運用傳感器技術促進中醫藥研究★

王光耀1，王興華1，2*，盛 良1，汪 宇1，Te Kian Keong2, Teh Siew Hoon2

（1.南京中醫藥大學中醫學院，南京 210023；2. Universiti Tunku Abdul Rahman，Malaysia）

運用傳感器技術促進中醫藥研究★

王光耀1，王興華1，2*，盛 良1，汪 宇1，Te Kian Keong2, Teh Siew Hoon2

（1.南京中醫藥大學中醫學院，南京 210023；2. Universiti Tunku Abdul Rahman，Malaysia）

傳感器技術已被引入中醫藥研究領域，在脈診、聞診、辨證、疾病診斷、中藥鑒別、四氣五味、中西藥匯通、中西醫結合等方面顯現出優勢，并有廣闊的應用前景和發展潛力。

傳感器技術；脈診；聞診；辨證；診斷；中藥

傳感器是感知外界信息并按一定規律將這些信息轉換成可用信號的裝置，由敏感元器件和轉換器件組成。敏感元器件品種較多，從其感知外界信息的原理可分為：物理類（基于力、熱、光、電、磁和聲等物理效應）、化學類（基于化學反應的原理）、生物類（基于酶、抗體和激素等分子識別功能）等。近年來，該技術有了快速發展，并已被引入中醫藥研究領域，促進了中醫藥研究的進步與發展，具有廣闊的應用前景和開發潛力[1]。

脈診是中醫“四診”的重要組成部分，但因其描述模糊，難以掌握，成為應用和交流中的制約因素，需要運用現代科學方法，確立標準脈象圖，實現脈診的客觀化與數據化，脈象分析系統因之產生。這是通過對脈象信息的自動采集、分析、處理，實現脈象的客觀分類，并得出定量化指標的系統，其關鍵部分就是脈象信息傳感器和信息的分析處理。用于脈象信息采集的傳感器有：液態傳感器、光電式傳感器、應變式壓力傳感器、PVDF傳感器、傳聲器等。例如，以Freescale系列單片機為核心，利用脈搏傳感器、信號處理電路、nRF24L01無線模塊、顯示模塊等組成一個脈搏無線檢測系統，并編寫相應的驅動程序。經過測試，系統整體性能良好[2]?；诿}搏圖像傳感器的結構與工作原理，應用有限元軟件ABAQUS，建立脈搏觸壓覺模型，模擬中醫切脈時的觸壓覺[2]。利用柔性橡膠薄膜模擬手指切脈，并對其進行離散化處理。通過對傳感器探測觸頭施加不同的切脈壓力，分析不同切脈壓力下橡膠薄膜的受力變形情況。選取參考單元格，根據其面積變化提取脈搏波形，并在時域內提取脈搏信號的特征參數。從仿生學角度出發，結合中醫切脈時“最佳取脈壓力”原理與薄膜網格受力變形時的空間位移測量原理，提出新的基于圖像化的脈象采集方法，并研制出脈搏圖像傳感器[3]。依據脈搏圖像傳感器中薄膜網格的特點，建立空間測量原理的數學模型，同時在處理過程中附加約束條件，通過實驗獲得人體橈動脈的脈搏搏動信息，實現脈搏圖像的三維重構，獲得平脈、滑脈、遲脈和濡脈4種脈象的三維信息。用壓力傳感器同時在原穴部位連續測定512個脈搏間期，對獲取的脈動變異時間序列數據進行頻譜分析，算出功率譜指標。發現健康人太淵、沖陽和太沖穴的脈動變異指標，沖陽和太沖穴的TF、LF和HF值高于太淵穴，但LF/HF值都低于太淵穴。淺表性胃炎患者原穴部位之間的關系呈與健康人一樣的趨勢；但萎縮性胃炎患者，沖陽穴的脈動變異指標值有明顯的變化，即沖陽穴值低于太沖穴值，揭示沖陽穴（胃經原穴）脈動變異能反映胃的病證[4]。

嗅氣味是“聞診”的重要內容之一。疾病所散發出的氣味與中醫證候之間存在密切關系。氣體傳感器陣列電子鼻檢測的氣味“指紋”圖譜包含了氣味的整體信息，與傳統中醫的整體觀念思想相符。研究氣味圖譜與病證之間的關系，不僅提高了對病證的診斷，同時也能為實現中醫嗅診的客觀化、規范化、標準化提供手段和方法。第3代薄膜型氣體傳感器陣列的氣味智能探測電子鼻，具有高靈敏度和高穩定性，將其應用于探索外感病寒熱兩種證型與氣味圖譜之間的關系，顯示在健康狀態下，同一個體不同時段的氣味圖譜特征幾乎一致，不同個體間差異顯著，同一個體在健康和患外感病狀態下的氣味圖譜存在差異。同樣是外感病，其寒證和熱證的氣味圖譜也存在差異。表證患者口腔呼氣的氣味圖譜響應曲線的振幅和上升斜率均顯著高于健康人，提示表證患者口腔氣味較健康人發生了變化，且較健康人氣味濃烈。肺主皮毛，皮毛受邪，內應于肺，肺氣失宣，鼻咽不利，呼吸之氣也必然會有變化。因此，表證患者口腔呼氣的氣味與健康人存在差異。外感表證時，由于外邪侵擾，肺衛失宣，穢濁排除不利，因此呼出氣味較正常濃烈，或有臭穢。其中表熱證患者氣味變化較表寒證患者更加明顯。電子鼻對氣味的檢測結果能夠反映寒熱病性，可以為中醫嗅診客觀化服務，為中醫病證診斷提供新的工具和手段。進一步深入研究此類疾病氣味圖譜的特異性指標，可以將其應用于對外感病及其不同證型的診斷[5]，也可以不斷探索不同疾病不同證型與其氣味圖譜的關系。嗅氣味是由醫生的嗅覺來獲取的，對氣味進行識別時會存在一些主觀性與易疲勞的缺點，對于腥臊惡臭等不良異味更有一定的厭惡與排斥心理，一些特殊的異常氣味還有可能超出人類的嗅覺范圍。因此，傳統嗅氣味診法在臨床應用上具有一定的局限性，較難得到應有的重視。而將電子鼻技術引進中醫診斷學領域，將克服傳統嗅氣味的缺點，促進嗅診的發展。電子鼻技術做為一種無創的、快速的診斷技術，其臨床診斷研究與應用，已經涉及呼吸系統疾病、泌尿系統疾病、消化系統疾病、代謝系統疾病、感染性疾病等的檢測與診斷[6]。

利用可穿戴式傳感器來進行動作識別，開展面向康復應用的可穿戴設備研究，利用傳感器的加速度信號，能夠提供動作信息，可以直接捕捉并判斷不同康復階段患者的上肢動作完成質量，進而達到評估病情的效果，面向康復應用的可穿戴設備更輕便、更易佩戴，可用于門診，也可用于家庭醫療。例如，腦卒中是神經系統的常見病，嚴重危害著人類的生命健康。腦卒中后常產生運動功能障礙，因此病后的康復訓練是一項重要的任務，而上肢康復則是其中一個難點。在康復醫療過程中，需要對患者進行多次康復評定，以判斷患者是否適合回歸家庭。研制一種實時監測患者上肢功能康復情況的醫療設備，提供實時信息，幫助康復醫師及時評定患者狀態并調整康復治療方案，必然使得臨床康復治療更為方便和高效。可穿戴式上肢動作識別系統實現了信號實時采集、傳輸、顯示和處理的功能，具有微型化、可穿戴、低功耗和動作識別精度高的特點。前端可穿戴式設備中的從節點，小巧輕便，通過柔性導線的連接，方便放置于特定的位置，便于在穿著衣物的同時直接穿戴在上肢進行信號采集。同時，個數能夠增減，還可以添加其他類型的傳感器。主節點的傳輸協議設計巧妙，無線傳輸的方式十分便捷。主從節點均優先選擇功耗低的芯片組成電路，且模塊打包發送數據的方式也能降低功耗，使得整個系統的功耗較低。顯示界面功能齊全，能人工控制數據采集的開始和停止，保存的數據段可自定義名稱。多通道的設計，確保實時觀察到全部信號波形的變化，很大程度上簡化了實驗操作[7]。

不同中藥，各有其特殊氣味，是真偽及產地鑒別的重要依據。傳感器設備及其技術已經應用于中藥滋味的區別、不良氣味藥材掩味效果評價、藥材產地來源判斷、不同年份藥材的識別、中藥加工炮制等中藥生產與應用的各個環節，為中藥質量控制提供新的有效技術手段，促進中藥行業的發展[8]。利用氣味傳感器成功地區分了人體嗅覺難以鑒別的白色無臭的茯苓、牡蠣、龍骨的粉末[9]。通過考察電子鼻對珍珠粉的傳感響應，準確辨別珍珠粉真假及品牌。采用電子鼻技術建立人參與西洋參飲片準確而快速的鑒別方法。電子鼻對不同產地薄荷未知樣品的識別率達到100%。利用電子鼻能成功區分不同產地的大白菊。對3種產地的白術樣品進行鑒別，識別正確率達到97.8%。檢測開花前后兩種前胡樣品氣味在傳感器上的響應值，可以完全區分。中成藥和中藥提取物、中藥粉末等中間品在儲存過程中可能存在氣味散失，由于成分的揮發性不同，導致氣味改變。這些具有特殊氣味的中成藥及其中間品可通過電子鼻進行質量控制。采用電子鼻對4組不同生產批次的中成藥進行檢測，獲取樣品的氣味特征信息，并對采樣得到的數據進行分析，實現對不同批次產品的鑒別分類。顯示電子鼻在實現中成藥及其中間品的鑒別分類，甚至在其質量評判分析、產品監控領域中具有開發潛力。

我們認為中西藥物治療同一疾病，具有共同的物質基礎。自2005年起，我們就開始采用電子鼻、電子舌檢測治療消化性潰瘍病的中藥和西藥，發現這些藥物具有共同或相似的PCA和指紋圖譜。以樣品中的大黃為模式，量化出其中7種西藥的氣味屬于苦、寒，結論為治療消化性潰瘍病的中西藥物具有共同的物質基礎，用電子鼻、電子舌可以檢測中西藥物的四氣五味[10]。這一發現有助于解決中藥藥效物質無法檢測、中西藥無法匯通等難題。電子鼻、電子舌不是單獨分析部分嗅覺、味覺信息，而是分析其綜合的整體信息[11]。按照中藥理論，四氣源于嗅覺，五味源于味覺。電子鼻、電子舌確能模擬嗅覺、味覺，可以用電子鼻、電子舌檢測中藥的四氣五味[12]。如果西藥也具有四氣五味之藥性，那么西藥也可以像中藥一樣，進行辨證用藥，動態配伍，實行個性化治療。我們還認為，多種中西藥能夠治療同一種疾病，一定有其共同的物質基礎，如何用現代科學儀器檢測出其共同的物質基礎，并且用中西醫藥結合的觀點科學地解釋這一現象，是中西醫藥結合匯通的關鍵點之一[13]。我們的研究結果顯示，用電子鼻、電子舌可以檢測出中西藥的四氣五味。

[1] 張海榮. 傳感器在醫學領域的應用[J]. 電子測試，2015, 22(4): 125-127.

[2] 王建軍, 安鵬, 蘇樹兵, 等. 脈搏信號采集及無線監測系統的設計[J]. 寧波工程學院學報, 2012, 24(4): 71-76.

[3] 張愛華, 李金平, 林冬梅. 基于視覺測量的脈搏圖像三維重構[J]. 數據采集與處理, 2012, 27(5): 570-575.

[4] 金承植, 金永日, 夫永進, 等. 基于頻譜分析的原穴部脈動變異特異性研究[J].天津中醫藥，2013，30(3): 183-185.

[5] 林雪娟, 李燦東, 吳青海, 等. 基于電子鼻技術的表證患者氣味圖譜研究[J]. 中華中醫藥雜志, 2013, 28(1): 52-56.

[6] 鄭哲洲, 林雪娟. 電子鼻在醫學診斷中的應用研究[J]. 世界科學技術—中醫藥現代化, 2012, 14(6): 2115-2119.

[7] 廖夢佳, 秦亞杰，汪源源，等.基于多傳感器融合的用于腦卒中患者的可穿戴式上肢動作識別系統[J]. 中國康復醫學雜志, 2015, 30(5): 443-446。

[8] 王閩予, 朱德全, 鄧淙友, 等. 電子舌技術在中藥行業的應用現狀[J]. 湖南中醫雜志, 2015, 31(2): 169-171.

[9] 杜瑞超, 馮怡, 徐德生, 等. 電子鼻技術及其在中藥行業中的應用前景[J]. 中國實驗方劑學雜志, 2013, 19(5): 348-351.

[10] 盛良. 用電子鼻、電子舌檢測中西藥物共同藥效物質基礎[J]. 現代中西醫結合雜志, 2008, 17(18): 2778-2280.

[11] 盛良. 再論用電子鼻、電子舌檢測中西藥共同藥效物質基礎[J]. 現代中西醫結合雜志, 2008, 17(28): 4386-4387.

[12] 王光耀, 盛良, 王興華. 應用電子鼻研究中醫藥[J]. 醫學信息, 2013, 26(8)下: 243-244．

[13] 王光耀, 盛良, 王興華. 四氣五味的研究思路與方法[J]. 中國現代藥物應用, 2013, 7(19): 235-237．

王光耀:現任南京中醫藥大學基礎醫學院中醫基礎理論與內經教研室講師，主治醫師，在職博士研究生，醫學碩士，教育部來華留學英語授課中醫藥師資首期學員，江蘇省赴美國弗吉尼亞大學雙語師資訪問學者。從事中醫基礎理論、臨床與中醫藥現代化研究。主持江蘇省自然科學基金項目“從檢測中西藥四氣五味物質基礎探中西藥基礎理論會通”、南京中醫藥大學“2013年度健康產業創新創業項目”，承擔教育部博士點基金項目“基于PI3K/PKB信號通路的益氣活血法延緩失神經肌萎縮的分子機制研究”等多項科研課題。發表學術專著二十多部，參編中醫專業學位研究生試用教材《內經理論與臨床應用》，獲南京中醫藥大學多媒體教學課件競賽獎。

作者簡介：

王興華:曾赴瑞士、新加坡、香港、澳門、臺灣等地講學和醫療。被香港浸會大學、澳門科技大學、新加坡中醫學院等聘任為客座教授。指導碩士、博士研究生50余人。獲中國教育部首屆霍英東教育基金獎、國際傳統醫學論文一等獎、中日國際仲景學術研討會論文一等獎、全國中醫藥優秀學術論文獎、華東地區優秀科技圖書一等獎、江蘇省科學技術進步獎、江蘇省人文社會科學優秀成果獎、江蘇省中醫藥優秀學術論文獎等。入選“百千萬人才工程”國家級一、二層次，國家科技部、國家財政部、國家稅務總局高新技術企業認定專家，國家科學技術獎勵評審專家，國家教育部科研基金和科技獎勵評審專家，國家中醫類別醫師資格考試命審題專家等。是國家中醫藥局重點學科學術帶頭人，江蘇省重點學科學術帶頭人，江蘇省“333工程”高層次領軍人才，江蘇省跨世紀學術帶頭人等。獲國務院頒發的突出貢獻證書和政府特殊津貼，江蘇省政府授予“突出貢獻專家”稱號，南京市政府聘任為高級專家等。

Applications of Sensor Technology Boost Chinese Medicine Research

WANG Guang-yao1，WANG Xing-hua1,2，SHENG Liang1，WANG Yu1，Te Kian Keong2，Teh Siew Hoon2
(1. Nanjing University of Chinese Medicine, Nanjing 210023; 2. Universiti Tunku Abdul Rahman, Malaysia)

Sensor technology has been introduced into the field of Chinese medicine research for increasing advantages in a wide range of areas such as pulse diagnosis，auscultation and olfaction， syndrome differentiation，disease diagnosis，Chinese medicine identification，four properties and five tastes，integrative use of Chinese and western medicine，etc. Therefore，sensor technology has the broad application prospect and great development potential.

Sensor technology; Pulse diagnosis; Auscultation and olfaction; Syndrome differentiation; Diagnosis; Chinese medicine

江蘇省科學技術廳基礎研究計劃（自然科學基金）資助項目(BK2012857)；國家中醫藥管理局重點學科；江蘇省重點學科。

作者簡介： 王光耀，醫學碩士，講師，主治中醫師，研究方向為中醫基礎理論與臨床應用.王興華(通訊作者)，二級教授，醫學博士，博士研究生導師，百千萬人才工程國家級一二層次，江蘇省三三三工程領軍人才，國家中醫藥管理局重點學科學術帶頭人，江蘇省重點學科學術帶頭人，江蘇省突出貢獻專家，國務院政府特殊津貼專家，研究方向為疑難病診治.盛良，教授，研究方向為中西醫藥結合。