基于柔性傳感技術(shù)的中醫(yī)脈診信息采集手套的研制

摘要：針對當(dāng)前中醫(yī)脈診設(shè)備體積龐大、操作環(huán)境條件要求較高、靈敏度較低以及操作繁瑣等問題，開發(fā)了一款基于柔性傳感技術(shù)的脈診信息采集手套。該手套的柔性傳感器由十字交叉的碳纖維構(gòu)成傳感單元，分別分布在手套食指、中指、無名指指尖位置；以銅線為傳導(dǎo)線，通過手指設(shè)計的夾層通道與傳感單元連接，將脈診信息傳輸至手背的電路板模塊；信息數(shù)據(jù)通過電路板處理后發(fā)送至手機(jī)、計算機(jī)終端，并上傳至云數(shù)據(jù)庫。測試結(jié)果表明：在0～0.2 N脈壓力范圍內(nèi)，傳感器表現(xiàn)出超高的靈敏度（201.305 N-1），能有效識別微弱的脈沖信號；傳感器的響應(yīng)時間和恢復(fù)時間均為82 ms，能夠?qū)崟r監(jiān)測壓力信號的變化；在2.0 N的外力作用下，經(jīng)過1000次循環(huán)測試，該傳感器前后電阻變化率基本保持不變，表明該傳感器具有長期穩(wěn)定性的特性。該裝置可以將脈診信息數(shù)字化、規(guī)范化，可為中醫(yī)臨床診斷提供更穩(wěn)定、豐富的數(shù)據(jù)提示及參考，也為居家自助診脈以及云端診病提供更多可能性。

關(guān)鍵詞：柔性傳感；中醫(yī)脈診；數(shù)字化；手套；信息采集

中圖分類號：TS941.56

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1009-265X（2024）02-0001-08

隨著人們生活節(jié)奏的加快及外部壓力的增大，慢性疾病已經(jīng)成為威脅人類健康的“頭號殺手”。相較于西醫(yī)關(guān)注患者局部的病理變化，中醫(yī)在慢性疾病的診療方面具有豐富的經(jīng)驗(yàn)，更注重患者整體化、系統(tǒng)化的內(nèi)在調(diào)理［1-2］。脈診作為中醫(yī)最具特色的診療方式之一，是判斷人體病理與生理狀態(tài)的重要手段［3］。醫(yī)師以食指、中指、無名指指尖的敏感部位接觸就診者手腕內(nèi)側(cè)，在橈動脈寸、關(guān)、尺3部位施加壓力來感知手腕部脈搏跳動信號，同時與望、聞、問診法相結(jié)合，了解就診者的病理及生理狀態(tài)。

近年來，學(xué)者們在脈搏信號的數(shù)字化提取及分析等方面進(jìn)行了深入研究，并相繼推出了一系列脈搏信號的檢測設(shè)備，按照其所使用的傳感器種類可分為機(jī)械式、光電容積式、超聲式和壓電式［4-8］。這些設(shè)備的出現(xiàn)改變了傳統(tǒng)人工觸摸感知脈搏的方式，轉(zhuǎn)而使用傳感技術(shù)實(shí)現(xiàn)脈搏波的數(shù)字化采集。富蘊(yùn)琪等［9］提出基于微型氣泵的脈搏信息采集裝置模擬中醫(yī)脈診過程，但氣泵模擬的方法需要借助特定的裝置，給脈診的操作帶來一定的限制；陳淑陽等［10］設(shè)計的智能脈診儀使用剛性觸頭采集脈搏，由于剛性觸頭無法很好貼合皮膚，使信號采集一定程度上易受干擾；Wang等［11］提出的多通道腕部脈搏信號采集系統(tǒng)證明了多通道脈搏信號比一般單通道更具分類性能，但是由于探頭調(diào)節(jié)效率較低，臨床適用性不高；留碧麗等［12］利用超聲極速成像技術(shù)對患者頸動脈脈搏波進(jìn)行了一系列的比較分析，該技術(shù)可以實(shí)時獲取頸動脈脈搏波的信息，但是對操作者的專業(yè)水平要求較高。

綜上，為解決現(xiàn)有脈搏信息采集裝置體積龐大、操作繁瑣、與人體貼合度較差等系列問題，迫切需要一種新型脈搏監(jiān)測傳感器及裝置以滿足對脈搏波采集的需求。本文基于碳纖維材料制備柔性壓力傳感器并對傳感器結(jié)構(gòu)進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計，開發(fā)了一款智能脈診信息采集的手套裝置，該裝置不僅使傳感器與皮膚完美貼合，同時具備良好的脈搏信號采集性能。

1中醫(yī)脈診信息采集手套裝置的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

1.1脈診信息采集

脈診是指通過3個穴位（寸、關(guān)、尺）的脈搏波來區(qū)分人體病理與生理狀態(tài)，中醫(yī)脈診客觀化研究過程中常用“脈波圖”表示脈象［13］。在一定取脈壓力下，脈幅隨時間變化的曲線即“脈波圖”，主要反映脈搏應(yīng)指的動態(tài)。圖1顯示了同一周期內(nèi)寸、關(guān)、尺3個穴位脈搏波的波形對比。

一般情況下，由于在不同的測試條件下（如作用力的位置，水平和方向以及監(jiān)視對象的性別和年齡），脈搏波的強(qiáng)度和波形也會存在顯著差異，使得脈診信息的采集過程非常復(fù)雜，因此，有必要建立和完善脈搏數(shù)據(jù)庫，同時在寸、關(guān)、尺3個穴位同時采集對應(yīng)的脈搏波信號，形成基于三通道的脈搏波數(shù)據(jù)采集模式，方能全面地了解就診者的病理及生理狀態(tài)，如圖2所示。

1.2柔性傳感器的制備與性能測試

導(dǎo)電碳纖維束制備的應(yīng)力傳感器具有柔性、高靈敏度和可靠性特征，且易于校準(zhǔn)，適用于弱應(yīng)力、多頻率脈沖信號的監(jiān)測［14］。本裝置傳感器由傳感層和封裝層構(gòu)成，如圖3（a）。具體實(shí)現(xiàn)過程如下：

首先，搭建一個 4 mm ×4 mm的柔性印刷電路板作為柔性基板，與手套面料同頻彎曲變化。將直徑為 300 μm的碳纖維束通過4個銅孔固定在柔性印刷電路板上，形成相對穩(wěn)定的十字交叉結(jié)構(gòu)。采用此結(jié)構(gòu)能充分利用橫向壓阻，提高傳感器的靈敏度，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定亦提高動態(tài)耐久性。

其次，搭建封裝層。封裝層分為底部封裝層和頂部封裝層，有機(jī)硅膠底部封裝層能最大限度防止電極氧化，用聚乙烯和聚酰亞胺一起作為頂部封裝層，增強(qiáng)硬度與穩(wěn)定性，以保護(hù)傳感層。柔性印刷電路板上鋪有兩根銅線，和碳纖維之間的連接由導(dǎo)電銀膠固定，分別連接在兩根交叉碳纖維絲的一端，形成壓阻應(yīng)力傳感單元。

再次，在傳感單元上附上一層聚乙烯，通過聚乙烯的阻隔使壓敏材料和柔性電路板之間形成密閉的腔室。

最后，在聚乙烯之上再用一層聚酰亞胺，使得聚乙烯與柔性電路板之間形成腔室密閉性更好。在粘有導(dǎo)電銀漿的一面封上一層有機(jī)硅膠，一方面填充覆蓋銀漿和柔性電路板之間空洞連接防止導(dǎo)電銀漿被氧化，使得導(dǎo)電性變差影響傳感器使用時的穩(wěn)定性；另一方面使用有機(jī)硅膠做底層封裝可提高整個傳感器的柔軟性以及用在可穿戴設(shè)備上提高生物相容性和提升穿戴體驗(yàn)，實(shí)物展示如圖3（b）所示。

該傳感器利用碳纖維的隧穿效應(yīng)，當(dāng)對傳感器施加外力時，隨著外力的不斷增加，碳纖維束被壓縮，碳纖維之間的接觸點(diǎn)增多，隧穿電流增大，進(jìn)而表現(xiàn)傳感器電阻減小的特點(diǎn)［15-16］。靈敏度是表征傳感器性能的基本參數(shù)之一，它反映了傳感器對外力刺激響應(yīng)的能力，傳感器靈敏度越高，越能準(zhǔn)確地捕捉和區(qū)分橈動脈的脈搏波。

圖4（a）展示了對該傳感器靈敏度的測試，橫軸是所施加的力，縱軸是電阻變化率，在0～0.2 N脈壓力范圍內(nèi)，該傳感器具有較高的靈敏度，最大靈敏度為201.305 N-1，這表明該傳感器能有效識別微弱的脈沖信號。對該傳感器進(jìn)行響應(yīng)時間的測試，如圖4（b）所示，其響應(yīng)時間和恢復(fù)時間都是82 ms，表明該傳感器能夠?qū)崟r監(jiān)測壓力信號的變化，且在2.0 N的外力作用下，經(jīng)過1000 次循環(huán)，該傳感器的電阻變化率基本保持不變，表明該傳感器具有長期穩(wěn)定性的特性，可以更好地應(yīng)用在脈診過程中，如圖4（c）。

1.3脈診信號采集的手套裝置及系統(tǒng)設(shè)計

本文所設(shè)計的脈搏波信號采集裝置如圖5所示，該裝置由1個右手手套、3個自研的柔性壓力傳感器、1套三通道傳輸電路和1個系統(tǒng)集成模塊組成。由于在使用該手套裝置時須頻繁做出手掌張開、握拳等動作，因此該裝置采用高彈面料以確保在手部活動時手套始終能貼合手掌，從而使脈搏信號的采集及傳輸過程穩(wěn)定。

手指指尖內(nèi)側(cè)是人體觸覺神經(jīng)最為敏感靈活的位置之一，食指、中指、無名指指尖內(nèi)側(cè)是中醫(yī)脈診時關(guān)鍵接觸點(diǎn)［17］。因此，該裝置模仿中醫(yī)切脈手法，實(shí)現(xiàn)檢測橈關(guān)節(jié)處寸、關(guān)、尺3 個關(guān)鍵接觸點(diǎn)位置的脈搏波信號采集，獲取就診者的脈搏跳動信號。在食指、中指、無名指指尖內(nèi)側(cè)搭載傳感器（A1、A2、A3，每個傳感單元5 mm × 5 mm）固定于面料表面，如圖5（a）所示。手指背部有雙層面料設(shè)計的導(dǎo)線夾層通道，脈搏數(shù)據(jù)信息由導(dǎo)線傳送至手背貼袋位置的系統(tǒng)集成板，如圖5（b）所示，信息數(shù)據(jù)處理之后，發(fā)送至計算機(jī)端實(shí)現(xiàn)脈診信號的可視化。

3個傳感器（A1、A2、A3）各牽引出兩條信息傳導(dǎo)線（B1、B2，B3、B4，B5、B6），從指尖內(nèi)側(cè)以固定狀態(tài)布線延轉(zhuǎn)至手指背面指甲蓋中點(diǎn)，如圖6（a），傳導(dǎo)線由指尖內(nèi)側(cè)翻轉(zhuǎn)到指尖外側(cè)指甲蓋位置后，合股進(jìn)入手指夾層通道，到近節(jié)指骨關(guān)節(jié)結(jié)束，由中節(jié)指骨末端引出。傳導(dǎo)線預(yù)留0.8 cm延伸量，避免握拳狀態(tài)時繃斷變形，加強(qiáng)穩(wěn)定性，如圖6（b）。

傳導(dǎo)線從夾層通道延伸至手掌背部，連接入系統(tǒng)集成板（器件C）內(nèi)，如圖7。手背位置設(shè)計貼袋，貼袋兩側(cè)縱向線平縫固定于主面料上，近手指方向貼袋邊平縫固定，留3組2 mm跳針空隙，為傳導(dǎo)線進(jìn)入貼袋提供通道。

如圖8所示，應(yīng)用程序采用QT開發(fā)環(huán)境，自主構(gòu)建上位機(jī)數(shù)據(jù)顯示與存儲程序，設(shè)計3個控制指令，即開始、停止、復(fù)位。該傳感器為柔性壓阻傳感器，故采集模塊是以傳感器的電阻變化率的變化來進(jìn)行數(shù)據(jù)信息的反饋。三通道數(shù)據(jù)采集裝置包括集成模塊、運(yùn)算放大器、微控制器等構(gòu)成，其中模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片為數(shù)據(jù)傳輸中主要模塊。通過采集電路對數(shù)據(jù)的接收處理，可以將無串?dāng)_的脈搏模擬信號轉(zhuǎn)換為電子信號，在軟件端進(jìn)行可視化的顯示，以實(shí)現(xiàn)對脈搏波信號的讀取收集。

2脈診信號檢測手套裝置的操作與測試

該裝置初步完成后，本團(tuán)隊進(jìn)行了操作與測試。具體操作過程如下：

志愿者平靜地坐在脈搏測試平臺前，將手放置于桌面上，醫(yī)師佩戴該脈診手套對志愿者的寸、關(guān)、尺3個部位進(jìn)行測試，上位機(jī)軟件實(shí)時顯示脈搏的波形狀況。圖9展示了一位24歲的男志愿者在寸、關(guān)、尺3個位置的脈搏波形。從圖9中可以看出，不同位置的脈搏波的波形是不同的，通過在每個通道上分別施加靜壓，以更好地模仿中醫(yī)中的三指脈搏觸診［16］。

人體不同位置的脈搏波形信號對比如圖10，為了進(jìn)一步檢測該裝置在人體其他位置的適用性，證明其在可穿戴領(lǐng)域有很強(qiáng)的應(yīng)用前景。圖10（a）－圖10（d）為志愿者通過佩戴包含觸覺傳感器的脈診手套在志愿者的左顳淺動脈、左頸動脈、右頸動脈和指尖動脈的4個典型脈搏波，顯示了人體不同位置的脈搏波形信號對比。這些結(jié)果表明，該裝置具有的三通道數(shù)據(jù)采集器可準(zhǔn)確地捕獲和識別脈搏信號。

3結(jié)語

本文為適應(yīng)中醫(yī)脈診數(shù)字化的發(fā)展需求，研制了基于碳纖維的柔性傳感器，并使用該傳感器開發(fā)三通道脈搏信號采集的手套裝置。為確保脈搏信號的采集及傳輸過程的穩(wěn)定，該裝置采用高彈面料并進(jìn)行夾層通道設(shè)計，再搭載外部電路和軟件，可實(shí)現(xiàn)脈搏信號的實(shí)時傳輸與脈搏波的準(zhǔn)確復(fù)現(xiàn)。

該裝置內(nèi)置的傳感器具有較高的靈敏度與穩(wěn)定性，能夠準(zhǔn)確地捕捉和識別人體不同位置脈搏波信

號的細(xì)微差別。通過測試，在0～0.2 N脈壓力范圍內(nèi)，傳感器展示了超高的靈敏度（201.305 N-1），且傳感器的響應(yīng)時間和恢復(fù)時間都是82 ms，能夠?qū)崟r監(jiān)測壓力信號的變化。在2.0 N的外力作用下，經(jīng)過1000次循環(huán)測試，該傳感器前后電阻變化率基本保持不變，表明該傳感器具有長期穩(wěn)定性的特性。

此手套裝置不僅可以作為醫(yī)生的輔助診療設(shè)備，同時也適用于個人康養(yǎng)、自助診療，有助于提高個人對慢性疾病的早期診斷及風(fēng)險評估的能力。針對該手套的重復(fù)使用、清潔整理、摩擦損耗等問題，目前還沒有進(jìn)行相關(guān)測試，有待后續(xù)研究。

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Development of traditional Chinese medicine pulse diagnosis information collection gloves based on flexible sensing technology

WANG Lüfeia， ZHU Weigangb， LUO Jianyib， HUANG Aipingb， XIE Yonga

（a.College of Art and Design; b. School of Applied Physics and Materials， Wuyi University， Jiangmen 529020， China）

Abstract：

With the increasing demand of people for health and medical services， auxiliary pulse diagnostic equipment has the advantages of remote diagnosis， real-time monitoring， convenient self-help， high efficiency and so on， and is increasingly favored by consumers. Currently， pulse diagnostic equipment， such as intelligent pulse monitoring system and dynamic pulse waveform analyzer， has high requirements for environmental conditions， low sensitivity and slightly cumbersome operation. Therefore， the equipment with smaller volume， more convenience， stable performance， simple operation and data visualization has attracted the attention of a wide range of researchers. Our team has developed gloves for collecting pulse information of traditional Chinese medicine. The device can fit perfectly with the skin and has good collection performance.

This paper discusses the functional structure design and implementation of pulse collection gloves， including device preparation， structure design， system construction， operation test and so on. The carbon fiber dimension material independently developed by our team is used in the sensing material in the pulse collection gloves. Two carbon fibers are used as a cross structure and are fixed on the flexible printed board through copper holes， which is used as a single sensing unit. The flexible sensor is placed at the fingertips of the index finger， middle finger and ring finger of the glove. It can not only read the key pulse information of the human body such as Cun， Guan and Chi， but also accurately identify the pulse information of the wrist and neck. The copper wire in the mezzanine channel is used as the transmission line to connect with the sensing unit， and the pulse information is transmitted to the circuit acquisition module on the back of the hand. The pulse information data are processed here and sent to mobile phones， computer terminals and uploaded to the cloud database.

The structural highlight of the pulse collection glove is the sandwich design on the back. When the glove works， with the bending and straightening of the fingers， the transmission line carried by the glove is frequently in a tight and relaxed state. The design of the glove mezzanine channel can realize the relatively loose state of the transmission line all the time， avoid the phenomenon that the transmission line is easy to be stretched and broken during use， and it fits well with the skin， ensuring the stable transmission of pulse diagnosis data.

The pulse diagnosis collection gloves can assist users to digitize and standardize pulse information， provide more stable and rich data tips and references for clinical diagnosis of traditional Chinese medicine， and provide more possibilities for home self-help pulse diagnosis and cloud diagnosis.

Keywords：

flexible sensor; pulse diagnosis; digitization; glove; information collection

收稿日期：20230515

網(wǎng)絡(luò)出版日期：20230829

基金項(xiàng)目：廣東高校青年創(chuàng)新人才項(xiàng)目（2022KQNCX091）

作者簡介：王葎菲（1975—），男，江西南昌人，講師，碩士，主要從事可穿戴服飾品創(chuàng)新設(shè)計。

通信作者：謝勇，E-mail：xy_369@foxmail.com