陣列式脈圖采集分析技術研究進展

周智慧，崔驥，許家佗

上海中醫(yī)藥大學基礎醫(yī)學院，上海 201203

脈診是指醫(yī)生在中醫(yī)理論指導下，用手指觸覺感知患者雙側手腕橈動脈的搏動狀態(tài)，進行分類判斷，并與其他診斷方式一起綜合判斷人體生理病理狀態(tài)的一種中醫(yī)診斷方法。脈診“在心易了，指下難明”的特點使其客觀化、標準化研究存在一定難度，制約著現代中醫(yī)脈診研究的發(fā)展[1]。近年來，在單部單點脈診技術與儀器的基礎上，陣列式脈圖采集分析技術逐漸發(fā)展起來。陣列式脈診儀將手腕橈動脈處脈搏波轉化為可量化的客觀數據，生成可視化的陣列式脈圖，提取其中的脈圖特征參數，可獲取更多的脈搏波中蘊含生理病理信息，促進中醫(yī)脈診的客觀化、參數化。許多學者對陣列式脈診儀進行了多方面的研究，促進了陣列式脈圖采集分析技術的發(fā)展[2-4]。本文以陣列式脈圖采集分析技術為出發(fā)點，從陣列式傳感元器件類型及材料、陣列式脈搏波信號處理和陣列式脈圖特征參數提取方面梳理相關研究。

1 陣列式傳感元器件類型

近年來，各種類型的陣列式傳感元器件均有不同程度發(fā)展，出現了電容式、壓阻式、壓電式和復合式等傳感器，為陣列式脈診信息的采集提供了新儀器、新方法。

1.1 電容式陣列傳感器

電容式傳感器以各種類型的電容器作為傳感元件，將被測物理量或機械量轉換為電容量，具有穩(wěn)定性好、動態(tài)響應好及可以非接觸測量等優(yōu)點。

崔驥等[5]使用的PPS陣列式電容壓力傳感器將12個傳感元素安排在1個4×3陣列上，電極板上每個點的電容隨壓力變化而變化。張健[6]將MEMs微電容陣列式傳感器在1 cm2面積內集成64或更多的傳感點，模仿人手指感受取脈部位壓力、溫度等變化。Peng等[7]采用柔性電容式印刷電路板設計出一種指尖大小的5×5密集傳感器陣列，模擬脈沖觸診的手指觸感。Nie等[8]提出一種新的12×12元素的離子電子微滴陣列，在高彈性液滴-電極接觸處使用超大界面電容，外部荷載使柔性表面變形產生電容變化。

1.2 壓阻式陣列傳感器

壓阻式傳感器利用單晶硅材料的壓阻效應和集成電路技術制成。單晶硅材料受力使電阻率發(fā)生變化，測量電路進而得到力變化的電信號輸出，具有靈敏系數高、頻率響應好、尺寸小巧等優(yōu)點。

Park等[9]設計出8×8陣列可貼附皮膚的有源矩陣壓阻式觸覺傳感器，其陣列表現出較高的多點觸覺敏感性。Roh等[10]提出一種多陣列壓阻式壓力傳感器設計，可通過有限元等方法評估傳感器的特性和脈搏波測量。章云霖[2]基于壓力敏感的離子液體凝膠設計出3×3排布的柔性陣列壓阻式傳感器，實現多脈位、多維度的脈象信號檢測。李靜茹[3]利用與人手指硬度相近的環(huán)氧樹脂包裹37個陣列單元，制成模擬手指壓力觸覺表面的硅壓阻式壓力傳感器。王學民等[11]設計了一種柔性硅膠腔體的壓阻式陣列傳感器，用氣壓傳導方式實現對多路脈象信號的采集。

1.3 壓電式陣列傳感器

壓電式傳感器基于壓電效應制成，其敏感元件由壓電材料制成，壓電材料受力產生電荷，放大器和測量電路將其放大，輸出與所受外力成正比的電量。壓電式傳感器用于測量力和能夠轉換為電的非電物理量，具有頻帶寬、靈敏度高和結構簡單等優(yōu)點。

Chen等[12]采用3×4的微機電系統(tǒng)（MEMS）壓電傳感器陣列采集脈沖信號，該傳感器陣列可采集不同靜態(tài)力下的脈搏波。Wang等[13]設計出一種4×4電子皮膚的壓電陣列單元，保持脈搏壓力時會有電壓輸出，且電壓不隨著傳感器面積的變化而變化。張濤等[14]設計出3層結構的壓電式壓力傳感器陣列，使傳感器能檢測法向力、切向力和斜向力。

1.4 復合式陣列傳感器

復合式傳感器集成了2個及以上檢測不同物理量的傳感器單元。此種傳感器融合了不同傳感單元的優(yōu)勢，較單一傳感器可獲得更精確、豐富的脈象信息，不同的傳感器陣列相互補充，為脈搏信息分析提供更多功能，幫助解決單一傳感器的不足。

張大鵬等[15]設計出一套由光電傳感器陣列、壓力傳感器群及控制驅動裝置構成的脈象采集裝置，控制驅動裝置使壓力傳感器群移動以調節(jié)取脈壓力，壓力傳感器群及光電傳感器陣列同步采集脈搏信息。該團隊前期還提出一種復合式光電和壓力傳感器陣列以無創(chuàng)方式獲取脈象數據[16]。Wang等[17-18]也將壓力傳感器與光電傳感器陣列結合起來，每個通道包含1個壓力傳感器和1個由9個光電傳感器組成的子傳感器陣列，實現多維脈搏信息的融合。Liu等[19]提出了一種新穎的柔性復合壓力傳感器陣列，由壓電傳感器和壓阻傳感器組成，用于測量脈搏波和靜壓。

2 陣列式傳感元器件材料

近年來，以多種材料為基礎的陣列式傳感元器件不斷研制，以各種仿生學柔性材料為主，同時也出現其他新興材料。

2.1 基于仿生學的柔性材料

從人體仿生學出發(fā)，研究者提出以各種柔性材料制成的陣列式傳感元器件，最大程度模擬人手指觸覺的柔性接觸，更真實地模擬中醫(yī)脈診的場景。王磊等[20]以小直徑液囊（囊內以甲基硅油作為傳導液體）作為壓力敏感單元，液囊排布成矩形點陣列，構成模擬指面的壓力敏感表面。羅鳴[21]以硅膠柔性材料設計成七路腔體，與氣壓傳感器相接，脈搏波動通過氣壓傳感器將機械量轉變?yōu)殡妷盒盘?。盧海洋等[22]設計一種基于彈性導電海綿和超薄聚偏二氟乙烯（PVDF）介電層的柔性電容式觸覺傳感器。Chang等[23]用柔軟的PVDF制成壓電材料，使用聚二甲基硅氧烷（PDMS）模具加工成傳感器陣列。姜凱等[24]以聚合物微納米纖維、石墨烯、聚二甲基硅氧烷3種材料封裝成柔性壓力傳感器，此材料能根據需要制作成任意n×m排列方式的傳感器陣列。Nie等[8]提出了一種新的離子電子微滴陣列（IMA），利用界面電容傳感原理制成柔性觸覺傳感器。

2.2 其他新興材料

部分研究者提出其他新型陣列式傳感元器件材料方案。Park等[25]提出的壓力傳感器由PDMS微柱和導電聚苯胺納米纖維薄膜組成，可根據壓力的變化，通過鍍涂層微柱與導電聚苯胺之間接觸電阻的變化來操作。Lee等[26]設計的脈沖傳感器使用多個霍爾裝置，與皮膚接觸的硬磁性材料由磁性微珠或納米珠等亞微米顆粒組成，將磁場中的變化轉移到脈搏傳感部分。Huang等[27]利用2種導電聚合物薄膜制成高靈敏的連續(xù)觸覺傳感陣列，其表面采用尼龍膜過濾器形成微圓頂結構，采用多壁碳納米管（MWCNT）作為填料顆粒。此后，Huang等[28]又提出改進方案，采用微圓頂結構的MWCNT基導電聚合物薄膜作為陣列和張力傳感器的關鍵材料。

3 陣列式脈搏波信號處理

腕部橈動脈上的脈搏波信號是疾病診斷的重要生理指標。由多個傳感器組成的傳感器陣列具有收集豐富脈搏波信息的能力，脈搏波信號的有效處理對陣列式脈圖信息提取和機體狀態(tài)評估具有重要意義，因此學者們提出了不同的陣列式脈搏波信號處理方法。

Zou等[29]提出一種基于時間序列相似度的脈搏波信號處理方法，對脈搏波進行篩選、排序和線性調整疊加，生成陣列式脈圖。此處理方法充分利用傳感器陣列的空間多維特性，有效解決了因傳感器對測試區(qū)域相對位置偏移造成的信號采集差異。Cui等[30]采用1～30 Hz的帶通濾波器處理脈搏波信號，消除噪聲和基線變化，利用香農能量包絡線和希爾伯特變換進行脈搏波定位和提取。Wang等[17]采用去噪、基線漂移去除和周期分段模型對各通道陣列信號進行預處理，篩選最具代表性信號，提取目的融合脈搏波特征并投影到主成分分析子空間，降低特征維數以便于脈圖特征提取。Kaisti等[31]將采集到的信號采用三階巴特沃斯濾波器進行濾波，消除偏置和高頻噪聲，再進行信號分割和單邊快速傅里葉變換，利用移動平均濾波器對得到的脈搏波光譜進行平滑處理，顯示出各通道脈圖。Jun等[32]將獲得的陣列式傳感器信號進行預放大，通過低通濾波器和帶通濾波器分為壓力信號和脈搏波信號，通過壓力信號平均值計算施加的壓力，根據脈搏波形信號得到平均波形。同樣，Wang等[33]將采集的信號進行放大、轉換、去噪和檢測，再擬合形成三維脈搏波地圖。Ibrahim等[34]利用16位數模轉換器產生可編程的交流電信號，對每個通道進行濾波以消除殘余偏移、60 Hz干擾和高頻噪聲。

可見，目前的陣列式脈搏波信號處理方法各有不同，但大多包括濾波去噪和去基線漂移等預處理，去除高頻和低頻噪聲干擾，糾正采集對象呼吸和傳感器溫度漂移等造成的基線漂移，使脈搏波主波盡可能顯現，抑制其他頻率的干擾波[35-36]。再進行脈搏能量信號轉換，利用編程工具進行脈搏波波形識別和提取，最后擬合生成相關陣列式脈圖。隨著人工智能等現代智能分析技術的發(fā)展，利用更有效、統(tǒng)一及標準的信號提取及分析方法，可篩選出各項性能更均衡、更能體現中醫(yī)脈象特征的陣列式脈搏波信號處理方式，從而為陣列式脈圖特征參數提取和進一步中醫(yī)綜合診斷及療效評價提供基礎。

4 陣列式脈圖特征參數提取

陣列式脈診儀采用客觀化手段采集脈象，生成相應脈圖；而脈圖特征參數與人體的生理、病理狀態(tài)具有一定的關聯性，可協(xié)助判斷患者的治療效果和預后情況，提高臨床綜合診治效果[30]。近年來，越來越多的研究者利用不同方法提取陣列式脈圖的特征參數，促進中醫(yī)脈診的客觀化、參數化。

Chen 等[12]利用三維脈沖波圖和平行于X-V 的截面，借助雙邊緣插值法計算脈搏波寬度；利用雙極點插值和脈搏波圖兩峰值點計算出脈搏波振幅值。Bi等[37]利用每個通道相關系數CC與MATLAB軟件尋找最佳匹配的脈搏波，利用脈圖中脈搏波寬度（x軸）、脈搏波長度（y軸）和相對振幅值（z軸）計算單位時間內1次脈搏跳動的平均體積APV。Park等[25]將舒張期脈圖峰值除以收縮期脈圖峰值得出反射率，受試者身高除以收縮期峰值和舒張期峰值的時間延遲得出動脈剛度指數。Chen等[38]記錄1個脈搏周期并使用標記點處的橫截面曲線來計算動態(tài)脈搏寬度。Ibrahim等[39]計算峰值（PK、PK2）與底部（FT、FT2）之間的斜率，MS點（A1）與IP點（A3）的振幅比，以及代表總外周阻力的PK、MS、FT與IP點之間Bio-Z曲線下面積。

多數研究者通過提取脈搏波曲線中有明確意義的特征點或角度作為評價脈搏波的特征參數，研究脈動的頻率和節(jié)律、脈力的強弱和脈象形態(tài)特征等。應考慮相關生理因素，并結合中醫(yī)脈診理論，可發(fā)揮更大的臨床價值[40]。目前，針對陣列式脈圖特征參數提取的研究尚不深入，參數提取較少，尚無法滿足陣列式脈圖對人體生理病理狀態(tài)評估的需要，可能由于陣列式傳感器通道較多、采集信息較復雜，同時脈圖特征參數提取與現代計算機技術具體結合產生有中醫(yī)醫(yī)理的結果較困難。因此，脈圖特征參數提取需要進一步與生物醫(yī)學工程學科進行深度結合，以獲取脈圖蘊含的生理病理信息。

5 問題與展望

脈診信息的獲取分析技術一直是中醫(yī)診斷技術現代化研究的焦點之一。以往的單點傳感器技術逐漸發(fā)展穩(wěn)定，已在應用研究中取得實質性的進展，有效推動了脈診技術和儀器的發(fā)展[41]。陣列式脈圖采集分析技術的發(fā)展，使抽象的中醫(yī)脈診進一步轉化為具體的客觀數據，將脈搏波中蘊含的生理病理信息以更豐富更詳細的客觀參數呈現出來，有效應對中醫(yī)脈診難以客觀化的特點，使其更易被認識和理解，促進了中醫(yī)四診客觀化[42]。本文從4個方面綜述近年陣列式脈圖采集分析技術研究成果，陣列式傳感元器件和材料的發(fā)展主要以提高脈搏信息采集量、采集可重復性和最大程度模擬人工脈診等方面為切入點。

各類型陣列式傳感器的出現為陣列式脈象信息的采集提供了豐富的儀器選擇，能幫助科研人員采集到更豐富、全面的脈象信息。但各類傳感器缺乏統(tǒng)一的行業(yè)標準和操作規(guī)范，采集的脈象信息各有差異，不利于學者們的數據共享和交流合作。近年來的陣列式傳感元器件材料較為豐富，各有優(yōu)勢，但尚缺乏統(tǒng)一標準化的通用材料。今后研究應重視陣列式傳感器統(tǒng)一標準和操作規(guī)范的建立，提高陣列式脈象信息的通用性，為多學科交叉的研究奠定基礎。隨著材料技術的不斷發(fā)展，結合中醫(yī)脈象特點，今后研究需要進一步橫向比較驗證。應綜合比較各種傳感元器件和材料的優(yōu)劣，篩選出較優(yōu)的通用方案，為今后研究提供硬件標準，以便后期統(tǒng)一標準的陣列式脈圖采集分析技術研究。

陣列式脈搏波信號處理和脈圖特征參數提取的發(fā)展主要以減少噪聲、基線漂移的影響和更有利于提取信號深層的脈診信息為切入點，不同的陣列式脈搏波信號處理方法各有側重，今后可進一步與機器學習深度結合，根據不同角度需求，有針對性地開發(fā)性能成熟穩(wěn)定的通用算法，為后期的脈圖參數提取提供統(tǒng)一標準化的信號處理方法；目前陣列式脈圖特征參數提取研究尚待深入，參數提取多停留在表層易獲取階段，今后應加大力度投入深層次脈圖參數提取，與相關計算機學科技術深度融合，提取更多反映人體生理病理的脈圖特征參數，深入挖掘蘊含的生理病理信息。陣列式脈圖作為近年來中醫(yī)脈診發(fā)展的新方向，已取得一定成果，應充分發(fā)揮采集脈搏波信息豐富的優(yōu)勢，嘗試在疾病診斷預測、療效評價等方面建立完善的體系，以陣列式脈圖采集分析技術的發(fā)展推動中醫(yī)診斷技術現代化發(fā)展。