件设定为连续振动，频率85 Hz，加速度1.3 m/s2，持续20 s，以在刺激期间产生稳定的加速度波形（图1E）。
      ​注：先前的验证实验13表明，手工针刺产生的振动频率约为70–90 Hz，加速度平均值约为1.3 m/s2（图1A、B）。基于这些测量结果，MAI被设定为在85 Hz和1.3 m/s2条件下提供振动刺激，以接近手工针刺的力学特性，同时提供稳定且可重复的输出。20 s的刺激持续时间源自先前发表的大鼠可卡因诱导运动活性模型中的参数优化研究13，该研究比较了不同刺激持续时间和加速度强度，以确定有效且耐受性良好的刺激条件。在本方案中，“频率”指从加速度计信号中测得的针尖振动的主频成分。该值反映的是在手工捻针操作中传递至针尖的振动，而非操作者重复手部动作的较慢节奏。
    2. 应用85 Hz、1.3 m/s2的条件，以产生与手工针体操作相当的稳定且可重复的振动模式（图1E）。
  3. 验证振动输出。
    1. 为验证振动输出的稳定性，将针尖牢固地连接至加速度计，使电机产生的机械振动直接从针体传递至传感器。
    2. 使用数据采集系统记录刺激期间的加速度信号，并使用LabVIEW或等效软件分析信号。
    3. 将加速度值定义为刺激初始瞬态响应后的平台期所测得的稳定针尖加速度，并从加速度信号中计算主振动频率。
    4. 每次实验前，以及每次更换或调整电机、连接器、针具或针-电机耦合装置时，均需进行校准。
    5. 仅当实测的主频率和加速度在平台期保持稳定，并处于目标刺激参数的可接受范围内（例如85 Hz和1.3 m/s2的约±10%范围内）时，方可进行动物实验。
      注：手工针刺和MAI刺激期间产生的代表性加速度轨迹如图1B、E所示。

2. 动物准备及可卡因诱导的运动活性模型

  1. 准备实验动物。
    1. 用于可卡因诱导的运动活动实验的动物，选用体重为270–320 g的雄性Sprague-Dawley大鼠3,4,5。将动物饲养在12小时光照/12小时黑暗循环条件下，自由摄食和饮水。
    2. 每个实验组分配6–8只动物，除非另有说明。
  2. 使动物适应实验环境。
    1. 在测试前1天，使每只大鼠适应实验操作流程。进行轻柔的抓握操作，并实施假针灸操作（不插入针），持续2–3分钟。
    2. 将动物置于运动活动检测箱中90分钟，以减少在清醒状态下进行刺激操作期间与应激相关的行为反应。
    3. 在针灸实验前，每天对大鼠进行抓握和轻度手动固定操作，持续时间与计划的针灸操作相同，以使其适应。
    4. 在刺激过程中，用手轻轻固定动物，稳定其身体和前肢，避免施加过大压力。对非针灸对照组动物以相同方式和相同持续时间进行轻度固定，但不插入针具，以排除固定应激的非特异性影响。
      注意：操作人员应接受培训，确保固定、进针和刺激操作的一致性。
    5. 如果观察到持续挣扎、发声、逃跑企图或其他过度应激反应，应立即停止操作，并在再次测试前提供额外的适应训练。
      注意：所有针灸刺激操作均应在清醒动物中进行，并采用轻度手动固定。

3. 针灸穴位定位

  1. 定位 HT7 和 LI5 穴位。
    1. 采用移置法确定穴位，即将人体穴位位置映射到动物相应的解剖部位。
    2. HT7（神门）位于前肢腕部横纹处，尺侧腕屈肌肌腱的桡侧3,4,5,8。
      ​注：该位置在解剖学上对应于靠近尺神经的尺管（Guyon管）区域。相比之下，LI5 位于腕背侧桡侧端，拇长伸肌腱与拇短伸肌腱之间。LI5 与 HT7 位于相对的两侧，相距约 5 mm（图 1F）。这些解剖标志用于确保穴位定位的可重复性14。
  2. 定位对照穴位。
    1. 以 LI5 作为邻近腕部对照点。LI5 位于桡骨远端附近，距 HT7 约 5 mm，处于掌长肌腱与桡侧腕屈肌腱之间。

4. 机械刺激操作步骤

  1. 进行运动活动实验。
    1. 将大鼠放入开放场地实验箱中，允许其适应60分钟。记录30分钟的基础运动活动。
    2. 腹腔注射15 mg/kg可卡因以诱导运动激活3,4,5。在注射可卡因后1分钟，对动物进行轻度固定。
    3. 为标准化插入深度，在针头轴上距离针尖3 mm处安装一个橡胶塞（图1D）。确保橡胶塞牢固固定，以便在插入和振动过程中保持稳定。
    4. 在插入针头时，推进针头直至橡胶塞轻轻接触皮肤表面，同时避免过度压迫皮肤，以免改变有效插入深度。
  2. 施加机械刺激。
    1. 以85 Hz和1.3 m/s2的参数持续施加20秒振动刺激，该参数为参数验证实验中确定的最佳刺激条件（图2A–C）。针头插入后保持原位1分钟，随后将其撤出。
    2. 在注射可卡因后继续记录最多60分钟的运动活动。以10分钟为间隔分析运动活动，或计算60分钟内的总移动距离（图1C）。
    3. 将20秒刺激作为标准条件，因为此前的验证实验表明该持续时间可显著抑制可卡因诱导的运动活动（图2A–C）。
      注意：持续40秒的刺激会引发类似应激的行为，包括发声和回避反应，因此未被纳入标准刺激条件。
  3. 进行刺激参数验证实验。
    1. 比较0秒、10秒、20秒和40秒的刺激持续时间，或比较不同的加速度设置（如0.7和1.3 m/s2），以验证刺激参数（图2）。
    2. 在机械感受器相关实验中，采用50 Hz刺激作为偏向麦斯纳小体的条件，200 Hz刺激作为偏向帕西尼小体的条件，方法如前所述4,8。

5. 数据采集与统计分析

  1. 使用顶部视频追踪系统测量运动活动。将动物放入方形开放场地箱（40 cm × 40 cm × 45 cm）中，并利用视频追踪软件量化其移动的总距离。
  2. 在振动校准实验期间，记录来自加速度计输出的加速度-时间轨迹。报告主频、加速度幅值以及稳定振动持续时间（图 1D、E）。
  3. 在进行参数统计分析前，评估数据分布的正态性。当数据满足正态性假设时，采用单因素或双因素方差分析检验组间差异，并进行相应的事后比较。
  4. 在可能的情况下，由对实验分组情况设盲的研究人员进行行为追踪与分析。
  5. 行为学和生理学数据以均值 ± 标准误（SEM）表示。采用单因素或双因素重复测量方差分析（ANOVA）分析运动活动，并进行Tukey事后检验。
    注意： 样本量根据先前使用相同大鼠可卡因诱导运动活动模型和机械针刺刺激方案的研究确定。为确保足够的统计效能，每组使用6–8只大鼠。仅当出现预定义的技术或操作问题（包括针刺穴位定位错误、设备故障、校准期间振动输出不稳定或视频追踪失败）时，才将动物排除在分析之外。

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结果

可重复性机械刺激的验证

本文所示的代表性装置配置和振动输出验证结果见图1，而手动针灸来源的振动参数的定量参考范围则总结自先前的验证研究。

通过比较手动针灸操作期间产生的机械输出与设备驱动刺激产生的机械输出，对MAI进行了验证（图1）。手动操作针灸针时，针尖处产生突然且不规则的加速度峰值，不同操作者之间的差异显著13。在最初的验证研究中，手动捻针过程中检测到的加速度值范围为0.1 m/s2至2.9 m/s2，平均值约为1.3 m/s2，主导振动频率约为70–90 Hz（图1A、B）3,

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讨论

本研究提出了一种使用振动刺激装置进行机械针灸的标准化操作方案，该装置可重复地传递基于振动的机械刺激。通过定量控制刺激频率、加速度强度和持续时间，该方法克服了传统手工针灸的主要局限性，后者本质上依赖于操作者的技术，难以实现标准化。

本方案的主要优势之一在于能够分离并标准化针灸刺激中的机械成分。与在不同操作者之间存在显著差异的手法针灸不同，机械辅助针灸装置（MAI）通过插入的针灸针直接产生稳定且可重复的振动刺激。这种可重复性对于研究针灸效应神经与生理机制的机理学研究尤为重要。

与电针（EA）相比，本方案可在不引入外部电流的情况下研究机械刺激。这一区别非常重要，因为电刺激可能根据电兴奋性、电极构型、电流强度和组织阻抗直接使外周神经纤维去极化16,17。相比之下，机械针刺刺激装置（MAI）主要引起针具插入部位周围皮肤及皮下组织的机械形变。因此，该方案能更准确地再现手法针刺的物理成分，同时实现对刺激参数的定量控制。

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披露

作者声明，他们对本研究没有相关的竞争性财务利益或利益冲突。

致谢

本工作由韩国韩医学研究院（KIOM）资助，项目编号KSN2512011，以及韩国保健产业振兴院（Korea Health Technology R&D项目，由韩国保健产业振兴院（KHIDI）资助，资金来源于保健福祉部 &韩国农村振兴厅（RS-2024-00443893）以及韩国国家研究基金会（NRF）由韩国政府资助的项目（RS-2024-00349070）。我们诚挚感谢韩国韩医学研究院针灸穴位研究团队、大邱韩医大学经络与穴位研究中心以及延世大学医学院生理学系在机械针灸仪器的开发与验证过程中所提供的宝贵支持和富有见地的讨论。

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材料

本文使用的材料清单
姓名公司目录编号评论
加速度计PCB PiezotronicsPO-AXA-12-01用于振动测量
针灸针（0.10 mm × 10 mm）Dongbang Acupuncture Inc.DB102无菌一次性针灸针
鳄鱼夹连接器N/AN/A用于将振动器连接至针灸针
盐酸布比卡因（0.5%）Huons Pharm, KoreaHIRA Code (199502333)用于局部麻醉实验
盐酸可卡因Macfarlan Smith Ltd 53-21-4 用于可卡因诱导的运动行为实验
控制单元定制N/A用于调节刺激频率、加速度强度和持续时间
数据采集软件LabVIEWLabVIEW 7 Express (7.0)用于振动信号分析
数据采集系统National InstrumentsDAQ-NI USB-6200用于信号数字化
机械针灸仪（MAI）定制N/A由控制单元、振动电机、夹式连接器、针灸针和橡胶塞组成的自研装置
旷场运动活动箱定制方形旷场箱
（40 cm × 40 cm× 45 cm）
由黑色亚克力材料制成 		用于运动活动分析
橡胶塞N/AN/A安装在针尖上方3 mm处，以标准化插入深度
Sprague-Dawley大鼠Orient BioCrl:CD(SD)IGS雄性，270–320 g
振动电机Motor BankMB-0412V 用于机械振动刺激
视频追踪软件EthoVision XTEthovision 3.1用于运动轨迹追踪

参考文献

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