基于柔性壓力傳感器的手套式脈診傳感裝置的設(shè)計(jì)

趙俊毅

（解放軍總醫(yī)院第一醫(yī)學(xué)中心，北京 100853）

0 引言

中醫(yī)在我國(guó)經(jīng)歷了2000 多年的發(fā)展，形成了獨(dú)立于西醫(yī)的診斷和治療體系。其中，脈象診斷屬于中醫(yī)“望聞問(wèn)切”四診中切診的一部分，也是中醫(yī)診斷中最常用并且最具有代表性的方法[1-6]。醫(yī)生通過(guò)其手指對(duì)患者身體某些特定部位的動(dòng)脈（如寸、關(guān)、尺）進(jìn)行切按來(lái)感受脈象，由此診斷疾病并指導(dǎo)預(yù)后康復(fù)[6-9]?，F(xiàn)代脈學(xué)理論通常將人指尖感受到的脈象信息分解為脈位、脈力、脈率、脈律、脈寬、脈長(zhǎng)、流利度和緊張度8 個(gè)維度特征，通過(guò)分析這8 個(gè)維度的信息來(lái)識(shí)別中醫(yī)常見(jiàn)的28 脈[10-12]。其中脈力和脈率是脈診中最常用和最重要的脈象信息，也是進(jìn)行脈象客觀化、定量化中必須準(zhǔn)確檢測(cè)到的主要信息[13]。但是中醫(yī)脈診本身具有“脈理精要，其體難辨”的特性，難免使其陷入“在心易了，指下難明”的困境[7，14-15]。因此，研究人員試圖將脈搏波和脈象信息進(jìn)行準(zhǔn)確的記錄與客觀化描述。英國(guó)的Marey 最早設(shè)計(jì)出了以彈簧為動(dòng)力的杠桿式脈搏傳感器，并記錄了橈動(dòng)脈的脈搏波[16-17]。但是西醫(yī)中的脈搏波與中醫(yī)的脈象有巨大區(qū)別，主要表現(xiàn)為中醫(yī)對(duì)脈象信息的需求更高，所要獲得的信息更多。從20 世紀(jì)50 年代起，我國(guó)的科技工作者就致力于研究脈診客觀化以及探究脈象的本質(zhì)特征，他們通過(guò)建立特征模型、構(gòu)造血流動(dòng)力學(xué)方程和繪制脈象圖等方式進(jìn)行分析研究，在脈象的形成機(jī)制及生理病理意義等方面取得了一些有益的成果[18-19]。然而現(xiàn)在大多數(shù)的脈象儀存在種類大同小異的局限。目前商用脈象儀可分為探頭式、壓力式或結(jié)合虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的頭戴式等款式[20]。例如王貽俊等[21]基于單頭式壓力傳感器設(shè)計(jì)的MXY-Ⅱ型脈象儀，將傳感器固定在手腕上，通過(guò)螺桿進(jìn)行壓力調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)脈象檢測(cè)。魏守水等[22]設(shè)計(jì)了由脈診傳感器、低噪放大板和USB 數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)組成的脈診儀，實(shí)現(xiàn)了脈象的實(shí)時(shí)檢測(cè)。湯偉昌等[23]利用雙頭式壓力傳感器獲取血管徑向搏動(dòng)力、軸向張力、血管等效硬度等力學(xué)指標(biāo)，實(shí)現(xiàn)脈象檢測(cè)。但這些脈象儀共同的局限性在于其傳感器質(zhì)地都較為堅(jiān)硬，無(wú)法貼合在醫(yī)生手指上，難以實(shí)現(xiàn)醫(yī)生脈診和脈象儀檢測(cè)的聯(lián)合運(yùn)用。

為突破這一技術(shù)瓶頸，本文采用微納加工技術(shù)、柔性電子技術(shù)、集成電路技術(shù)和傳感檢測(cè)等技術(shù)設(shè)計(jì)基于柔性壓力傳感器的手套式脈診傳感裝置（以下簡(jiǎn)稱“脈診傳感裝置”），用于客觀記錄中醫(yī)醫(yī)生在脈診過(guò)程中的脈象信息，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)中醫(yī)脈診的解讀。該裝置基于脈象理論，通過(guò)柔性壓力傳感器和便攜式電阻檢測(cè)裝置對(duì)手腕處寸、關(guān)、尺3 處的脈象進(jìn)行記錄，并通過(guò)數(shù)據(jù)建模將所得到的3 處脈象信息進(jìn)行整理分析，最終提取出脈力、脈率等中醫(yī)脈象理論的多維度信息。因此，使用該裝置可以準(zhǔn)確地測(cè)量出符合中醫(yī)診斷的脈象數(shù)據(jù)。

1 脈診傳感裝置的設(shè)計(jì)

1.1 脈診傳感裝置整體設(shè)計(jì)

脈診傳感裝置由便攜式電阻檢測(cè)裝置與封裝有柔性壓力傳感器的手套組成（如圖1 所示）。其中柔性傳感器的壓力傳感元件由金納米線構(gòu)成，而金納米線使用氯金酸、油胺和三異丙基硅烷制備得到。在手套外側(cè)的食指、中指、無(wú)名指上分別安裝3 個(gè)柔性壓力傳感器，用于采集脈搏波。搭建的便攜式電阻檢測(cè)裝置可以實(shí)現(xiàn)對(duì)柔性壓力傳感器阻抗變化的實(shí)時(shí)精確測(cè)量。該裝置有3 個(gè)數(shù)據(jù)采集口，用于采集位于寸、關(guān)、尺3 處的壓力傳感器上的電阻信號(hào)。

圖1 脈診傳感裝置結(jié)構(gòu)框圖

1.2 封裝有柔性壓力傳感器的手套設(shè)計(jì)

首先，制備用于壓力傳感器敏感元件的金納米線。具體如下：（1）將氯金酸溶于含有油胺的己烷中，待氯金酸完全溶解后加入裝有三異丙基硅烷的燒杯中；（2）將燒杯封口并在室溫中反應(yīng)用于制備金納米線；（3）將制備好的金納米線溶液倒入離心管中，加入乙醇，用離心機(jī)離心沉淀后將離心管中的清液倒至廢液缸中，加入3 mL 己烷，沖洗試管壁至金納米線完全溶解并加入乙醇離心；（4）加入1 mL 的己烷沖洗試管至金納米線完全溶解；（5）加入氯仿保存于棕色瓶中并封口。

其次，采用激光直寫光刻的方式在柔性膜上完成叉指電極的設(shè)計(jì)。通過(guò)設(shè)計(jì)不同的光刻結(jié)構(gòu)來(lái)驗(yàn)證不同尺寸的叉指間距對(duì)于敏感元件特性輸出的影響，用于優(yōu)化柔性膜上叉指的特性，以便找到最優(yōu)的結(jié)構(gòu)和最佳合成條件。

然后，將刻有叉指電極的柔性膜放入金納米線溶液，等待2 s 后取出，待晾干后再浸入，反復(fù)多次制成基于金納米線的柔性壓力敏感元件。通過(guò)顯微鏡下觀察，可以看到柔性膜上形成了納米線網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。使用Plasma 等離子清洗機(jī)對(duì)敏感元件和電極進(jìn)行清洗，完成封裝后，實(shí)現(xiàn)柔性壓力傳感器的制備。最終按金納米線溶液和柔性膜的質(zhì)量比為10∶1 的比例進(jìn)行混合后制成柔性壓力傳感器，其楊氏模量接近金納米線組成的壓力敏感元件，從而使金納米線和柔性膜上的叉指電極兩者之間得到更好的拉伸契合度。柔性壓力傳感器通過(guò)連接口與電阻檢測(cè)裝置的數(shù)據(jù)采集口電氣連接，用于采集壓力傳感器上的電阻信號(hào)。

最后，將柔性壓力傳感器貼敷于手套上（如圖2所示），與便攜式電阻檢測(cè)裝置一起構(gòu)成基于柔性壓力傳感器的手套式脈診傳感裝置，用于中醫(yī)脈象的測(cè)試。

圖2 封裝有柔性壓力傳感器的手套示意圖

1.3 便攜式電阻檢測(cè)裝置設(shè)計(jì)

基于集成電路技術(shù)，搭建一個(gè)可以實(shí)時(shí)檢測(cè)阻抗的便攜式電阻檢測(cè)裝置，用于測(cè)量柔性壓力傳感器的電阻變化。便攜式電阻檢測(cè)裝置由單片機(jī)、電源管理模塊、AD7793 阻抗測(cè)試模塊、藍(lán)牙通信模塊、濾波模塊和外圍電路組成。其中單片機(jī)采用MSP430 芯片來(lái)控制外圍測(cè)量電路和傳輸信號(hào)。選取AD7793 芯片及其他基礎(chǔ)電子元件制作測(cè)量電路。AD7793 是多通道、低噪聲、低功耗的阻抗測(cè)試芯片，內(nèi)置片內(nèi)儀表放大器和基準(zhǔn)電壓源，是一種目前市場(chǎng)上較為成熟的阻抗測(cè)量解決方案。MSP430 控制AD7793 和藍(lán)牙芯片，用I/O 口轉(zhuǎn)SPI 的方式從AD7793 接收待測(cè)電阻兩端電壓的數(shù)字信號(hào)，通過(guò)單片機(jī)串口將信號(hào)傳輸?shù)剿{(lán)牙芯片發(fā)送到上位機(jī)進(jìn)行脈象信號(hào)的數(shù)據(jù)處理。脈搏信號(hào)的頻率大多在0.2～4.0 Hz 之間，因此可以認(rèn)定在這個(gè)頻率范圍之外的信號(hào)為干擾噪聲，所以在軟件中加入一個(gè)帶通濾波器來(lái)濾除干擾噪聲對(duì)檢測(cè)造成的影響，這個(gè)帶通濾波器也可以消除工頻干擾對(duì)測(cè)試造成的影響。在脈搏數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)后，可以對(duì)脈搏數(shù)據(jù)進(jìn)行傅里葉變換方便數(shù)據(jù)深層次挖掘。

2 使用方法

中醫(yī)醫(yī)生通過(guò)戴上封裝有柔性壓力傳感器的手套并按壓患者寸、關(guān)、尺3 個(gè)部位，從而獲得3 個(gè)部位的脈搏信號(hào)。封裝有柔性壓力傳感器的手套與便攜式電阻檢測(cè)裝置進(jìn)行電氣連接后，與上位機(jī)通過(guò)藍(lán)牙連接，醫(yī)生可以實(shí)時(shí)地觀測(cè)脈搏波波形，并在上位機(jī)上記錄數(shù)據(jù)、保存診斷信息。如圖2 所示，圖中橘色圓圈代表柔性壓力傳感器放置位置，為保證得到精確的數(shù)據(jù)，將柔性壓力傳感器的傳感部分放在手套外側(cè)。此外，便攜式電阻檢測(cè)裝置需要使用電池供電或者USB 連接供電，若使用USB 連接供電，數(shù)據(jù)可以直接通過(guò)USB 接口傳輸?shù)缴衔粰C(jī)中。

3 驗(yàn)證與測(cè)試

3.1 性能驗(yàn)證

以寸處的脈象檢測(cè)結(jié)果為例，驗(yàn)證脈診傳感裝置用于脈象檢測(cè)的可行性。圖3 為脈診傳感裝置檢測(cè)到的手腕處的脈搏信號(hào)，從信號(hào)中可以明顯地獲取脈搏波的脈力（最大電阻響應(yīng)與最小電阻響應(yīng)的差值為500 Ω 左右）和脈率（5 s 內(nèi)有7 次脈搏波信號(hào)）。波形信號(hào)相對(duì)穩(wěn)定在一定的范圍內(nèi)，證明脈診傳感裝置可以有效地檢測(cè)脈搏波信號(hào)，進(jìn)而可以用于后續(xù)的測(cè)試。

圖3 脈診傳感裝置檢測(cè)結(jié)果

為了比較脈診傳感裝置的性能和脈搏波記錄儀的差別，同時(shí)使用本文設(shè)計(jì)的脈診傳感裝置和脈搏波記錄儀對(duì)同一個(gè)志愿者的左右手進(jìn)行測(cè)試。由同一時(shí)間段志愿者左右手的脈搏波和脈象測(cè)試結(jié)果（如圖4 所示）可以看到相似的脈搏波信號(hào)，脈搏波與脈象在時(shí)間上相差50 ms 左右，這可能是由傳感器響應(yīng)速度不同造成的。而在波形方面，相比于脈搏波記錄儀，柔性壓力傳感器在一個(gè)脈搏中檢測(cè)到了多個(gè)波峰和波谷信號(hào)，表明柔性壓力傳感器檢測(cè)到的信號(hào)更準(zhǔn)確，這是由于納米材料的電信號(hào)響應(yīng)速度更快以及本文設(shè)計(jì)的脈診傳感裝置的采樣率更高。

圖4 脈診傳感裝置檢測(cè)結(jié)果與脈搏波記錄儀檢測(cè)結(jié)果對(duì)比圖

由于便攜式電阻檢測(cè)裝置中不僅設(shè)置了濾波電路，還在軟件中加入了濾波程序，因此可以對(duì)脈象信息進(jìn)行實(shí)時(shí)處理。同時(shí)便攜式電阻檢測(cè)裝置還為不同環(huán)境和不同場(chǎng)合的脈象采集設(shè)計(jì)了穩(wěn)定的線路接口（USB 接口和藍(lán)牙接口），使采集到的數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)確。此外，便攜式電阻檢測(cè)裝置設(shè)計(jì)了鋰電池充放電電路，提高了脈診傳感裝置的續(xù)航時(shí)間。上述檢測(cè)結(jié)果中，便攜式電阻檢測(cè)裝置在測(cè)試時(shí)間準(zhǔn)確度方面與脈搏波記錄儀相差小于6%。此外，通過(guò)在硬件電路上設(shè)計(jì)濾波電路，結(jié)合基于納米材料的柔性壓力傳感器，使采集到的信號(hào)更加豐富，為后續(xù)的數(shù)據(jù)分析提供了基礎(chǔ)。

3.2 脈象測(cè)試

在性能驗(yàn)證后，使用脈診傳感裝置進(jìn)行脈象測(cè)試。中醫(yī)醫(yī)生首先戴上脈診傳感裝置切按寸處10 s感受脈象，隨后停止按壓，保證柔性壓力傳感器可以穩(wěn)定地檢測(cè)到脈象即可，檢測(cè)結(jié)果如圖5 所示。根據(jù)中醫(yī)醫(yī)生的診斷，該脈象為典型的數(shù)脈和沉脈，即“脈來(lái)急速”和“輕取不應(yīng)，重按始得”。根據(jù)檢測(cè)結(jié)果，可以推算出脈診傳感裝置檢測(cè)的脈率為每分鐘114～115 次，即為數(shù)脈。而基準(zhǔn)電阻響應(yīng)較高為52400 Ω 左右，證明需要在手腕處施加較強(qiáng)的壓力才能檢測(cè)到脈象信號(hào)，所以可以認(rèn)定為沉脈，所得到的檢測(cè)結(jié)果與中醫(yī)醫(yī)生的診斷相同。

圖5 脈診傳感裝置對(duì)于數(shù)脈的檢測(cè)結(jié)果

綜上所述，本裝置與脈搏波記錄儀相比，其檢測(cè)靈敏度更高，在測(cè)試時(shí)間準(zhǔn)確度方面相差小于6%，因此可以用于中醫(yī)脈象的檢測(cè)；根據(jù)理論計(jì)算，本裝置可以持續(xù)工作8 h 左右；采用微納加工制備的柔性壓力傳感器，便于脈象檢測(cè)分析。此外，由于傳感器本身納米材料高電信號(hào)響應(yīng)和檢測(cè)裝置高采樣率對(duì)信號(hào)采集的增強(qiáng)，進(jìn)一步提高了脈象檢測(cè)結(jié)果的精度和準(zhǔn)確度，使得脈象信息更加豐富。

4 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的手套式脈診傳感裝置通過(guò)微納加工技術(shù)、電子技術(shù)和微機(jī)控制等技術(shù)將傳感裝置集成化，使其具有便攜化與小型化的優(yōu)勢(shì)。將儀器檢測(cè)結(jié)果和中醫(yī)檢測(cè)結(jié)果相結(jié)合，最終使得該裝置可以用于提取基于中醫(yī)脈象理論的信息。與脈搏波記錄儀相比，手套式脈診傳感裝置可以準(zhǔn)確地提取出多維度的脈象信息[20-23]。這是由于納米材料對(duì)于電阻信號(hào)響應(yīng)更靈敏和檢測(cè)裝置的高采樣率等原因，使得檢測(cè)精度和靈敏度有了一定的提升。但是，制備納米傳感器的過(guò)程中無(wú)法標(biāo)準(zhǔn)化以及納米材料穩(wěn)定性差，導(dǎo)致多個(gè)傳感器的檢測(cè)結(jié)果的可重復(fù)性和長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定性相對(duì)較差，后續(xù)可以調(diào)整納米傳感器的制備工藝，增強(qiáng)可重復(fù)性。隨著中醫(yī)客觀化和數(shù)字化研究的不斷深入，手套式脈診傳感裝置能深入到家庭使用當(dāng)中，通過(guò)將患者每次的脈象進(jìn)行記錄，為中醫(yī)醫(yī)生了解患者病情的發(fā)展和預(yù)后提供客觀化、定量化的依據(jù)，輔助醫(yī)生對(duì)脈象的長(zhǎng)期變化進(jìn)行判斷。同時(shí)，為科研人員與醫(yī)生提供便攜式設(shè)備，消除脈象采集的場(chǎng)地限制和設(shè)備限制，為廣泛采集脈象信息奠定基礎(chǔ)。

本裝置下一步的研究重點(diǎn)是臨床應(yīng)用，通過(guò)在臨床中得到驗(yàn)證，形成“研發(fā)—臨床應(yīng)用—再研發(fā)—再臨床應(yīng)用”的良性循環(huán)，避免儀器研發(fā)與臨床應(yīng)用以及推廣相脫節(jié)。