柔性穿戴式脈診檢測裝備研究

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)實驗室，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。目前，脈診儀的研究均側(cè)重于各類傳感器對橈動脈脈搏搏動信息的采集和分析，以及對脈象識別技術(shù)的相應(yīng)開發(fā)［2］。測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)確地反映橈動脈的脈搏搏動，其技術(shù)也就更為成熟，研究相對也更加深入和廣泛［3－4］。現(xiàn)有的脈診儀雖然種類較多，但在臨床實際應(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)確性對于脈搏波傳感器的長期監(jiān)測使用來說尤為重要。

近年來，柔性穿戴式傳感檢測裝備尤其在人體生理及生化指標(biāo)監(jiān)測方面表現(xiàn)出了極大的應(yīng)用潛力［6］。可見，基于柔性可穿戴傳感器件，可以提高脈搏信號傳感性能，并具備便攜、移動、可穿戴及操作簡單等使用優(yōu)點，在脈搏波檢測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，傳感器檢測數(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，可實現(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)上實現(xiàn)更好的性能優(yōu)化，同時，相比于現(xiàn)有體積龐大的脈診儀，便攜式、移動式、小型化、無線傳輸和實時連續(xù)監(jiān)測的實現(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現(xiàn)個人及家庭的數(shù)字化健康診斷與治療，真正滿足中醫(yī)藥個體化功能檢測的需求。

1 柔性電子在中醫(yī)脈診儀研究中的應(yīng)用優(yōu)勢

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)定和可實時監(jiān)測等獨(dú)特的優(yōu)勢，可見其在各種生理、生化檢測應(yīng)用中的巨大潛力，因此各種穿戴式健康監(jiān)測設(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現(xiàn)與人體更好地貼合，便于實現(xiàn)“無感”的穿戴和實時在線的“在體”檢測，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，不僅能有效地提高傳感檢測數(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)確采集對后續(xù)的生理分析和脈象識別具有決定性作用。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，可以實現(xiàn)對脈搏周期和波形的實時感知和監(jiān)測，并且已在著手提升該柔性材料的穩(wěn)定性，以實現(xiàn)其在穿戴式檢測中的實際應(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，可實現(xiàn)精確采集人體寸、關(guān)、尺三個不同位置的脈搏信號，通過脈搏波形的細(xì)節(jié)分析實現(xiàn)了志愿者脈搏波形的分類與識別［11］。這類柔性傳感器件的設(shè)計，可以方便地采集脈搏波信號，并容易與大數(shù)據(jù)分析等工具進(jìn)一步結(jié)合，以推動柔性可穿戴傳感器在人體健康及疾病診斷等領(lǐng)域的實用化進(jìn)程。

2 基于柔性傳感技術(shù)的脈搏檢測系統(tǒng)

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

圖1 適用于脈搏波檢測的柔性薄膜壓力傳感器及其檢測電路

該研究基于Visual studio 平臺，使用C#語言編寫了可實時顯示脈搏波信號的上位機(jī)軟件，同時通過數(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?？梢姡摶谌嵝詨毫鞲屑夹g(shù)、電子技術(shù)、微機(jī)控制技術(shù)構(gòu)建的脈搏波檢測系統(tǒng)可以對寸、關(guān)、尺三處的脈象進(jìn)行有效監(jiān)測。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，便于利用在傳感器對脈搏波監(jiān)測的同時，實現(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，并實現(xiàn)同步化的實時動態(tài)記錄。該檢測系統(tǒng)和實時顯示平臺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 脈搏波檢測界面及寸、關(guān)、尺脈搏波的實時記錄

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。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)計的實現(xiàn)，測試比較不同穿戴式設(shè)計的舒適性、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)合智能終端來實現(xiàn)方便的檢測、顯示、分析及診斷。目前，智能移動終端（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現(xiàn)人體健康信息的快速和實時采集是醫(yī)療健康領(lǐng)域中的重要研究方向。針對脈診系統(tǒng)，利用智能移動端本身的藍(lán)牙、WiFi 等無線通信的技術(shù)來實現(xiàn)數(shù)據(jù)從柔性傳感檢測系統(tǒng)到智能移動端的傳輸和記錄，以便于后續(xù)的信號分析和進(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現(xiàn)，進(jìn)而促進(jìn)人機(jī)交互功能。柔性壓力傳感器檢測到的指尖壓力及脈象信號可以通過無線通信技術(shù)傳輸至智能顯示終端，實時的響應(yīng)信號可動態(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行之有效的監(jiān)測平臺和方法。

3 脈搏波信號處理與脈象分析

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隨著心臟收縮與舒張而變化，這種變化會導(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測結(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，由于脈搏的搏動是由全身血管參與，脈搏信號與人體多個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，都會影響脈搏的強(qiáng)弱緩急。提取并分析采集到的脈搏波信號，可以無創(chuàng)檢測和分析疾病，從而有效、早期地防治疾病，這對臨床醫(yī)學(xué)的發(fā)展很有價值。當(dāng)然，對于闡明并分析中醫(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)對相關(guān)人群的脈搏波信號進(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。通過對其脈搏波數(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)脈搏信號點的相關(guān)參數(shù)分析。

圖3 脈搏波信號處理結(jié)果圖

一般認(rèn)為，脈搏信號的特征點主要包括主動脈開放點、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，認(rèn)為潮波、主波和重波的相對幅度變化可以區(qū)分平脈、弦脈和沉脈，平脈的三個波峰依次遞降，弦脈的潮波峰會與主波峰的幅值接近，因此弦脈主波會顯寬大，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，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，分組對比分析發(fā)現(xiàn)弦脈者的脈搏波主波波峰會與潮波波峰重合，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?？梢姡m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系統(tǒng)可以較好地采集脈搏信號，記錄相關(guān)脈象波形。

同時，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脈推斷疾病，但因存在實施不便，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”的脈象信號的問題，是快速便捷地實現(xiàn)全身遍診的途徑之一。同時，穿戴式器件能夠?qū)崟r監(jiān)測和記錄信號，這也為脈象信號的大數(shù)據(jù)采集和分析提供了平臺?？傊?，柔性穿戴式脈診檢測裝備兼具便攜式、實時性以及人機(jī)交互性等特征，適用于家庭和個人的便攜式中醫(yī)健康數(shù)據(jù)采集，對于進(jìn)一步促進(jìn)中醫(yī)脈診在醫(yī)療診斷和健康檢測等領(lǐng)域的快速發(fā)展意義重大。