陳星，邢歡，吳越，陳璟，盧妍利，陳澤濤，劉軍，劉清君*

（1. 浙江大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程與儀器科學(xué)學(xué)院生物傳感器國家專業(yè)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 310027；2. 江西中醫(yī)藥大學(xué)，江西 南昌 330004；3. 浙江中醫(yī)藥大學(xué)，浙江 杭州 310053）

脈診是中醫(yī)“辨證論治”診療過程中的重要一環(huán)，是“望、聞、問、切”四診中最難掌握和最為獨(dú)特的一種診斷方法。中醫(yī)脈診的客觀化研究由來已久。早在南宋時(shí)期，醫(yī)家施發(fā)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(jì)50年代以來，脈診儀的研發(fā)一直都是國內(nèi)外脈診客觀化研究的熱點(diǎn)。目前，脈診儀的研究均側(cè)重于各類傳感器對(duì)橈動(dòng)脈脈搏搏動(dòng)信息的采集和分析，以及對(duì)脈象識(shí)別技術(shù)的相應(yīng)開發(fā)［2］。測(cè)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(yī)診脈“舉、按、尋”的脈診方式，可以更為直觀、敏銳、準(zhǔn)確地反映橈動(dòng)脈的脈搏搏動(dòng)，其技術(shù)也就更為成熟，研究相對(duì)也更加深入和廣泛［3－4］?，F(xiàn)有的脈診儀雖然種類較多，但在臨床實(shí)際應(yīng)用中很少能真正普及使用。已面市的一些傳統(tǒng)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(zhǔn)確性不佳，脈象圖重現(xiàn)性不好，各儀器的參照標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一等各類問題［5］。其中，穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性對(duì)于脈搏波傳感器的長期監(jiān)測(cè)使用來說尤為重要。

近年來，柔性穿戴式傳感檢測(cè)裝備尤其在人體生理及生化指標(biāo)監(jiān)測(cè)方面表現(xiàn)出了極大的應(yīng)用潛力［6］?？梢姡谌嵝钥纱┐鱾鞲衅骷?，可以提高脈搏信號(hào)傳感性能，并具備便攜、移動(dòng)、可穿戴及操作簡單等使用優(yōu)點(diǎn)，在脈搏波檢測(cè)中展示出了非常好的應(yīng)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(yī)師診脈模式采集脈搏信號(hào)，傳感器檢測(cè)數(shù)據(jù)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(hào)，可實(shí)現(xiàn)“切脈”的人機(jī)交互功能。因此，基于柔性電子的中醫(yī)脈診儀可以在傳統(tǒng)脈診儀的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)更好的性能優(yōu)化，同時(shí)，相比于現(xiàn)有體積龐大的脈診儀，便攜式、移動(dòng)式、小型化、無線傳輸和實(shí)時(shí)連續(xù)監(jiān)測(cè)的實(shí)現(xiàn)，都可使得柔性可穿戴中醫(yī)脈診設(shè)備不僅便于在臨床的使用和推廣，而且也更加有利于實(shí)現(xiàn)個(gè)人及家庭的數(shù)字化健康診斷與治療，真正滿足中醫(yī)藥個(gè)體化功能檢測(cè)的需求。

1 柔性電子在中醫(yī)脈診儀研究中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

與傳統(tǒng)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(jī)械穩(wěn)定和可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)等獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，可見其在各種生理、生化檢測(cè)應(yīng)用中的巨大潛力，因此各種穿戴式健康監(jiān)測(cè)設(shè)備也因此應(yīng)運(yùn)而生［7］。目前，可穿戴式設(shè)備向著更加小型化、高集成化、高柔性化和陣列化的方向發(fā)展。高柔性化和小型化的器件可實(shí)現(xiàn)與人體更好地貼合，便于實(shí)現(xiàn)“無感”的穿戴和實(shí)時(shí)在線的“在體”檢測(cè)，便于人體健康大數(shù)據(jù)的采集。并且，集成化和陣列化的設(shè)計(jì)，不僅能有效地提高傳感檢測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，而且完全能夠?qū)崿F(xiàn)更舒適的人機(jī)交互［8－9］。

脈搏波形的準(zhǔn)確采集對(duì)后續(xù)的生理分析和脈象識(shí)別具有決定性作用。而高靈敏、穩(wěn)定的柔性電子傳感器件，則是與觸摸人體皮膚進(jìn)行切脈的手指觸感最接近的一種元件，可有效改進(jìn)傳統(tǒng)脈診設(shè)備的局限，提高診斷結(jié)果的可靠性。目前，復(fù)旦大學(xué)高分子科學(xué)系盧紅斌教授團(tuán)隊(duì)采用三維打印技術(shù)構(gòu)建了一種具有高伸縮性的導(dǎo)電聚合物復(fù)合材料開放網(wǎng)格，其中石墨烯片滲透的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成了可變形的導(dǎo)電路徑，該開放式網(wǎng)格具有高達(dá)350%的應(yīng)變能力，同時(shí)網(wǎng)格表面上的導(dǎo)電石墨烯涂層則能夠高靈敏度地感知細(xì)微變化，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)脈搏周期和波形的實(shí)時(shí)感知和監(jiān)測(cè)，并且已在著手提升該柔性材料的穩(wěn)定性，以實(shí)現(xiàn)其在穿戴式檢測(cè)中的實(shí)際應(yīng)用［10］。此外，清華大學(xué)清華－伯克利深圳學(xué)院數(shù)據(jù)科學(xué)與信息技術(shù)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(jié)構(gòu)的貼片式壓電駐極體傳感系統(tǒng)，其巧妙的柔性設(shè)計(jì)是將電暈放電極化的電荷保存于空腔內(nèi)側(cè)，因不直接與人體接觸，保證了器件具有高靈敏度和穩(wěn)定性，可實(shí)現(xiàn)精確采集人體寸、關(guān)、尺三個(gè)不同位置的脈搏信號(hào)，通過脈搏波形的細(xì)節(jié)分析實(shí)現(xiàn)了志愿者脈搏波形的分類與識(shí)別［11］。這類柔性傳感器件的設(shè)計(jì)，可以方便地采集脈搏波信號(hào)，并容易與大數(shù)據(jù)分析等工具進(jìn)一步結(jié)合，以推動(dòng)柔性可穿戴傳感器在人體健康及疾病診斷等領(lǐng)域的實(shí)用化進(jìn)程。

2 基于柔性傳感技術(shù)的脈搏檢測(cè)系統(tǒng)

筆者所在浙江大學(xué)生物傳感器國家專業(yè)實(shí)驗(yàn)室也初步提出了一種新型的柔性脈搏檢測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)由柔性薄膜壓力傳感器、脈搏檢測(cè)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(duì)脈搏波信號(hào)進(jìn)行感知，脈搏波搏動(dòng)的微弱機(jī)械能可以改變薄膜材料的電導(dǎo)率，然后通過檢測(cè)電路對(duì)信號(hào)進(jìn)行有效放大和采集，以最終實(shí)現(xiàn)脈搏的檢測(cè)。具體見圖1，筆者在實(shí)驗(yàn)中采用3個(gè)柔性壓力傳感器，分別采集寸、關(guān)、尺三個(gè)部位的脈搏波信號(hào)，利用自行設(shè)計(jì)和構(gòu)建的檢測(cè)電路來實(shí)現(xiàn)信號(hào)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(jìn)而實(shí)現(xiàn)脈搏波信號(hào)的靈敏檢測(cè)。

圖1 適用于脈搏波檢測(cè)的柔性薄膜壓力傳感器及其檢測(cè)電路

該研究基于Visual studio 平臺(tái)，使用C#語言編寫了可實(shí)時(shí)顯示脈搏波信號(hào)的上位機(jī)軟件，同時(shí)通過數(shù)據(jù)建模，將所得到的三處脈象信息進(jìn)行整理分析，最終提取出基于中醫(yī)脈象理論的多維度信息，結(jié)果見圖2。可見，該基于柔性壓力傳感技術(shù)、電子技術(shù)、微機(jī)控制技術(shù)構(gòu)建的脈搏波檢測(cè)系統(tǒng)可以對(duì)寸、關(guān)、尺三處的脈象進(jìn)行有效監(jiān)測(cè)。尤其是，由于所采用的柔性傳感器件其輕薄的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，便于利用在傳感器對(duì)脈搏波監(jiān)測(cè)的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)中醫(yī)師的手指搭載于傳感器表面進(jìn)行中醫(yī)脈診感知，并實(shí)現(xiàn)同步化的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)記錄。該檢測(cè)系統(tǒng)和實(shí)時(shí)顯示平臺(tái)能夠用于脈診的輔助記錄和分析，為中醫(yī)脈診提供一種人機(jī)交互式的可視化技術(shù)手段。

圖2 脈搏波檢測(cè)界面及寸、關(guān)、尺脈搏波的實(shí)時(shí)記錄

相比現(xiàn)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(tǒng)優(yōu)化和無線通信技術(shù)，可使脈診儀具有可穿戴化、便攜化與小型化的優(yōu)勢(shì)。當(dāng)然，為了便于該類中醫(yī)脈診設(shè)備的使用和推廣，柔性穿戴式脈診檢測(cè)裝備首先需要進(jìn)一步優(yōu)化其使用的便捷性，運(yùn)用人體工程學(xué)原理設(shè)計(jì)適于脈診操作的可穿戴式的設(shè)備。根據(jù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，優(yōu)化電路及傳感器分布，設(shè)計(jì)和可穿戴式樣機(jī)外觀功能相匹配的外部結(jié)構(gòu)，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(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)，測(cè)試比較不同穿戴式設(shè)計(jì)的舒適性、功能性以滿足日常乃至臨床應(yīng)用的需求。此外，脈診系統(tǒng)可以進(jìn)一步結(jié)合智能終端來實(shí)現(xiàn)方便的檢測(cè)、顯示、分析及診斷。目前，智能移動(dòng)終端（如智能手機(jī)）已經(jīng)變成人們?nèi)粘Ｉ钪械谋匦杵?。如何利用日益普及的智能終端來實(shí)現(xiàn)人體健康信息的快速和實(shí)時(shí)采集是醫(yī)療健康領(lǐng)域中的重要研究方向。針對(duì)脈診系統(tǒng)，利用智能移動(dòng)端本身的藍(lán)牙、WiFi 等無線通信的技術(shù)來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)從柔性傳感檢測(cè)系統(tǒng)到智能移動(dòng)端的傳輸和記錄，以便于后續(xù)的信號(hào)分析和進(jìn)一步的遠(yuǎn)程輔助診斷等，這可以大大簡化整個(gè)脈診系統(tǒng)。其次，穿戴式脈診設(shè)備應(yīng)該加強(qiáng)可視化顯示功能的實(shí)現(xiàn)，進(jìn)而促進(jìn)人機(jī)交互功能。柔性壓力傳感器檢測(cè)到的指尖壓力及脈象信號(hào)可以通過無線通信技術(shù)傳輸至智能顯示終端，實(shí)時(shí)的響應(yīng)信號(hào)可動(dòng)態(tài)顯示并用于指導(dǎo)“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(gè)行之有效的監(jiān)測(cè)平臺(tái)和方法。

3 脈搏波信號(hào)處理與脈象分析

分析脈搏波的產(chǎn)生，目前已經(jīng)明確血液壓力、血流速度和血流量會(huì)隨著心臟收縮與舒張而變化，這種變化會(huì)導(dǎo)致血管壁出現(xiàn)周期性的回縮與擴(kuò)張，稱為脈搏；而脈搏沿著動(dòng)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(shí)測(cè)結(jié)果論述了脈搏波的波形特征與心血管疾病的相關(guān)關(guān)系，并且，由于脈搏的搏動(dòng)是由全身血管參與，脈搏信號(hào)與人體多個(gè)臟器的狀況緊密有關(guān)［12－13］。這與中醫(yī)脈診理論有一定的契合，全身臟腑的盛衰，都會(huì)影響脈搏的強(qiáng)弱緩急。提取并分析采集到的脈搏波信號(hào)，可以無創(chuàng)檢測(cè)和分析疾病，從而有效、早期地防治疾病，這對(duì)臨床醫(yī)學(xué)的發(fā)展很有價(jià)值。當(dāng)然，對(duì)于闡明并分析中醫(yī)脈象的相關(guān)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(tǒng)，利用該系統(tǒng)對(duì)相關(guān)人群的脈搏波信號(hào)進(jìn)行了相應(yīng)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(hào)。通過對(duì)其脈搏波數(shù)據(jù)進(jìn)行降噪濾波等處理后，分別將被試者在檢測(cè)周期內(nèi)的脈搏波波形圖疊加在一起，即可得到相應(yīng)的脈搏波形圖，用于后續(xù)脈搏信號(hào)點(diǎn)的相關(guān)參數(shù)分析。

圖3 脈搏波信號(hào)處理結(jié)果圖

一般認(rèn)為，脈搏信號(hào)的特征點(diǎn)主要包括主動(dòng)脈開放點(diǎn)、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(xiàn)部位的深淺、頻率、波幅、周期性及波形等可綜合反應(yīng)脈象［15］。而根據(jù)頻率的不同，可識(shí)別數(shù)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(jié)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(hào)，認(rèn)為潮波、主波和重波的相對(duì)幅度變化可以區(qū)分平脈、弦脈和沉脈，平脈的三個(gè)波峰依次遞降，弦脈的潮波峰會(huì)與主波峰的幅值接近，因此弦脈主波會(huì)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(hào)，認(rèn)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(shì)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(hào)，分組對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)弦脈者的脈搏波主波波峰會(huì)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(tài)［19］。

在圖3 所示的結(jié)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(duì)主波的位置增高，橫坐標(biāo)上也向主波接近，并與主波融合，同時(shí)重波波谷和波峰位置不斷增高，且混為一體不易區(qū)分，表現(xiàn)在圖上的結(jié)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(qū)別明顯，且與沉脈、洪脈、弦脈、濡脈等脈象波形有一定的關(guān)聯(lián)特征?？梢?，雖然尚未整理大樣本數(shù)據(jù)分析，但已完成證明了柔性可穿戴脈搏波檢測(cè)系統(tǒng)可以較好地采集脈搏信號(hào)，記錄相關(guān)脈象波形。

同時(shí)，根據(jù)《黃帝內(nèi)經(jīng)》等經(jīng)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(dòng)脈推斷疾病，但因存在實(shí)施不便，現(xiàn)在臨床上很少使用。而柔性傳感器件具有“貼皮式”等監(jiān)測(cè)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(hào)的問題，是快速便捷地實(shí)現(xiàn)全身遍診的途徑之一。同時(shí)，穿戴式器件能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)和記錄信號(hào)，這也為脈象信號(hào)的大數(shù)據(jù)采集和分析提供了平臺(tái)。總之，柔性穿戴式脈診檢測(cè)裝備兼具便攜式、實(shí)時(shí)性以及人機(jī)交互性等特征，適用于家庭和個(gè)人的便攜式中醫(yī)健康數(shù)據(jù)采集，對(duì)于進(jìn)一步促進(jìn)中醫(yī)脈診在醫(yī)療診斷和健康檢測(cè)等領(lǐng)域的快速發(fā)展意義重大。