传感技术在脉诊中应用及脉象多属性特征检测探讨*

2010-02-12曹东易珺

自动化与信息工程 2010年1期

曹东易珺

（1.广州中医药大学信息技术学院 2.广东药学院医学信息工程学院）

1 引言

脉诊是中医诊断学精华之一，在中医“望、闻、问、切”四诊中占有重要地位。中医脉诊经过几千年发展建立了脉学理论，积累大量诊脉经验，但是传统脉象鉴别方法没有建立统一客观标准，制约了中医脉诊应用、推广与发展。中医要现代化，诊断方法客观化势在必行，用现代科学技术对中医脉象进行客观表述，是提高中医临床诊断水平必须手段，是中医走向世界必经之路。随着现代传感技术、电子技术、计算机技术、信息技术及数理统计方法等学科迅速发展，为中医脉诊客观化研究带来发展契机和巨大挑战。提高中医诊断客观性，研究客观、准确、信息全面的脉象仪是重要手段，脉象传感器作为脉象信息采集获得源头，所采信息量将直接影响脉象的信息分析，最终决定脉象仪的检测性能，是脉象仪研究关键技术[1～2]。脉象具有“位数形势”多属性特征，采用单一传感检测的方式将很难完成脉象信息的完整采集，势必需要全面探讨脉象信息采集的新方法[3～4]。本文首先从各种单一传感器入手，分析各式脉象传感器的原理，及其优缺点.然后分析脉象多属性特征，探讨多属性特征的传感检测技术,提出新型传感模式与检测方法。

2 脉诊信号采集中传感技术

在国外，许多学者在脉象传感方面开展部分研究，但由于缺乏中医基础理论，对脉象理论认识能力有限，很多研究仅停留在应用西医原理来分析脉搏，在脉象领域未能取得很好的应用。因此，以下将主要从国内研究情况入手分析。从20世纪50年代起，国内众多学者从不同学科，多种角度对脉象客观化进行深入探索，研究出种类繁多，性能各异脉象传感器。依据是否符合传统中医手指接触脉象检测方法，将传感方式依据检测接触方式不同分类，可归纳为接触式与非接触式两大类，主要体现在以下：

（1）接触式脉象传感器

接触式脉象传感器以直接接触动脉，通过感受动脉压力变化采集脉象信号，主要以压力传感器为主。①压电式传感器：利用压电材料将脉搏压力信号转换为电信号。目前常用材料是PVDF(Polyvinylidenefloride)压电聚合物，具有压电系数大、频响宽、强度高、韧性好、质量轻、易于大面积成膜等优点。采用此类传感器具有结构简单、重复再现性好、精度较高、易于贴紧皮肤等优点[5～7]。但压电式传感器无静态输出，输出阻抗高，需前置放大电路，成本较高，使其通用性受到限制。②压阻型传感器：利用应变片材料电阻率随应力变化原理，测试时须采用黏合剂将应变片粘贴在试件或传感器弹性元件上[8～12]。黏合剂性能优劣直接影响应变片工作特性，制约应变式压力脉象传感器精度、线性度及使用范围。③压磁式传感器：建立在磁弹性效应基础上，将脉象压力转换成传感器导磁率变化，并通过导磁率变化输出相应变化电信号，具有输出功率大、信号强、结构简单等优点。但因脉象传感中的磁性基本理论和技术上尚未成熟，限制其应用。

从分析实际中医脉诊原理观察，脉诊是将动脉运动的多属性特征采集，获得多方面立体三维深度信息，医生手指相当是多传感器的集合，经验丰富的医生的大脑将这些多传感信息进行整合分析,确实具体脉象种类。上述三种接触式传感器都属于压力传感器，直接与动脉皮肤接触，获取接触面的面信息。由于接触区域有一定面积，在这个面积范围内，脉象产生的作用力是不完全均匀的，为方便说明，假设有三个大小不同的力，分别为F1,、F2、F3，敏感元件最终输出的信号S＝f(F1, F2，F3) 是三个作用力综合作用的函数。此时，就可能存在输出信号S相同，但却是F1、 F2、F3不相同的组合，F1,、F2、F3不相同的组合代表的就是不同脉象信息，就造成脉象信息误采集。因而在此种情况下，对于压力传感器会出现脉象信号的无法准确采集，更是无法进行识别。

有学者尝试采用传感器阵列的方式，将传感器接触面积降低，从而获得接触点的信息。这样能够将脉象信息较多获取，但由于信号量大大增加，后续信息融合却带来很大困难，目前尚未有突出的成果报道。另外，这些接触式传感器基本上都缺少自动定位、加压装置，检测时容易受到手动加压对脉象信号的干扰影响，较难实现测量的重复性，大大影响其可信性。

（2）非接触式脉象传感器

为避免接触式脉象传感器不足之处，学者提出采用非触式脉象传感器，不用直接接触到动脉表面来实现脉象信号采集，主要体现在三类传感器。①光电式脉搏传感器：其原理是血液波动式流动引起血管内血容量变化，而血容量多寡又决定光线经过组织被血液吸收量多少，因而当照明光线投照到组织时，其透过组织的光线也随血流波动式变化而变化，光电转换器将接收的光信号转换为电信号，以此反映脉搏波变化情况[13～14]。②超声多普勒传感技术：利用医学超声显像诊断技术，学者提出超声三维重建为观察浅表动脉的轴心位移提供条件，对于研究中医脉象形成机理、显示血管运动规律提供更为可靠途径[15～17]。③声音传感：脉象信号是一种振动信号，会产生声音信号。王炳和教授等采用间接耦合方式(即非接触式)的提取方法，在传声器与皮肤之间形成一段空气柱，脉搏声波经空气腔耦合后传到传声器振膜上被拾取，得到平脉和弦脉频谱特征[18～20]。

光电传感、超声多普勒技术、声音传感器等非接触式脉象检测方式，与中医指压切脉特点不符合，所测脉象信号难以真实反映中医脉象特征及医师指下感觉，故目前未得到广泛应用。但许多实践表明，这些“非机械接触式”检测方法在阐明脉象形成机理方面存在一定价值，值得进一步研究。

3 脉象“位数形势”多属性特征检测

中医脉象是位属性、数属性、形属性、势属性多要素不同程度的排列组合，不同属性要素组合形成各种脉象[3]。由于脉象信号的复杂性，上述单一的传感方式，或是采集的信息量不足；或是所得到的信息与中医脉诊理论不直接相关；或是信息的提取有别于传统方法[21]。上述都较难反映脉象具有“位数形势”多属性特征，因而无法全面准确地描述脉象特征。采集脉象“位数形势”多属性特征成为研究难点，近期上海中医药大学汤伟昌研究员提出用主传感器与多点传感器复合的检测方法，解决脉象采集中脉象宽度测量方法等技术问题。采用多传感器和应变梁来获得传统中医脉诊理论所述的绝大部分诊断信息，包括脉搏图像位、形、势、数、宽度和长度[22～23]。北京中医药大学牛欣教授[3,24]致力于研究中医脉象“位数形势”多种属性角度，从多属性特征入手研究脉象传感，指出常用接触式压力传感器是对脉象的脉搏振动检测，采集信号为脉搏振动强度和频率，仅包含脉象中“位”属性，不能全面反映脉象信息，提出利用多种传感方式采集多元信息思路。近期应用MRI与B超的影像学方法获取脉“形”属性特征，并进行比较，结果表明利用成熟的 B型超声技术采集中医寸口桡动脉的血管运动信息可以获取脉“形”属性特征[25]。有学者接出根据中医脉象的多信息特征，在超声图像动态分析和识别技术的基础上，将B型超声与柔性传感器结合构建了脉诊复合信息检测系统，对超声波动态图像、压力脉搏波、光电容积脉搏波和心电图进行信息整合，并通过计算机信息处理技术综合分析，建立了脉象特征分析方法，形成了描述中医脉诊“位数形势”4种属性的优化解决方案[22]。

笔者近期基于以往学者在声音传感方向研究成果的启发，在脉象多属性传感方面开展尝试。脉象中脉搏波的谐波分量是脉象振动觉的物质基础，寸口皮肤表面一定频率范围内的微小位移使指面产生振动觉，会形成一种次声波。采用声音传感器检测脉搏信号方法，可以看作是对脉象振动觉检测。并且声音信号将包含多元化信息（声音强弱、音调高低、声音频率），在一定程度上将较好表征脉象“位数形势”多属性特点。同时为了符合传统脉诊接触的模式，笔者提出模仿中医触诊模式的仿生指，此仿生指采用柔性仿生材料、手指形状、具有压力调节等功能，仿生指中间开有小孔作为声音信号传输通道，后端安装声音传感器。脉象在仿生指触压下产生的中医脉象信号，通过仿生指中间传输通道，在声音传感器端采集获得，由于采用非接触式声音传感，干扰信号也不会传入检测信号中。将可实现一种符合中医脉诊模式、信息多元化的新型脉象传感模式。

4 结论与展望

脉象传感及检测经过多年发展，已取得一些成果，对上述研究现状分析，可以得到以下几个结论：①脉象传感器是中医脉象客观化重要研究领域，是研究热点之一；② 接触式脉象传感器具有符合中医脉诊模式，能较好准确检测出单一信号的优点。但同时也将人体其他干扰信号通过接触带入检测信号中，较难实现准确性；并且其接触属于刚性接触，也只是近似符合中医脉诊模式；而且只能检测包含信息量较少，不完全符合中医脉象“位数形势”多属性特点；③ 非接触式脉象传感器其最大缺点就是不符合中医脉诊模式，而其优点也是十分突出，非接触式检测可避免很多干扰信号直接传入检测信号中，不影响脉象信号真实性；检测信息多元化，符合中医脉象多属性特点；④ 目前两类脉象传感器各自都存在不可避免弱点，如何解决这些问题成为困挠中医脉象传感器进一步发展瓶颈；⑤ 脉象多属性检测应该是中医脉象客观化,标准化的发展趋势，只是这样才能准确全面描述脉象信息；⑥多种传感模式的有机组织，互取长短，将是该领域的创新发展，将为脉象检测提供全新解决思路。

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