阵列式脉图采集分析技术研究进展

周智慧，崔骥，许家佗

上海中医药大学基础医学院，上海 201203

脉诊是指医生在中医理论指导下，用手指触觉感知患者双侧手腕桡动脉的搏动状态，进行分类判断，并与其他诊断方式一起综合判断人体生理病理状态的一种中医诊断方法。脉诊“在心易了，指下难明”的特点使其客观化、标准化研究存在一定难度，制约着现代中医脉诊研究的发展[1]。近年来，在单部单点脉诊技术与仪器的基础上，阵列式脉图采集分析技术逐渐发展起来。阵列式脉诊仪将手腕桡动脉处脉搏波转化为可量化的客观数据，生成可视化的阵列式脉图，提取其中的脉图特征参数，可获取更多的脉搏波中蕴含生理病理信息，促进中医脉诊的客观化、参数化。许多学者对阵列式脉诊仪进行了多方面的研究，促进了阵列式脉图采集分析技术的发展[2-4]。本文以阵列式脉图采集分析技术为出发点，从阵列式传感元器件类型及材料、阵列式脉搏波信号处理和阵列式脉图特征参数提取方面梳理相关研究。

1 阵列式传感元器件类型

近年来，各种类型的阵列式传感元器件均有不同程度发展，出现了电容式、压阻式、压电式和复合式等传感器，为阵列式脉诊信息的采集提供了新仪器、新方法。

1.1 电容式阵列传感器

电容式传感器以各种类型的电容器作为传感元件，将被测物理量或机械量转换为电容量，具有稳定性好、动态响应好及可以非接触测量等优点。

崔骥等[5]使用的PPS阵列式电容压力传感器将12个传感元素安排在1个4×3阵列上，电极板上每个点的电容随压力变化而变化。张健[6]将MEMs微电容阵列式传感器在1 cm2面积内集成64或更多的传感点，模仿人手指感受取脉部位压力、温度等变化。Peng等[7]采用柔性电容式印刷电路板设计出一种指尖大小的5×5密集传感器阵列，模拟脉冲触诊的手指触感。Nie等[8]提出一种新的12×12元素的离子电子微滴阵列，在高弹性液滴-电极接触处使用超大界面电容，外部荷载使柔性表面变形产生电容变化。

1.2 压阻式阵列传感器

压阻式传感器利用单晶硅材料的压阻效应和集成电路技术制成。单晶硅材料受力使电阻率发生变化，测量电路进而得到力变化的电信号输出，具有灵敏系数高、频率响应好、尺寸小巧等优点。

Park等[9]设计出8×8阵列可贴附皮肤的有源矩阵压阻式触觉传感器，其阵列表现出较高的多点触觉敏感性。Roh等[10]提出一种多阵列压阻式压力传感器设计，可通过有限元等方法评估传感器的特性和脉搏波测量。章云霖[2]基于压力敏感的离子液体凝胶设计出3×3排布的柔性阵列压阻式传感器，实现多脉位、多维度的脉象信号检测。李静茹[3]利用与人手指硬度相近的环氧树脂包裹37个阵列单元，制成模拟手指压力触觉表面的硅压阻式压力传感器。王学民等[11]设计了一种柔性硅胶腔体的压阻式阵列传感器，用气压传导方式实现对多路脉象信号的采集。

1.3 压电式阵列传感器

压电式传感器基于压电效应制成，其敏感元件由压电材料制成，压电材料受力产生电荷，放大器和测量电路将其放大，输出与所受外力成正比的电量。压电式传感器用于测量力和能够转换为电的非电物理量，具有频带宽、灵敏度高和结构简单等优点。

Chen等[12]采用3×4的微机电系统（MEMS）压电传感器阵列采集脉冲信号，该传感器阵列可采集不同静态力下的脉搏波。Wang等[13]设计出一种4×4电子皮肤的压电阵列单元，保持脉搏压力时会有电压输出，且电压不随着传感器面积的变化而变化。张涛等[14]设计出3层结构的压电式压力传感器阵列，使传感器能检测法向力、切向力和斜向力。

1.4 复合式阵列传感器

复合式传感器集成了2个及以上检测不同物理量的传感器单元。此种传感器融合了不同传感单元的优势，较单一传感器可获得更精确、丰富的脉象信息，不同的传感器阵列相互补充，为脉搏信息分析提供更多功能，帮助解决单一传感器的不足。

张大鹏等[15]设计出一套由光电传感器阵列、压力传感器群及控制驱动装置构成的脉象采集装置，控制驱动装置使压力传感器群移动以调节取脉压力，压力传感器群及光电传感器阵列同步采集脉搏信息。该团队前期还提出一种复合式光电和压力传感器阵列以无创方式获取脉象数据[16]。Wang等[17-18]也将压力传感器与光电传感器阵列结合起来，每个通道包含1个压力传感器和1个由9个光电传感器组成的子传感器阵列，实现多维脉搏信息的融合。Liu等[19]提出了一种新颖的柔性复合压力传感器阵列，由压电传感器和压阻传感器组成，用于测量脉搏波和静压。

2 阵列式传感元器件材料

近年来，以多种材料为基础的阵列式传感元器件不断研制，以各种仿生学柔性材料为主，同时也出现其他新兴材料。

2.1 基于仿生学的柔性材料

从人体仿生学出发，研究者提出以各种柔性材料制成的阵列式传感元器件，最大程度模拟人手指触觉的柔性接触，更真实地模拟中医脉诊的场景。王磊等[20]以小直径液囊（囊内以甲基硅油作为传导液体）作为压力敏感单元，液囊排布成矩形点阵列，构成模拟指面的压力敏感表面。罗鸣[21]以硅胶柔性材料设计成七路腔体，与气压传感器相接，脉搏波动通过气压传感器将机械量转变为电压信号。卢海洋等[22]设计一种基于弹性导电海绵和超薄聚偏二氟乙烯（PVDF）介电层的柔性电容式触觉传感器。Chang等[23]用柔软的PVDF制成压电材料，使用聚二甲基硅氧烷（PDMS）模具加工成传感器阵列。姜凯等[24]以聚合物微纳米纤维、石墨烯、聚二甲基硅氧烷3种材料封装成柔性压力传感器，此材料能根据需要制作成任意n×m排列方式的传感器阵列。Nie等[8]提出了一种新的离子电子微滴阵列（IMA），利用界面电容传感原理制成柔性触觉传感器。

2.2 其他新兴材料

部分研究者提出其他新型阵列式传感元器件材料方案。Park等[25]提出的压力传感器由PDMS微柱和导电聚苯胺纳米纤维薄膜组成，可根据压力的变化，通过镀涂层微柱与导电聚苯胺之间接触电阻的变化来操作。Lee等[26]设计的脉冲传感器使用多个霍尔装置，与皮肤接触的硬磁性材料由磁性微珠或纳米珠等亚微米颗粒组成，将磁场中的变化转移到脉搏传感部分。Huang等[27]利用2种导电聚合物薄膜制成高灵敏的连续触觉传感阵列，其表面采用尼龙膜过滤器形成微圆顶结构，采用多壁碳纳米管（MWCNT）作为填料颗粒。此后，Huang等[28]又提出改进方案，采用微圆顶结构的MWCNT基导电聚合物薄膜作为阵列和张力传感器的关键材料。

3 阵列式脉搏波信号处理

腕部桡动脉上的脉搏波信号是疾病诊断的重要生理指标。由多个传感器组成的传感器阵列具有收集丰富脉搏波信息的能力，脉搏波信号的有效处理对阵列式脉图信息提取和机体状态评估具有重要意义，因此学者们提出了不同的阵列式脉搏波信号处理方法。

Zou等[29]提出一种基于时间序列相似度的脉搏波信号处理方法，对脉搏波进行筛选、排序和线性调整叠加，生成阵列式脉图。此处理方法充分利用传感器阵列的空间多维特性，有效解决了因传感器对测试区域相对位置偏移造成的信号采集差异。Cui等[30]采用1～30 Hz的带通滤波器处理脉搏波信号，消除噪声和基线变化，利用香农能量包络线和希尔伯特变换进行脉搏波定位和提取。Wang等[17]采用去噪、基线漂移去除和周期分段模型对各通道阵列信号进行预处理，筛选最具代表性信号，提取目的融合脉搏波特征并投影到主成分分析子空间，降低特征维数以便于脉图特征提取。Kaisti等[31]将采集到的信号采用三阶巴特沃斯滤波器进行滤波，消除偏置和高频噪声，再进行信号分割和单边快速傅里叶变换，利用移动平均滤波器对得到的脉搏波光谱进行平滑处理，显示出各通道脉图。Jun等[32]将获得的阵列式传感器信号进行预放大，通过低通滤波器和带通滤波器分为压力信号和脉搏波信号，通过压力信号平均值计算施加的压力，根据脉搏波形信号得到平均波形。同样，Wang等[33]将采集的信号进行放大、转换、去噪和检测，再拟合形成三维脉搏波地图。Ibrahim等[34]利用16位数模转换器产生可编程的交流电信号，对每个通道进行滤波以消除残余偏移、60 Hz干扰和高频噪声。

可见，目前的阵列式脉搏波信号处理方法各有不同，但大多包括滤波去噪和去基线漂移等预处理，去除高频和低频噪声干扰，纠正采集对象呼吸和传感器温度漂移等造成的基线漂移，使脉搏波主波尽可能显现，抑制其他频率的干扰波[35-36]。再进行脉搏能量信号转换，利用编程工具进行脉搏波波形识别和提取，最后拟合生成相关阵列式脉图。随着人工智能等现代智能分析技术的发展，利用更有效、统一及标准的信号提取及分析方法，可筛选出各项性能更均衡、更能体现中医脉象特征的阵列式脉搏波信号处理方式，从而为阵列式脉图特征参数提取和进一步中医综合诊断及疗效评价提供基础。

4 阵列式脉图特征参数提取

阵列式脉诊仪采用客观化手段采集脉象，生成相应脉图；而脉图特征参数与人体的生理、病理状态具有一定的关联性，可协助判断患者的治疗效果和预后情况，提高临床综合诊治效果[30]。近年来，越来越多的研究者利用不同方法提取阵列式脉图的特征参数，促进中医脉诊的客观化、参数化。

Chen 等[12]利用三维脉冲波图和平行于X-V 的截面，借助双边缘插值法计算脉搏波宽度；利用双极点插值和脉搏波图两峰值点计算出脉搏波振幅值。Bi等[37]利用每个通道相关系数CC与MATLAB软件寻找最佳匹配的脉搏波，利用脉图中脉搏波宽度（x轴）、脉搏波长度（y轴）和相对振幅值（z轴）计算单位时间内1次脉搏跳动的平均体积APV。Park等[25]将舒张期脉图峰值除以收缩期脉图峰值得出反射率，受试者身高除以收缩期峰值和舒张期峰值的时间延迟得出动脉刚度指数。Chen等[38]记录1个脉搏周期并使用标记点处的横截面曲线来计算动态脉搏宽度。Ibrahim等[39]计算峰值（PK、PK2）与底部（FT、FT2）之间的斜率，MS点（A1）与IP点（A3）的振幅比，以及代表总外周阻力的PK、MS、FT与IP点之间Bio-Z曲线下面积。

多数研究者通过提取脉搏波曲线中有明确意义的特征点或角度作为评价脉搏波的特征参数，研究脉动的频率和节律、脉力的强弱和脉象形态特征等。应考虑相关生理因素，并结合中医脉诊理论，可发挥更大的临床价值[40]。目前，针对阵列式脉图特征参数提取的研究尚不深入，参数提取较少，尚无法满足阵列式脉图对人体生理病理状态评估的需要，可能由于阵列式传感器通道较多、采集信息较复杂，同时脉图特征参数提取与现代计算机技术具体结合产生有中医医理的结果较困难。因此，脉图特征参数提取需要进一步与生物医学工程学科进行深度结合，以获取脉图蕴含的生理病理信息。

5 问题与展望

脉诊信息的获取分析技术一直是中医诊断技术现代化研究的焦点之一。以往的单点传感器技术逐渐发展稳定，已在应用研究中取得实质性的进展，有效推动了脉诊技术和仪器的发展[41]。阵列式脉图采集分析技术的发展，使抽象的中医脉诊进一步转化为具体的客观数据，将脉搏波中蕴含的生理病理信息以更丰富更详细的客观参数呈现出来，有效应对中医脉诊难以客观化的特点，使其更易被认识和理解，促进了中医四诊客观化[42]。本文从4个方面综述近年阵列式脉图采集分析技术研究成果，阵列式传感元器件和材料的发展主要以提高脉搏信息采集量、采集可重复性和最大程度模拟人工脉诊等方面为切入点。

各类型阵列式传感器的出现为阵列式脉象信息的采集提供了丰富的仪器选择，能帮助科研人员采集到更丰富、全面的脉象信息。但各类传感器缺乏统一的行业标准和操作规范，采集的脉象信息各有差异，不利于学者们的数据共享和交流合作。近年来的阵列式传感元器件材料较为丰富，各有优势，但尚缺乏统一标准化的通用材料。今后研究应重视阵列式传感器统一标准和操作规范的建立，提高阵列式脉象信息的通用性，为多学科交叉的研究奠定基础。随着材料技术的不断发展，结合中医脉象特点，今后研究需要进一步横向比较验证。应综合比较各种传感元器件和材料的优劣，筛选出较优的通用方案，为今后研究提供硬件标准，以便后期统一标准的阵列式脉图采集分析技术研究。

阵列式脉搏波信号处理和脉图特征参数提取的发展主要以减少噪声、基线漂移的影响和更有利于提取信号深层的脉诊信息为切入点，不同的阵列式脉搏波信号处理方法各有侧重，今后可进一步与机器学习深度结合，根据不同角度需求，有针对性地开发性能成熟稳定的通用算法，为后期的脉图参数提取提供统一标准化的信号处理方法；目前阵列式脉图特征参数提取研究尚待深入，参数提取多停留在表层易获取阶段，今后应加大力度投入深层次脉图参数提取，与相关计算机学科技术深度融合，提取更多反映人体生理病理的脉图特征参数，深入挖掘蕴含的生理病理信息。阵列式脉图作为近年来中医脉诊发展的新方向，已取得一定成果，应充分发挥采集脉搏波信息丰富的优势，尝试在疾病诊断预测、疗效评价等方面建立完善的体系，以阵列式脉图采集分析技术的发展推动中医诊断技术现代化发展。