計(jì)算機(jī)仿真探討外邪襲表影響因素淺析

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摘要:由于中醫(yī)外感疾病的病理生理過(guò)程相對(duì)抽象,難以直接觀測(cè)及量化分析,因此研究利用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)模擬外邪襲表、內(nèi)侵致病的過(guò)程,從而探討其影響因素,以期為外感疾病的防控提供參考。研究方法主要通過(guò)netlogo6.1.1進(jìn)行編程建模,進(jìn)行外邪襲表的計(jì)算機(jī)仿真,并通過(guò)spearman相關(guān)性分析及l(fā)ogistic回歸分析探討外邪襲表、內(nèi)侵致病的影響因素。結(jié)果共進(jìn)行了9240次計(jì)算機(jī)仿真,最終得到了924組數(shù)據(jù)。spearman相關(guān)性分析表明單位外邪流量與正氣密度、正氣能量級(jí)、體表厚度存在負(fù)相關(guān)關(guān)系。logistic回歸分析表明外邪內(nèi)侵與否與正氣密度、正氣能量級(jí)、體表厚度相關(guān)。研究表明利用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)可以對(duì)特定的中醫(yī)病理生理現(xiàn)象進(jìn)行仿真及定量觀測(cè),有利于推動(dòng)知識(shí)發(fā)現(xiàn)及中醫(yī)藥學(xué)現(xiàn)代化。

關(guān)鍵詞:計(jì)算機(jī)仿真技術(shù);外邪;正氣;體質(zhì)

1引言

自古以來(lái),感染性疾病就是人類(lèi)健康的大敵,如張仲景在《傷寒論·序》中有記載:“余宗族素多,向余二百。建安紀(jì)年以來(lái),猶未十稔,其死亡者,三分有二,傷寒十居其七”,感染性疾病的危害可見(jiàn)一斑。時(shí)至今日,感染性疾病仍嚴(yán)重威脅著部分發(fā)展中國(guó)家及地區(qū)人民的生命健康,給當(dāng)?shù)鼐用駧?lái)了沉重的疾病負(fù)擔(dān)[1]。然而無(wú)論是發(fā)展中還是發(fā)達(dá)國(guó)家和地區(qū),都不可忽視感染性疾病的危害,如2020年1月爆發(fā)的新型冠狀病毒性肺炎,截至2020年5月,已經(jīng)造成全球400萬(wàn)余人感染,近30萬(wàn)人死亡,且感染和死亡的人數(shù)仍在不斷地攀升中。中醫(yī)學(xué)中有豐富的關(guān)于防治外感疾病(感染性疾病)的論述,然而中醫(yī)理論及其所論述的病理生理過(guò)程相對(duì)抽象,難以直接觀測(cè)及量化分析,而計(jì)算機(jī)仿真技術(shù),可以模擬特定的中醫(yī)生理病理過(guò)程,實(shí)現(xiàn)對(duì)其的觀察和量化分析,故而近年來(lái)逐漸被應(yīng)用于中藥成分檢測(cè)[2]、中藥毒性分析[3]、病案信息挖掘等鄰域[4],[5]。因此本研究利用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù),模擬外邪襲表、內(nèi)侵致病的過(guò)程,從而探討并分析其影響因素,以期為防控外感疾病的發(fā)生發(fā)展提供參考。

2資料與方法

2.1模型的創(chuàng)建利用netlogo6.1.1編程,創(chuàng)建一個(gè)寬為m,長(zhǎng)為n的模擬世界,模擬人體的體表。其中,模擬世界的長(zhǎng)(n)代表體表厚度(exteriorthickness)。模擬世界中每一個(gè)帶顏色的小方格為一個(gè)對(duì)象,紅色代表正氣,為正氣對(duì)象。綠色代表外邪,為外邪對(duì)象。模擬世界的示意圖見(jiàn)圖1。

2.2規(guī)則的設(shè)定

2.2.1外邪的生成與運(yùn)動(dòng)規(guī)則。外邪對(duì)象在模擬世界的最左側(cè)生成,其在生成后即以每個(gè)時(shí)間步前進(jìn)一步的速度作自左向右的直線運(yùn)動(dòng),模擬邪氣襲表、內(nèi)侵致病的過(guò)程。外邪對(duì)象在生成后即獲得一個(gè)初始能量值,其每向前運(yùn)動(dòng)一步,會(huì)消耗一個(gè)能量值。當(dāng)能量值小于等于0時(shí),外邪對(duì)象將會(huì)死亡。外邪對(duì)象的能量值按式(1)計(jì)算。E邪0=n+1E邪t=E邪(t-1)-1(1)其中E邪0表示外邪對(duì)象的初始能量值,E綠t表示外邪對(duì)象在時(shí)間步t時(shí)的能量值,E邪(t-1)表示外邪對(duì)象在時(shí)間步(t-1)時(shí)的能量值。E邪0設(shè)定為n+1,是為了確保外邪對(duì)象能從模擬世界的最左側(cè)運(yùn)動(dòng)到最右側(cè),模擬外邪由表入里的過(guò)程。2.2.2正氣的生成與運(yùn)動(dòng)規(guī)則。正氣對(duì)象在模擬世界的最右側(cè)生成,其在生成后即以每個(gè)時(shí)間步前進(jìn)一步的速度作自右向左的運(yùn)動(dòng),模擬正氣出表,護(hù)衛(wèi)周身的過(guò)程。正氣對(duì)象以X%的概率生成,通過(guò)調(diào)整X可控制其在模擬世界的分布密度(density)。正氣對(duì)象生成后即獲得一個(gè)初始能量值,正氣對(duì)象每前進(jìn)一步,即會(huì)消耗一個(gè)能量值,當(dāng)能量值小于等于0時(shí),正氣對(duì)象即會(huì)死亡。正氣對(duì)象的能量值按式(2)計(jì)算。E正0=λ×nE正t=E正(t-1)-1(2)其中E正0表示正氣對(duì)象的初始能量值,E正t表示正氣對(duì)象在時(shí)間步t時(shí)的能量值,E正(t-1)表示正氣對(duì)象在時(shí)間步(t-1)時(shí)的能量值。λ是一取值范圍為0~1的參數(shù),表示正氣對(duì)象的能量級(jí)(energylevel)。λ越小,正氣對(duì)象的能量級(jí)越低,其運(yùn)動(dòng)及抗邪能力越弱。2.2.3正氣抗邪規(guī)則。若在t時(shí)間步外邪對(duì)象進(jìn)入正氣對(duì)象的攻擊范圍(以正氣對(duì)象為中心,半徑為1個(gè)單位長(zhǎng)度的圓),正氣對(duì)象即會(huì)對(duì)外邪對(duì)象發(fā)動(dòng)“攻擊”,此時(shí)E紅t與E綠t按下列公式計(jì)算:E正t=E正t-E邪t(3)E邪t=-(E正t-E邪t)(4)若任意時(shí)間步任意對(duì)象的能量值小于等于0,則該對(duì)象即會(huì)死亡。由此模擬正邪對(duì)抗、消亡的過(guò)程。

2.3評(píng)價(jià)指標(biāo)的設(shè)定

外邪由表入里的流量(以下簡(jiǎn)稱(chēng)外邪流量)可以用以評(píng)估外邪襲表、內(nèi)侵致病能力的強(qiáng)弱。所謂外邪流量,在本研究中指特定時(shí)長(zhǎng)內(nèi)通過(guò)模擬世界最右側(cè)的外邪對(duì)象的數(shù)目。為便于分析比較,本研究對(duì)外邪流量進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理,采用單位外邪流量(unitdischarge)作為外邪襲表模型的評(píng)價(jià)指標(biāo)。若單位外邪流量趨近于0,則說(shuō)明外邪難以?xún)?nèi)侵致病;若單位外邪流量趨近于1,則說(shuō)明外邪極易內(nèi)侵致病。單位外邪流量按式(5)計(jì)算單位外邪流量=外邪流量m×1總時(shí)長(zhǎng)(5)

2.4計(jì)算機(jī)仿真

按上述規(guī)則編寫(xiě)程序,并在netlogo6.1.1中運(yùn)行程序,進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真,模擬不同的正氣密度、正氣能量級(jí)及體表厚度組合下的外邪襲表、內(nèi)侵致病的過(guò)程。設(shè)定正氣密度、正氣能量級(jí)、體表厚度的取值范圍分別為集合D、E及C,詳見(jiàn)(6)、(7)及(8)。D={d|d=n×5,n∈N∧n<21}(6)E={e|e=n×0.1,n∈N∧n<11}(7)C={c|c=n×30,n∈N∗∧n<5}(8)為減少隨機(jī)因素的干擾,以獲得更加穩(wěn)健的結(jié)果,本研究對(duì)每一個(gè)正氣密度、正氣能量級(jí)及體表厚度組合下的仿真進(jìn)行10次的重復(fù)實(shí)驗(yàn),每個(gè)仿真的運(yùn)行總時(shí)長(zhǎng)為10000個(gè)時(shí)間步,取單位外邪流量的均值作為該組合下的外邪襲表模型的評(píng)價(jià)指標(biāo)。

2.5統(tǒng)計(jì)學(xué)方法

2.5.1相關(guān)性分析。利用SAS9.4進(jìn)行spearman相關(guān)性分析,探討正氣密度、正氣能量級(jí)、體表厚度與單位外邪流量之間的相關(guān)關(guān)系。P<0.05表示差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。2.5.2logistic回歸分析。以正氣密度、正氣能量級(jí)及體表厚度為自變量,以外邪內(nèi)侵與否(單位外邪流量>0,是;單位外邪流量=0,否)為因變量,利用SAS9.4構(gòu)建二元logistic回歸模型,采用firth懲罰最大似然估計(jì)法[6],[7],以控制其它變量的影響,量化分析正氣密度、正氣能量級(jí)及體表厚度與外邪內(nèi)侵與否間的相互關(guān)系。P<0.05表示差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

3結(jié)果

3.1描述性統(tǒng)計(jì)結(jié)果

研究共獲得924種正氣密度、正氣能量級(jí)及體表厚度的組合,共進(jìn)行了9240次計(jì)算機(jī)仿真,最終獲得924組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。以正氣密度值作為橫坐標(biāo),以單位外邪流量作為縱坐標(biāo),繪制特定體表厚度下的各正氣能量級(jí)的單位外邪流量———正氣密度曲線(以下簡(jiǎn)稱(chēng)流量密度曲線)。流量密度曲線總體上呈“倒S型”[8],說(shuō)明在特定的正氣能量級(jí)及體表厚度下,單位外邪流量與正氣密度呈反比例關(guān)系,且單位外邪流量隨正氣密度變化而變化的速率是不均勻的。呈“倒S型”的流量密度曲線存在一個(gè)特殊的正氣密度值(密度閾值),當(dāng)正氣密度小于該密度值時(shí),單位外邪流量接近1,且單位外邪流量隨正氣密度變化而變化的速率較慢,而一旦正氣密度大于密度閾值時(shí),單位外邪流量隨正氣密度的增大而迅速變小,在正氣密度增大到一定程度后,單位外邪流量逐漸穩(wěn)定于1附近,變化速率變慢。此外,本研究亦發(fā)現(xiàn),在特定的體表厚度下,正氣能量級(jí)越大的流量密度曲線的密度閾值越小;而在特定的正氣能量級(jí)下,體表厚度越大的流量密度曲線的密度閾值越小。特定體表厚度下的各正氣能量級(jí)的流量密度曲線詳見(jiàn)圖2。

3.2相關(guān)性分析結(jié)果

Spearman相關(guān)性分析結(jié)果表明,正氣密度、正氣能量級(jí)及體表厚度與正氣流量存在相關(guān)關(guān)系(P<0.05),其相關(guān)系數(shù)分別為-0.593,-0.517及-0.189,皆小于0,表明正氣密度、正氣能量及體表厚度與單位外邪流量間存在負(fù)相關(guān)關(guān)系。其中正氣密度及正氣能量級(jí)與單位外邪流量間的相關(guān)系數(shù)較小,提示其與單位外邪流量間的負(fù)相關(guān)關(guān)系較強(qiáng)。而正氣密度、正氣能量級(jí)及體表厚度間不存在相關(guān)關(guān)系(P≥0.05)。Spearman相關(guān)系數(shù)矩陣詳見(jiàn)表1。

3.3logistic回歸分析結(jié)果

Logistic回歸分析結(jié)果表明,Hosmer和Lemeshow檢驗(yàn)的卡方值為14.439,P≥0.05,提示模型的擬合優(yōu)度良好。外邪內(nèi)侵與否與正氣密度(OR=0.877,P<0.05)、正氣能量級(jí)(OR<0.001,P<0.05)、體表厚度(OR=0.977,P<0.05)相關(guān),其OR值皆小于1,提示正氣密度、正氣能量級(jí)及體表厚度是外邪內(nèi)侵所致之外感疾病的獨(dú)立保護(hù)因素。其中正氣能量級(jí)的OR值最小,其次為正氣密度,提示正氣能量級(jí)及正氣密度為外邪內(nèi)侵所致之外感疾病的較強(qiáng)的保護(hù)因素。Hosmer和Lemeshow檢驗(yàn)結(jié)果詳見(jiàn)表2,logistic回歸分析結(jié)果詳見(jiàn)表3。

4分析與討論

4.1正氣密度及正氣功能反映人體正氣狀態(tài),兩者皆可影響外邪襲表、內(nèi)侵致病的過(guò)程

中醫(yī)學(xué)認(rèn)為,“正氣存內(nèi),邪不可干”,外邪襲表,能否內(nèi)傳致病,取決于人體的正氣狀態(tài)。研究結(jié)果表明,單位外邪流量與正氣密度呈較強(qiáng)的負(fù)相關(guān)關(guān)系。在降低正氣的密度,模擬表氣虛少的情況下,單位外邪流量會(huì)大幅度增大,此即所謂的“邪之所湊,其氣必虛”。對(duì)于何為氣虛,《中醫(yī)大辭典》將其定義為氣的虛衰不足,《中醫(yī)辭?！穭t解釋為由于正氣不足,不能正常發(fā)揮氣的各種作用,臟腑機(jī)能減退所形成的一類(lèi)病機(jī)。由此可見(jiàn),目前對(duì)氣虛的定義,多側(cè)重于氣數(shù)量的多寡,以其為氣虛的先決條件,而較少論及氣的功能。然而本研究發(fā)現(xiàn),單位外邪流量與正氣能量級(jí)呈負(fù)相關(guān)關(guān)系,且在控制了正氣密度及體表厚度2個(gè)變量后,正氣能量級(jí)與外邪內(nèi)侵與否存在相關(guān)關(guān)系,提示外邪能否順利侵入人體致病,不僅與正氣的密度有關(guān),也與正氣的能量級(jí)有關(guān)。在本研究中,正氣的能量級(jí)決定了正氣的運(yùn)動(dòng)及抗邪功能,亦即正氣的能量級(jí)主要反映了正氣的功能。由此可知,正氣虛,不應(yīng)僅包含正氣密度下降單方面的內(nèi)容,也應(yīng)包含正氣功能減退的內(nèi)容。正氣密度及功能,是同一事物的兩個(gè)不同方面,兩者皆反映出人體的正氣狀態(tài),影響外邪襲表、內(nèi)侵致病的過(guò)程。無(wú)論是正氣密度的下降或是功能的減退,皆會(huì)削弱正氣衛(wèi)外抗邪的作用,使外邪更容易侵入人體而導(dǎo)致外感疾病的發(fā)生。

4.2體質(zhì)因素通過(guò)影響個(gè)體對(duì)正氣虛的耐受程度,進(jìn)而影響外邪襲表、內(nèi)侵致病的過(guò)程

《金匱要略》有載:“問(wèn)曰:血痹從何得之?師曰:夫尊榮人,骨弱肌膚盛……加被微風(fēng),遂得之”。“尊榮人”形似豐滿,實(shí)則筋骨嬌弱,腠理疏松不固[9],因而外邪微至,即可輕易入里致病。由此可見(jiàn),外邪襲表,能否入里致病,除與正氣狀態(tài)有關(guān),還與肌表腠理,即體質(zhì)狀態(tài)有關(guān)[10]。肌表厚實(shí),腠理固密,則邪無(wú)所入,此即仲景所言“不遺形體有衰,病則無(wú)由入其腠理”。本研究亦發(fā)現(xiàn),單位外邪流量除與正氣密度及正氣能量級(jí)存在負(fù)相關(guān)關(guān)系,還與體表厚度存在負(fù)相關(guān)關(guān)系。在排除了正氣密度及正氣能量級(jí)的影響后,體表厚度與外邪內(nèi)侵與否仍存在相關(guān)關(guān)系。這說(shuō)明體質(zhì)因素會(huì)影響外邪的侵入:體質(zhì)壯實(shí)之人,皮堅(jiān)肉厚,其流量密度曲線的密度閾值較常人小,對(duì)正氣虛的耐受度強(qiáng),抗邪能力強(qiáng)。反之,體質(zhì)偏弱之人,對(duì)正氣虛的耐受度弱,抗邪能力弱。這對(duì)外感疾病的預(yù)防與控制具有重要的指導(dǎo)作用:同樣的正氣密度及能量級(jí),在不同人群中的臨床意義是不同的,應(yīng)根據(jù)個(gè)體的體質(zhì)情況進(jìn)行綜合的判斷。對(duì)體質(zhì)壯實(shí)者,即使正氣密度及能量級(jí)下降到較低的程度,其總體的抗邪能力仍相對(duì)較強(qiáng),不易得外感疾病;對(duì)體質(zhì)虛弱者,即使正氣密度及能量級(jí)僅中等程度地下降,即可出現(xiàn)嚴(yán)重的氣虛癥狀,并且預(yù)后不良,常出現(xiàn)外邪乘虛而入,表里俱病的狀況。綜上所述,正確認(rèn)識(shí)體質(zhì)因素與外邪內(nèi)侵致病間的相互關(guān)系,在此基礎(chǔ)上對(duì)人群進(jìn)行養(yǎng)生調(diào)攝或辨質(zhì)論治,充分發(fā)揮中醫(yī)藥治未病的作用,有助于防控外感疾病的發(fā)生發(fā)展,提升人體健康水平[11]。

5結(jié)論

通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真技術(shù),本研究對(duì)中醫(yī)學(xué)中的外邪襲表的病理生理過(guò)程進(jìn)行了模擬。通過(guò)仿真及統(tǒng)計(jì)分析,本研究發(fā)現(xiàn)正氣密度、正氣功能及體質(zhì)因素皆會(huì)影響外邪襲表、內(nèi)侵致病的過(guò)程,由此從數(shù)理統(tǒng)計(jì)的層面驗(yàn)證了正氣盛衰及體質(zhì)強(qiáng)弱會(huì)對(duì)外感疾病的發(fā)病產(chǎn)生影響的中醫(yī)學(xué)理論。利用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù),可以對(duì)特定的中醫(yī)理論或現(xiàn)象進(jìn)行建模,進(jìn)而模擬特定的病理生理過(guò)程,能夠使相對(duì)抽象的醫(yī)理變得具體且可觀測(cè)。將計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)應(yīng)用于中醫(yī)藥學(xué)的研究,對(duì)中醫(yī)藥現(xiàn)代化具有重要的意義。

作者:盧偉名 羅廣波 單位:廣州中醫(yī)藥大學(xué)第一臨床醫(yī)學(xué)院