脉诊压力传感器的研究进展

摘要：传感器是脉诊仪的关键组成部分。本文根据压力传感器的工作原理和探头形式，综述了近年来文献报道中的各类脉诊仪传感器，并对其特点、优缺点进行了评论。

关键词：脉诊仪；压力传感器

中图分类号：R197.39　文献标志码：A　文章编号：1672-4208(2011)15-0012-05

传感器是脉诊仪的关键组成部分之一。脉诊传感器用来采集人体桡动脉寸、关、尺部位及人体其他部位的脉搏搏动信号。其所采信息量将直接影响后续的信息分析，最终决定系统的检测性能。脉动信号传感器的设计是脉动信息分析系统中最为重要的一环。对于一个性能优良的采集系统，其传感器的合理选择起着至关重要的作用。因为只有传感器采集到的信息能准确地反映客观事实，后续的数据处理与分析才会有实际意义。压力传感器是目前运用最广泛、最成熟的脉诊传感器。自20世纪50年代以来，研究人员在压力传感器方面开展了大量工作，取得了较大的进展。

1.压力传感器的工作原理

按工作原理分类，压力传感器通常有压电式、压阻式、压磁式(电感式)等多种。脉诊研究的传感器多为压电式传感器、压阻式传感器。压磁式传感器也称作磁弹性传感器，是近年来新兴的一种新型传感器。它的作用原理是建立在压磁效应的基础上，即利用这种传感器将作用力变换成传感器导磁率的变化，并通过导磁率变化输出相应变化的电信号。压磁式传感器具有输出功率大、抗干扰能力强、过载性能好、结构与电路简单、能在恶劣环境下工作和寿命长等优点，不足之处是测量精度不高、反应速度低等，限制了其广泛应用。

1.1压电式传感器　压电式传感器是一种有源传感器，它以某些电介质的压电效应为基础，在外力作用下，在电介质的表面上产生电荷，从而达到非电量电测的目的。压电式传感器是利用压电材料的特性将脉搏的压力信号转换为电信号。根据压电材料的不同可分为压电晶体式传感器、压电陶瓷式传感器、压电聚合物传感器和复合压电材料传感器等。

1.1.1压电晶体式传感器　常见压电晶体有天然和人造石英晶体。石英晶体在几百摄氏度的温度范围内，其压电系数稳定不变，能产生十分稳定的固有频率，承受较大的压力，是理想的压电式传感器的压电材料。荆炳忠等研制了多功能微机脉图信号的采集和处理系统，该系统利用压电晶体传感器实现脉搏信号的采集。该传感器由4个压电晶片组成电桥，桥的两端连接正负电源，两中心点为信号输出端。用螺杆可调节压电晶片压力，由压力表指示压力大小，使输出脉搏波形最佳。乜国荃采用复旦大学微电子学系传感器工程研究室最新试制成功的高灵敏度的全桥生理压力传感器PT14M3，开发了一种实验用脉动信号采集装置。该传感器为压电晶体式传感器，采用双岛微机械结构，与一般的压电式传感器相比，其低频响应好，输出阻抗低，抗干扰能力强。

1.1.2压电陶瓷式传感器　压电陶瓷是由几种氧化物或碳酸盐烧结而成的凝固熔体，经过极化处理后压电陶瓷具有压电特性。压电陶瓷易于加工制作，其压电系数比石英晶体高，但压电系数稳定性、力学性能不如石英好。由于压电陶瓷品种多，性能各异，可根据各自的特点制作不同的压电传感器，这是一种很有发展前景的压电材料。于仁师等开发了一种可同步进行心电、脉象、体温数据采集、处理及其显示的便携式医疗监护仪数据采集终端。该系统基于单片机C8051F300控制，分别采用普通的Ag和(或)AgCl电极、压电陶瓷器件、热敏电阻作为传感器分别采集心电信号、脉象信号和体温信号，并通过干扰抑制电路、滤波放大电路，获取清晰的生理参数信号。经实验证明，该终端可实时采集、保存与处理心电、脉象、体温等生理参数数据，并可以完成短距离内的无线通信与数据显示。

1.1.3压电式加速度传感器　压电式加速度传感器利用晶体的压电效应工作，其原理与压电式力传感器和压电式压力传感器类似，主要由压电元件、质量块、弹性元件以及外壳等组成。李俊国等报道了一种基于压电式加速度传感器的脉搏信号检测装置。该脉搏传感器目前仅能提供脉搏的振幅及频率，尚不能用于医学实践。

1.1.4压电聚合物传感器　压电聚合物传感器所用的压电聚合物以聚偏二氟乙烯(polyvinylidenefluoride，PVDF)为最常用。PVDF是一种有机高分子敏感材料，不仅具有机械强度高、化学性能稳定、易于加工等独特性能，可作为耐腐蚀材料和绝缘材料，而且还可作为能量转换的功能材料。由于PVDF具有很强的压电性和热释电性，而且与其他高分子材料一样，易于制成大面积薄膜和不规则形状，尤其是其密度小，声阻抗低，能与水或人体形成良好匹配。金观昌等设计研制了两种PVDF传感器。I型传感器可用于测量寸、关、尺三部脉搏波形的不同变化，每部有4个测量点，共12个测点，这样的设计方案将给脉搏图像分析以空间的概念，同时可以消除由单点测量而带来的偶然误差。Ⅱ型传感器用于测量脉搏波沿血管横切面方向各个点的不同，以得到脉图沿血管横向的变化规律，它采用9个测点并排成一列，各测点间距为1 mm。这两种传感器均采用厚度为35μm的PVDF薄膜，单个测点面积为1.5mm×1.5mm。采用在绝缘薄膜基底上光刻出铜制栅线的方法来制作引线，将栅线上表面作为信号引出端，下表面接地。为减小干扰信号，研究者将传感器设计成多层结构，使它具有良好的绝缘性和屏蔽性，尽管采用多层结构，传感器的总体厚度也仅为0.4mm。廉飞宇等开发了一种基于PVDF压电膜的脉搏传感器，该传感器采用高度集成化工艺，将力敏元件、灵敏度温度补偿元件、感温元件、信号调整电路集成在传感器内，灵敏度高、抗干扰性能强、过载能力大、一致性好、性能稳定可靠、使用寿命长，非常适用于无创心血管功能测试和中医脉象诊断。

1.1.5复合压电材料传感器　压电陶瓷(高聚物复合材料)作为20世纪70年代发展起来的一类功能复合材料，已广泛应用于水声换能器件和医疗超声成像等领域。根据研究目的的不同，可以有选择地利用某些陶瓷材料和聚合物进行复合以获得有优异性能的压电材料。与烧结的陶瓷类压电材料相比，这些压电高分子类复合材料具有不易损坏、可成型各种形状、易于加工等优点。尽管目前的研究已取得很大进展，但其压电性能参数仍较低。另外，力学性能、温度特性及老化特性等也有待提高。凌志远等采用了以柔软的聚合物PVDF为基体，PZT(钛酸铅)压电陶瓷粉末为添加物的复合压电材料传感器应用于脉搏信号检测。这种用复合压电材料制作的脉搏换能器具有结构简单、组装容易、体积小、耐冲击、重复再现性好、精度较高、易于贴紧皮肤以及可消除外界干扰信号等优点。但压电式传感器电荷易“跑失”，不宜进行静态压力的测量，并且信号放大需特殊的电荷放大器，成本较高，使其通用性受到限制。

1.2压阻式传感器　压阻式传感器是主要利用电阻

率随应力变化的性质制成的一类传感器，目前它的应用最为广泛。利用硅的压阻效应和微电子技术制成的压阻式传感器，具有灵敏度高、动态响应好、精度高、易于微型化和集成化等特点。压阻式传感器根据压力的传导方式不同可分为固态压阻式传感器、液压传感器和气导式传感器。

1.2.1固态压阻式传感器　目前脉象仪普遍采用的一类传感器为半导体应变片式电阻传感器，该传感器结合了固态压阻式传感器和电阻应变式传感器的特点。固态压阻式传感器是利用半导体的电阻率随应力变化的性质所制成的半导体器件，它是在半导体材料的基片上用集成电路工艺扩散电阻，并将扩散电阻直接作为敏感元件。半导体基片受到外界振动、压力等作用产生变形，其内部应力随之发生变化，而扩散电阻的阻值亦随着发生相应的变化，根据电阻值变化的大小，就可确定振动、压力等大小。电阻应变式传感器由弹性敏感元件与电阻应变片构成。弹性敏感元件在感受被测量时将产生变形，其表面产生应变，而粘贴在弹性敏感元件表面的电阻应变片将随着弹性敏感元件产生应变，因此电阻应变片的电阻值也产生相应的变化。上海的ZM-Ill型智能脉象仪、山东的ZMC-I型、MXY-I型、MXY-Ⅱ型脉象仪、北京的TP-CBS型脉图仪、湖南的BYS-14型心脉仪都采用这类传感器。另外，还有陶锡有等人研制的脉动信息采集传感器属于固态压阻式传感器。

1.2.2液压传感器　由于脉搏传感器必须具有合理的频率响应范围，而且不能因其位置、方向、预压力的大小不同而使拾取的脉搏波不同，因此有人尝试用液体作为脉搏压力变化的传导媒介。液压传感器的原理是由薄膜制成的感压面受压后变形，使容器内部的导电液柱发生升降，电阻发生改变，从而将脉搏压力信号转换为电信号。

朱筱玮等设计了一种腕带式脉搏计，该装置利用“液体传递压强”的性质，包含一个橡胶质全封闭液囊，该胶囊外形为扁平带状，上下橡胶壁厚为0.5mm，空腔厚度为2mm，传感器的感应面贴于胶囊上壁，胶囊下壁紧贴皮肤，利用橡胶的弹性使胶囊与手腕皮肤贴合，增大了传感器感应面积。可将传感器佩带于手腕上，液压囊只要有一点面积与手腕桡动脉接触，脉搏波动就会由囊中的液体传导至传感器的感应面，解决了传感器位置相关性问题。用汽油机机油作为传压介质，通过实验发现：机油物理特性粘稠，一些微弱瞬变波动不易被传导，起到了抗干扰和低通滤波的作用；机油比热容大，其温度随外界变化并不明显，增强了佩带舒适性。另外，用对皮肤无刺激的绝缘导热橡胶制作液压胶囊，隔断了传感器金属外壳和皮肤的直接接触，50Hz工频干扰也被隔除，导热性使手腕处体表温度的传导成为可能，增加了可测量的生理信号。

江迅等研制的脉象测量仪采用双层(气囊在上层，液囊在下层)三相液囊传感器。因脉搏信号较弱，在中医的脉诊中就时常有加压探脉象的情况出现，故采用双层囊：上层为气囊进行加压，下层为液囊用于压力的均匀传播，因液体的传送较气体稳定，再将压力的变化均匀地传到压力传感器，传感器将脉象信号送入放大电路进行放大。

王滨研制的仿生柔性压力传感器采用液压传感器，可以同时获取动压力与静压力，从而大大简化了测量手续，提高了测量精度。另外，从仿生学角度考虑，将传感器触头外部覆盖一层柔软的传压膜，内部充满液体，脉搏压力经传压膜和液体传至传感器，有压阻效应的电阻阻值随受力的变化而变化，转化为电压，形成压力脉图。由于传感器触头为向外突出的软膜，故与受测部位的皮肤能保持良好的接触，触面比较接近人的手指感，且触头面积较大，而受力面积较小，描记出的脉图既有良好的重复性，又有较高的灵敏度。

MX-811型脉象仪是将水银血压计接于传感器水银乳胶膜探头上，以空气加压的方式描计脉搏图。该传感器以水银和稀盐水作为传感材料。

1.2.3气导式传感器　气导式传感器是以气体作为压力传导的介质，其压力传递原理与液压传感器相似。曹玉珍等研制了三导脉搏波传感装置，该装置使用的是气压传导的压力传感器。整个气路有3个分支，每个分支的中部为薄壁橡胶管，外加布护套，其余为厚壁胶管。压力传感器装于每个分支气路的一个出口处。气路中压力的增减不致引起厚壁胶管和薄壁管中段未与腕关节接触部分的胶管的变形，唯有接触部分因脉搏的搏动才引起胶管壁变形。脉管的搏动使气路内产生压力变化，通过压力传感器而转换成电信号。

刘文等研制了两种气导式脉搏传感器：囊型传感器和膜型传感器。使用囊型传感器时，将气囊固定于所测部位，然后在加一定的气压的同时(使用环形固定法)，再缓慢的将压力降低，到一定的压力区间时所测得的脉搏信号最大，随着压力的下降，脉搏的输出信号递减，直到消失。它的输出信息特点是：峰值输出信号大，高频和工频干扰小。这是由于传导气路长，气囊较大，使信号输入通道中形成一个滤波器的原因，它所获得的信号可直接用于人的血压测量及脉搏频率测量。膜型脉搏传感器的特点是将气室减小到最小程度，其气室直径是根据人体主要可测脉搏的部位的血管直径(胫动脉、足背动脉、颈总动脉、桡动脉)和指尖直径设计的，测量原理是：当脉搏跳动时，血管壁弹起，直接作用于传感器弹性膜上，使传感器内压发生变化，硅杯压阻器件将这一变化转化为电信号输出。

1.3复合传感器　从目前的研究趋势来看，压力传感器的性能和稳定性足以满足脉动信息的获取和相应分析方法的实现，压力传感器已经成为脉诊现代研究的主流手段。几十年的不懈研究，脉搏波压力图的参数与中医一些脉象之间的关系已经稳定成熟，脉图在脉象研究和辨识方面已经形成共识。然而，不可否认的是，脉图分析方法的多样化和采集速度、精度不断提高，并不能完全解决脉诊研究中一些长期以来难以解决的难题，如脉长、脉宽、脉势等。主要原因在于压力脉图本身仅仅反映桡动脉及其上层组织的某一点或多个点在单一方向的位移变化，这种信息来源的单一性，极大地限制了有价值信息的获取空间，使大量可反映脉象客观内容实质的信息流失。鉴于此，近年来，一些研究者在前人大量研究结果的基础上，引入可视化技术，结合传统压力脉搏波，开发出几种复合式传感器，打破了一维脉动信息的局限，开拓了脉诊研究的新领域。目前，有文献报道的复合传感器的复合方式有软接触式液压传感器与B超复合、气导式压力传感器与图像传感器复合。

1.3.1软接触式液压传感器与B超复合　牛欣等研制了软接触式液压传感器与B超复合的传感器。超声脉搏信号传感器将仿生柔性压力探头传感器与B型超声扫描探头整合在一起，实现了探头与被测物体(桡动脉)之间的柔性接触，又提供了必需的声耦合条件。超声探头、水囊与压力传感器固定于水囊外套中，超声探头正前加水囊，压力传感器位于水囊侧面。取脉时将装置置于桡动脉正上方，B超探头可以通过水囊介导扫描到血管运动(血管的波动经皮肤传导到水

囊)，侧面压力感受器同时传导液体的压力变化。利用该水囊提取桡动脉的气导式传感器与图像传感器复合压力脉搏波，既保证了压力脉搏波与超声脉管图象的时间同步性和位置一致性，又实现了探头的一体化组合。该技术突破了目前常规脉诊检测的一维信息(脉搏波形)模式，运用动态B超图像分析技术，融合压力传感器同步采集的寸口桡动脉的压力脉搏波，可构建出直观反映桡动脉的口径变化、位移变化、轴心运动以及血流搏动等信息的动态三维图像。系统同时辅以指端光电容积脉搏波检测，并记录心电时标，实现多角度、多物理量传感器共同采集脉象信息，将触觉信息转换为视觉信息。

1.3.2气导式压力传感器与图像传感器复合　张爱华等开发了一种气导式压力传感器与图像传感器复合的图像化脉象采集装置。图像化脉像采集装置是从仿生学角度出发，设计软性探测触头，模仿人的表皮和真皮，参考搏动力和取脉压力的最佳采集原理。其中密封腔内压缩空气的压力可以连续调节并利用气压表来进行显示。高分辨率摄像头在灯光的照明下采集三维的表征桡动脉搏动的网格化尼龙薄膜运动，通过高速USB接口送入计算机，利用计算机技术对实时图像信号的进行数据分析处理。该传感装置软接触式结构触压面积大(接触面制成直径为10mm的圆形)，取脉较容易；触面柔软，一般在检测脉搏时手腕部无明显压痕出现；由于有空腔体的存在，使得换能器系统的稳定性增强，外界干扰大大降低；采集的图像可以通过摄像头的USB接口直接与计算机进行连接通讯，实时进行数据处理转化为可识别的数据形式；采用高分辨率摄像头进行直接图像采集，避免了基于测力原理的传统传感器的一维压力脉象信号检测，具有了诸如脉象宽度等立体的多维的脉象信息。

2.压力传感器的探头形式

目前研究的脉诊传感器探头有单探头、双探头、三探头、多探头等多种形式。

2.1单探头脉诊传感器　单探头是目前传感器中最常用的形式。研究发现，单探头脉象传感器反映的信息比较局限，这是因为单点式脉象传感器的结构特点限制了更多脉搏信息及血管力学参数的测定，主要体现在单探头传感器无法区分血管轴向张力和径向搏动力，使采集到的脉象信号难以全面反映脉象信息，同时与传统中医三部九候的取脉方法相差较大。

2.2双探头脉诊传感器　汤伟昌等在原来单探头传感器的基础上，设计了双探头复合式脉象传感器，即由外围传感器和中心传感器组成双探头传感器。中心传感器测得单纯垂直方向的力，而外围传感器测得脉搏搏动力、皮肤切向张力等的综合力。对两路信号进行运算，能区分血管径向搏动力、轴向张力、血管等效硬度等力学指标。

汤伟昌等研制的三部脉象传感器，采用测力法的基本原理，由3个独立的、设计参数相同的压力传感器组成。传感器核心部分的结构设计借鉴于ZMH-I型单探头脉象换能器中带副梁的复式悬臂梁结构，较好地解决了换能器的重复性、稳定性等技术难点。

2.3三探头脉诊传感器　沙洪等基于中医脉诊三部理论和现代医学研究成果，设计了三路压力传感器，结合一路标准心电以及一路光电容积脉搏波传感器，可同步采集3个不同部位(寸口、跗阳、太溪)的压力脉搏图，以及心电信号、动脉末梢的光电容积脉搏信号，认为能够较为全面地反映机体循环系统的整体状态，并进行了动物实验验证。

2.4多探头脉诊传感器　汤伟昌等还研制了多路换能器，由9个独立的测力传感器组成，即由分布在两侧的2个大探头换能器和7个独立的点式换能器组合而成。由于在测量时承担的任务不同，故在结构设计上也有一定差别。工作状态下，2个大探头换能器沿血管轴向分布。它们输出的静态压力之和可代表切脉时的取法压力。1-7点阵式换能器形成的测量线沿血管径向分布，其分布长度大于人体桡动脉血管直径，因此，每个换能器感受到的脉搏信息是不一样的，且随不同人体的血管粗细、脉道宽度、力度等因素变化。

天津医疗器械研究所设计制造的7个探头式的脉象换能器。经临床试验表明，它能均匀地对脉道加压以获得脉道粗细的图像。他们还公布了用这种换能器描记的中医脉象图谱。这一尝试对后来的研究者开展多路脉象检测研究很有启发。

责任编辑：杨洁