柔性穿戴式脈診檢測裝備研究

陳星，邢歡，吳越，陳璟，盧妍利，陳澤濤，劉軍，劉清君*

（1. 浙江大學生物醫學工程與儀器科學學院生物傳感器國家專業實驗室，浙江 杭州 310027；2. 江西中醫藥大學，江西 南昌 330004；3. 浙江中醫藥大學，浙江 杭州 310053）

脈診是中醫“辨證論治”診療過程中的重要一環，是“望、聞、問、切”四診中最難掌握和最為獨特的一種診斷方法。中醫脈診的客觀化研究由來已久。早在南宋時期，醫家施發便在《察病指南》中整理了三十余種脈象的直觀示意圖［1］。自20 世紀50年代以來，脈診儀的研發一直都是國內外脈診客觀化研究的熱點。目前，脈診儀的研究均側重于各類傳感器對橈動脈脈搏搏動信息的采集和分析，以及對脈象識別技術的相應開發［2］。測量脈搏波的傳感器主要以壓力傳感器（壓電、壓阻、壓磁）、光電傳感器、電容傳感器，以及超聲波傳感器為主，其中壓力傳感器因其原理更符合中醫診脈“舉、按、尋”的脈診方式，可以更為直觀、敏銳、準確地反映橈動脈的脈搏搏動，其技術也就更為成熟，研究相對也更加深入和廣泛［3－4］?，F有的脈診儀雖然種類較多，但在臨床實際應用中很少能真正普及使用。已面市的一些傳統脈診儀大多體積龐大，不易攜帶，普遍存在操作要求較高，脈象分析的準確性不佳，脈象圖重現性不好，各儀器的參照標準不統一等各類問題［5］。其中，穩定性和準確性對于脈搏波傳感器的長期監測使用來說尤為重要。

近年來，柔性穿戴式傳感檢測裝備尤其在人體生理及生化指標監測方面表現出了極大的應用潛力［6］?？梢姡谌嵝钥纱┐鱾鞲衅骷?，可以提高脈搏信號傳感性能，并具備便攜、移動、可穿戴及操作簡單等使用優點，在脈搏波檢測中展示出了非常好的應用前景。基于柔性可穿戴壓阻傳感器件，使用貼片式傳感元件緊貼人體皮膚，模擬醫師診脈模式采集脈搏信號，傳感器檢測數據可以傳輸至智能終端來同步顯示脈搏波形和分析脈搏信號，可實現“切脈”的人機交互功能。因此，基于柔性電子的中醫脈診儀可以在傳統脈診儀的基礎上實現更好的性能優化，同時，相比于現有體積龐大的脈診儀，便攜式、移動式、小型化、無線傳輸和實時連續監測的實現，都可使得柔性可穿戴中醫脈診設備不僅便于在臨床的使用和推廣，而且也更加有利于實現個人及家庭的數字化健康診斷與治療，真正滿足中醫藥個體化功能檢測的需求。

1 柔性電子在中醫脈診儀研究中的應用優勢

與傳統傳感器件不同，柔性可穿戴傳感器件具有輕巧、靈活、便攜、生物相容、耐磨、機械穩定和可實時監測等獨特的優勢，可見其在各種生理、生化檢測應用中的巨大潛力，因此各種穿戴式健康監測設備也因此應運而生［7］。目前，可穿戴式設備向著更加小型化、高集成化、高柔性化和陣列化的方向發展。高柔性化和小型化的器件可實現與人體更好地貼合，便于實現“無感”的穿戴和實時在線的“在體”檢測，便于人體健康大數據的采集。并且，集成化和陣列化的設計，不僅能有效地提高傳感檢測數據的準確性和穩定性，而且完全能夠實現更舒適的人機交互［8－9］。

脈搏波形的準確采集對后續的生理分析和脈象識別具有決定性作用。而高靈敏、穩定的柔性電子傳感器件，則是與觸摸人體皮膚進行切脈的手指觸感最接近的一種元件，可有效改進傳統脈診設備的局限，提高診斷結果的可靠性。目前，復旦大學高分子科學系盧紅斌教授團隊采用三維打印技術構建了一種具有高伸縮性的導電聚合物復合材料開放網格，其中石墨烯片滲透的網絡構成了可變形的導電路徑，該開放式網格具有高達350%的應變能力，同時網格表面上的導電石墨烯涂層則能夠高靈敏度地感知細微變化，可以實現對脈搏周期和波形的實時感知和監測，并且已在著手提升該柔性材料的穩定性，以實現其在穿戴式檢測中的實際應用［10］。此外，清華大學清華－伯克利深圳學院數據科學與信息技術中心林立偉、王曉浩教授課題組提出了一種氟乙烯丙烯共聚物/超軟性硅樹脂/氟乙烯丙烯共聚物三明治結構的貼片式壓電駐極體傳感系統，其巧妙的柔性設計是將電暈放電極化的電荷保存于空腔內側，因不直接與人體接觸，保證了器件具有高靈敏度和穩定性，可實現精確采集人體寸、關、尺三個不同位置的脈搏信號，通過脈搏波形的細節分析實現了志愿者脈搏波形的分類與識別［11］。這類柔性傳感器件的設計，可以方便地采集脈搏波信號，并容易與大數據分析等工具進一步結合，以推動柔性可穿戴傳感器在人體健康及疾病診斷等領域的實用化進程。

2 基于柔性傳感技術的脈搏檢測系統

筆者所在浙江大學生物傳感器國家專業實驗室也初步提出了一種新型的柔性脈搏檢測系統，該系統由柔性薄膜壓力傳感器、脈搏檢測電路，以及智能顯示終端等主要部分組成。研究采用柔性壓電傳感器來對脈搏波信號進行感知，脈搏波搏動的微弱機械能可以改變薄膜材料的電導率，然后通過檢測電路對信號進行有效放大和采集，以最終實現脈搏的檢測。具體見圖1，筆者在實驗中采用3個柔性壓力傳感器，分別采集寸、關、尺三個部位的脈搏波信號，利用自行設計和構建的檢測電路來實現信號的濾波和放大，并最終通過該柔性可彎曲的壓力傳感器與皮膚的良好接觸，進而實現脈搏波信號的靈敏檢測。

圖1 適用于脈搏波檢測的柔性薄膜壓力傳感器及其檢測電路

該研究基于Visual studio 平臺，使用C#語言編寫了可實時顯示脈搏波信號的上位機軟件，同時通過數據建模，將所得到的三處脈象信息進行整理分析，最終提取出基于中醫脈象理論的多維度信息，結果見圖2?？梢?，該基于柔性壓力傳感技術、電子技術、微機控制技術構建的脈搏波檢測系統可以對寸、關、尺三處的脈象進行有效監測。尤其是，由于所采用的柔性傳感器件其輕薄的結構設計，便于利用在傳感器對脈搏波監測的同時，實現中醫師的手指搭載于傳感器表面進行中醫脈診感知，并實現同步化的實時動態記錄。該檢測系統和實時顯示平臺能夠用于脈診的輔助記錄和分析，為中醫脈診提供一種人機交互式的可視化技術手段。

圖2 脈搏波檢測界面及寸、關、尺脈搏波的實時記錄

相比現有的脈象儀體積龐大的問題，基于柔性壓力傳感器的脈診輔助記錄分析儀通過系統優化和無線通信技術，可使脈診儀具有可穿戴化、便攜化與小型化的優勢。當然，為了便于該類中醫脈診設備的使用和推廣，柔性穿戴式脈診檢測裝備首先需要進一步優化其使用的便捷性，運用人體工程學原理設計適于脈診操作的可穿戴式的設備。根據系統結構，優化電路及傳感器分布，設計和可穿戴式樣機外觀功能相匹配的外部結構，如制作模具用于指套式、平壓式等不同形式的前端傳感器穿戴設計的實現，測試比較不同穿戴式設計的舒適性、功能性以滿足日常乃至臨床應用的需求。此外，脈診系統可以進一步結合智能終端來實現方便的檢測、顯示、分析及診斷。目前，智能移動終端（如智能手機）已經變成人們日常生活中的必需品。如何利用日益普及的智能終端來實現人體健康信息的快速和實時采集是醫療健康領域中的重要研究方向。針對脈診系統，利用智能移動端本身的藍牙、WiFi 等無線通信的技術來實現數據從柔性傳感檢測系統到智能移動端的傳輸和記錄，以便于后續的信號分析和進一步的遠程輔助診斷等，這可以大大簡化整個脈診系統。其次，穿戴式脈診設備應該加強可視化顯示功能的實現，進而促進人機交互功能。柔性壓力傳感器檢測到的指尖壓力及脈象信號可以通過無線通信技術傳輸至智能顯示終端，實時的響應信號可動態顯示并用于指導“三部九候”指法的模式判斷，也為脈象及指尖壓力等信息的同步采集提供出一個行之有效的監測平臺和方法。

3 脈搏波信號處理與脈象分析

分析脈搏波的產生，目前已經明確血液壓力、血流速度和血流量會隨著心臟收縮與舒張而變化，這種變化會導致血管壁出現周期性的回縮與擴張，稱為脈搏；而脈搏沿著動脈管壁以波的形式傳播，稱為脈搏波。脈搏波壓力及波形特征包含豐富的心血管生理、病理信息，目前已有大量的臨床實測結果論述了脈搏波的波形特征與心血管疾病的相關關系，并且，由于脈搏的搏動是由全身血管參與，脈搏信號與人體多個臟器的狀況緊密有關［12－13］。這與中醫脈診理論有一定的契合，全身臟腑的盛衰，都會影響脈搏的強弱緩急。提取并分析采集到的脈搏波信號，可以無創檢測和分析疾病，從而有效、早期地防治疾病，這對臨床醫學的發展很有價值。當然，對于闡明并分析中醫脈象的相關類型尤為意義重大。

同樣，筆者采用HK－2000B+集成化脈搏傳感器，搭建了包含前處理的脈搏波采集系統，利用該系統對相關人群的脈搏波信號進行了相應分析。如圖3 所示，即是3 名健康受試者在寸口部位的脈搏波采集信號。通過對其脈搏波數據進行降噪濾波等處理后，分別將被試者在檢測周期內的脈搏波波形圖疊加在一起，即可得到相應的脈搏波形圖，用于后續脈搏信號點的相關參數分析。

圖3 脈搏波信號處理結果圖

一般認為，脈搏信號的特征點主要包括主動脈開放點、主波波峰、潮波前谷、潮波、重波波谷和重波波峰等［14］。脈搏波在寸口處顯現部位的深淺、頻率、波幅、周期性及波形等可綜合反應脈象［15］。而根據頻率的不同，可識別數脈、平脈、遲脈和緩脈等周期固定的脈象，脈象周期的均勻度則能說明結脈、促脈和代脈的差別［16］。例如，張晗等通過分析200 例脈象信號，認為潮波、主波和重波的相對幅度變化可以區分平脈、弦脈和沉脈，平脈的三個波峰依次遞降，弦脈的潮波峰會與主波峰的幅值接近，因此弦脈主波會顯寬大，而沉脈的潮波、重波幅值都比平脈?。?7］。不同于前者的分析，鄭星宇等通過分析58 例受試者的脈象信號，認為與主波融合呈寬大圓鈍平頂是濡脈的波形特征之一，濡脈的波寬增大，波幅減小，總體趨勢較平和脈的起伏更平緩［18］。徐剛等則是采集了150 例受試者的脈象信號，分組對比分析發現弦脈者的脈搏波主波波峰會與潮波波峰重合，見較鈍圓的波峰，洪脈者則是脈形高大，主波波峰明顯，潮波和重波波峰升高，形成類似三角形的形態［19］。

在圖3 所示的結果中，被試1 主波高尖，潮波不明顯，重波波谷和波峰較為明顯；相比于被試1，被試2潮波更為明顯；被試3的潮波相對主波的位置增高，橫坐標上也向主波接近，并與主波融合，同時重波波谷和波峰位置不斷增高，且混為一體不易區分，表現在圖上的結果是主波矮平，觀察不到明顯的潮波和重波。所示的3 名受試者脈搏波波形區別明顯，且與沉脈、洪脈、弦脈、濡脈等脈象波形有一定的關聯特征?？梢?，雖然尚未整理大樣本數據分析，但已完成證明了柔性可穿戴脈搏波檢測系統可以較好地采集脈搏信號，記錄相關脈象波形。

同時，根據《黃帝內經》等經典記載，全身遍診法是診脈的方法。切脈部位有“三部九候”之分，頭、手、足等全身各處均有分布，通過按切全身淺表動脈推斷疾病，但因存在實施不便，現在臨床上很少使用。而柔性傳感器件具有“貼皮式”等監測特性，可以很好地與人體各處皮膚良好貼合，因此適合于解決同步記錄“三部九候”的脈象信號的問題，是快速便捷地實現全身遍診的途徑之一。同時，穿戴式器件能夠實時監測和記錄信號，這也為脈象信號的大數據采集和分析提供了平臺?？傊?，柔性穿戴式脈診檢測裝備兼具便攜式、實時性以及人機交互性等特征，適用于家庭和個人的便攜式中醫健康數據采集，對于進一步促進中醫脈診在醫療診斷和健康檢測等領域的快速發展意義重大。