赵俊毅

（解放军总医院第一医学中心，北京 100853）

0 引言

中医在我国经历了2000 多年的发展，形成了独立于西医的诊断和治疗体系。其中，脉象诊断属于中医“望闻问切”四诊中切诊的一部分，也是中医诊断中最常用并且最具有代表性的方法[1-6]。医生通过其手指对患者身体某些特定部位的动脉（如寸、关、尺）进行切按来感受脉象，由此诊断疾病并指导预后康复[6-9]。现代脉学理论通常将人指尖感受到的脉象信息分解为脉位、脉力、脉率、脉律、脉宽、脉长、流利度和紧张度8 个维度特征，通过分析这8 个维度的信息来识别中医常见的28 脉[10-12]。其中脉力和脉率是脉诊中最常用和最重要的脉象信息，也是进行脉象客观化、定量化中必须准确检测到的主要信息[13]。但是中医脉诊本身具有“脉理精要，其体难辨”的特性，难免使其陷入“在心易了，指下难明”的困境[7，14-15]。因此，研究人员试图将脉搏波和脉象信息进行准确的记录与客观化描述。英国的Marey 最早设计出了以弹簧为动力的杠杆式脉搏传感器，并记录了桡动脉的脉搏波[16-17]。但是西医中的脉搏波与中医的脉象有巨大区别，主要表现为中医对脉象信息的需求更高，所要获得的信息更多。从20 世纪50 年代起，我国的科技工作者就致力于研究脉诊客观化以及探究脉象的本质特征，他们通过建立特征模型、构造血流动力学方程和绘制脉象图等方式进行分析研究，在脉象的形成机制及生理病理意义等方面取得了一些有益的成果[18-19]。然而现在大多数的脉象仪存在种类大同小异的局限。目前商用脉象仪可分为探头式、压力式或结合虚拟现实技术的头戴式等款式[20]。例如王贻俊等[21]基于单头式压力传感器设计的MXY-Ⅱ型脉象仪，将传感器固定在手腕上，通过螺杆进行压力调节实现脉象检测。魏守水等[22]设计了由脉诊传感器、低噪放大板和USB 数据通信系统组成的脉诊仪，实现了脉象的实时检测。汤伟昌等[23]利用双头式压力传感器获取血管径向搏动力、轴向张力、血管等效硬度等力学指标，实现脉象检测。但这些脉象仪共同的局限性在于其传感器质地都较为坚硬，无法贴合在医生手指上，难以实现医生脉诊和脉象仪检测的联合运用。

为突破这一技术瓶颈，本文采用微纳加工技术、柔性电子技术、集成电路技术和传感检测等技术设计基于柔性压力传感器的手套式脉诊传感装置（以下简称“脉诊传感装置”），用于客观记录中医医生在脉诊过程中的脉象信息，从而实现对中医脉诊的解读。该装置基于脉象理论，通过柔性压力传感器和便携式电阻检测装置对手腕处寸、关、尺3 处的脉象进行记录，并通过数据建模将所得到的3 处脉象信息进行整理分析，最终提取出脉力、脉率等中医脉象理论的多维度信息。因此，使用该装置可以准确地测量出符合中医诊断的脉象数据。

1 脉诊传感装置的设计

1.1 脉诊传感装置整体设计

脉诊传感装置由便携式电阻检测装置与封装有柔性压力传感器的手套组成（如图1 所示）。其中柔性传感器的压力传感元件由金纳米线构成，而金纳米线使用氯金酸、油胺和三异丙基硅烷制备得到。在手套外侧的食指、中指、无名指上分别安装3 个柔性压力传感器，用于采集脉搏波。搭建的便携式电阻检测装置可以实现对柔性压力传感器阻抗变化的实时精确测量。该装置有3 个数据采集口，用于采集位于寸、关、尺3 处的压力传感器上的电阻信号。

图1 脉诊传感装置结构框图

1.2 封装有柔性压力传感器的手套设计

首先，制备用于压力传感器敏感元件的金纳米线。具体如下：（1）将氯金酸溶于含有油胺的己烷中，待氯金酸完全溶解后加入装有三异丙基硅烷的烧杯中；（2）将烧杯封口并在室温中反应用于制备金纳米线；（3）将制备好的金纳米线溶液倒入离心管中，加入乙醇，用离心机离心沉淀后将离心管中的清液倒至废液缸中，加入3 mL 己烷，冲洗试管壁至金纳米线完全溶解并加入乙醇离心；（4）加入1 mL 的己烷冲洗试管至金纳米线完全溶解；（5）加入氯仿保存于棕色瓶中并封口。

其次，采用激光直写光刻的方式在柔性膜上完成叉指电极的设计。通过设计不同的光刻结构来验证不同尺寸的叉指间距对于敏感元件特性输出的影响，用于优化柔性膜上叉指的特性，以便找到最优的结构和最佳合成条件。

然后，将刻有叉指电极的柔性膜放入金纳米线溶液，等待2 s 后取出，待晾干后再浸入，反复多次制成基于金纳米线的柔性压力敏感元件。通过显微镜下观察，可以看到柔性膜上形成了纳米线网状结构。使用Plasma 等离子清洗机对敏感元件和电极进行清洗，完成封装后，实现柔性压力传感器的制备。最终按金纳米线溶液和柔性膜的质量比为10∶1 的比例进行混合后制成柔性压力传感器，其杨氏模量接近金纳米线组成的压力敏感元件，从而使金纳米线和柔性膜上的叉指电极两者之间得到更好的拉伸契合度。柔性压力传感器通过连接口与电阻检测装置的数据采集口电气连接，用于采集压力传感器上的电阻信号。

最后，将柔性压力传感器贴敷于手套上（如图2所示），与便携式电阻检测装置一起构成基于柔性压力传感器的手套式脉诊传感装置，用于中医脉象的测试。

图2 封装有柔性压力传感器的手套示意图

1.3 便携式电阻检测装置设计

基于集成电路技术，搭建一个可以实时检测阻抗的便携式电阻检测装置，用于测量柔性压力传感器的电阻变化。便携式电阻检测装置由单片机、电源管理模块、AD7793 阻抗测试模块、蓝牙通信模块、滤波模块和外围电路组成。其中单片机采用MSP430 芯片来控制外围测量电路和传输信号。选取AD7793 芯片及其他基础电子元件制作测量电路。AD7793 是多通道、低噪声、低功耗的阻抗测试芯片，内置片内仪表放大器和基准电压源，是一种目前市场上较为成熟的阻抗测量解决方案。MSP430 控制AD7793 和蓝牙芯片，用I/O 口转SPI 的方式从AD7793 接收待测电阻两端电压的数字信号，通过单片机串口将信号传输到蓝牙芯片发送到上位机进行脉象信号的数据处理。脉搏信号的频率大多在0.2～4.0 Hz 之间，因此可以认定在这个频率范围之外的信号为干扰噪声，所以在软件中加入一个带通滤波器来滤除干扰噪声对检测造成的影响，这个带通滤波器也可以消除工频干扰对测试造成的影响。在脉搏数据传输到上位机后，可以对脉搏数据进行傅里叶变换方便数据深层次挖掘。

2 使用方法

中医医生通过戴上封装有柔性压力传感器的手套并按压患者寸、关、尺3 个部位，从而获得3 个部位的脉搏信号。封装有柔性压力传感器的手套与便携式电阻检测装置进行电气连接后，与上位机通过蓝牙连接，医生可以实时地观测脉搏波波形，并在上位机上记录数据、保存诊断信息。如图2 所示，图中橘色圆圈代表柔性压力传感器放置位置，为保证得到精确的数据，将柔性压力传感器的传感部分放在手套外侧。此外，便携式电阻检测装置需要使用电池供电或者USB 连接供电，若使用USB 连接供电，数据可以直接通过USB 接口传输到上位机中。

3 验证与测试

3.1 性能验证

以寸处的脉象检测结果为例，验证脉诊传感装置用于脉象检测的可行性。图3 为脉诊传感装置检测到的手腕处的脉搏信号，从信号中可以明显地获取脉搏波的脉力（最大电阻响应与最小电阻响应的差值为500 Ω 左右）和脉率（5 s 内有7 次脉搏波信号）。波形信号相对稳定在一定的范围内，证明脉诊传感装置可以有效地检测脉搏波信号，进而可以用于后续的测试。

图3 脉诊传感装置检测结果

为了比较脉诊传感装置的性能和脉搏波记录仪的差别，同时使用本文设计的脉诊传感装置和脉搏波记录仪对同一个志愿者的左右手进行测试。由同一时间段志愿者左右手的脉搏波和脉象测试结果（如图4 所示）可以看到相似的脉搏波信号，脉搏波与脉象在时间上相差50 ms 左右，这可能是由传感器响应速度不同造成的。而在波形方面，相比于脉搏波记录仪，柔性压力传感器在一个脉搏中检测到了多个波峰和波谷信号，表明柔性压力传感器检测到的信号更准确，这是由于纳米材料的电信号响应速度更快以及本文设计的脉诊传感装置的采样率更高。

图4 脉诊传感装置检测结果与脉搏波记录仪检测结果对比图

由于便携式电阻检测装置中不仅设置了滤波电路，还在软件中加入了滤波程序，因此可以对脉象信息进行实时处理。同时便携式电阻检测装置还为不同环境和不同场合的脉象采集设计了稳定的线路接口（USB 接口和蓝牙接口），使采集到的数据更加准确。此外，便携式电阻检测装置设计了锂电池充放电电路，提高了脉诊传感装置的续航时间。上述检测结果中，便携式电阻检测装置在测试时间准确度方面与脉搏波记录仪相差小于6%。此外，通过在硬件电路上设计滤波电路，结合基于纳米材料的柔性压力传感器，使采集到的信号更加丰富，为后续的数据分析提供了基础。

3.2 脉象测试

在性能验证后，使用脉诊传感装置进行脉象测试。中医医生首先戴上脉诊传感装置切按寸处10 s感受脉象，随后停止按压，保证柔性压力传感器可以稳定地检测到脉象即可，检测结果如图5 所示。根据中医医生的诊断，该脉象为典型的数脉和沉脉，即“脉来急速”和“轻取不应，重按始得”。根据检测结果，可以推算出脉诊传感装置检测的脉率为每分钟114～115 次，即为数脉。而基准电阻响应较高为52400 Ω 左右，证明需要在手腕处施加较强的压力才能检测到脉象信号，所以可以认定为沉脉，所得到的检测结果与中医医生的诊断相同。

图5 脉诊传感装置对于数脉的检测结果

综上所述，本装置与脉搏波记录仪相比，其检测灵敏度更高，在测试时间准确度方面相差小于6%，因此可以用于中医脉象的检测；根据理论计算，本装置可以持续工作8 h 左右；采用微纳加工制备的柔性压力传感器，便于脉象检测分析。此外，由于传感器本身纳米材料高电信号响应和检测装置高采样率对信号采集的增强，进一步提高了脉象检测结果的精度和准确度，使得脉象信息更加丰富。

4 结语

本文设计的手套式脉诊传感装置通过微纳加工技术、电子技术和微机控制等技术将传感装置集成化，使其具有便携化与小型化的优势。将仪器检测结果和中医检测结果相结合，最终使得该装置可以用于提取基于中医脉象理论的信息。与脉搏波记录仪相比，手套式脉诊传感装置可以准确地提取出多维度的脉象信息[20-23]。这是由于纳米材料对于电阻信号响应更灵敏和检测装置的高采样率等原因，使得检测精度和灵敏度有了一定的提升。但是，制备纳米传感器的过程中无法标准化以及纳米材料稳定性差，导致多个传感器的检测结果的可重复性和长时间稳定性相对较差，后续可以调整纳米传感器的制备工艺，增强可重复性。随着中医客观化和数字化研究的不断深入，手套式脉诊传感装置能深入到家庭使用当中，通过将患者每次的脉象进行记录，为中医医生了解患者病情的发展和预后提供客观化、定量化的依据，辅助医生对脉象的长期变化进行判断。同时，为科研人员与医生提供便携式设备，消除脉象采集的场地限制和设备限制，为广泛采集脉象信息奠定基础。

本装置下一步的研究重点是临床应用，通过在临床中得到验证，形成“研发—临床应用—再研发—再临床应用”的良性循环，避免仪器研发与临床应用以及推广相脱节。