中國電子元件行業(yè)協(xié)會(huì)
China Electronic Components Association
中醫(yī)脈診是一種獨(dú)特的診斷方法，在大量臨床實(shí)踐中展示了簡便、有效且無創(chuàng)的特點(diǎn)。然而，中醫(yī)脈診過程很大程度上依賴于醫(yī)生的主觀感覺和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，因此很難統(tǒng)一診斷標(biāo)準(zhǔn)。這大大增加了新手掌握脈診技術(shù)的難度。這些挑戰(zhàn)也導(dǎo)致人們對(duì)中醫(yī)脈診在實(shí)際應(yīng)用中的準(zhǔn)確性和客觀性持懷疑態(tài)度。將傳統(tǒng)脈診中抽象的個(gè)人感覺與現(xiàn)代醫(yī)學(xué)數(shù)據(jù)平臺(tái)相結(jié)合，仍是傳統(tǒng)脈診與現(xiàn)代醫(yī)學(xué)體系協(xié)同發(fā)展的重大挑戰(zhàn)。
通過傳感器和自動(dòng)控制方法的應(yīng)用，可以實(shí)現(xiàn)脈診過程的數(shù)字化和儀器化。脈搏波信號(hào)采集是數(shù)字脈診研究的第一步。目前，已有研究提出了各種以數(shù)字方式采集脈搏波信號(hào)的方案。最初的研究主要采用復(fù)雜笨重的剛性傳感裝置。這些傳感裝置無法緊貼皮膚，因此在采集過程中容易受到外界干擾，也不方便靈活地采集脈搏波信號(hào)。隨著柔性傳感技術(shù)的發(fā)展，研究人員轉(zhuǎn)而使用柔性壓力傳感器或傳感器陣列來取代傳統(tǒng)的剛性傳感器，以檢測皮膚表面的脈搏波。這些柔性壓力傳感器設(shè)計(jì)簡單，靈敏度更高，緩解了傳感器與皮膚貼合以及數(shù)據(jù)采集過程中的環(huán)境干擾問題。然而，現(xiàn)有大部分相關(guān)研究都主要集中于提高信號(hào)捕捉效率以及開發(fā)創(chuàng)新的傳感機(jī)制。此外，用于連接傳感單元、信號(hào)處理和顯示設(shè)備的有線連接也阻礙了完全集成系統(tǒng)的開發(fā)。
將高靈敏傳感器、信號(hào)采集和處理電路集成到一個(gè)緊湊便攜的設(shè)計(jì)中，仍然是一項(xiàng)重大挑戰(zhàn)。尤其是中醫(yī)脈診，專家可以通過改變指尖壓力，進(jìn)而改變指尖敏感神經(jīng)元與血管壁機(jī)械波之間的耦合度，實(shí)現(xiàn)對(duì)脈搏波信息的感知。然而，此前很少有研究探討將主動(dòng)壓力單元集成到可穿戴脈搏傳感系統(tǒng)中。
中國海洋大學(xué)、廈門大學(xué)、中國空間技術(shù)研究院的研究人員在Microsystems & Nanoengineering期刊上發(fā)表了一篇題為“Wearable multichannel-active pressurized pulse sensing platform”的論文，介紹了一種基于中醫(yī)脈診方法，集成主動(dòng)加壓功能的可穿戴脈搏波傳感平臺(tái)。該系統(tǒng)是一種用于人體脈搏監(jiān)測的腕帶，包括一個(gè)用于波形顯示和在手機(jī)上存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的移動(dòng)應(yīng)用程序。系統(tǒng)采用柔性壓力傳感器、微型氣囊加壓和自動(dòng)加壓控制程序，可模擬中醫(yī)壓脈過程，采集從低壓到高壓（0-50 kPa）的腕部脈搏波形。其壓力傳感單元采用離子敏感材料作為感知層，具有良好的靈敏度（460.1 kPa?1）、線性度（R2 > 0.999）和穩(wěn)定性（12000次壓力循環(huán)）。憑借整個(gè)平臺(tái)的數(shù)字化和穩(wěn)定性，可有效減少采集誤差，提高每次脈搏診斷結(jié)果（脈搏采集壓力和相應(yīng)的脈搏波形）的可量化性和準(zhǔn)確性。此外，與其它可穿戴脈搏波傳感設(shè)備相比，該研究成果集成了脈搏傳感單元、壓力控制單元、數(shù)據(jù)處理單元和顯示單元，解決了可穿戴脈搏傳感設(shè)備的主動(dòng)加壓問題，并可通過脈搏波幅從低壓到高壓的變化來評(píng)估與血壓（BP）相關(guān)的健康狀況，有助于推廣可穿戴脈搏監(jiān)測應(yīng)用。
（a）中醫(yī)脈診方法示意圖；（b）佩戴在使用者腕關(guān)節(jié)上的無線腕帶
傳感器系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖
壓力傳感器整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖
理想的脈搏數(shù)字化采集，應(yīng)盡量減少人工干預(yù)，提高自動(dòng)化程度。本研究應(yīng)用中醫(yī)脈診理論重點(diǎn)聚焦了脈搏波信號(hào)采集，開發(fā)了一種柔性集成可穿戴主動(dòng)加壓脈搏傳感平臺(tái)。該系統(tǒng)集成了一個(gè)柔性電阻式壓力傳感器（S=460.1 kPa?1，12000次壓力循環(huán)）和一個(gè)主動(dòng)加壓控制單元（0-50 kPa）。該系統(tǒng)便于攜帶，克服了使用單獨(dú)柔性傳感器裝置而沒有集成信號(hào)處理或主動(dòng)加壓裝置的局限性。該設(shè)備可準(zhǔn)確檢測并記錄與三個(gè)脈搏位置（寸、關(guān)、尺）相對(duì)應(yīng)的多個(gè)壓力梯度的脈搏信號(hào)。整個(gè)脈搏采集過程由預(yù)設(shè)的內(nèi)置程序控制，將無法量化的主觀感覺轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，提高了脈搏診斷的自動(dòng)化水平，實(shí)現(xiàn)了脈搏波數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)連續(xù)采集和可視化。這項(xiàng)成果解決了中醫(yī)脈診數(shù)據(jù)采集過程的數(shù)字化和標(biāo)準(zhǔn)化問題，對(duì)于減少中醫(yī)脈診過程中的主觀性和個(gè)體差異具有重要意義。
（a）左圖為使用者佩戴脈搏波傳感器，右圖為移動(dòng)設(shè)備顯示界面；（b）9種不同靜壓下的脈搏波變化
此外，研究人員還提取了外部壓力逐漸增加時(shí)脈搏振幅變化的相關(guān)參數(shù)，并構(gòu)建了基于反向傳播神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的血壓預(yù)測模型。該模型將測試的脈搏數(shù)據(jù)與機(jī)器學(xué)習(xí)模型相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了精確的血壓預(yù)測。血壓預(yù)測結(jié)果符合AAMI國際血壓測量標(biāo)準(zhǔn)。利用脈搏波預(yù)測血壓擴(kuò)大了脈搏數(shù)據(jù)的可用性。隨著樣本數(shù)據(jù)的增加和數(shù)據(jù)分析策略的優(yōu)化，這項(xiàng)研究成果有望在血壓監(jiān)測、健康監(jiān)測、早期診斷和遠(yuǎn)程醫(yī)療方面發(fā)揮關(guān)鍵作用。
