基于血流動力學機理及數(shù)學模型的中醫(yī)脈診工程學研究述評*

史宇兵 劉奇 苗玉清 劉力,2 喬海法 楊曉航**

(1.陜西中醫(yī)藥大學/陜西中醫(yī)診療技術(shù)裝備研發(fā)協(xié)同創(chuàng)新中心,陜西 咸陽 712046;2.廣東省新黃埔中醫(yī)藥聯(lián)合創(chuàng)新研究院,廣東 廣州 510000)

脈診作為中醫(yī)診療體系中的重要成分,在中醫(yī)的發(fā)展歷史中占據(jù)了非常重要的地位。歷代醫(yī)家對于中醫(yī)脈診和脈象進行了大量深入研究,提出了很多富有創(chuàng)建性的見解,這對于深化中醫(yī)理論以及促進脈診的臨床應用提供了非常重要的參考和指導。傳統(tǒng)的中醫(yī)脈象研究主要是基于臨床上對寸口脈搏觸診所得的感受以及與疾病的關(guān)聯(lián)性觀察所形成的直觀經(jīng)驗總結(jié)。由于中醫(yī)發(fā)展的特點,傳統(tǒng)的脈學理論很大程度上是基于哲學思辨以及經(jīng)驗性、直觀性的觀察判斷而形成的系統(tǒng)性見解和總結(jié),未能延伸到物理和生理的層次對脈象的科學成因和機理進行深入闡釋。從促進中醫(yī)客觀化、精確化發(fā)展的角度來說,新時期的中醫(yī)研究需要將傳統(tǒng)脈學理論與現(xiàn)代科學有機結(jié)合,充分運用現(xiàn)代科學的理論和方法對傳統(tǒng)理論與實踐進行解讀,讓脈診這一中華民族的醫(yī)學瑰寶在當今時代煥發(fā)新的生機與活力。

日新月異的現(xiàn)代科學技術(shù)進步為交叉學科研究提供了前所未有的條件和工具。借鑒醫(yī)工結(jié)合研究的經(jīng)驗,中醫(yī)研究者將工程學的研究方法和技術(shù)應用于中醫(yī)的診療體系,在脈學研究方面做出了豐富而有創(chuàng)建性的豐碩成果。本文對近年來國內(nèi)應用工程學方法探討中醫(yī)脈象的血流動力學機理及相關(guān)數(shù)學模型研究的工作和進展進行概括,希望前人這些寶貴經(jīng)驗可以為以后的中醫(yī)脈學理論和實踐提供有益的借鑒和有用的指導。

1 研究現(xiàn)狀

應用現(xiàn)代工程學方法研究中醫(yī)脈診脈象,以費兆馥主編的《現(xiàn)代中醫(yī)脈診學》[1]一書為該領(lǐng)域的代表作和集大成者。該書明確指出,中醫(yī)在寸口或其他特定部位診脈,獲得的是動脈的搏動信息。動脈的搏動信息表現(xiàn)為脈搏波在動脈網(wǎng)絡(luò)中的傳輸以及在體表的動脈表淺處觸摸所得的直觀感受。前人關(guān)于脈搏波在動脈網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)难芯恳呀?jīng)積累了成熟而豐富的理論和方法,這方面的經(jīng)典著作包括McDonald的《動脈中的血液流》[2]、陶祖萊的《生物流體力學》[3]以及一些其他權(quán)威論著[4-7]。深入學習這些血流動力學經(jīng)典著作,將其中的研究成果用于解釋脈象,有助于現(xiàn)代脈診學研究跨越從零開始的摸索階段,直接從血流動力學研究的現(xiàn)成基礎(chǔ)上前進。目前的現(xiàn)代脈診學研究正是沿著這一方向進行的,其中大量采用了工程學的信號測量和數(shù)學模型方法分析各種生理病理脈象的特征,并對脈象的物理機理進行了一定程度的探討。由于脈搏波和血流動力學分析對數(shù)學和力學等工程學知識要求較高,這對現(xiàn)代脈診學的研究形成了挑戰(zhàn),脈診學研究目前處于對交叉學科知識的深入理解和探索應用階段。

2 脈象的血流動力學機理研究

傳統(tǒng)的中醫(yī)脈學研究主要是從經(jīng)絡(luò)氣血、天人相應的角度來認識脈象及其與疾病狀態(tài)的關(guān)聯(lián),采用中醫(yī)體系整體性、宏觀性、直觀性的認識論和方法論對寸口處為主的脈象進行的概括和總結(jié)。傳統(tǒng)中醫(yī)理論認為患者的脈象由個體的氣血運行狀態(tài)這些內(nèi)因所決定,同時受自然環(huán)境的時空狀態(tài)等外因所影響[1],而對于這些內(nèi)因和外因如何具體地產(chǎn)生不同脈象的深層次機理并未研究。現(xiàn)代脈診學應用工程學方法,基于血流動力學分析對脈象形成的物理機制進行了有益的探索,在一定程度上可以作為傳統(tǒng)脈象理論的深入闡釋和有益補充。

論著《現(xiàn)代中醫(yī)脈診學》[1]對脈搏波的血流動力學成因進行了分析,其中指出,心臟收縮擴張產(chǎn)生的動脈血壓和血流量波動沿動脈網(wǎng)絡(luò)向遠心端傳輸,并在遇到血管截面積變化、血管分枝及血管彈性變化處形成反射,入射波和反射波的疊加形成脈搏波的實際波形。因此,脈象的形成是心臟工作狀態(tài)、血管的彈性、血流的粘度以及脈搏波在動脈網(wǎng)絡(luò)中的傳輸與反射諸方面因素疊加而形成的。當前關(guān)于脈象形成機理的研究基本上承襲了這一觀點。燕海霞等[8]提出中醫(yī)脈診獲得的脈象或脈圖就是現(xiàn)代醫(yī)學中的脈搏波,而現(xiàn)代醫(yī)學中的脈搏波波速和增益指數(shù)(即脈搏波反射造成的血壓峰值增加情況)等指標具有明確的臨床意義。閆偉等[9]概括了血液流動和脈搏波對脈象的影響,認為脈搏波波速、脈搏波增益指數(shù)、血管的生理參數(shù)、血液粘性等對脈象成因有重要作用。郭睿等[10]認為脈搏波的波速和反射系數(shù)直接與血管彈性、血液黏度、外周阻力等生理參數(shù)相關(guān),所以波速和反射系數(shù)可視為具有生理、病理意義的脈象特征,用于脈象的識別。王禮立等[11]分析了脈搏波與中醫(yī)脈象的關(guān)系,進一步提出無反射波的狀態(tài)是能量消耗最少的狀態(tài),健康人的脈搏波中無反射波,相當于中醫(yī)的陰陽平衡、氣血和諧狀態(tài),而出現(xiàn)反射波則是某種病態(tài)的表現(xiàn)。王禮立等[11]的觀點有一定合理性,但可能對脈搏波反射問題的理解不夠全面。實際上人體的動脈網(wǎng)絡(luò)存在低頻特性,對不同頻率的血壓、血流信號存在不同的反射效果,對高頻信號基本上無反射但是對低頻信號存在反射[2,12]。

除了上述的脈象機理研究,還有一些新穎的觀點在現(xiàn)代脈診學研究領(lǐng)域有一定影響?，F(xiàn)代血流動力學研究認為脈搏波是在動脈網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)男胁╗2,12],這種理論對傳統(tǒng)脈診理論中寸關(guān)尺部的臟腑配位難以進行解釋,于是有研究者提出脈搏波在動脈血管中是以駐波的形式存在的[13-14],而寸關(guān)尺部分別位于駐波的不同振幅點,所以存在脈象上的差異。該觀點最早曾于1939年由Hamilton提出[15],但受到了權(quán)威專家的駁斥[16]。近年來國內(nèi)學者再次提出此觀點[13-14],并再次被其他研究者基于駐波的產(chǎn)生條件予以反駁[17-18]。有研究者用傳感器測量了動脈不同位置處的脈搏波波形,發(fā)現(xiàn)遠心端的波形總是晚于近心端而出現(xiàn)[12],這說明脈搏波的傳輸是由近心端向遠心端推進的,是明顯的行波現(xiàn)象,并非駐波。

另一個比較新穎的觀點是關(guān)于脈搏波的不同頻率分量和人體各臟腑的功能狀態(tài)存在一一對應關(guān)系[19]。該觀點認為,人體測得的脈搏波其頻譜是由前十二個頻率分量所支配的,它們分別對應于人體十二經(jīng)絡(luò)中的一個,分析這十二個頻率分量各自的幅值并與標準參考值相對照,就能得知相應經(jīng)絡(luò)的功能盛衰和受診者的臟腑虛實。對此觀點的否定意見認為,主流文獻公認人體脈搏波的頻譜中能量比較顯著的頻率分量在八至十個之間,并且隨著受測人的健康狀況出現(xiàn)變化[20],并非如上面所主張的是十二個。此外,人體各器官都存在多個特征頻率和多個振動模態(tài)[21],即使脈搏波頻譜中前十二個頻率分量都比較有影響,也無法確保每一個頻率分量恰好對應著某個特定的經(jīng)絡(luò)和器官,而不會混雜有別的經(jīng)絡(luò)和器官的信息?；旧?關(guān)于脈搏波的不同頻率分量和人體各臟腑存在獨立對應關(guān)系的觀點[19]還只是一種假說,至今還沒有令人信服的理論或?qū)嶒炞C據(jù)予以支持。

還有研究指出,中醫(yī)對于脈象的描述是指切脈時脈搏波變化在診脈者頭腦中所形成的主觀感受,并非寸口處的脈搏波本身。血管中脈搏波狀態(tài)僅僅是形成真實脈象認識的原始資料和信息,這些原始資料經(jīng)由診脈者的觸覺感知和運用脈學理論進行判斷這些必要的信息處理環(huán)節(jié),才最終在診脈者的頭腦中建立起用于診斷的脈象認識[22]。脈搏波是動脈中客觀存在的物理運動現(xiàn)象,而脈象是診脈者頭腦中形成的主觀感受和印象。診脈者的觸覺感知靈敏度不同,切脈操作手法不同,對脈學理論的理解不同,最終在頭腦中所形成的脈象認識就會隨之不同?；诖擞^點,研究者還進一步建立了觸覺感知存在閾值特性的數(shù)學模型,通過頻域信號處理,推演了同樣的脈搏波在寸關(guān)尺三部因為觸診差別而形成的毛、弦、石不同脈象的過程[22]。該研究指出了脈象與脈搏波之間的差異,提醒研究者注意主客觀感知之間的差別。這些認識和結(jié)論進一步豐富了脈學研究的內(nèi)容,值得中醫(yī)科研工作者參考。

3 脈象的數(shù)學建模研究

數(shù)學建模仿真作為一種在工程上成熟的研究工具,在醫(yī)學和生物醫(yī)學工程領(lǐng)域發(fā)揮了重要作用。當前也有很多采用數(shù)學建模研究中醫(yī)脈象的工作。相關(guān)的數(shù)學建模大致可以分為基于實驗觀測數(shù)據(jù)的統(tǒng)計學建模和基于心血管系統(tǒng)動力學機理的動力學建模。前者類似于普通的醫(yī)學統(tǒng)計分析,這里不作討論。后者主要是運用流體力學原理分析心血管系統(tǒng)的動脈血流狀態(tài),推導出支配流動現(xiàn)象的數(shù)學模型,然后求解模型以得到定量化精確化描述血流狀態(tài)的結(jié)果,由此分析脈象的成因及其在不同生理病理條件下的特征及變化,用于輔助臨床診療實踐。

血流動力學中關(guān)于動脈血流的數(shù)學模型包含多維度多層次的豐富內(nèi)容,文獻[23-24]對此進行了很好的歸納和介紹。中醫(yī)脈診研究中使用了一部分這類模型。用于脈象研究的血流動力學數(shù)學模型基本上可以分為兩類:集中參數(shù)模型和分布參數(shù)模型。集中參數(shù)模型將不同血管段作為彼此連接的單元,考慮每段血管的整體流阻效應、血管彈性效應和血流慣性效應,基于電液比擬的思想構(gòu)建所研究的血管網(wǎng)絡(luò)的等效電路,求解得出各血管段內(nèi)的血壓和血流量變化,由此分析脈象成因和變化[23]。費兆馥[1]從脈診研究的角度對動脈的彈性腔模型進行了介紹。龔安特等[25]推導了動脈的三自由度振動系統(tǒng)模型,并用以研究脈象的浮沉表現(xiàn)。鄧原成等[26]用雙彈性腔模型模擬主動脈的血流響應,將其作為橈動脈血流和血壓狀況的近似,用以研究疾病情況和運動前后的脈象變化。白凈等[27-28]基于包含全身主要血管段的心血管系統(tǒng)詳細模型,模擬了橈動脈寸關(guān)尺部的脈搏波響應。王學民等[29]構(gòu)建了考慮寸關(guān)尺部的流阻、慣性及血管壁彈性效應的寸口處血流動力學模型,用于分析尺、寸部流阻和慣性改變對寸口處血壓波形的影響。徐克等[30]構(gòu)建了考慮流阻和慣性效應,但是忽略了血管彈性效應的動脈網(wǎng)絡(luò)模型,用以分析動脈分支末端的流阻變化對主動脈和橈動脈血壓的影響。

集中參數(shù)模型將每個血管段內(nèi)的血壓和血流量用其單元平均值來描述,不能揭示血管段內(nèi)部不同位置點的血壓和血流量變化。分布參數(shù)模型中,每段血管沿流動方向被順序劃分為不同剖面,基于質(zhì)量守恒原理、動量守恒原理以及血管壁的材料特性構(gòu)建控制方程式,并結(jié)合上下游的邊界條件求解得到各血管段內(nèi)部的血流變量空間分布及其隨時間的變化[23-24],這類模型尤其適合于描述脈搏波沿動脈傳輸?shù)倪^程及其反射情況。蔡肖等[31]用動脈網(wǎng)絡(luò)的傳輸線分布參數(shù)模型分析了外周流阻變化對橈動脈血壓和血流量波形的影響。為了提高模擬研究的精度,還有研究者在血管壁材料特性之外,進一步考慮了血管壁運動的慣性[32-34]、以及同時考慮沿血管的軸向和徑向的血流狀態(tài)變化[32-33,35-36]。實際上,從脈搏波研究的角度看,動脈血流的主要變化發(fā)生在軸向,而徑向變化對模擬結(jié)果的精度提升有限,所以在脈象研究中基本上可以忽略徑向因素的影響。

研究者普遍認為脈象是由橈動脈寸口處的血流動力學響應所決定的,但是有少數(shù)研究者[37-39]認為脈象的成因是寸口處血管壁的運動而不是血流響應?；谠撚^點,袁凡和吳望一[38-39]構(gòu)建了粘彈性簡支梁模型來模擬血管的徑向位移振動,用以解釋浮脈和沉脈的產(chǎn)生機制。吳望一等[40]在簡支梁模型上考慮了切脈指力的影響,計算了浮中沉三種情況下梁的位移以解釋不同脈位的脈象。這些研究者也承認,由于血管壁運動和血流響應之間的緊密關(guān)系,二者的效果實際上是一致的。我們認為,考慮到相關(guān)計算的復雜度比較,還是從血流動力學角度來分析脈象更合算。

上述的數(shù)學模型研究主要關(guān)注于各種生理病理變化對脈象的影響,除一例外都沒有考慮診脈過程中切脈作用對患者寸口動脈血流的影響[40]。實際上切脈過程對血管中血流的干預是產(chǎn)生不同脈象的重要因素之一,所以對脈象的模擬不能忽略對切脈作用的描述。為此,有研究者[41]構(gòu)建了橈動脈血流動力學的頻域模型,推導了血流特征量(包括寸口處的血流摩擦損失、橈動脈血流動態(tài)響應的自然頻率和阻尼比等)隨切脈深度而變化的定量關(guān)系,以評估切脈對橈動脈血流動態(tài)的影響。此外,有研究者[22]構(gòu)造了脈診中觸覺感知的初步模型,并應用該模型模擬了診脈時不同切脈指力下產(chǎn)生的脈象變化。模擬所得的寸關(guān)尺部輕取、中取、重取的脈象很好地符合了傳統(tǒng)中醫(yī)理論中對于各部脈象特征的論述,從而對中醫(yī)的寸口脈臟腑配位學說進行了初步解釋。

4 當前研究存在的問題及未來方向

上述這些研究從現(xiàn)代科學的角度認識和理解傳統(tǒng)的中醫(yī)脈學理論,為開展醫(yī)工結(jié)合研究中醫(yī)藥提供了良好的示范,豐富了我們對于傳統(tǒng)理論的認知,為我們深入認識脈象的物理機理并將其用于指導臨床實踐提供了有益的指導。同時也要看到,目前該領(lǐng)域的工作還存在著一些問題,需要我們注意和改進。

4.1脈象的工程學研究是一個交叉學科問題 開展該領(lǐng)域的工作,從中醫(yī)的方面既需要對中醫(yī)基礎(chǔ)理論尤其是脈學理論的全面深入理解,還需要豐富的臨床實踐經(jīng)驗尤其是對脈診實際操作的熟練掌握;從相關(guān)工程學研究的角度,則需要流體力學、生物力學、控制系統(tǒng)、信號處理、數(shù)學建模、數(shù)值分析、計算機仿真等學科的知識和技能。只有中醫(yī)研究者和工程師、科學家之間進行深入而緊密的交流與配合,才能優(yōu)勢互補順利推進研究工作。當前這方面合作還明顯不足,導致研究工作中存在一定程度的問題。比如,有進行脈象研究的學者認為動脈血流中壓力波是徑向的波動,而速度波是軸向張縮,速度波是血液的流動造成的,且與血流的方向是一致的,只要沒有阻斷血流,速度波肯定存在[42]。該觀點屬于對物理概念的理解偏差。血流動力學研究[2,7]已經(jīng)證明動脈血流中壓力波并非只是徑向傳輸,而速度波也并非僅軸向傳輸,速度波的方向可以和血流的方向不一致,而未受擾動的恒定血流中不存在速度波。今后的工作中,中醫(yī)和工程研究者雙方需要進一步互相學習和加強討論,以減少因為概念理解偏差造成的失誤。

4.2需要加強對中醫(yī)脈學中基礎(chǔ)性重要問題的研究 中醫(yī)脈學的基礎(chǔ)性問題包括寸口處三部脈象的臟腑配位以及脈學理論中描述的各種病理情況下三部脈象的特定具體表現(xiàn),這是決定中醫(yī)脈診的有效性和可靠性的基礎(chǔ)。中醫(yī)學文獻和臨床實踐對這方面內(nèi)容已經(jīng)有豐富的描述。但是,目前應用工程學研究脈診的工作基本上專注于采集不同病人的脈搏波波形進行分析以尋找波形的特征變化,以及調(diào)整數(shù)學模型的參數(shù)以觀察所產(chǎn)生的脈搏波波形變化。這些工作的挑戰(zhàn)性和實際意義不是很大,可以看作是為解決上述基礎(chǔ)性問題所做的準備工作和前期訓練,距離解決基礎(chǔ)性問題還有很長的路要走。

4.3需要加強對科學研究進展的跟蹤和學習 目前的脈象研究中應用的血流動力學分析方法還以早期的波形采集觀察和較簡單的數(shù)學建模為主,一些脈診儀類產(chǎn)品中應用了人工智能等現(xiàn)代科學新技術(shù)但多限于脈搏波波形的基本鑒別。領(lǐng)域內(nèi)的研究者對于新進展新技術(shù)的掌握存在較大滯后。比如,將脈搏波視為駐波的觀點能夠一再被提出,就說明本領(lǐng)域內(nèi)對文獻報道和研究進展的忽略是一個較大范圍的現(xiàn)象。同時,也要認識到血流動力學只是用于分析脈象的研究工具之一,有其自身的局限性和適用范圍,并不能解決脈象研究中的所有問題。脈象研究除了分析血流的因素外,還需要考慮中醫(yī)所說的氣和神的作用,而這些都需要更廣泛的學科知識如神經(jīng)生理學、認知心理學等的支撐。今后還應該大力加強對于建模仿真、人工智能、大數(shù)據(jù)分析、數(shù)字虛擬技術(shù)等新興學科的學習并將其充分應用于脈象的研究,促進中醫(yī)診療技術(shù)的升級。

醫(yī)工結(jié)合研究對于我們深入認識脈象的物理機理做出了重要的貢獻。同時,我們也認識到當前這方面研究中存在的不足。出現(xiàn)上述這些問題,其原因在于當前我們進行醫(yī)工結(jié)合研究的力度和深度還很欠缺,對科學和工程新技術(shù)的掌握和使用還很有限。后續(xù)研究中需要堅持交叉學科研究的方向,針對性地提高研究人員的跨學科知識素養(yǎng),進一步倡導以更嚴謹?shù)目茖W態(tài)度分析和解決學術(shù)問題。正確的方向加上不懈的努力,中醫(yī)診療技術(shù)領(lǐng)域必將迎來革命性的飛躍。