中醫(yī)脈診數(shù)字化研究進(jìn)展及發(fā)展趨勢(shì)*

畢銳宇，趙云龍，朱梟龍，馬宇航，李家煒，張志東，薛晨陽(yáng)

(中北大學(xué)儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測(cè)試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原030051)

1 傳統(tǒng)中醫(yī)脈診研究

中醫(yī)歷史悠久，承載著中華民族的智慧和文化，經(jīng)過(guò)幾千年的發(fā)展和沉淀，中醫(yī)理論被越來(lái)越多的國(guó)家認(rèn)可。脈診的歷史最早可以追溯到商周時(shí)期，是傳統(tǒng)中醫(yī)臨床上判斷身體狀態(tài)和診斷病情的重要依據(jù)。據(jù)《史記》記載，扁鵲是最早使用脈診的中醫(yī)，在此之后，張仲景將“平脈辨證”確立為中醫(yī)診療原則，并使脈診逐漸傳播開(kāi)來(lái)[1]。中醫(yī)脈診作為傳統(tǒng)中醫(yī)四診之一，素有“脈理精微，其體難辨”的特點(diǎn)，是傳統(tǒng)中醫(yī)四診中最難掌握的一種。傳統(tǒng)中醫(yī)理論認(rèn)為脈搏體現(xiàn)了人體體內(nèi)的氣血盈虧，經(jīng)脈虛實(shí)以及臟腑盛衰，包含了豐富的病理信息[2]。根據(jù)現(xiàn)代生理學(xué)，脈象是動(dòng)脈內(nèi)血液、管壁運(yùn)動(dòng)所形成波的形態(tài)、強(qiáng)度、快慢等綜合信息的客觀反映[3]，其形成過(guò)程具有一定的科學(xué)性和客觀性[4－5]。脈診可以幫助中醫(yī)醫(yī)師了解患者體內(nèi)各個(gè)器官的平衡情況，發(fā)現(xiàn)疾病，提早治療，即中醫(yī)上所說(shuō)的“治未病”。因此，脈診具有很大的臨床意義和應(yīng)用價(jià)值。

2 中醫(yī)脈診數(shù)字化研究進(jìn)展

中醫(yī)脈診是通過(guò)手指對(duì)橈動(dòng)脈的搏動(dòng)情況進(jìn)行感知，來(lái)判斷身體的健康狀態(tài)，得到中外人士的贊許和關(guān)注[6]。中醫(yī)脈診的許多推理和經(jīng)驗(yàn)有其合理和實(shí)用的一面，但傳統(tǒng)中醫(yī)太過(guò)強(qiáng)調(diào)其文化屬性，而未追求其科學(xué)屬性。在現(xiàn)代科學(xué)體系下，中醫(yī)還不被普遍認(rèn)為是科學(xué)，傳統(tǒng)中醫(yī)遠(yuǎn)不及西醫(yī)發(fā)展迅速和易被認(rèn)可。另外，由于中醫(yī)水平的參差不齊導(dǎo)致越來(lái)越多的人對(duì)中醫(yī)治療疾病的有效性產(chǎn)生懷疑，使中醫(yī)受到諸多非議，導(dǎo)致中醫(yī)發(fā)展陷入困境。因此，脈診數(shù)字化對(duì)中醫(yī)的繼承與發(fā)揚(yáng)有著重要的意義[7]。

經(jīng)過(guò)幾年的研究，中醫(yī)脈診數(shù)字化取得了一定的成果。中醫(yī)數(shù)字化醫(yī)療產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展也加速了脈診數(shù)字化的進(jìn)程(如圖1所示)。隨著科技不斷進(jìn)步，脈診的數(shù)字化研究迎來(lái)重大的轉(zhuǎn)變[8]。數(shù)字化脈診不但擺脫了過(guò)去對(duì)于醫(yī)生主觀感受的依賴(lài)，而且促進(jìn)了脈象信息的采集、處理、圖像表述和臨床驗(yàn)證[9－10]。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，高度集成的智能脈診儀逐漸取代了傳統(tǒng)的機(jī)械式設(shè)備，與人工智能的深度結(jié)合也使智慧中醫(yī)發(fā)展到一個(gè)新的高度[11－12]。數(shù)字化研究揭開(kāi)了中醫(yī)脈診神秘的面紗，使脈診診斷更加科學(xué)和實(shí)用于臨床。

圖1 中醫(yī)智能醫(yī)療市場(chǎng)規(guī)模

3 脈搏傳感器及脈診儀研究進(jìn)展

脈診數(shù)字化的基石在于脈搏信號(hào)的采集，高精度的脈搏信號(hào)采集要靠合適的脈搏傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)。脈診傳感器的合理設(shè)計(jì)會(huì)保證輸出信號(hào)的準(zhǔn)確和真實(shí)，進(jìn)而直接推動(dòng)脈搏信號(hào)的分析和研究。

脈診傳感器的歷史最早可以追溯到1860年英國(guó)人Marey研制的彈簧杠桿式脈搏描記器，之后隨著電子技術(shù)的發(fā)展，各種脈搏傳感器層出不窮，總結(jié)起來(lái)，按照測(cè)量原理可以分為:光電傳感器、超聲傳感器等和壓力傳感器。

3.1 脈診傳感器

3.1.1 光電脈搏傳感器

光電式脈搏傳感器是目前脈搏檢測(cè)領(lǐng)域最常使用的傳感器，多見(jiàn)于可穿戴設(shè)備如智能手環(huán)，手表，手機(jī)等。其原理是通過(guò)光電信號(hào)在活體組織中的傳播與反射，實(shí)現(xiàn)血管容積變化的無(wú)創(chuàng)檢測(cè)。當(dāng)發(fā)光單元發(fā)射光束照射到皮膚表面時(shí)，肌肉和血液分別反射和吸收光信號(hào)，由于脈搏跳動(dòng)的影響，血管容積會(huì)發(fā)生變化，從而使反射器接收到的變化的信號(hào)。光電傳感器原理簡(jiǎn)單，價(jià)格低，穩(wěn)定性好，對(duì)檢測(cè)環(huán)境幾乎沒(méi)有要求，因此，被廣泛應(yīng)用于商業(yè)領(lǐng)域。

典型的光電脈搏傳感器如周一峰等人基于光電容積描記法(PPG)理論，設(shè)計(jì)的一種反射型PPG脈搏信號(hào)傳感器。他們對(duì)光在人體組織中的傳播方式展開(kāi)研究，使用蒙特卡羅方法模擬光在人體多層介質(zhì)中的傳播路徑，確定光源與傳感器間距以及獲取回波的最優(yōu)波長(zhǎng)，并應(yīng)用發(fā)光二極管與LED陣列提高了采集信號(hào)的質(zhì)量[13]。

在新型光電傳感器方面，Huang設(shè)計(jì)了一種基于新型超窄間隙非富勒烯受體的近紅外光有機(jī)光電探測(cè)器，通過(guò)有效地延遲空間電荷限制電流的開(kāi)始并抑制分流漏電流，使傳感器的響應(yīng)速度在900 nm以上的近紅外光譜中超過(guò)了現(xiàn)有的所有機(jī)光電二極管。大大提高了光電脈搏傳感器的快速檢測(cè)響應(yīng)能力[14]。

然而，使用光電容積傳感器進(jìn)行測(cè)脈時(shí)，由于不同個(gè)體間年齡、性別、身高、體重、血壓、體脂率、血管彈性、血液粘稠度等指標(biāo)各不相同，血液對(duì)光的吸收率也會(huì)受到影響，測(cè)量數(shù)據(jù)前需要針對(duì)每一個(gè)體進(jìn)行校準(zhǔn)，想要精確測(cè)量數(shù)據(jù)所需流程繁瑣。同時(shí)，光電式傳感器從原理上看不同于中醫(yī)觸診，其采集到的數(shù)據(jù)很難為中醫(yī)理論所用，因此，專(zhuān)業(yè)程度較高的中醫(yī)醫(yī)療器械一般不使用光電式傳感器檢測(cè)脈搏信號(hào)。

3.1.2 超聲脈搏傳感器

超聲傳感器在專(zhuān)業(yè)醫(yī)療領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，目前市場(chǎng)上的醫(yī)用超聲診斷儀可分為A型、B型、D型(多普勒)、M型，但用于脈搏波檢測(cè)的主要還是基于B型與D型(多普勒)。超聲波在碰到障礙物時(shí)，會(huì)因不同障礙物而產(chǎn)生不同回聲，通過(guò)特定儀器將回聲收集并加以分析，就可獲取物體內(nèi)部結(jié)構(gòu)信息，B型診斷儀也主要是基于該原理。D型(多普勒)診斷儀，也就是平時(shí)所見(jiàn)的彩超，其原理主要基于多普勒效應(yīng)，當(dāng)超聲波束遇到運(yùn)動(dòng)的血液時(shí)，產(chǎn)生多普勒效應(yīng)，換能器接收反射信號(hào)，可以根據(jù)反射波頻率與發(fā)射波頻率的變化計(jì)算血流速度，反射波頻率的增大與減小判定血流方向，并通過(guò)相應(yīng)技術(shù)將其圖像化。通過(guò)多普勒技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)橈動(dòng)脈可視化監(jiān)視，借以分析橈動(dòng)脈與皮膚間距、血管橫截面積與內(nèi)徑、血液流速與阻搏動(dòng)指數(shù)等血管與血液動(dòng)態(tài)信息，實(shí)現(xiàn)脈診數(shù)字化[15]。

楊杰等人為實(shí)時(shí)跟蹤脈管脈搏三維動(dòng)態(tài)顯示運(yùn)動(dòng)圖像，設(shè)計(jì)出一種融合式多功能脈診儀探頭，包括B型超聲儀、壓力傳感器和光電容積傳感器，其結(jié)構(gòu)原理如圖2所示。這種新型探頭能在橈動(dòng)脈縱向、橫向、垂向三個(gè)方向調(diào)整定位取脈，并研制專(zhuān)用A/B型超聲波診斷儀對(duì)橈動(dòng)脈進(jìn)行成像，成功觀察到寸口橈動(dòng)脈實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)變化特征規(guī)律[16]。

圖2 B型超聲診斷儀

超聲診斷儀的使用大大提高了動(dòng)脈血管檢測(cè)的準(zhǔn)確度，而且實(shí)現(xiàn)了可視化。但是，中醫(yī)概念上的脈與動(dòng)脈血管不同，僅僅以血管的信息表示脈搏波動(dòng)不符合中醫(yī)診脈原理，無(wú)法與傳統(tǒng)中醫(yī)理論對(duì)照，而且超聲儀造價(jià)昂貴，很難實(shí)現(xiàn)普及。

3.1.3 傳統(tǒng)壓力脈搏傳感器

壓力脈搏傳感器是目前脈診儀中應(yīng)用最廣泛、最成熟的傳感器之一，具有價(jià)格低廉，穩(wěn)定性好，測(cè)量精度高等特點(diǎn)。傳統(tǒng)剛性壓力傳感器按照傳感原理可以分為:壓電式、壓阻式、電容式。

①壓電式傳感器的敏感元件由壓電材料制成，配合電荷采集和放大電路可以用于檢測(cè)微小形變帶來(lái)的壓力變化。主要有壓電聚合物傳感器、壓電晶體傳感器、以及壓電陶瓷式傳感器，由于其靈敏度高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性好等特點(diǎn)，可以用于采集脈搏信號(hào)。

Edward研制的可以消除共模噪聲的壓電脈搏傳感器，通過(guò)在橈動(dòng)脈軸向和偏離橈動(dòng)脈處較小間距上設(shè)置兩個(gè)壓電晶體，分別用于1－脈沖采集和2－參考干擾信號(hào)采集，通過(guò)將脈沖信號(hào)減去干擾信號(hào)，最終獲取平穩(wěn)的脈搏信號(hào)[17]。但是，由于其無(wú)法測(cè)量恒定壓力，所以在用于脈搏波采集的過(guò)程中無(wú)法測(cè)量靜態(tài)基礎(chǔ)壓力。

②電容式傳感器，其原理是通過(guò)形變引起敏感元件的電容值變化，來(lái)反映壓力的變化。具有動(dòng)態(tài)響應(yīng)好，驅(qū)動(dòng)能量低，適用環(huán)境廣等優(yōu)點(diǎn)。Boutry研制的彈性電介質(zhì)的可變電容器柔性生物可降解壓力傳感器陣列，可以穩(wěn)定采集脈搏數(shù)據(jù)，輸出的標(biāo)準(zhǔn)偏差小于1%，采集的脈搏波用于評(píng)估人體健康狀態(tài)[18]。

③壓阻式傳感器，一般利用壓敏材料的壓阻效應(yīng)結(jié)合MEMS工藝制成。其工藝非常成熟，具有精度高，穩(wěn)定性好，價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用在各個(gè)領(lǐng)域。目前，傳統(tǒng)壓阻式傳感器在脈搏信號(hào)檢測(cè)方面的研究主要集中在小型化和多功能集成上，通過(guò)多個(gè)傳感器的協(xié)同工作獲得更多的生理信息。Chen將壓阻傳感器組成陣列檢測(cè)脈搏，可以同時(shí)檢測(cè)多個(gè)位置的脈搏信號(hào)，并根據(jù)不同傳感器獲取的不同信號(hào)計(jì)算出脈長(zhǎng)，脈寬，流速等多種信息，實(shí)現(xiàn)了多功能脈診[19]。Jin通過(guò)將壓阻傳感器集成在氣泵上，實(shí)現(xiàn)了不同壓力下的脈搏信號(hào)采集，與中醫(yī)診脈的過(guò)程很接近[20]。

總的來(lái)說(shuō)，壓力傳感器價(jià)格低廉，穩(wěn)定性好，精度高，能夠普及，適合推廣。更重要的是能夠在外加壓力下采集脈搏信號(hào)，這與中醫(yī)診脈的過(guò)程相似，適合專(zhuān)業(yè)醫(yī)療使用。然而，剛性傳感器與人體皮膚貼合性差，間隙在脈搏采集過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生干擾，嚴(yán)重影響采集精度，是目前亟需解決的問(wèn)題。

3.1.4 柔性壓力脈搏傳感器

柔性壓力傳感器是近年來(lái)傳感器領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，相比傳統(tǒng)剛性壓力傳感器具有輕薄，透明，拉伸性好等特點(diǎn)，可以很好的與人體皮膚貼合，因此被廣泛應(yīng)用于人體生理信號(hào)的監(jiān)測(cè)當(dāng)中。柔性傳感器從工作原理上可分為壓阻式，電容式，壓電式[21]。

柔性壓阻式傳感器的原理是壓敏材料在壓力作用下發(fā)生形變，導(dǎo)致自身電導(dǎo)率發(fā)生變化，從而將壓力信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)。柔性壓阻式傳感器一般由襯底，壓敏材料，電極等部分構(gòu)成，采用三明治結(jié)構(gòu)，具有重量輕，體積小，可持續(xù)測(cè)量的優(yōu)點(diǎn)。柔性壓阻式傳感器在可穿戴式設(shè)備中應(yīng)用廣泛，具體到脈搏信號(hào)檢測(cè)中，基于其自身特點(diǎn)可以檢測(cè)不同外加壓力的脈搏信號(hào)和血壓。Guan Hao將天然硬質(zhì)木材還原轉(zhuǎn)化為石墨烯材料，得益于其表面的凸起結(jié)構(gòu)(如圖3(a)所示)，這種傳感器展現(xiàn)了良好的壓力檢測(cè)范圍，實(shí)現(xiàn)了空間壓力映射，可用于檢測(cè)不同狀態(tài)下的脈搏信號(hào)[22]。Yin He則從襯底材料入手，基于層次微孔PU＠CNT薄膜材料，開(kāi)發(fā)出一種可呼吸的可穿戴傳感器，具有高透氣性，可用于脈搏信號(hào)長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)[23]。

柔性電容式傳感器通過(guò)介電材料的形變來(lái)改變自身的電容值，一般由介電材料，電極和柔性材料構(gòu)成多層結(jié)構(gòu)，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，穩(wěn)定性好，驅(qū)動(dòng)電壓小等特點(diǎn)，可以被用于監(jiān)測(cè)脈搏信號(hào)。Sudeep Sharma使用MXene復(fù)合納米支架設(shè)計(jì)了一種高靈敏度，超寬檢測(cè)范圍的可穿戴柔性電容式脈搏傳感器(如圖3(c)所示)，可以識(shí)別微小的脈動(dòng)信號(hào)[24]。Young Jung報(bào)道了一種基于多孔三維結(jié)構(gòu)的電容式傳感器，由于多孔結(jié)構(gòu)良好的空間彈性，使其能在更大壓力范圍測(cè)量，同時(shí)保證了多次重復(fù)測(cè)量的一致性，可以用于脈搏信號(hào)的持續(xù)測(cè)量[25]。

柔性壓電式傳感器利用正電效應(yīng)將壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。具體來(lái)說(shuō)，一些壓電材料在發(fā)生形變時(shí)，內(nèi)部正負(fù)電荷會(huì)向相反方向移動(dòng)，在材料表面形成電性相反的感應(yīng)電荷，可以通過(guò)外接負(fù)載的方式形成電流。柔性壓電傳感器一般選用有機(jī)共聚物作為壓電材料，具有耐久性好，力學(xué)穩(wěn)定性強(qiáng)，可自供電等優(yōu)點(diǎn)，在可穿戴設(shè)備領(lǐng)域有巨大應(yīng)用前景。Moghadam在偏聚氟乙烯(PVDF)中加入微孔鋯基金屬有機(jī)框架，大幅提高了聚合物的壓電常數(shù)，從而設(shè)計(jì)出一種自供電脈搏傳感器，可用于長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)[26]。Seongcheol Ahn通過(guò)三維紡織結(jié)構(gòu)提升PVDF薄膜的壓電性能，用于放大脈搏傳感器的輸出信號(hào)，實(shí)現(xiàn)高精度脈搏檢測(cè)[27]。如圖3(b)所示，Nie J將柔性壓電材料包裹在木棒上，實(shí)現(xiàn)了仿手指脈搏信號(hào)采集[28]。

圖3 三種壓力傳感器結(jié)構(gòu)

目前，柔性脈搏傳感器的研發(fā)方向主要有改變表面微結(jié)構(gòu)以提升測(cè)量范圍，參雜不同材料與改性以提高靈敏度，改變襯底材料以適應(yīng)不同使用環(huán)境并提升使用舒適性。然而，柔性壓力傳感器在精度和一致性上與傳統(tǒng)的剛性壓力傳感器仍有很大差距，由柔性脈搏傳感器測(cè)得的脈搏信號(hào)在精度上還達(dá)不到病癥分析的要求，而且很難實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的檢測(cè)方法，無(wú)法用于專(zhuān)業(yè)醫(yī)療領(lǐng)域。

總的來(lái)說(shuō)，脈診傳感器的研究重點(diǎn)集中在技術(shù)層面，追求更高性能，與中醫(yī)實(shí)際結(jié)合不夠，光電傳感器與超聲傳感器從原理上與中醫(yī)觸診完全不同，所獲得的信號(hào)無(wú)法從中醫(yī)理論角度進(jìn)行解釋?zhuān)⒉贿m合在專(zhuān)業(yè)醫(yī)療領(lǐng)域的脈診儀上使用。壓力傳感器從傳感方式上與中醫(yī)實(shí)際更加接近，適合中醫(yī)臨床使用。其中，柔性傳感器雖然是近年來(lái)可穿戴設(shè)備領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，具有良好的親膚性和拉伸性，但由于其一致性差，精度低，量程小等問(wèn)題，目前還處在實(shí)驗(yàn)室研究階段，無(wú)法商業(yè)應(yīng)用和推廣，而且柔性傳感器無(wú)法在外加壓力下測(cè)量脈搏信號(hào)，無(wú)法模擬還原中醫(yī)診脈過(guò)程。而剛性傳感器精度高，量程大，可靠性好，且方便施壓，適合用于采集脈搏信號(hào)，但剛性傳感器材質(zhì)較硬，與皮膚貼合程度低，采集到的脈搏信號(hào)依然不同于中醫(yī)的臨床感受，且由于形狀和材質(zhì)的關(guān)系，在加壓的過(guò)程中會(huì)給患者帶來(lái)一定程度的不適感，不利于推廣。因此，在脈搏傳感器的選擇上應(yīng)該同時(shí)具有剛性壓力傳感器和柔性壓力傳感器的優(yōu)點(diǎn)，本研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了以剛性壓力傳感器為敏感元件，柔性材料作為傳導(dǎo)介質(zhì)的脈搏傳感器(如圖4所示)。

圖4 柔性耦合傳感器

3.2 脈診儀研制進(jìn)展

隨著現(xiàn)代技術(shù)的發(fā)展，國(guó)內(nèi)外對(duì)傳統(tǒng)中醫(yī)臨床診斷進(jìn)行科學(xué)化、客觀化的研究。國(guó)內(nèi)外學(xué)者通過(guò)對(duì)中醫(yī)診斷觀察研究，結(jié)合現(xiàn)代傳感技術(shù)、信息處理技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)等，研制出不同特點(diǎn)的脈診儀。繼承傳統(tǒng)中醫(yī)脈診無(wú)創(chuàng)診斷的優(yōu)勢(shì)，利用高精度傳感器和自動(dòng)控制原理，結(jié)合機(jī)械結(jié)構(gòu)裝置，實(shí)現(xiàn)對(duì)脈象數(shù)字化信息的采集和分析。

3.2.1 傳統(tǒng)機(jī)械脈診儀

傳統(tǒng)脈診儀大多采用機(jī)械結(jié)構(gòu)，通過(guò)利用電機(jī)結(jié)構(gòu)或液壓裝置驅(qū)動(dòng)機(jī)械零件進(jìn)行移動(dòng)，存在移動(dòng)順暢性差、機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜、操作不夠靈活等問(wèn)題，無(wú)法根據(jù)人體腕部外形輪廓自動(dòng)調(diào)整位置，與傳統(tǒng)中醫(yī)“三部九侯”脈診方法不符，用于判斷人體脈象不具有權(quán)威性。

5月，中國(guó)水務(wù)公司積極推動(dòng)旗下上市公司錢(qián)江水利開(kāi)展了非公開(kāi)發(fā)行募投項(xiàng)目。錢(qián)江水利自2000年首發(fā)上市后，主要通過(guò)銀行貸款、發(fā)行債券等債務(wù)工具籌集發(fā)展所需資金。正處于發(fā)展關(guān)鍵階段的錢(qián)江水利，資本支出規(guī)模較大，依靠自有資金積累及銀行貸款難以完全滿(mǎn)足項(xiàng)目資金需求。而通過(guò)非公開(kāi)發(fā)行，可以拓寬融資渠道，募集資金滿(mǎn)足項(xiàng)目建設(shè)需要，為公司實(shí)現(xiàn)跨越發(fā)展提供有力保障。募投項(xiàng)目投產(chǎn)后，公司的供水規(guī)模將顯著擴(kuò)大，核心競(jìng)爭(zhēng)力將迅速提升。

國(guó)外很早就開(kāi)始對(duì)脈象進(jìn)行數(shù)字化、客觀化的研究，剛開(kāi)始階段研究人員主要通過(guò)彈簧杠桿機(jī)械結(jié)構(gòu)對(duì)傳感器進(jìn)行研究(如圖5(a)所示)，Vierordt使用杠桿和壓力鼓的結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了彈簧杠桿式脈搏描記器，使波示描記圖法代替模式示意圖法成為脈診儀的主要研究方式[29]。進(jìn)入20世紀(jì)50年代，研究人員開(kāi)始將壓力傳感器、超聲傳感器等新型傳感器技術(shù)應(yīng)用于脈診儀的研制中，Okada Teng采用新開(kāi)發(fā)的壓電陶瓷傳感器來(lái)采集寸口位置脈搏波信號(hào)，可適用于監(jiān)測(cè)浮、中、沉三種壓力的脈象信息，并用于臨床實(shí)驗(yàn)中[30]。Shanren將半導(dǎo)體應(yīng)變計(jì)貼在醫(yī)用膠片手套上，實(shí)時(shí)記錄中醫(yī)診脈手指部位的信息[31]。Rokuro使用光電管容積法，可進(jìn)行橈動(dòng)脈位置脈搏信息采集，并利用超聲儀對(duì)脈象信息進(jìn)行驗(yàn)證，得出了脈診部位有五行循環(huán)存在的結(jié)論[32]。

與此同時(shí)，國(guó)內(nèi)開(kāi)始相繼成立了交叉學(xué)科的脈象合作研究小組。天津醫(yī)療器械研究所利用平行懸臂梁的結(jié)構(gòu)研制了MTY－A型脈圖儀，并提出了多因素脈圖識(shí)別法[33]。上海中醫(yī)藥大學(xué)研制的ZMH－I智能型脈象儀采用單探頭脈象換能器，實(shí)現(xiàn)脈象的采集、處理、存儲(chǔ)、顯示的功能，但是寸口位置單點(diǎn)采集方式，獲得的脈象信息不能完全匹配傳統(tǒng)中醫(yī)脈診[34]。浙江大學(xué)團(tuán)隊(duì)模擬中醫(yī)脈診指法的關(guān)鍵，研制出了基于仿人手指觸感的多維脈象檢測(cè)系統(tǒng)[35]。研究人員還通過(guò)改變氣壓對(duì)脈搏采集位置進(jìn)行垂直方向的移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)中醫(yī)“浮、中、沉”取脈方式[36]，但這只是中醫(yī)脈診方式的部分實(shí)現(xiàn)，不能完整模擬傳統(tǒng)中醫(yī)三指診斷。

3.2.2 智能脈診儀

根據(jù)中醫(yī)三指取脈原理設(shè)計(jì)的傳統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)脈診儀，不滿(mǎn)足中醫(yī)門(mén)派較多，診脈指法靈活多變，各不相同的需求。相比傳統(tǒng)脈診儀，現(xiàn)階段的研究主要是將人工智能、計(jì)算機(jī)技術(shù)、傳感器技術(shù)等先進(jìn)技術(shù)與傳統(tǒng)中醫(yī)脈診理論相結(jié)合，以求多維、動(dòng)態(tài)的獲取脈象信息，研制具有遠(yuǎn)程診斷、便攜式、脈診復(fù)現(xiàn)等功能的新型智能脈診儀，實(shí)現(xiàn)脈搏信息的標(biāo)準(zhǔn)化、數(shù)字化和客觀化采集和脈象分析。

現(xiàn)階段研究使用傳感器陣列代替單個(gè)傳感器進(jìn)行脈象采集研究(如圖5(b)所示)，Hu利用12個(gè)感測(cè)點(diǎn)的電容陣列傳感器探頭，以確定最佳的脈搏波采集位置，獲得更多橈動(dòng)脈寸口位置的信息[37]。中醫(yī)遠(yuǎn)程診斷系統(tǒng)的研究為中醫(yī)數(shù)字化、客觀化研究提供了新的思路，佘延超通過(guò)設(shè)計(jì)仿生指頭和仿生橈動(dòng)脈皮膚，研制出了一種可實(shí)現(xiàn)脈搏波反演的遠(yuǎn)程診斷系統(tǒng)，提高了中醫(yī)脈診的還原度[38]。王致遠(yuǎn)利用音圈電機(jī)作為動(dòng)作器，來(lái)實(shí)現(xiàn)醫(yī)生指法信號(hào)反演的功能，研制出了可自動(dòng)對(duì)脈的中醫(yī)遠(yuǎn)程脈診設(shè)備，一定程度上為實(shí)現(xiàn)中醫(yī)遠(yuǎn)程診斷和復(fù)現(xiàn)奠定了基礎(chǔ)[39]。

圖5 脈診儀圖

目前，脈診儀的研究主要集中在便攜式和小型化方向，面向?qū)I(yè)醫(yī)療的脈診儀研發(fā)較少，市面上現(xiàn)有的脈診儀無(wú)論是傳統(tǒng)脈診儀還是智能脈診儀，大多都從脈搏波信號(hào)采集上入手，很少考慮中醫(yī)實(shí)際，導(dǎo)致采集到的數(shù)據(jù)很難為中醫(yī)理解，中醫(yī)無(wú)法從中獲取自己所需的信息，更無(wú)法依靠這些數(shù)據(jù)給出診斷，這樣的脈診儀自然無(wú)法得到中醫(yī)的認(rèn)可，臨床應(yīng)用也就無(wú)從談起了。因此，我們應(yīng)該從中醫(yī)理論出發(fā)，仿照中醫(yī)脈診過(guò)程，設(shè)計(jì)一種類(lèi)似于中醫(yī)觸診的仿生脈診儀，模仿中醫(yī)診脈指法，將得到的數(shù)據(jù)具象化，提取參數(shù)，使用中醫(yī)語(yǔ)言表達(dá)，使之成為中醫(yī)可以理解的概念，才能真正實(shí)現(xiàn)脈診數(shù)字化。

4 脈搏信號(hào)特征識(shí)別研究進(jìn)展

在以往的研究中，脈搏信號(hào)的特征識(shí)別一般圍繞脈搏信號(hào)特征點(diǎn)辨識(shí)(主波、重搏波、潮波等)，時(shí)域分析，頻域分析，統(tǒng)計(jì)特征，非線性特征等幾個(gè)方面展開(kāi)，主要的研究方法以信號(hào)分析為主，如小波變換，希爾伯特黃變換，近似熵分析等。Jiena Hou使用角度極值最大值法識(shí)別脈搏信號(hào)特征點(diǎn)，可以識(shí)別出不明顯的特征點(diǎn)，有助于提高識(shí)別精度，為脈搏特征與疾病的聯(lián)系建立了基礎(chǔ)[40]。Funjou Chen通過(guò)頻譜分析統(tǒng)計(jì)雙相情感障礙患者與正常人群的脈搏信號(hào)差異，從而識(shí)別雙相情感障礙這一疾病的脈搏信號(hào)特征[41]。事實(shí)上，脈搏信號(hào)的特征識(shí)別在情緒識(shí)別領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，隨著人工智能的不斷發(fā)展，機(jī)器學(xué)習(xí)算法開(kāi)始被應(yīng)用于這一領(lǐng)域當(dāng)中。華南理工大學(xué)的張弘毅提出一種基于生成對(duì)抗網(wǎng)絡(luò)的脈搏信號(hào)特征識(shí)別方法，具有較高的準(zhǔn)確性[42]。然而，這些研究方法更接近于信號(hào)處理，與傳統(tǒng)中醫(yī)脈診相去甚遠(yuǎn)，無(wú)法應(yīng)用于大多數(shù)病癥的識(shí)別當(dāng)中。

不同于脈診傳感器的大量研究和脈診儀的市場(chǎng)火熱，脈搏特征分析在研究領(lǐng)域和市場(chǎng)應(yīng)用尚屬冷門(mén)，中醫(yī)脈象識(shí)別的研究和應(yīng)用更是寥寥無(wú)幾。對(duì)于脈診數(shù)字化來(lái)說(shuō)，從脈搏信號(hào)到疾病診斷的重要一步遲遲未能打通，臨床應(yīng)用遙不可及。因此，只有將采集到的脈搏信號(hào)通過(guò)中醫(yī)語(yǔ)言表達(dá)出來(lái)，才能通過(guò)中醫(yī)理論印證其準(zhǔn)確性，進(jìn)而建立脈搏信號(hào)與疾病的聯(lián)系。而實(shí)現(xiàn)這一突破的關(guān)鍵就在于脈象參數(shù)物理模型的建立與脈搏信號(hào)關(guān)鍵參數(shù)的識(shí)別，將中醫(yī)脈象“取象比類(lèi)”的語(yǔ)言描述轉(zhuǎn)化為數(shù)學(xué)模型，實(shí)現(xiàn)脈象的數(shù)字化，進(jìn)而推進(jìn)中醫(yī)脈診的數(shù)字化。

5 脈診數(shù)字化的問(wèn)題及未來(lái)發(fā)展方向

脈診數(shù)字化起步較早，但發(fā)展始終非常緩慢，其原因主要在于中醫(yī)脈診受醫(yī)生主觀感受影響較大，這種只“可意會(huì)不可言傳”的個(gè)人感覺(jué)難以通過(guò)物理模型描述，無(wú)法進(jìn)行量化研究。而且傳統(tǒng)中醫(yī)流派眾多，不同的診脈手法和脈診理論更加大了脈診數(shù)字化標(biāo)準(zhǔn)建立的難度。同時(shí)，脈診儀器缺乏與中醫(yī)理論的結(jié)合，傳統(tǒng)的信號(hào)分析方法不足以從脈搏信號(hào)中提取出足夠的信息，用于進(jìn)行脈象識(shí)別，病癥診斷更是無(wú)從談起，導(dǎo)致無(wú)法積累臨床數(shù)據(jù)，進(jìn)一步加大了脈診數(shù)字化的難度。

深度學(xué)習(xí)算法的出現(xiàn)為中醫(yī)脈象識(shí)別開(kāi)辟了一條新的途徑。它能夠從脈象數(shù)據(jù)中挖掘出更多復(fù)雜且深層次的特征并加以分類(lèi)判斷。如圖6所示，中醫(yī)的學(xué)習(xí)過(guò)程與深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練過(guò)程高度契合，中醫(yī)對(duì)脈搏特征信息的感知分析與深度學(xué)習(xí)特征提取過(guò)程相對(duì)應(yīng)，中醫(yī)辨證論治的過(guò)程與深度學(xué)習(xí)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型預(yù)測(cè)過(guò)程相對(duì)應(yīng)，輸入數(shù)據(jù)集來(lái)源于權(quán)威醫(yī)生的臨床數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)訓(xùn)練輸出脈象。中醫(yī)脈診數(shù)字化與深度學(xué)習(xí)的完美結(jié)合將是中醫(yī)數(shù)字化傳承的發(fā)展方向。

圖6 傳統(tǒng)中醫(yī)脈診與深度學(xué)習(xí)

隨著傳感器技術(shù)與人工智能的高速發(fā)展，越來(lái)越多符合中醫(yī)臨床要求的脈診數(shù)字化產(chǎn)品將不斷涌現(xiàn)出來(lái)，高度還原中醫(yī)脈診過(guò)程，使用仿生原理采集脈搏信號(hào)，不斷提升采集精度，利用人工智能技術(shù)提取特征，與中醫(yī)理論建立緊密聯(lián)系。使中醫(yī)醫(yī)生能夠在臨床中實(shí)際應(yīng)用，通過(guò)大數(shù)據(jù)技術(shù)不斷優(yōu)化，建立一套由脈知病，因病施藥，療效反饋，長(zhǎng)期跟蹤的智慧中醫(yī)診療模式，將是中醫(yī)脈診數(shù)字化未來(lái)的發(fā)展方向。