非接触式三维激光脉诊仪的研制与脉象识别

非接触式三维激光脉诊仪的研制与脉象识别

刘志臻1陈盈运2杜建1张荣森2贺立维2

刘志臻1陈盈运2杜建1张荣森2贺立维2

1.福建中医药大学中西医结合学院福建福州350122；

2.台湾国立中央大学光电科学与工程学系台湾999079

【关键词】脉诊仪；脉象识别；激光

【中图分类号】R241【文献标识码】B【文章编号】1674-8999（2015）8-0106-02

Developmentofnon-contact3Dlaserpulsediagnosisinstrumentandpulsemanifestationrecognition

Zhi-ZhenLiu1Ying-YunChen2JianDu1Rong-SenZhang2Li-WeiHe2

（1.CollegeofIntegrativeMedicine,FujianUniversityofTCM,Fujian350122,Fuzhou,China;2.DepartmentofOpticsandPhotonics,NationalCentralUniversity,300Chung-DaRd）

【KeyWords】pulsediagnosisinstrument;pulsemanifestationrecognition;laser

诊脉是中医临床不可缺少的诊察步骤和内容。脉搏信号作为血液循环系统在心源激励的下血管壁上的响应，携带整个系统的动力学信息，可作为提取系统特征的窗口。对于脉搏信号信息提取技术的研究，不仅可以作为脉诊客观化的技术基础，而且使我们得以将现代科技成果与中医理论结合去探索人类自身的奥秘。其中，脉诊仪关键部位之传感器(如压力传感器、血流阻抗传感器、超声脉搏信号传感器等)均存在的精确度与信号/噪声比瓶颈问题。近年来，随着光电科技应用突飞猛进的发展，可望突破目前中医脉诊客观化研究中通用的记录脉搏波形的一维或二维信息采集处理模式瓶颈，为中医脉诊的客观化带来契机。

1非接触式三维激光脉诊仪的原理

从20世纪50年代起，国内众多学者从不同学科，多种角度对脉象客观化进行深入探索，研究出种类繁多，性能各异脉象传感器。依据是否符合传统中医手指接触脉象检测方法，将传感方式依据检测接触方式不同分类，可归纳为接触式与非接触式两大类[1]。接触式多属于压力型传感器，直接与动脉皮肤接触，获取接触面的面信息。但由于接触区域有一定面积，在这个面积范围内，脉象产生的作用力是不完全均匀的，会出现脉象信号的无法准确采集，甚至无法识别。为避免接触式脉象传感器不足之处，有学者提出采用非触式脉象传感器，不用直接接触到动脉表面来实现脉象信号采集。其中，光电式脉搏传感器技术是近年来最为热门的非触式脉象传感器研究之一[2-3]。

中医脉象的概念是一个多维的空间概念，包括脉搏的位、数、形、势等基本要素[4]。同时，由于病情的错综复杂，存在病位、病因、病性、邪正盛衰等多种病理变化，经常出现多种脉象相兼的复合脉。由于脉象信号的复杂性，上述单一的传感方式，或是采集的信息量不足；或是所得到的信息与中医脉诊理论不直接相关；或是信息的提取有别于传统方法[5]。均较难反映脉象具“位数形势”多属性特征，因而无法全面准确地描述脉象特征，成为研究的难点。

近年来光电科技在医学领域的应用取得了极大的发展，其原理是血液波动式流动引起血管内血容量变化，而血容量多寡又决定光线经过组织被血液吸收量多少，因而当照明光线投照到组织时，其透过组织的光线也随血流波动式变化而变化，通过共振原理光电转换器将接收的光信号转换为电信号，以此反映脉搏波变化情况[6]。与同类的光电式脉搏传感器相比[7]，最大的创新在于照明光源使用高辨析度的激光实现3D脉象的采样，可避免很多干扰信号直接传入检测信号，不影响脉象信号真实性；使检测信息更为多元化，符合中医脉象多属性特点，具有无创、灵敏、舒适、可重复性强等优点[8]。

2非接触式三维激光脉诊仪设计

脉象仪由主要激光装置、自动平衡电路、电压放大器、衰减电路、滤波电路、缓冲放大级、功率放大器、CCD记录仪及电源等零部件组成。预实验证实脉象采集精准度高、重复性好，可排除被测对象不同和人为操作仪器带来的误差。原理图如下：

图2弦脉量测结果的3D脉象信息立体显示图

3脉象信息的识别

利用快速傅里叶变换（FastFourierTransfer，FFT）方法将脉搏时域信号转换成频域信号，研究脉搏信号的幅值谱和功率谱，并结合脉搏产生机理研究不同种类脉搏信号的频域特征，同时利用软件运算实现各主峰频率、谱能比、带宽等功率谱频域特征参数的智能提取[9-11]。

图3FFT转化后的脉搏频谱图

将时域分析与频域分析结合，建立人体系统辨识的时频域脉象谱图描述途径；脉象谱图直观揭示一个脉动周期内的系统能量变动，对应血管动力学理论中脉搏波上各特征点，脉象谱图上均出现明显的与之对应的能量峰。对样本的脉搏信号进行了时频域分析，实现了脉搏信号采集、处理及信息特征分类提取的自动化，为进一步的大样本实验研究奠定了基础[12]。预实验结果表明：对于个体，其各个脉动周期的脉象谱图之间具有较好的一致性；对于不同体质的个体，其脉象谱图具有明显的差异性；同类人群，其脉象谱图之间具有较高的相似性，所以脉象谱图可作为个体体质和生理状态的标识。

4展望

本研究中设计的非接触式三维激光脉诊仪使中医的传统诊断方法数字化和自动化，应用前景非常广泛，如可用于：1）教学，使脉诊教学更直观，可供学生模拟教学用，有助于客观评价学生脉诊基本功的掌握情况。2）在临床试验中，每个参与的单位可以采用相同的系统进行患者数据收集和疗效评估，提高临床实验资料的可比性和客观性，将确诊病例作记录与传承，留下宝贵科研资料。同时为了在诊疗过程中便于比较，总结脉象变化在诊疗过程中的衍变规律，为中医的诊疗以及确立中医自己的客观化疗效判定标准提供依据。3）这个系统亦可推广到社区医院等，作为远程医疗(telemedicine)的终端数据采集设备的重要组成部分，使患者就近看名医，方便患者。

参考文献：

[1]曹东，易珺.传感技术在脉诊中应用及脉象多属性特征检测探讨[J].自动化与信息工程，2010,1:5-8.

[2]JingBai,GirumSileshi,GlennNordehn,atal.Developmentoflaser-basedheartsounddetectionsystem[J].JournalofBiomedicalScienceandEngineering,2012,5:34-37.

[3]杜晓兰,张永军,陈林,等.基于光电传感器的多段脉搏波传播速度检测系统的研制[J].中国组织工程研究与临床康复,2007,11（26）:5167-5169.

[4]杨杰,牛欣,朱庆文.中医脉象位、数、形、势属性的组合关系[J].中医药管理杂志,2006,16(5):46~49.

[5]王忆勤,李福凤,燕海霞,等.中医四诊信息数字化研究现状评析[J].世界科学技术:中医药现代化,2007,9(3)：96~101.

[6]Shinn-FwuW,Ming-HungC,Rong-SengC,atal.High-sensitivitysmall-anglesensorbasedonsurfaceplasmonresonancetechnologyandheterodyneinterferometry[J].APPLIEDOPTICS,2006,45(26):6702-6707,10.

[7]林凌，李娜，李刚.基于LabVIEW的动态光谱光电脉搏波信号提取的快速算法[J].光谱学与光谱分析,2010,30（2）：444-447.

[8]张荣森.3D数据量测诊断装置[P].台湾发明专利:514506.2002-12-21．

[9]张治国．脉诊信息分析和识别方法评析[J]．中国中医药信息杂志,2010,17(8):109-112．

[10]周越，许晴，孔薇.脉象特性分析和识别方法的研究[J].生物医学工程学杂志,2006，23(3):505-508.

[11]张治国，牛欣，杨学智，等.脉长的数字化、可视化探索[J].中医杂志,2008,49(9)：830-832.

[12]张爱华,李向群.基于图像传感器的脉搏三维运动分析[J].微计算机信息(测控自动化)，2007,23(5):176-177，270.

基金项目：

国家自然科学基金青年项目（No：81202856）；福建中医药大学校管—重点学科专项（NO.X2014009-学科）

作者简介：

刘志臻（1983-）女，讲师，主要从事中西医结合基础和临床研究。