计算机仿真探讨外邪袭表影响因素浅析

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摘要:由于中医外感疾病的病理生理过程相对抽象,难以直接观测及量化分析,因此研究利用计算机仿真技术模拟外邪袭表、内侵致病的过程,从而探讨其影响因素,以期为外感疾病的防控提供参考。研究方法主要通过netlogo6.1.1进行编程建模,进行外邪袭表的计算机仿真,并通过spearman相关性分析及logistic回归分析探讨外邪袭表、内侵致病的影响因素。结果共进行了9240次计算机仿真,最终得到了924组数据。spearman相关性分析表明单位外邪流量与正气密度、正气能量级、体表厚度存在负相关关系。logistic回归分析表明外邪内侵与否与正气密度、正气能量级、体表厚度相关。研究表明利用计算机仿真技术可以对特定的中医病理生理现象进行仿真及定量观测,有利于推动知识发现及中医药学现代化。

关键词:计算机仿真技术;外邪;正气;体质

1引言

自古以来,感染性疾病就是人类健康的大敌,如张仲景在《伤寒论·序》中有记载:“余宗族素多,向余二百。建安纪年以来,犹未十稔,其死亡者,三分有二,伤寒十居其七”,感染性疾病的危害可见一斑。时至今日,感染性疾病仍严重威胁着部分发展中国家及地区人民的生命健康,给当地居民带来了沉重的疾病负担[1]。然而无论是发展中还是发达国家和地区,都不可忽视感染性疾病的危害,如2020年1月爆发的新型冠状病毒性肺炎,截至2020年5月,已经造成全球400万余人感染,近30万人死亡,且感染和死亡的人数仍在不断地攀升中。中医学中有丰富的关于防治外感疾病(感染性疾病)的论述,然而中医理论及其所论述的病理生理过程相对抽象,难以直接观测及量化分析,而计算机仿真技术,可以模拟特定的中医生理病理过程,实现对其的观察和量化分析,故而近年来逐渐被应用于中药成分检测[2]、中药毒性分析[3]、病案信息挖掘等邻域[4],[5]。因此本研究利用计算机仿真技术,模拟外邪袭表、内侵致病的过程,从而探讨并分析其影响因素,以期为防控外感疾病的发生发展提供参考。

2资料与方法

2.1模型的创建利用netlogo6.1.1编程,创建一个宽为m,长为n的模拟世界,模拟人体的体表。其中,模拟世界的长(n)代表体表厚度(exteriorthickness)。模拟世界中每一个带颜色的小方格为一个对象,红色代表正气,为正气对象。绿色代表外邪,为外邪对象。模拟世界的示意图见图1。

2.2规则的设定

2.2.1外邪的生成与运动规则。外邪对象在模拟世界的最左侧生成,其在生成后即以每个时间步前进一步的速度作自左向右的直线运动,模拟邪气袭表、内侵致病的过程。外邪对象在生成后即获得一个初始能量值,其每向前运动一步,会消耗一个能量值。当能量值小于等于0时,外邪对象将会死亡。外邪对象的能量值按式(1)计算。E邪0=n+1E邪t=E邪(t-1)-1(1)其中E邪0表示外邪对象的初始能量值,E绿t表示外邪对象在时间步t时的能量值,E邪(t-1)表示外邪对象在时间步(t-1)时的能量值。E邪0设定为n+1,是为了确保外邪对象能从模拟世界的最左侧运动到最右侧,模拟外邪由表入里的过程。2.2.2正气的生成与运动规则。正气对象在模拟世界的最右侧生成,其在生成后即以每个时间步前进一步的速度作自右向左的运动,模拟正气出表,护卫周身的过程。正气对象以X%的概率生成,通过调整X可控制其在模拟世界的分布密度(density)。正气对象生成后即获得一个初始能量值,正气对象每前进一步,即会消耗一个能量值,当能量值小于等于0时,正气对象即会死亡。正气对象的能量值按式(2)计算。E正0=λ×nE正t=E正(t-1)-1(2)其中E正0表示正气对象的初始能量值,E正t表示正气对象在时间步t时的能量值,E正(t-1)表示正气对象在时间步(t-1)时的能量值。λ是一取值范围为0~1的参数,表示正气对象的能量级(energylevel)。λ越小,正气对象的能量级越低,其运动及抗邪能力越弱。2.2.3正气抗邪规则。若在t时间步外邪对象进入正气对象的攻击范围(以正气对象为中心,半径为1个单位长度的圆),正气对象即会对外邪对象发动“攻击”,此时E红t与E绿t按下列公式计算:E正t=E正t-E邪t(3)E邪t=-(E正t-E邪t)(4)若任意时间步任意对象的能量值小于等于0,则该对象即会死亡。由此模拟正邪对抗、消亡的过程。

2.3评价指标的设定

外邪由表入里的流量(以下简称外邪流量)可以用以评估外邪袭表、内侵致病能力的强弱。所谓外邪流量,在本研究中指特定时长内通过模拟世界最右侧的外邪对象的数目。为便于分析比较,本研究对外邪流量进行标准化处理,采用单位外邪流量(unitdischarge)作为外邪袭表模型的评价指标。若单位外邪流量趋近于0,则说明外邪难以内侵致病;若单位外邪流量趋近于1,则说明外邪极易内侵致病。单位外邪流量按式(5)计算单位外邪流量=外邪流量m×1总时长(5)

2.4计算机仿真

按上述规则编写程序,并在netlogo6.1.1中运行程序,进行计算机仿真,模拟不同的正气密度、正气能量级及体表厚度组合下的外邪袭表、内侵致病的过程。设定正气密度、正气能量级、体表厚度的取值范围分别为集合D、E及C,详见(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)为减少随机因素的干扰,以获得更加稳健的结果,本研究对每一个正气密度、正气能量级及体表厚度组合下的仿真进行10次的重复实验,每个仿真的运行总时长为10000个时间步,取单位外邪流量的均值作为该组合下的外邪袭表模型的评价指标。

2.5统计学方法

2.5.1相关性分析。利用SAS9.4进行spearman相关性分析,探讨正气密度、正气能量级、体表厚度与单位外邪流量之间的相关关系。P<0.05表示差异有统计学意义。2.5.2logistic回归分析。以正气密度、正气能量级及体表厚度为自变量,以外邪内侵与否(单位外邪流量>0,是;单位外邪流量=0,否)为因变量,利用SAS9.4构建二元logistic回归模型,采用firth惩罚最大似然估计法[6],[7],以控制其它变量的影响,量化分析正气密度、正气能量级及体表厚度与外邪内侵与否间的相互关系。P<0.05表示差异有统计学意义。

3结果

3.1描述性统计结果

研究共获得924种正气密度、正气能量级及体表厚度的组合,共进行了9240次计算机仿真,最终获得924组实验数据。以正气密度值作为横坐标,以单位外邪流量作为纵坐标,绘制特定体表厚度下的各正气能量级的单位外邪流量———正气密度曲线(以下简称流量密度曲线)。流量密度曲线总体上呈“倒S型”[8],说明在特定的正气能量级及体表厚度下,单位外邪流量与正气密度呈反比例关系,且单位外邪流量随正气密度变化而变化的速率是不均匀的。呈“倒S型”的流量密度曲线存在一个特殊的正气密度值(密度阈值),当正气密度小于该密度值时,单位外邪流量接近1,且单位外邪流量随正气密度变化而变化的速率较慢,而一旦正气密度大于密度阈值时,单位外邪流量随正气密度的增大而迅速变小,在正气密度增大到一定程度后,单位外邪流量逐渐稳定于1附近,变化速率变慢。此外,本研究亦发现,在特定的体表厚度下,正气能量级越大的流量密度曲线的密度阈值越小;而在特定的正气能量级下,体表厚度越大的流量密度曲线的密度阈值越小。特定体表厚度下的各正气能量级的流量密度曲线详见图2。

3.2相关性分析结果

Spearman相关性分析结果表明,正气密度、正气能量级及体表厚度与正气流量存在相关关系(P<0.05),其相关系数分别为-0.593,-0.517及-0.189,皆小于0,表明正气密度、正气能量及体表厚度与单位外邪流量间存在负相关关系。其中正气密度及正气能量级与单位外邪流量间的相关系数较小,提示其与单位外邪流量间的负相关关系较强。而正气密度、正气能量级及体表厚度间不存在相关关系(P≥0.05)。Spearman相关系数矩阵详见表1。

3.3logistic回归分析结果

Logistic回归分析结果表明,Hosmer和Lemeshow检验的卡方值为14.439,P≥0.05,提示模型的拟合优度良好。外邪内侵与否与正气密度(OR=0.877,P<0.05)、正气能量级(OR<0.001,P<0.05)、体表厚度(OR=0.977,P<0.05)相关,其OR值皆小于1,提示正气密度、正气能量级及体表厚度是外邪内侵所致之外感疾病的独立保护因素。其中正气能量级的OR值最小,其次为正气密度,提示正气能量级及正气密度为外邪内侵所致之外感疾病的较强的保护因素。Hosmer和Lemeshow检验结果详见表2,logistic回归分析结果详见表3。

4分析与讨论

4.1正气密度及正气功能反映人体正气状态,两者皆可影响外邪袭表、内侵致病的过程

中医学认为,“正气存内,邪不可干”,外邪袭表,能否内传致病,取决于人体的正气状态。研究结果表明,单位外邪流量与正气密度呈较强的负相关关系。在降低正气的密度,模拟表气虚少的情况下,单位外邪流量会大幅度增大,此即所谓的“邪之所凑,其气必虚”。对于何为气虚,《中医大辞典》将其定义为气的虚衰不足,《中医辞海》则解释为由于正气不足,不能正常发挥气的各种作用,脏腑机能减退所形成的一类病机。由此可见,目前对气虚的定义,多侧重于气数量的多寡,以其为气虚的先决条件,而较少论及气的功能。然而本研究发现,单位外邪流量与正气能量级呈负相关关系,且在控制了正气密度及体表厚度2个变量后,正气能量级与外邪内侵与否存在相关关系,提示外邪能否顺利侵入人体致病,不仅与正气的密度有关,也与正气的能量级有关。在本研究中,正气的能量级决定了正气的运动及抗邪功能,亦即正气的能量级主要反映了正气的功能。由此可知,正气虚,不应仅包含正气密度下降单方面的内容,也应包含正气功能减退的内容。正气密度及功能,是同一事物的两个不同方面,两者皆反映出人体的正气状态,影响外邪袭表、内侵致病的过程。无论是正气密度的下降或是功能的减退,皆会削弱正气卫外抗邪的作用,使外邪更容易侵入人体而导致外感疾病的发生。

4.2体质因素通过影响个体对正气虚的耐受程度,进而影响外邪袭表、内侵致病的过程

《金匮要略》有载:“问曰:血痹从何得之?师曰:夫尊荣人,骨弱肌肤盛……加被微风,遂得之”。“尊荣人”形似丰满,实则筋骨娇弱,腠理疏松不固[9],因而外邪微至,即可轻易入里致病。由此可见,外邪袭表,能否入里致病,除与正气状态有关,还与肌表腠理,即体质状态有关[10]。肌表厚实,腠理固密,则邪无所入,此即仲景所言“不遗形体有衰,病则无由入其腠理”。本研究亦发现,单位外邪流量除与正气密度及正气能量级存在负相关关系,还与体表厚度存在负相关关系。在排除了正气密度及正气能量级的影响后,体表厚度与外邪内侵与否仍存在相关关系。这说明体质因素会影响外邪的侵入:体质壮实之人,皮坚肉厚,其流量密度曲线的密度阈值较常人小,对正气虚的耐受度强,抗邪能力强。反之,体质偏弱之人,对正气虚的耐受度弱,抗邪能力弱。这对外感疾病的预防与控制具有重要的指导作用:同样的正气密度及能量级,在不同人群中的临床意义是不同的,应根据个体的体质情况进行综合的判断。对体质壮实者,即使正气密度及能量级下降到较低的程度,其总体的抗邪能力仍相对较强,不易得外感疾病;对体质虚弱者,即使正气密度及能量级仅中等程度地下降,即可出现严重的气虚症状,并且预后不良,常出现外邪乘虚而入,表里俱病的状况。综上所述,正确认识体质因素与外邪内侵致病间的相互关系,在此基础上对人群进行养生调摄或辨质论治,充分发挥中医药治未病的作用,有助于防控外感疾病的发生发展,提升人体健康水平[11]。

5结论

通过计算机仿真技术,本研究对中医学中的外邪袭表的病理生理过程进行了模拟。通过仿真及统计分析,本研究发现正气密度、正气功能及体质因素皆会影响外邪袭表、内侵致病的过程,由此从数理统计的层面验证了正气盛衰及体质强弱会对外感疾病的发病产生影响的中医学理论。利用计算机仿真技术,可以对特定的中医理论或现象进行建模,进而模拟特定的病理生理过程,能够使相对抽象的医理变得具体且可观测。将计算机仿真技术应用于中医药学的研究,对中医药现代化具有重要的意义。

作者:卢伟名 罗广波 单位:广州中医药大学第一临床医学院