傳感技術(shù)在脈診中應(yīng)用及脈象多屬性特征檢測探討*

曹東 易珺

（1.廣州中醫(yī)藥大學(xué)信息技術(shù)學(xué)院 2.廣東藥學(xué)院醫(yī)學(xué)信息工程學(xué)院）

1 引言

脈診是中醫(yī)診斷學(xué)精華之一，在中醫(yī)“望、聞、問、切”四診中占有重要地位。中醫(yī)脈診經(jīng)過幾千年發(fā)展建立了脈學(xué)理論，積累大量診脈經(jīng)驗(yàn)，但是傳統(tǒng)脈象鑒別方法沒有建立統(tǒng)一客觀標(biāo)準(zhǔn)，制約了中醫(yī)脈診應(yīng)用、推廣與發(fā)展。中醫(yī)要現(xiàn)代化，診斷方法客觀化勢在必行，用現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)對中醫(yī)脈象進(jìn)行客觀表述，是提高中醫(yī)臨床診斷水平必須手段，是中醫(yī)走向世界必經(jīng)之路。隨著現(xiàn)代傳感技術(shù)、電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息技術(shù)及數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法等學(xué)科迅速發(fā)展，為中醫(yī)脈診客觀化研究帶來發(fā)展契機(jī)和巨大挑戰(zhàn)。提高中醫(yī)診斷客觀性，研究客觀、準(zhǔn)確、信息全面的脈象儀是重要手段，脈象傳感器作為脈象信息采集獲得源頭，所采信息量將直接影響脈象的信息分析，最終決定脈象儀的檢測性能，是脈象儀研究關(guān)鍵技術(shù)[1～2]。脈象具有“位數(shù)形勢”多屬性特征，采用單一傳感檢測的方式將很難完成脈象信息的完整采集，勢必需要全面探討脈象信息采集的新方法[3～4]。本文首先從各種單一傳感器入手，分析各式脈象傳感器的原理，及其優(yōu)缺點(diǎn).然后分析脈象多屬性特征，探討多屬性特征的傳感檢測技術(shù),提出新型傳感模式與檢測方法。

2 脈診信號(hào)采集中傳感技術(shù)

在國外，許多學(xué)者在脈象傳感方面開展部分研究，但由于缺乏中醫(yī)基礎(chǔ)理論，對脈象理論認(rèn)識(shí)能力有限，很多研究僅停留在應(yīng)用西醫(yī)原理來分析脈搏，在脈象領(lǐng)域未能取得很好的應(yīng)用。因此，以下將主要從國內(nèi)研究情況入手分析。從20世紀(jì)50年代起，國內(nèi)眾多學(xué)者從不同學(xué)科，多種角度對脈象客觀化進(jìn)行深入探索，研究出種類繁多，性能各異脈象傳感器。依據(jù)是否符合傳統(tǒng)中醫(yī)手指接觸脈象檢測方法，將傳感方式依據(jù)檢測接觸方式不同分類，可歸納為接觸式與非接觸式兩大類，主要體現(xiàn)在以下：

（1）接觸式脈象傳感器

接觸式脈象傳感器以直接接觸動(dòng)脈，通過感受動(dòng)脈壓力變化采集脈象信號(hào)，主要以壓力傳感器為主。①壓電式傳感器：利用壓電材料將脈搏壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。目前常用材料是PVDF(Polyvinylidenefloride)壓電聚合物，具有壓電系數(shù)大、頻響寬、強(qiáng)度高、韌性好、質(zhì)量輕、易于大面積成膜等優(yōu)點(diǎn)。采用此類傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單、重復(fù)再現(xiàn)性好、精度較高、易于貼緊皮膚等優(yōu)點(diǎn)[5～7]。但壓電式傳感器無靜態(tài)輸出，輸出阻抗高，需前置放大電路，成本較高，使其通用性受到限制。②壓阻型傳感器：利用應(yīng)變片材料電阻率隨應(yīng)力變化原理，測試時(shí)須采用黏合劑將應(yīng)變片粘貼在試件或傳感器彈性元件上[8～12]。黏合劑性能優(yōu)劣直接影響應(yīng)變片工作特性，制約應(yīng)變式壓力脈象傳感器精度、線性度及使用范圍。③壓磁式傳感器：建立在磁彈性效應(yīng)基礎(chǔ)上，將脈象壓力轉(zhuǎn)換成傳感器導(dǎo)磁率變化，并通過導(dǎo)磁率變化輸出相應(yīng)變化電信號(hào)，具有輸出功率大、信號(hào)強(qiáng)、結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點(diǎn)。但因脈象傳感中的磁性基本理論和技術(shù)上尚未成熟，限制其應(yīng)用。

從分析實(shí)際中醫(yī)脈診原理觀察，脈診是將動(dòng)脈運(yùn)動(dòng)的多屬性特征采集，獲得多方面立體三維深度信息，醫(yī)生手指相當(dāng)是多傳感器的集合，經(jīng)驗(yàn)豐富的醫(yī)生的大腦將這些多傳感信息進(jìn)行整合分析,確實(shí)具體脈象種類。上述三種接觸式傳感器都屬于壓力傳感器，直接與動(dòng)脈皮膚接觸，獲取接觸面的面信息。由于接觸區(qū)域有一定面積，在這個(gè)面積范圍內(nèi)，脈象產(chǎn)生的作用力是不完全均勻的，為方便說明，假設(shè)有三個(gè)大小不同的力，分別為F1,、F2、F3，敏感元件最終輸出的信號(hào)S＝f(F1, F2，F(xiàn)3) 是三個(gè)作用力綜合作用的函數(shù)。此時(shí)，就可能存在輸出信號(hào)S相同，但卻是F1、 F2、F3不相同的組合，F(xiàn)1,、F2、F3不相同的組合代表的就是不同脈象信息，就造成脈象信息誤采集。因而在此種情況下，對于壓力傳感器會(huì)出現(xiàn)脈象信號(hào)的無法準(zhǔn)確采集，更是無法進(jìn)行識(shí)別。

有學(xué)者嘗試采用傳感器陣列的方式，將傳感器接觸面積降低，從而獲得接觸點(diǎn)的信息。這樣能夠?qū)⒚}象信息較多獲取，但由于信號(hào)量大大增加，后續(xù)信息融合卻帶來很大困難，目前尚未有突出的成果報(bào)道。另外，這些接觸式傳感器基本上都缺少自動(dòng)定位、加壓裝置，檢測時(shí)容易受到手動(dòng)加壓對脈象信號(hào)的干擾影響，較難實(shí)現(xiàn)測量的重復(fù)性，大大影響其可信性。

（2）非接觸式脈象傳感器

為避免接觸式脈象傳感器不足之處，學(xué)者提出采用非觸式脈象傳感器，不用直接接觸到動(dòng)脈表面來實(shí)現(xiàn)脈象信號(hào)采集，主要體現(xiàn)在三類傳感器。①光電式脈搏傳感器：其原理是血液波動(dòng)式流動(dòng)引起血管內(nèi)血容量變化，而血容量多寡又決定光線經(jīng)過組織被血液吸收量多少，因而當(dāng)照明光線投照到組織時(shí)，其透過組織的光線也隨血流波動(dòng)式變化而變化，光電轉(zhuǎn)換器將接收的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，以此反映脈搏波變化情況[13～14]。②超聲多普勒傳感技術(shù)：利用醫(yī)學(xué)超聲顯像診斷技術(shù)，學(xué)者提出超聲三維重建為觀察淺表動(dòng)脈的軸心位移提供條件，對于研究中醫(yī)脈象形成機(jī)理、顯示血管運(yùn)動(dòng)規(guī)律提供更為可靠途徑[15～17]。③聲音傳感：脈象信號(hào)是一種振動(dòng)信號(hào)，會(huì)產(chǎn)生聲音信號(hào)。王炳和教授等采用間接耦合方式(即非接觸式)的提取方法，在傳聲器與皮膚之間形成一段空氣柱，脈搏聲波經(jīng)空氣腔耦合后傳到傳聲器振膜上被拾取，得到平脈和弦脈頻譜特征[18～20]。

光電傳感、超聲多普勒技術(shù)、聲音傳感器等非接觸式脈象檢測方式，與中醫(yī)指壓切脈特點(diǎn)不符合，所測脈象信號(hào)難以真實(shí)反映中醫(yī)脈象特征及醫(yī)師指下感覺，故目前未得到廣泛應(yīng)用。但許多實(shí)踐表明，這些“非機(jī)械接觸式”檢測方法在闡明脈象形成機(jī)理方面存在一定價(jià)值，值得進(jìn)一步研究。

3 脈象“位數(shù)形勢”多屬性特征檢測

中醫(yī)脈象是位屬性、數(shù)屬性、形屬性、勢屬性多要素不同程度的排列組合，不同屬性要素組合形成各種脈象[3]。由于脈象信號(hào)的復(fù)雜性，上述單一的傳感方式，或是采集的信息量不足；或是所得到的信息與中醫(yī)脈診理論不直接相關(guān)；或是信息的提取有別于傳統(tǒng)方法[21]。上述都較難反映脈象具有“位數(shù)形勢”多屬性特征，因而無法全面準(zhǔn)確地描述脈象特征。采集脈象“位數(shù)形勢”多屬性特征成為研究難點(diǎn)，近期上海中醫(yī)藥大學(xué)湯偉昌研究員提出用主傳感器與多點(diǎn)傳感器復(fù)合的檢測方法，解決脈象采集中脈象寬度測量方法等技術(shù)問題。采用多傳感器和應(yīng)變梁來獲得傳統(tǒng)中醫(yī)脈診理論所述的絕大部分診斷信息，包括脈搏圖像位、形、勢、數(shù)、寬度和長度[22～23]。北京中醫(yī)藥大學(xué)牛欣教授[3,24]致力于研究中醫(yī)脈象“位數(shù)形勢”多種屬性角度，從多屬性特征入手研究脈象傳感，指出常用接觸式壓力傳感器是對脈象的脈搏振動(dòng)檢測，采集信號(hào)為脈搏振動(dòng)強(qiáng)度和頻率，僅包含脈象中“位”屬性，不能全面反映脈象信息，提出利用多種傳感方式采集多元信息思路。近期應(yīng)用MRI與B超的影像學(xué)方法獲取脈“形”屬性特征，并進(jìn)行比較，結(jié)果表明利用成熟的 B型超聲技術(shù)采集中醫(yī)寸口橈動(dòng)脈的血管運(yùn)動(dòng)信息可以獲取脈“形”屬性特征[25]。有學(xué)者接出根據(jù)中醫(yī)脈象的多信息特征，在超聲圖像動(dòng)態(tài)分析和識(shí)別技術(shù)的基礎(chǔ)上，將B型超聲與柔性傳感器結(jié)合構(gòu)建了脈診復(fù)合信息檢測系統(tǒng)，對超聲波動(dòng)態(tài)圖像、壓力脈搏波、光電容積脈搏波和心電圖進(jìn)行信息整合，并通過計(jì)算機(jī)信息處理技術(shù)綜合分析，建立了脈象特征分析方法，形成了描述中醫(yī)脈診“位數(shù)形勢”4種屬性的優(yōu)化解決方案[22]。

筆者近期基于以往學(xué)者在聲音傳感方向研究成果的啟發(fā)，在脈象多屬性傳感方面開展嘗試。脈象中脈搏波的諧波分量是脈象振動(dòng)覺的物質(zhì)基礎(chǔ)，寸口皮膚表面一定頻率范圍內(nèi)的微小位移使指面產(chǎn)生振動(dòng)覺，會(huì)形成一種次聲波。采用聲音傳感器檢測脈搏信號(hào)方法，可以看作是對脈象振動(dòng)覺檢測。并且聲音信號(hào)將包含多元化信息（聲音強(qiáng)弱、音調(diào)高低、聲音頻率），在一定程度上將較好表征脈象“位數(shù)形勢”多屬性特點(diǎn)。同時(shí)為了符合傳統(tǒng)脈診接觸的模式，筆者提出模仿中醫(yī)觸診模式的仿生指，此仿生指采用柔性仿生材料、手指形狀、具有壓力調(diào)節(jié)等功能，仿生指中間開有小孔作為聲音信號(hào)傳輸通道，后端安裝聲音傳感器。脈象在仿生指觸壓下產(chǎn)生的中醫(yī)脈象信號(hào)，通過仿生指中間傳輸通道，在聲音傳感器端采集獲得，由于采用非接觸式聲音傳感，干擾信號(hào)也不會(huì)傳入檢測信號(hào)中。將可實(shí)現(xiàn)一種符合中醫(yī)脈診模式、信息多元化的新型脈象傳感模式。

4 結(jié)論與展望

脈象傳感及檢測經(jīng)過多年發(fā)展，已取得一些成果，對上述研究現(xiàn)狀分析，可以得到以下幾個(gè)結(jié)論：①脈象傳感器是中醫(yī)脈象客觀化重要研究領(lǐng)域，是研究熱點(diǎn)之一；② 接觸式脈象傳感器具有符合中醫(yī)脈診模式，能較好準(zhǔn)確檢測出單一信號(hào)的優(yōu)點(diǎn)。但同時(shí)也將人體其他干擾信號(hào)通過接觸帶入檢測信號(hào)中，較難實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確性；并且其接觸屬于剛性接觸，也只是近似符合中醫(yī)脈診模式；而且只能檢測包含信息量較少，不完全符合中醫(yī)脈象“位數(shù)形勢”多屬性特點(diǎn)；③ 非接觸式脈象傳感器其最大缺點(diǎn)就是不符合中醫(yī)脈診模式，而其優(yōu)點(diǎn)也是十分突出，非接觸式檢測可避免很多干擾信號(hào)直接傳入檢測信號(hào)中，不影響脈象信號(hào)真實(shí)性；檢測信息多元化，符合中醫(yī)脈象多屬性特點(diǎn)；④ 目前兩類脈象傳感器各自都存在不可避免弱點(diǎn)，如何解決這些問題成為困撓中醫(yī)脈象傳感器進(jìn)一步發(fā)展瓶頸；⑤ 脈象多屬性檢測應(yīng)該是中醫(yī)脈象客觀化,標(biāo)準(zhǔn)化的發(fā)展趨勢，只是這樣才能準(zhǔn)確全面描述脈象信息；⑥多種傳感模式的有機(jī)組織，互取長短，將是該領(lǐng)域的創(chuàng)新發(fā)展，將為脈象檢測提供全新解決思路。

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