资料来源：叶青，胡军，刘莉君，余瑛. 脉象仪研究进展. 中华中医药杂志，2021，36（5）：2834-2838

摘要：利用中医脉象仪对脉诊的研究是实现中医诊断技术客观化的重要手段之一，但限于现有脉象仪采集效率低、采集信息不准确、重复性和稳定性差等问题，尚处于实验探索阶段，需进一步深入研究。文章围绕中医脉象仪研制中脉象传感器的设计与传感器控制驱动装置的搭建，归纳总结了中医脉象仪的研究进展，以期能为下一步的研究提供参考。

脉诊是中医辨证诊断的诊察手段之一，在中医认识疾病本质的手段与方法中占有极其重要的地位。但由于中医脉象具有“脉理精要，其体难辨”的特点，传统的中医脉诊无法精确地对所搜集到的脉象信息加以程度的描述，导致在临床上诊者对患者把脉时常出现“心中易了，指下难明”的问题，这极大地阻碍了脉诊客观化的发展。为使中医脉诊更加客观、实用与科学，自20世纪50年代起，研究者们将中医脉诊技术与现代科学技术相结合，通过研制各式中医脉象仪来开展对中医脉诊的研究，重点围绕脉搏信息的采集与分析两个方面。其中脉搏信息的采集主要是将人体桡动脉处脉搏的搏动转化为可量化的客观数据，是后续脉搏信息分析的基础。作为脉搏信息采集的关键——脉象传感器的设计可谓至关重要。

自1957年学者朱颜首次将杠杆式脉搏描计器用于中医脉象研究至今，中医脉象仪的发展主要经历了3个阶段：第一阶段（20世纪70年代至80年代）：单点刚性面压力传感器采集脉搏信息的单头式脉象仪。第二阶段（20世纪末）：单点刚性面压力传感器采集脉搏信息的三头式脉象仪；光电式传感器、传声器、超声多普勒技术采集脉搏信息的脉象仪。第三阶段（21世纪以来）：阵列式、柔性压力传感器采集脉搏信息的脉象仪；压力传感器结合光电式传感器、传声器等其他传感器协同采集脉搏信息的脉象仪。现对中医脉象仪3个阶段的研究进行介绍并加以评述，并对中医脉象仪中传感器控制驱动装置进行对比分析，为中医脉象仪下一步的研究提供参考。

中医脉象仪的研究

1. 脉象传感器的分类及介绍  自20世纪50年代以来，用于采集脉搏信息的脉象传感器在设计思路上有过多次变换，根据其工作原理的不同可分为：压力传感器、光电式传感器、传声器、超声多普勒技术。

1.1 压力传感器  压力传感器是目前中医脉象研究领域中应用最广泛的脉象传感器，其属于接触型传感器，通过在人手腕寸口软组织施加压力来获取脉搏信息，这种方式与中医指压切脉的手法最接近。根据测量原理的不同，压力传感器可分为电阻式压力传感器和压电式传感器。

电阻式压力传感器是基于自身所用材料的电阻率随作用力的变化而变化的原理制作的。根据力传导方式的不同，电阻式压力传感器又可分为固态电阻式压力传感器、液压传感器、气压传感器。压电式传感器是基于压电效应的传感器，可将脉搏搏动的压力信号转化为电信号。

1.2 光电式传感器  光电式传感器是根据光电转换的原理将接收的光信号转换为电信号以此反映脉搏的变化情况。

1.3 传声器  脉搏信号是一种沿动脉传播的振动信号，其本质是一种次声波，传声器正是利用声学原理，将脉搏引起的振动转化为相应的电信号。

1.4 超声多普勒技术  超声多普勒技术具有直观无创伤性的特点，在对脉搏信息采集时能获取人体内血流速度、血管阻力、管腔容积及脉管的三维运动等多种信息。

2. 脉象仪研究进展

2.1 第一阶段（20世纪70年代至80年代）  此阶段主要是以单点刚性面压力传感器来获取脉搏信息的单头式脉象仪。如上海研制的MX-3型脉象仪[1]、天津研制的MTY-A型脉象仪[2]。但单探头脉象仪不能同时对寸、关、尺三部的脉搏信息进行采集，且单点刚性面压力传感器在仿生学上与人体触觉不符，采集到的脉搏信息较为单一。

2.2 第二阶段（20世纪末）  此阶段脉象仪的设计思路主要是围绕既能同时采集寸、关、尺三部脉搏信息又能单独采集寸、关、尺三部中单部脉搏信息的三头式脉象仪进行。1996年闫述池等[3]设计的仿中医脉象传感器采用三头式结构对寸、关、尺三部同时检测，并设计了手动垂直调节螺杆和手动径向调节螺杆来实现传感器在桡动脉径向和垂直方向的位移。2005年汤伟昌和李睿[4]研制的三部脉象检测系统由3个独立的、设计参数相同的压力传感器组成，并通过3个手动调节按钮使三部脉象传感器能在X、Y、Z三维方向上自由移动以模拟中医诊脉时的各种指法。该阶段，三头式脉象仪的设计虽能实现能对寸、关、尺三部脉搏信息的同时检测，但其通过手动调节螺杆加压和定位脉搏部位的方式，对采集到的脉搏信息的准确性有较大的影响且采集效率低。

另有部分研究者尝试将光电式传感器、传声器和超声多普勒技术等其他传感器用于对人手腕脉搏信息的采集。1993年柳文仪等[5]通过彩色脉冲多普勒超声仪直接观察高血压弦脉与非弦脉患者的脉管管径、壁的厚度、充盈情况、血流频谱等，认为超声多普勒技术是对脉诊客观化研究的新方法。1996年梁中庆和阮晓声[6]利用光学原理研制出一种光闸式脉搏传感器，其灵敏度达到一般压电或压阻传感器的10倍。1998年王炳和与相敬林[7]设计了一种以电容传声器为传感器的脉象仪，并采用间接藕合方式提取到了人体4种脉搏声信号。但光电式传感器、传声器和超声多普勒技术这3种传感器都是通过非接触型的脉搏检测方式来间接获取脉搏信息，与中医指压切脉的特点不符，难以正确反映中医脉象的特征。

2.3 第三阶段（21世纪以来）  此阶段脉象仪的研制主要围绕以下3点：①设计普通阵列式压力传感器来对脉搏信息进行多点式采集；②设计在仿生学方面能够模仿人体触觉的柔性阵列式压力传感器；③构建压力传感器与光电式传感器、传声器等非接触型传感器协同采集脉搏信息的复合采集模式。

2.3.1 普通阵列式压力传感器的设计：为克服单点压力传感器采集信息少、重复性差等不足，有研究者通过研制阵列式压力传感器以增加脉象仪采集的脉搏信息的可靠性，使采集的脉搏信息与人体特征更充分的关联。

2005年齐天华等[8]以微机电系统模拟人手指形状设计了一种半导体硅压力传感 器阵列，该阵列设计模拟人3个手指，每个手指设计成3×4式结构，阵列中每个传感器的尺寸<3.0mm×2.5mm×0.5mm，可实现对人手腕寸、关、尺3个部位脉搏信息的多点立体采集。

2008年淮永进和韩郑生[9]以金属-氧化物半导体场效应晶体管为材料，设计了一种8×8式的压力传感器阵列，该阵列整体形状尺寸约为10.2mm×10.2mm，与成人手指尖面积（1cm2左右）大小接近，且在设计时考虑到脉搏波振动是从中心向外的指数衰减情况而采用了一种较大中间密度和较小边缘密度的结构。该传感器阵列能将采集的脉搏信号直接转换为电流信号，输出的电流与压力具有较好的线性和指数特性。

2009年宋爱国等[10]考虑到使用单点压力传感器在手腕桡动脉处放置位置的偏差会对采集到的脉搏信息造成影响，设计了一种中间一片圆形聚偏二氟乙烯（polyvinylidene fluoride，PVDF）压电薄膜、周围四片弧形条状PVDF压电薄膜的环形对称结构的压力传感器阵列，由于这种对称结构的设计，用该传感器阵列采集脉搏信息时，在人手腕部位放置的角度不会对采集的信息造成影响。

2016年刘苏等[11]根据寸上、寸、关、尺、尺下的诊断标准设计了两种传感器阵列结构。其中一种为5×5式结构，其排列方式可将寸上、寸、关、尺、尺下区域大面积覆盖，适用于较大范围的脉搏信息采集。另一种为正面24点加离散1点的阵列结构，其中正面24点设计成3×8的排列方式，缩短了纵向长度，适合对细长区域进行精密采集，游离于正面24点的1点通过柔性导线接出，用于检测关脉。

2019年林福江和吴健康[12]为克服脉搏信息采集过程中因传感器或动脉血管产生位移而导致的测量信号不稳定等问题，设计了一种压力传感器阵列，并通过参考人体桡动脉血管尺寸将传感器阵列设计为星型结构。该阵列由7个传感器组成，每个传感器的直径为2.5mm，相邻两个传感器之间的间隙为1mm，该设备利用传感器阵列中各传感器之间的相关性，以及相对于动脉血管的位置差异性，可较大程度地压低噪声并增强脉搏信号。

2.3.2 柔性阵列式压力传感器的设计：柔性阵列式压力传感器的设计是从仿生学的观点出发，为使传感器能客观、全面地模仿人体触觉。柔性阵列式压力传感器除了具有普通阵列式压力传感器的优点外，还具有良好的柔韧性，能够更方便地对人手腕皮肤表面进行脉搏信息的获取。

2011年王磊等[13]设计的脉象仪将排布成矩形点阵列的液囊（模拟触觉小体）埋植于超低硬度特柔性硅橡胶内，以构成模拟人手指面的压力敏感柔性表面，并通过液压传导的方式来采集脉搏信息。用该柔性传感器阵列采集到的脉搏信息经矩阵实验室处理后可得到包含脉搏搏动的长短、宽窄、力度等信息的三维指感脉象图。

2012年王学民等[14]为模拟手指与皮肤软组织的弹性接触，以硅胶做材料制作了一种柔性腔体，腔体横向排列七路，每路横截面都设计成半径为1mm的圆形，且每个腔体周围用半径为1mm的硅胶隔开，以避免腔体间的相互干扰，在采集脉搏信息时将该腔体沿手臂方向放置于腕部，腔体前端与七路气压传感器相接并密封，以此构成柔性阵列式的脉搏检测方式。

2016年李静茹[15]为精确模拟中医诊脉时的指端感受，设计了一种柔性阵列式压力传感器，通过测量成人单指按压直径范围、中国健康成人桡动脉直径范围和成人指端触觉小体间隔确定传感器阵元的尺寸和间隔，并将与人手指硬度相近的环氧树脂包裹住压力传感器阵列一起构成模拟指面的压力敏感表面，形成柔性面接触型传感模式。

2016年姜凯等[16]以聚合物微纳米纤维、石墨烯、聚二甲基硅氧烷3种材料封装成柔性压力传感器，该传感器具有极高的灵敏度、极快的响应恢复速度和稳定的响应性能，且能根据需要任意制作成n×m排列方式的传感器阵列。柔性阵列式压力传感器已在脉象研究领域展现出良好的应用前景，但在工艺水平上，柔性传感器阵列的集成和封装技术尚未成熟，且常用的柔性基底存在不耐高温的缺点，导致柔性基底与传感器间应力大、黏附力弱。

2.3.3 复合脉象采集装置的设计：中医脉象是一种包含脉搏搏动的“位、数、形、势”4种情况的多维度概念。目前，仅通过压力传感器采集到的脉搏信息难以客观、全面地反映中医脉象的本质。为了对脉搏搏动的位、数、形、势4个方面进行综合检测，有研究者尝试将几种能采集不同脉搏信息的传感技术与压力传感结合使用，以构建复合脉象采集装置。

2010年牛欣等[17]研制了一种由压力B超复合传感器探头、光电容积传感器、心电传感器等组成的可视化脉象仪，该装置通过探头的一体化组合可实现对采集到的压力脉搏信号与超声脉管图像进行时间同步性和位置一致性分析，并得到可观察脉道形态、压力脉搏波形、脉管运动状态等多种信息的三维脉象图。

2011年肖沪生等[18]研制的中医波强脉象仪采用血流脉冲多普勒检测仪和压力传感器组成的非组合探头来获取脉搏信息。该探头模式中，压力传感器被置于通过气体加压的腕带中，在使用时被固定于人手桡动脉对应位置，用该装置检测脉搏信息能同时获取到桡动脉管壁压力变化和管道内血流变化，并通过运算得到管壁压力信息和血流信息。

2014年张玉满[19]设计的脉象检测系统采用由电阻式压力传感器和驻极体传声器组成的复合采集模式来获取脉搏信息，在该模式中压力传感器被置于利用气体加压的腕带中与传声器共同检测脉搏搏动信息。该研究还对采集到的脉搏压力一阶导数信号和脉搏声信号进行分析处理，得出两者强相关的结论。

2011年张大鹏等[20]设计的由光电传感器与压力传感器组合成的复合脉象传感器可获取到脉搏搏动的强度、趋势、宽度、形状信息和脉管内的血流变化信息，并于2016年设计了由光电传感器阵列、压力传感器群及控制驱动装置构成的一套完整的脉象采集装置，该装置通过上位机主控模块控制相应的驱动组件驱动压力传感器群移动以调节取脉压力，当取脉压力达到上位机设定压力值时，压力传感器群及光电传感器阵列开始同步采集脉搏信息[21]。

复合脉象采集装置的设计可使脉象仪采集到的脉搏信息更加丰富，但利用多种传感技术在同一部位采集到的脉搏信息存在差异，且脉象仪中对应不同传感技术的采集探头也容易相互影响。

对脉象仪中传感器控制驱动装置的对比分析控制驱动装置多用于以压力传感器采集脉搏信息的脉象仪中，作用是解决传统中医把脉过程中诊者对患者寸、关、尺三部的定位不准确和手指压力调节无法精确控制的问题。目前脉象仪中主流应用的传感器控制驱动装置有电机系统和气路系统，现对这两种控制驱动装置进行分析和比较，为后续脉象仪的操作标准制定提供参考。

气路系统一般由气泵、电磁阀（或其他形式的换气阀）、气囊、导气管组成，大多用于穿戴式脉象仪作控制驱动装置使用。优点是结构简单、操作方便、柔顺性好；但气路系统只能实现加压、减压的功能而无法对寸、关、尺三部的位置进行定位，所以，在采集脉搏信息时，仍需人为标记寸、关、尺三部的位置，而使得采集到的脉搏信息不准确进而影响采集效率，且气路系统是通过气体加压，由于空气的可压缩性导致加压精度不高。文献[22-27]涉及的穿戴式脉象仪所用的控制驱动装置都属于气路系统。表1列举了气路系统的模块组成及作用。

表1 气路系统模块组成及作用

电机系统大多用于台式脉象仪中做控制驱动装置，一般由底座、支架、电机、滚珠丝杠、滚珠螺杆、采集探头组成。其中，电机是整个电机系统的核心组件，作用是将脉冲信号转变为角位移或线位移，当电机接收到1个脉冲，就会旋转1个脉冲对应的角度，从而实现位移。目前，以电机系统作传感器控制驱动装置的脉象仪中一般都配备3个以上电机来实现多自由度寻脉，在采集脉搏信息时，可结合上位机控制指令来调节采集探头在人手腕的径向、横向、垂直方向的自由移动，并通过控制脉冲的个数进而控制角位移量，以此达到准确定位和精确加压的目的。

电机系统具有加压精度高、定位准确的优点，但其只能做直线运动，柔顺性差，且完成一次定寸、关、尺三部的脉位、寻脉、单按、总按的完整采脉流程所花时间较多，采集效率低。文献[28-30]涉及的台式脉象仪所用的控制驱动装置都属于电机系统。表2列举了气路系统与电机系统的功能及优点、缺点。

表2 气路系统与电机系统的功能及优点、缺点比较

讨论

目前，在脉象仪的3个主要研究方向中，阵列式压力传感器的设计和压力传感器结合其他传感器协同采集脉搏信息的研究，分别从不同的角度增加了脉象仪获取到脉搏信息的维度，使获取到的信息与脉搏搏动的“位、数、形、势”4种情况更加吻合；柔性压力传感器的设计可以降低脉象仪采集脉搏信息时对人体造成的不适感，并使采集到的脉搏信息更加准确。但仍存在一些问题亟待解决：①脉象仪主要运用的4种传感器中，压力传感器、光电式传感器、传声器和超声多普勒技术中的任意一种获取到的脉搏信息都只是脉搏搏动的“位、数、形、势”4种情况中的一部分。而通过多种传感技术协同采集脉搏信号的研究，存在多探头之间相互影响，采集到的信号存在差异性等问题。②对脉象仪的操作缺乏统一标准。现有的两种传感器控制驱动装置在系统结构上存在采集效率低、加压精度不高、定位不准确等不足，都不能严格按照中医脉诊规范操作流程的要求进行脉象仪的规范操作。

因此，笔者认为未来研究工作的重点可能主要在以下几个方面：①根据中医脉诊理论，将脉搏信息按要素化分解，从脉搏搏动的部位、至数、节律、长短、粗细、力度、流利度、紧张度8个方面对脉搏信号进行特征提取和分析，以建立脉搏信号模式识别的基本结构。②对阵列式压力传感器的设计，可进一步提高各阵元间的排列密度，使单位平面上获取到的脉搏信息更丰富；将普通阵列式压力传感器与柔性阵列式压力传感器的研究成果相结合，构建模仿人体触觉的柔性面多点采集模式；对压力传感器与其他传感器协同采集脉搏信息的研究，需设计合适的复合探头组合模式，以降低不同传感技术协同采集脉搏信息时产生的差异。③校正被采集者的身体姿势；优化脉象仪控制驱动装置，对人手腕寸、关、尺的位置进行准确定位；根据脉搏搏动的特点，设计不同的脉搏采集压力段，充分采集人手腕桡动脉下不同深度的脉搏信息；严格按照中医脉诊规范操作流程进行脉象仪的规范操作，以增强采集样本的一致性。

参考文献（略）