中醫脈診數字化研究進展及發展趨勢*

畢銳宇，趙云龍，朱梟龍，馬宇航，李家煒，張志東，薛晨陽

(中北大學儀器科學與動態測試教育部重點實驗室，山西 太原030051)

1 傳統中醫脈診研究

中醫歷史悠久，承載著中華民族的智慧和文化，經過幾千年的發展和沉淀，中醫理論被越來越多的國家認可。脈診的歷史最早可以追溯到商周時期，是傳統中醫臨床上判斷身體狀態和診斷病情的重要依據。據《史記》記載，扁鵲是最早使用脈診的中醫，在此之后，張仲景將“平脈辨證”確立為中醫診療原則，并使脈診逐漸傳播開來[1]。中醫脈診作為傳統中醫四診之一，素有“脈理精微，其體難辨”的特點，是傳統中醫四診中最難掌握的一種。傳統中醫理論認為脈搏體現了人體體內的氣血盈虧，經脈虛實以及臟腑盛衰，包含了豐富的病理信息[2]。根據現代生理學，脈象是動脈內血液、管壁運動所形成波的形態、強度、快慢等綜合信息的客觀反映[3]，其形成過程具有一定的科學性和客觀性[4－5]。脈診可以幫助中醫醫師了解患者體內各個器官的平衡情況，發現疾病，提早治療，即中醫上所說的“治未病”。因此，脈診具有很大的臨床意義和應用價值。

2 中醫脈診數字化研究進展

中醫脈診是通過手指對橈動脈的搏動情況進行感知，來判斷身體的健康狀態，得到中外人士的贊許和關注[6]。中醫脈診的許多推理和經驗有其合理和實用的一面，但傳統中醫太過強調其文化屬性，而未追求其科學屬性。在現代科學體系下，中醫還不被普遍認為是科學，傳統中醫遠不及西醫發展迅速和易被認可。另外，由于中醫水平的參差不齊導致越來越多的人對中醫治療疾病的有效性產生懷疑，使中醫受到諸多非議，導致中醫發展陷入困境。因此，脈診數字化對中醫的繼承與發揚有著重要的意義[7]。

經過幾年的研究，中醫脈診數字化取得了一定的成果。中醫數字化醫療產業的蓬勃發展也加速了脈診數字化的進程(如圖1所示)。隨著科技不斷進步，脈診的數字化研究迎來重大的轉變[8]。數字化脈診不但擺脫了過去對于醫生主觀感受的依賴，而且促進了脈象信息的采集、處理、圖像表述和臨床驗證[9－10]。隨著科學技術的發展，高度集成的智能脈診儀逐漸取代了傳統的機械式設備，與人工智能的深度結合也使智慧中醫發展到一個新的高度[11－12]。數字化研究揭開了中醫脈診神秘的面紗，使脈診診斷更加科學和實用于臨床。

圖1 中醫智能醫療市場規模

3 脈搏傳感器及脈診儀研究進展

脈診數字化的基石在于脈搏信號的采集，高精度的脈搏信號采集要靠合適的脈搏傳感器來實現。脈診傳感器的合理設計會保證輸出信號的準確和真實，進而直接推動脈搏信號的分析和研究。

脈診傳感器的歷史最早可以追溯到1860年英國人Marey研制的彈簧杠桿式脈搏描記器，之后隨著電子技術的發展，各種脈搏傳感器層出不窮，總結起來，按照測量原理可以分為: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領域最常使用的傳感器，多見于可穿戴設備如智能手環，手表，手機等。其原理是通過光電信號在活體組織中的傳播與反射，實現血管容積變化的無創檢測。當發光單元發射光束照射到皮膚表面時，肌肉和血液分別反射和吸收光信號，由于脈搏跳動的影響，血管容積會發生變化，從而使反射器接收到的變化的信號。光電傳感器原理簡單，價格低，穩定性好，對檢測環境幾乎沒有要求，因此，被廣泛應用于商業領域。

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，設計的一種反射型PPG脈搏信號傳感器。他們對光在人體組織中的傳播方式展開研究，使用蒙特卡羅方法模擬光在人體多層介質中的傳播路徑，確定光源與傳感器間距以及獲取回波的最優波長，并應用發光二極管與LED陣列提高了采集信號的質量[13]。

在新型光電傳感器方面，Huang設計了一種基于新型超窄間隙非富勒烯受體的近紅外光有機光電探測器，通過有效地延遲空間電荷限制電流的開始并抑制分流漏電流，使傳感器的響應速度在900 nm以上的近紅外光譜中超過了現有的所有機光電二極管。大大提高了光電脈搏傳感器的快速檢測響應能力[14]。

然而，使用光電容積傳感器進行測脈時，由于不同個體間年齡、性別、身高、體重、血壓、體脂率、血管彈性、血液粘稠度等指標各不相同，血液對光的吸收率也會受到影響，測量數據前需要針對每一個體進行校準，想要精確測量數據所需流程繁瑣。同時，光電式傳感器從原理上看不同于中醫觸診，其采集到的數據很難為中醫理論所用，因此，專業程度較高的中醫醫療器械一般不使用光電式傳感器檢測脈搏信號。

3.1.2 超聲脈搏傳感器

超聲傳感器在專業醫療領域應用廣泛，目前市場上的醫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，會因不同障礙物而產生不同回聲，通過特定儀器將回聲收集并加以分析，就可獲取物體內部結構信息，B型診斷儀也主要是基于該原理。D型(多普勒)診斷儀，也就是平時所見的彩超，其原理主要基于多普勒效應，當超聲波束遇到運動的血液時，產生多普勒效應，換能器接收反射信號，可以根據反射波頻率與發射波頻率的變化計算血流速度，反射波頻率的增大與減小判定血流方向，并通過相應技術將其圖像化。通過多普勒技術，實現對橈動脈可視化監視，借以分析橈動脈與皮膚間距、血管橫截面積與內徑、血液流速與阻搏動指數等血管與血液動態信息，實現脈診數字化[15]。

楊杰等人為實時跟蹤脈管脈搏三維動態顯示運動圖像，設計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，其結構原理如圖2所示。這種新型探頭能在橈動脈縱向、橫向、垂向三個方向調整定位取脈，并研制專用A/B型超聲波診斷儀對橈動脈進行成像，成功觀察到寸口橈動脈實時運動變化特征規律[16]。

圖2 B型超聲診斷儀

超聲診斷儀的使用大大提高了動脈血管檢測的準確度，而且實現了可視化。但是，中醫概念上的脈與動脈血管不同，僅僅以血管的信息表示脈搏波動不符合中醫診脈原理，無法與傳統中醫理論對照，而且超聲儀造價昂貴，很難實現普及。

3.1.3 傳統壓力脈搏傳感器

壓力脈搏傳感器是目前脈診儀中應用最廣泛、最成熟的傳感器之一，具有價格低廉，穩定性好，測量精度高等特點。傳統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微小形變帶來的壓力變化。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、結構簡單、可靠性好等特點，可以用于采集脈搏信號。

Edward研制的可以消除共模噪聲的壓電脈搏傳感器，通過在橈動脈軸向和偏離橈動脈處較小間距上設置兩個壓電晶體，分別用于1－脈沖采集和2－參考干擾信號采集，通過將脈沖信號減去干擾信號，最終獲取平穩的脈搏信號[17]。但是，由于其無法測量恒定壓力，所以在用于脈搏波采集的過程中無法測量靜態基礎壓力。

②電容式傳感器，其原理是通過形變引起敏感元件的電容值變化，來反映壓力的變化。具有動態響應好，驅動能量低，適用環境廣等優點。Boutry研制的彈性電介質的可變電容器柔性生物可降解壓力傳感器陣列，可以穩定采集脈搏數據，輸出的標準偏差小于1%，采集的脈搏波用于評估人體健康狀態[18]。

③壓阻式傳感器，一般利用壓敏材料的壓阻效應結合MEMS工藝制成。其工藝非常成熟，具有精度高，穩定性好，價格低廉等優點，被廣泛應用在各個領域。目前，傳統壓阻式傳感器在脈搏信號檢測方面的研究主要集中在小型化和多功能集成上，通過多個傳感器的協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脈搏，可以同時檢測多個位置的脈搏信號，并根據不同傳感器獲取的不同信號計算出脈長，脈寬，流速等多種信息，實現了多功能脈診[19]。Jin通過將壓阻傳感器集成在氣泵上，實現了不同壓力下的脈搏信號采集，與中醫診脈的過程很接近[20]。

總的來說，壓力傳感器價格低廉，穩定性好，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，這與中醫診脈的過程相似，適合專業醫療使用。然而，剛性傳感器與人體皮膚貼合性差，間隙在脈搏采集過程中會產生干擾，嚴重影響采集精度，是目前亟需解決的問題。

3.1.4 柔性壓力脈搏傳感器

柔性壓力傳感器是近年來傳感器領域的研究熱點，相比傳統剛性壓力傳感器具有輕薄，透明，拉伸性好等特點，可以很好的與人體皮膚貼合，因此被廣泛應用于人體生理信號的監測當中。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生形變，導致自身電導率發生變化，從而將壓力信號轉化為電信號。柔性壓阻式傳感器一般由襯底，壓敏材料，電極等部分構成，采用三明治結構，具有重量輕，體積小，可持續測量的優點。柔性壓阻式傳感器在可穿戴式設備中應用廣泛，具體到脈搏信號檢測中，基于其自身特點可以檢測不同外加壓力的脈搏信號和血壓。Guan Hao將天然硬質木材還原轉化為石墨烯材料，得益于其表面的凸起結構(如圖3(a)所示)，這種傳感器展現了良好的壓力檢測范圍，實現了空間壓力映射，可用于檢測不同狀態下的脈搏信號[22]。Yin He則從襯底材料入手，基于層次微孔PU＠CNT薄膜材料，開發出一種可呼吸的可穿戴傳感器，具有高透氣性，可用于脈搏信號長期監測[23]。

柔性電容式傳感器通過介電材料的形變來改變自身的電容值，一般由介電材料，電極和柔性材料構成多層結構，具有結構簡單，穩定性好，驅動電壓小等特點，可以被用于監測脈搏信號。Sudeep Sharma使用MXene復合納米支架設計了一種高靈敏度，超寬檢測范圍的可穿戴柔性電容式脈搏傳感器(如圖3(c)所示)，可以識別微小的脈動信號[24]。Young Jung報道了一種基于多孔三維結構的電容式傳感器，由于多孔結構良好的空間彈性，使其能在更大壓力范圍測量，同時保證了多次重復測量的一致性，可以用于脈搏信號的持續測量[25]。

柔性壓電式傳感器利用正電效應將壓力信號轉換為電信號。具體來說，一些壓電材料在發生形變時，內部正負電荷會向相反方向移動，在材料表面形成電性相反的感應電荷，可以通過外接負載的方式形成電流。柔性壓電傳感器一般選用有機共聚物作為壓電材料，具有耐久性好，力學穩定性強，可自供電等優點，在可穿戴設備領域有巨大應用前景。Moghadam在偏聚氟乙烯(PVDF)中加入微孔鋯基金屬有機框架，大幅提高了聚合物的壓電常數，從而設計出一種自供電脈搏傳感器，可用于長期監測[26]。Seongcheol Ahn通過三維紡織結構提升PVDF薄膜的壓電性能，用于放大脈搏傳感器的輸出信號，實現高精度脈搏檢測[27]。如圖3(b)所示，Nie J將柔性壓電材料包裹在木棒上，實現了仿手指脈搏信號采集[28]。

圖3 三種壓力傳感器結構

目前，柔性脈搏傳感器的研發方向主要有改變表面微結構以提升測量范圍，參雜不同材料與改性以提高靈敏度，改變襯底材料以適應不同使用環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的剛性壓力傳感器仍有很大差距，由柔性脈搏傳感器測得的脈搏信號在精度上還達不到病癥分析的要求，而且很難實現復雜的檢測方法，無法用于專業醫療領域。

總的來說，脈診傳感器的研究重點集中在技術層面，追求更高性能，與中醫實際結合不夠，光電傳感器與超聲傳感器從原理上與中醫觸診完全不同，所獲得的信號無法從中醫理論角度進行解釋，并不適合在專業醫療領域的脈診儀上使用。壓力傳感器從傳感方式上與中醫實際更加接近，適合中醫臨床使用。其中，柔性傳感器雖然是近年來可穿戴設備領域的研究熱點，具有良好的親膚性和拉伸性，但由于其一致性差，精度低，量程小等問題，目前還處在實驗室研究階段，無法商業應用和推廣，而且柔性傳感器無法在外加壓力下測量脈搏信號，無法模擬還原中醫診脈過程。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，但剛性傳感器材質較硬，與皮膚貼合程度低，采集到的脈搏信號依然不同于中醫的臨床感受，且由于形狀和材質的關系，在加壓的過程中會給患者帶來一定程度的不適感，不利于推廣。因此，在脈搏傳感器的選擇上應該同時具有剛性壓力傳感器和柔性壓力傳感器的優點，本研究團隊設計了以剛性壓力傳感器為敏感元件，柔性材料作為傳導介質的脈搏傳感器(如圖4所示)。

圖4 柔性耦合傳感器

3.2 脈診儀研制進展

隨著現代技術的發展，國內外對傳統中醫臨床診斷進行科學化、客觀化的研究。國內外學者通過對中醫診斷觀察研究，結合現代傳感技術、信息處理技術、計算機技術等，研制出不同特點的脈診儀。繼承傳統中醫脈診無創診斷的優勢，利用高精度傳感器和自動控制原理，結合機械結構裝置，實現對脈象數字化信息的采集和分析。

3.2.1 傳統機械脈診儀

傳統脈診儀大多采用機械結構，通過利用電機結構或液壓裝置驅動機械零件進行移動，存在移動順暢性差、機械結構復雜、操作不夠靈活等問題，無法根據人體腕部外形輪廓自動調整位置，與傳統中醫“三部九侯”脈診方法不符，用于判斷人體脈象不具有權威性。

5月，中國水務公司積極推動旗下上市公司錢江水利開展了非公開發行募投項目。錢江水利自2000年首發上市后，主要通過銀行貸款、發行債券等債務工具籌集發展所需資金。正處于發展關鍵階段的錢江水利，資本支出規模較大，依靠自有資金積累及銀行貸款難以完全滿足項目資金需求。而通過非公開發行，可以拓寬融資渠道，募集資金滿足項目建設需要，為公司實現跨越發展提供有力保障。募投項目投產后，公司的供水規模將顯著擴大，核心競爭力將迅速提升。

國外很早就開始對脈象進行數字化、客觀化的研究，剛開始階段研究人員主要通過彈簧杠桿機械結構對傳感器進行研究(如圖5(a)所示)，Vierordt使用杠桿和壓力鼓的結構，設計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]。進入20世紀50年代，研究人員開始將壓力傳感器、超聲傳感器等新型傳感器技術應用于脈診儀的研制中，Okada Teng采用新開發的壓電陶瓷傳感器來采集寸口位置脈搏波信號，可適用于監測浮、中、沉三種壓力的脈象信息，并用于臨床實驗中[30]。Shanren將半導體應變計貼在醫用膠片手套上，實時記錄中醫診脈手指部位的信息[31]。Rokuro使用光電管容積法，可進行橈動脈位置脈搏信息采集，并利用超聲儀對脈象信息進行驗證，得出了脈診部位有五行循環存在的結論[32]。

與此同時，國內開始相繼成立了交叉學科的脈象合作研究小組。天津醫療器械研究所利用平行懸臂梁的結構研制了MTY－A型脈圖儀，并提出了多因素脈圖識別法[33]。上海中醫藥大學研制的ZMH－I智能型脈象儀采用單探頭脈象換能器，實現脈象的采集、處理、存儲、顯示的功能，但是寸口位置單點采集方式，獲得的脈象信息不能完全匹配傳統中醫脈診[34]。浙江大學團隊模擬中醫脈診指法的關鍵，研制出了基于仿人手指觸感的多維脈象檢測系統[35]。研究人員還通過改變氣壓對脈搏采集位置進行垂直方向的移動，實現中醫“浮、中、沉”取脈方式[36]，但這只是中醫脈診方式的部分實現，不能完整模擬傳統中醫三指診斷。

3.2.2 智能脈診儀

根據中醫三指取脈原理設計的傳統機械結構脈診儀，不滿足中醫門派較多，診脈指法靈活多變，各不相同的需求。相比傳統脈診儀，現階段的研究主要是將人工智能、計算機技術、傳感器技術等先進技術與傳統中醫脈診理論相結合，以求多維、動態的獲取脈象信息，研制具有遠程診斷、便攜式、脈診復現等功能的新型智能脈診儀，實現脈搏信息的標準化、數字化和客觀化采集和脈象分析。

現階段研究使用傳感器陣列代替單個傳感器進行脈象采集研究(如圖5(b)所示)，Hu利用12個感測點的電容陣列傳感器探頭，以確定最佳的脈搏波采集位置，獲得更多橈動脈寸口位置的信息[37]。中醫遠程診斷系統的研究為中醫數字化、客觀化研究提供了新的思路，佘延超通過設計仿生指頭和仿生橈動脈皮膚，研制出了一種可實現脈搏波反演的遠程診斷系統，提高了中醫脈診的還原度[38]。王致遠利用音圈電機作為動作器，來實現醫生指法信號反演的功能，研制出了可自動對脈的中醫遠程脈診設備，一定程度上為實現中醫遠程診斷和復現奠定了基礎[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，面向專業醫療的脈診儀研發較少，市面上現有的脈診儀無論是傳統脈診儀還是智能脈診儀，大多都從脈搏波信號采集上入手，很少考慮中醫實際，導致采集到的數據很難為中醫理解，中醫無法從中獲取自己所需的信息，更無法依靠這些數據給出診斷，這樣的脈診儀自然無法得到中醫的認可，臨床應用也就無從談起了。因此，我們應該從中醫理論出發，仿照中醫脈診過程，設計一種類似于中醫觸診的仿生脈診儀，模仿中醫診脈指法，將得到的數據具象化，提取參數，使用中醫語言表達，使之成為中醫可以理解的概念，才能真正實現脈診數字化。

4 脈搏信號特征識別研究進展

在以往的研究中，脈搏信號的特征識別一般圍繞脈搏信號特征點辨識(主波、重搏波、潮波等)，時域分析，頻域分析，統計特征，非線性特征等幾個方面展開，主要的研究方法以信號分析為主，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別脈搏信號特征點，可以識別出不明顯的特征點，有助于提高識別精度，為脈搏特征與疾病的聯系建立了基礎[40]。Funjou Chen通過頻譜分析統計雙相情感障礙患者與正常人群的脈搏信號差異，從而識別雙相情感障礙這一疾病的脈搏信號特征[41]。事實上，脈搏信號的特征識別在情緒識別領域應用廣泛，隨著人工智能的不斷發展，機器學習算法開始被應用于這一領域當中。華南理工大學的張弘毅提出一種基于生成對抗網絡的脈搏信號特征識別方法，具有較高的準確性[42]。然而，這些研究方法更接近于信號處理，與傳統中醫脈診相去甚遠，無法應用于大多數病癥的識別當中。

不同于脈診傳感器的大量研究和脈診儀的市場火熱，脈搏特征分析在研究領域和市場應用尚屬冷門，中醫脈象識別的研究和應用更是寥寥無幾。對于脈診數字化來說，從脈搏信號到疾病診斷的重要一步遲遲未能打通，臨床應用遙不可及。因此，只有將采集到的脈搏信號通過中醫語言表達出來，才能通過中醫理論印證其準確性，進而建立脈搏信號與疾病的聯系。而實現這一突破的關鍵就在于脈象參數物理模型的建立與脈搏信號關鍵參數的識別，將中醫脈象“取象比類”的語言描述轉化為數學模型，實現脈象的數字化，進而推進中醫脈診的數字化。

5 脈診數字化的問題及未來發展方向

脈診數字化起步較早，但發展始終非常緩慢，其原因主要在于中醫脈診受醫生主觀感受影響較大，這種只“可意會不可言傳”的個人感覺難以通過物理模型描述，無法進行量化研究。而且傳統中醫流派眾多，不同的診脈手法和脈診理論更加大了脈診數字化標準建立的難度。同時，脈診儀器缺乏與中醫理論的結合，傳統的信號分析方法不足以從脈搏信號中提取出足夠的信息，用于進行脈象識別，病癥診斷更是無從談起，導致無法積累臨床數據，進一步加大了脈診數字化的難度。

深度學習算法的出現為中醫脈象識別開辟了一條新的途徑。它能夠從脈象數據中挖掘出更多復雜且深層次的特征并加以分類判斷。如圖6所示，中醫的學習過程與深度學習網絡訓練過程高度契合，中醫對脈搏特征信息的感知分析與深度學習特征提取過程相對應，中醫辨證論治的過程與深度學習神經網絡模型預測過程相對應，輸入數據集來源于權威醫生的臨床數據，經過訓練輸出脈象。中醫脈診數字化與深度學習的完美結合將是中醫數字化傳承的發展方向。

圖6 傳統中醫脈診與深度學習

隨著傳感器技術與人工智能的高速發展，越來越多符合中醫臨床要求的脈診數字化產品將不斷涌現出來，高度還原中醫脈診過程，使用仿生原理采集脈搏信號，不斷提升采集精度，利用人工智能技術提取特征，與中醫理論建立緊密聯系。使中醫醫生能夠在臨床中實際應用，通過大數據技術不斷優化，建立一套由脈知病，因病施藥，療效反饋，長期跟蹤的智慧中醫診療模式，將是中醫脈診數字化未來的發展方向。