傳感技術在脈診中應用及脈象多屬性特征檢測探討*

曹東 易珺

（1.廣州中醫藥大學信息技術學院 2.廣東藥學院醫學信息工程學院）

1 引言

脈診是中醫診斷學精華之一，在中醫“望、聞、問、切”四診中占有重要地位。中醫脈診經過幾千年發展建立了脈學理論，積累大量診脈經驗，但是傳統脈象鑒別方法沒有建立統一客觀標準，制約了中醫脈診應用、推廣與發展。中醫要現代化，診斷方法客觀化勢在必行，用現代科學技術對中醫脈象進行客觀表述，是提高中醫臨床診斷水平必須手段，是中醫走向世界必經之路。隨著現代傳感技術、電子技術、計算機技術、信息技術及數理統計方法等學科迅速發展，為中醫脈診客觀化研究帶來發展契機和巨大挑戰。提高中醫診斷客觀性，研究客觀、準確、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，是脈象儀研究關鍵技術[1～2]。脈象具有“位數形勢”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，及其優缺點.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,提出新型傳感模式與檢測方法。

2 脈診信號采集中傳感技術

在國外，許多學者在脈象傳感方面開展部分研究，但由于缺乏中醫基礎理論，對脈象理論認識能力有限，很多研究僅停留在應用西醫原理來分析脈搏，在脈象領域未能取得很好的應用。因此，以下將主要從國內研究情況入手分析。從20世紀50年代起，國內眾多學者從不同學科，多種角度對脈象客觀化進行深入探索，研究出種類繁多，性能各異脈象傳感器。依據是否符合傳統中醫手指接觸脈象檢測方法，將傳感方式依據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脈，通過感受動脈壓力變化采集脈象信號，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轉換為電信號。目前常用材料是PVDF(Polyvinylidenefloride)壓電聚合物，具有壓電系數大、頻響寬、強度高、韌性好、質量輕、易于大面積成膜等優點。采用此類傳感器具有結構簡單、重復再現性好、精度較高、易于貼緊皮膚等優點[5～7]。但壓電式傳感器無靜態輸出，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：利用應變片材料電阻率隨應力變化原理，測試時須采用黏合劑將應變片粘貼在試件或傳感器彈性元件上[8～12]。黏合劑性能優劣直接影響應變片工作特性，制約應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：建立在磁彈性效應基礎上，將脈象壓力轉換成傳感器導磁率變化，并通過導磁率變化輸出相應變化電信號，具有輸出功率大、信號強、結構簡單等優點。但因脈象傳感中的磁性基本理論和技術上尚未成熟，限制其應用。

從分析實際中醫脈診原理觀察，脈診是將動脈運動的多屬性特征采集，獲得多方面立體三維深度信息，醫生手指相當是多傳感器的集合，經驗豐富的醫生的大腦將這些多傳感信息進行整合分析,確實具體脈象種類。上述三種接觸式傳感器都屬于壓力傳感器，直接與動脈皮膚接觸，獲取接觸面的面信息。由于接觸區域有一定面積，在這個面積范圍內，脈象產生的作用力是不完全均勻的，為方便說明，假設有三個大小不同的力，分別為F1,、F2、F3，敏感元件最終輸出的信號S＝f(F1, F2，F3) 是三個作用力綜合作用的函數。此時，就可能存在輸出信號S相同，但卻是F1、 F2、F3不相同的組合，F1,、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，對于壓力傳感器會出現脈象信號的無法準確采集，更是無法進行識別。

有學者嘗試采用傳感器陣列的方式，將傳感器接觸面積降低，從而獲得接觸點的信息。這樣能夠將脈象信息較多獲取，但由于信號量大大增加，后續信息融合卻帶來很大困難，目前尚未有突出的成果報道。另外，這些接觸式傳感器基本上都缺少自動定位、加壓裝置，檢測時容易受到手動加壓對脈象信號的干擾影響，較難實現測量的重復性，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，學者提出采用非觸式脈象傳感器，不用直接接觸到動脈表面來實現脈象信號采集，主要體現在三類傳感器。①光電式脈搏傳感器：其原理是血液波動式流動引起血管內血容量變化，而血容量多寡又決定光線經過組織被血液吸收量多少，因而當照明光線投照到組織時，其透過組織的光線也隨血流波動式變化而變化，光電轉換器將接收的光信號轉換為電信號，以此反映脈搏波變化情況[13～14]。②超聲多普勒傳感技術：利用醫學超聲顯像診斷技術，學者提出超聲三維重建為觀察淺表動脈的軸心位移提供條件，對于研究中醫脈象形成機理、顯示血管運動規律提供更為可靠途徑[15～17]。③聲音傳感：脈象信號是一種振動信號，會產生聲音信號。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、聲音傳感器等非接觸式脈象檢測方式，與中醫指壓切脈特點不符合，所測脈象信號難以真實反映中醫脈象特征及醫師指下感覺，故目前未得到廣泛應用。但許多實踐表明，這些“非機械接觸式”檢測方法在闡明脈象形成機理方面存在一定價值，值得進一步研究。

3 脈象“位數形勢”多屬性特征檢測

中醫脈象是位屬性、數屬性、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]。由于脈象信號的復雜性，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脈診理論不直接相關；或是信息的提取有別于傳統方法[21]。上述都較難反映脈象具有“位數形勢”多屬性特征，因而無法全面準確地描述脈象特征。采集脈象“位數形勢”多屬性特征成為研究難點，近期上海中醫藥大學湯偉昌研究員提出用主傳感器與多點傳感器復合的檢測方法，解決脈象采集中脈象寬度測量方法等技術問題。采用多傳感器和應變梁來獲得傳統中醫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、寬度和長度[22～23]。北京中醫藥大學牛欣教授[3,24]致力于研究中醫脈象“位數形勢”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檢測，采集信號為脈搏振動強度和頻率，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。近期應用MRI與B超的影像學方法獲取脈“形”屬性特征，并進行比較，結果表明利用成熟的 B型超聲技術采集中醫寸口橈動脈的血管運動信息可以獲取脈“形”屬性特征[25]。有學者接出根據中醫脈象的多信息特征，在超聲圖像動態分析和識別技術的基礎上，將B型超聲與柔性傳感器結合構建了脈診復合信息檢測系統，對超聲波動態圖像、壓力脈搏波、光電容積脈搏波和心電圖進行信息整合，并通過計算機信息處理技術綜合分析，建立了脈象特征分析方法，形成了描述中醫脈診“位數形勢”4種屬性的優化解決方案[22]。

筆者近期基于以往學者在聲音傳感方向研究成果的啟發，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覺的物質基礎，寸口皮膚表面一定頻率范圍內的微小位移使指面產生振動覺，會形成一種次聲波。采用聲音傳感器檢測脈搏信號方法，可以看作是對脈象振動覺檢測。并且聲音信號將包含多元化信息（聲音強弱、音調高低、聲音頻率），在一定程度上將較好表征脈象“位數形勢”多屬性特點。同時為了符合傳統脈診接觸的模式，筆者提出模仿中醫觸診模式的仿生指，此仿生指采用柔性仿生材料、手指形狀、具有壓力調節等功能，仿生指中間開有小孔作為聲音信號傳輸通道，后端安裝聲音傳感器。脈象在仿生指觸壓下產生的中醫脈象信號，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，干擾信號也不會傳入檢測信號中。將可實現一種符合中醫脈診模式、信息多元化的新型脈象傳感模式。

4 結論與展望

脈象傳感及檢測經過多年發展，已取得一些成果，對上述研究現狀分析，可以得到以下幾個結論：①脈象傳感器是中醫脈象客觀化重要研究領域，是研究熱點之一；② 接觸式脈象傳感器具有符合中醫脈診模式，能較好準確檢測出單一信號的優點。但同時也將人體其他干擾信號通過接觸帶入檢測信號中，較難實現準確性；并且其接觸屬于剛性接觸，也只是近似符合中醫脈診模式；而且只能檢測包含信息量較少，不完全符合中醫脈象“位數形勢”多屬性特點；③ 非接觸式脈象傳感器其最大缺點就是不符合中醫脈診模式，而其優點也是十分突出，非接觸式檢測可避免很多干擾信號直接傳入檢測信號中，不影響脈象信號真實性；檢測信息多元化，符合中醫脈象多屬性特點；④ 目前兩類脈象傳感器各自都存在不可避免弱點，如何解決這些問題成為困撓中醫脈象傳感器進一步發展瓶頸；⑤ 脈象多屬性檢測應該是中醫脈象客觀化,標準化的發展趨勢，只是這樣才能準確全面描述脈象信息；⑥多種傳感模式的有機組織，互取長短，將是該領域的創新發展，將為脈象檢測提供全新解決思路。

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