中医脉象检测中传感器技术的运用

　　摘    要：　脉诊一直是中医教学的重点和难点，从最早的模式图、示意图到现今的波状图，研究者一直在寻找脉诊客观化的最佳方法和途径。传感器种类和方案的选择与应用是脉诊客观化研究的关键一环。通过对各种脉象采集传感器的工作原理和应用方案两方面的阐释，综述脉象检测方法的研究现状。基于单点压力传感器脉象仪目前应用最为成熟和广泛，并在行业、团体、国际上具有标准化的优势，但中医脉象检测在整体上仍然存在标准不统一、同质化程度高、操作要求高及检测结果重现性低等问题。未来的中医脉象检测还需借助传感、材料、信息和人工智能等技术的发展和应用，寻求新的突破。

　　关键词：　传感器; 脉象; 脉象仪; 脉诊客观化; 综述;

　　Abstract：　The pulse of TCM has always been the focus and difficulty of teaching and learning. From the earliest pattern diagrams and schematic diagrams to the current wavy diagrams, researchers are always looking for methods and ways to objectively diagnose the pulse. The selection and application of sensor types and schemes is a key part of the objective research of pulse diagnosis of TCM.Through the interpretation of the working principle and application scheme of various pulse acquisition sensors, the research status of pulse detection methods is reviewed. The single-point pressure sensor based pulse detector is currently the most mature and widely used, and has standard advantages in industry, group and international. However, there are still standards in the whole TCM pulse detection, such as non-uniformity, high homogeneity, high operational requirements, and test results. Low reproducibility issues. In the future, pulse detection of TCM needs to rely on sensing technology, material technology, information technology, artificial intelligence and other technologies to achieve new breakthroughs.

　　Keyword：　sensor; pulse manifestation; pulse diagnosis instrument; objectification of pulse examination; review;

　　脉诊在历代医者的逐渐发展完善中，成为极具中医特色的重要诊法。由于传统中医脉诊缺少客观指标，医生们对脉象的记录常限于对指下触感的描述。南宋医家施发在《察病指南》中开创了直观示意图反映主观感受脉搏形象的先河。1860年，德国生理学家Karl Vierordt发明了世界首台利用压力传感器记录脉搏波形图的仪器，脉搏首次被描记为波形图。我国自1950年开始脉诊的客观化研究，朱颜[1]将杠杆式脉搏描记仪与中医的脉诊融为一体，是国内利用脉象仪器进行中医脉诊客观化研究的初次尝试。伴随科学技术的发展，传感设备的进步，各类传感器被广泛应用于脉诊研究[2]，经几十年的发展，取得了可喜成果。文章就各种脉象传感器的工作原理和应用方案两方面，对中医脉象研究中传感器应用及方案进行综述。
 

　　1 、传感器种类及工作原理

　　脉象仪是中医脉诊客观化研究的重要工具，传感器是其必不可少的部分，不同传感器决定了脉象仪不同的工作方式。现今的脉象仪使用的传感器据工作原理可分为机械式传感器、压力式传感器、光电式传感器、超声波传感器和传声器等类型。其中，应用机械式传感器的脉象仪最早面世，但由于其在自动控制方面的不足，在研究中也因此受限。机械式和压力传感器属于接触式传感器，光电式、超声波传感器以及传声器属于非接触式传感器。非接触式传感器的工作原理并不符合中医的指按切脉法[3]，但也从侧面为脉诊的客观化研究提供了一种思路。另外，以纳米和石墨烯技术制成的传感器以及时空域脉搏信号检测方法也在近年开始出现。

　　1.1、 压力传感器

　　在脉象仪的研制过程中，压力传感器最早得到应用，较符合中医“举、按、寻”的诊脉方法，目前应用最广泛，研究较深入[4]。压力传感器主要根据原理分为压阻式、压电式和压磁式3种。

　　1.1.1、 压阻式传感器

　　压阻式传感器根据电阻率随受力变化而变化的原理制成，利用电阻的变化反映脉力的变化，原理简单、应用广泛，由于不同的应力存在不同影响因素，故存在一定程度上的失真。根据其压力传导介质的不同又分为固态压阻式传感器、液压传感器和气导式传感器3种。如王宝宝[5]使用气导式传感器对脉搏波进行电压信号转换，同时凭借蓝牙技术和集成显示屏实现人机交互，制成便携的可穿戴脉诊设备。

　　1.1.2、压电式传感器

　　压电式传感器借助压电材料的物理性质完成脉搏的压力信号向电信号的转变。根据其压电材料的不同又分为压电晶体式传感器、压电陶瓷式传感器、压电聚合物传感器和复合压电材料传感器4种。压电式传感器在灵敏度、频响、抗扰性、稳定性、软组织声阻抗匹配方面表现较好，但存在成本高、易失电荷等缺点。金观昌等[6]设计了一种新型压电薄膜（PVDF）多点脉搏波计算机辅助测试系统，做到了脉搏信号的多点、动态、同步测量，并能多层次全面显示各种脉图，同时进行频谱分析和数字滤波。日本的冈田腾[7]最早使用压电式陶瓷传感器，研制出了对于脉象浮、中、沉3种不同压力检测的脉象仪，并阐述了6种与之对应的脉搏图像。

　　1.1.3 、压磁式传感器

　　压磁式传感器借助磁弹效应，将作用力变换为传感器导磁率，并由导磁率的变化信息输出相应的电信号，结构简单、信号较强，是近几年国际上新兴的传感器。但这种传感器在材料选择和处理等理论和技术上尚需进一步的研究[8]。Choi S D等[9]研究了使用巨磁阻和旋转阀的具有磁传感器阵列的空间脉象信息采集诊断设备。

　　此外，李淑娟等[10]提出了一种采用光纤Bragg光栅（FBG）压力传感器和基于相位产生载波（PGC）的干涉式波长解调相结合的传感器系统，利用FBG的波长调制原理，通过调制与解调波长改变来显示压力信号，实现对于脉象搏动情况的精确探测和精准还原。

　　1.2 、光电式传感器

　　日本研究人员Mikio Aritomo等[11]最先利用光电传感器进行脉搏信号的采集，研发了基于光电传感器原理的脉搏描记系统。由于红外线可以透过皮肤、血管而被血液吸收，且单位长度血管内的血容量随血液流动而时刻变化，红外线被吸收量的多少取决于血容量的多少，借助光电传感器测定血容量的变化，再将接收的光信号变换为电信号，从而体现脉搏的信息。如KIM等[12]采用波导型光学传感器设计的脉象仪可以对脉象进行比使用电信号的常规方法更准确的检测，更容易形成多个通道以及更小巧的设备。屈佳龙[13]借助光电传感器将指尖血容量的改变转换为电信号，做到脉搏波的同步显示及储存，并证明了脉搏波仿真模型的精准度。

　　1.3、 超声多普勒技术

　　由于动脉脉搏除了具有压力信号和声信号的信息之外，还存在血管容量、血液流速等多项信息，只用压力传感器无法全面反映构成脉象的各项元素。而超声多普勒技术能够检测到除压力搏动以外的上述多项信息[4]。Takahiko Nakamura等[14]提供了一种超声波脉搏检测装置，可以高精度地定位超声波发送压电元件和超声波接收压电元件来抵抗质量的波动，提高了脉搏检测的灵敏度。

　　1.4 、传声器

　　寸口脉的搏动可以产生次声波，传声器基于声学原理，获取由脉搏振动而引起的次声信号，从而反映脉象信息，具有较好的的稳定性和可靠性。周鹏等[15]设计的脉象检测系统基于驻极体传声器，并采用两种传感器同时采集脉象，发现了脉搏声信号与标准脉象信号的一阶导数具有强相关性，说明了借助传声器体现脉象信息的可行性。

　　1.5 、软接触式传感器

　　这种传感器采用仿生学方法，模拟医生的手指进行加压，常用由乳胶膜、空气腔或由传感膜、硅油组成的传感器[3]。日本研究人员石山仁等[16]利用胶皮手套和半导体应变计检测和记录脉搏波，以此测定了20～40岁青壮年的六部脉搏波。H.C.Chou等[17]使用柔软、具可塑性的导电聚合物制成传感器，研发非刚性脉象仪，并对脉搏波速度进行分析，验证了该系统的可行性。

　　1.6 、其他脉象检测方法

　　杨力铭等[18]提出时空域脉搏信号检测方法，通过基于双目立体视觉的时空域脉搏信号检测，借助气囊式仿指柔性探头，模拟手指诊脉，两部相机同时拍摄，经计算得出三维脉图序列，并进一步提出了7种脉象因素量化指标。韩国也有类似的采集脉搏搏动图像的传感器[19]。王璐[20]研制的纳米硅/单晶硅异质结MOSFETs脉象检测系统，采用人工神经网络处理结果，具有便携、高灵敏度、温度特性好等优点，实现了对微小脉象信号的准确检测。张岩[21]利用三维石墨烯应力传感器，将脉搏信号转变为电信号，分析了脉象检测探头的稳定性能，并将其应用于脉象的检测。Eom S等[22]提出了一种采用迈克尔逊干涉仪的光纤动脉脉搏波传感器，并获得了与动脉脉搏波相对应的信号。

　　伴随各类型传感器在中医脉诊研究中的应用，传统脉诊“心中易了，指下难明”的尴尬正在逐渐消除，但是基于单一传感技术的脉搏波能否反映传统脉象的“位、次、形、势”特点，越来越受到业界的重视，因此也有学者提出多传感器融合的脉象仪研发想法，但限于传感技术、集成干扰的问题仍停留在科研阶段，相信经过更多的尝试及验证，中医脉诊研究本着实践优先的原则定能研发出有实际应用价值的脉象仪。

　　2 、传感器应用方案

　　脉象仪传感器应用方案有单探头、三探头及复合探头等形式，但在临床和科研中，单探头传感器使用较为成熟和广泛，其他类型传感器应用较少[3]。由于单探头传感器只能反映单部（关部）的脉象信息，不能同时反映寸关尺三部脉象，故近年来多探头和复合探头应用方案不断出现。郭思嘉[23]设计了智能化三探头高精密脉象仪和四探头便携式脉象仪，并用此复现患者和健康人的脉搏波。周侃恒[24]针对“三部九候”的脉象采集要求，设计了自动加压的三探头脉象仪。张玉满[25]设计了压力传感器与驻极体传声器相结合的复合探头，同时增添气路加减压模块以模拟取脉压力的改变。

　　传感器的应用方案关注的是脉象仪的使用问题，符合医理是其指导思想。传统脉诊讲究“三部九候”，以期发现脏腑气血、阴阳、虚实变化，三部即“寸、关、尺”，九候即每部“浮、中、沉”，因此单探头传感器应用方案增加了脉诊操作复杂度，也增加了因部位变化导致的测量偏移，但单探头方案因为其复杂问题简单化的设计，易于标准化的战略定位仍然是当下中医脉诊客观化研究的首选。复合及多探头应用方案从设计上来看更符合中医脉诊的实际操作过程，反映了脉象多维信息、模拟了真实诊脉手法，但其脉象分类诊断算法的建立还需大量数据的支撑，甚至还需要得到更多行业内的认可。

　　3 、问题及展望

　　虽然中医脉诊客观化工作已开展几十年，脉象仪种类已经很多，但仍只是在科研中应用较多，临床中难以推广和普及，尚存在标准不统一、同质化程度高、操作要求高、检测结果重现性低等问题。目前基于单点压力传感器的脉象仪的研制和应用成熟度最高，已经在行业、团体、国际上形成标准优势，但仍需提供更深层次的应用方案和积累更多的有效关联数据，为科学、准确反映及评价人体生理病理情况提供支撑。未来随着传感技术的不断进步及升级，甚至液态金属传感器的介入，多源信息融合技术的突破以及大数据、算法层面的迭代，中医脉象研究必将取得更大突破。

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