脉形和脉势检测方法新探
作者：张治国, 牛欣, 杨学智, 司银楚
【摘要】 “脉形”、“脉势”一直是脉诊研究的难点，可视化技术的引入扩展了脉诊信息的获取空间，使脉形、脉势及其要素的客观检测成为可能。结合影像学资料和其他数据，形成合理的研究思路和方法，是实现这种可能性的必由之路。
【关键词】 脉象; 可视化; 检测方法
Abstract: Pulse shape and pulse force are difficult to detect in pulse taking study. But the application of visualized technology extends the space acquisition of pulse taking information, and it is possible to realize the objective detection of pulse shape and pulse force. Rational research thoughts and strategies could be informed by combining image information and other data, and it is a necessary method in implementing the objective detection of pulse.
Keywords: pulse presentations; visualization; detection methods
中医脉象“位、数、形、势”四种属性中，“脉形”和“脉势”的特征提取仍是脉诊研究的难点，这不仅是因为历代医家对二者的判别多来源于经验的，以及对二者的形容多停留在文字的描述，而且因为对脉诊的研究一直以来拘泥于对压力信号的分析，没有更多的信息来源以诠释脉形、脉势。针对这些问题，本课题组将可视化技术引入脉诊现代研究，研制出仿生柔性压力传感器与B型超声整合探头以及可同步获取心电信号的中医脉诊装置。该中医脉诊装置既保证了压力脉搏波、心电信号与桡动脉超声图像的时间同步性和位置一致性，又实现了探头的一体化组合。本文在区分脉形、脉势及其要素的基础上，借鉴前期研究成果［1］，对脉形、脉势的研究思路做了简要论述，并对检测分析方法进行了新的探索。
1 脉形和脉势的区分
什么是脉形和脉势？周学海认为“挺亘于指下而静乾者，形也，血之端倪也。起伏于指下而动者，势也，气之征兆也。”［2］由此可知，形与势的区别在于静与动。然而，无论脉形还是脉势，医者均是在对患者连续脉动的体察中获得的，在运动中如何区分动与静？需要从“取象”的角度进行考虑。事物的形象包括静态形象和动态形象，对静态形象的描述如物体的长度、宽度、质地、表面光滑度等，对动态形象的描述如运动方式、运动强度等。所以，从静态形象描述的角度对脉动进行取象，即“动中取静”，可以获得脉形，而从动态形象描述的角度对脉动进行取象，即“动中取动”，可以获得脉势。
周学海在《重订诊家直诀》中提出的脉形、脉势的考察要素包括强弱、刚柔、滑涩、长短、高深、厚薄、宽窄、敛散、粗细［2］。根据脉形和脉势的区分方法，脉形包括刚柔、滑涩、长短、厚薄、宽窄、敛散、粗细，脉势包括强弱、高深（气来去之远近）。以“位、数、形、势”4种属性为基础，目前比较公认的脉象要素有8种，位置、至数、长度、宽度、力度、流利度、紧张度、均匀度［3］，其中属于脉形的有长度（长短）、宽度（宽窄）、流利度（滑涩）、紧张度（弦缓），属于脉势的有力度（虚实）。
2 脉势和脉形的检测方法
医者对患者脉动的考察主要针对脉动周期运动的特征，通过对周期特征的区分和辨识，加上多个连续周期的强化，从而获得脉动的整体。基于这种考虑，本研究组引入“周期整体”的概念，将脉（心）动周期作为一个整体进行考察［4］。在脉诊研究中，无论研究对象是桡动脉影像还是压力信号，都需要在“周期整体”的观念下进行分析和观察。
2.1 脉势的检测方法 脉势主要体现在脉之力度及其变化趋势，分为脉实和脉虚两类。脉实者包括实脉、洪脉等；脉虚者包括虚脉、微脉、弱脉等。脉力客观上的大小或强弱主要源于桡动脉运动的强度，运动所产生的力量大小又源于能量。所以，脉势的考察主要围绕脉动产生的能量。拟采取的研究方法有两种：（1）基于影像学资料的方法；（2）基于桡动脉压力信号的方法。
2.1.1 基于影像学资料的方法 由于目前脉诊装置所采用的检测技术尚无法对三部桡动脉的整体运动进行精确观察，本研究组研发了新型可视化脉诊装置，该装置可获取较为清晰的单部桡动脉横切面和纵切面的图像。通过图像处理，发现横切面和纵切面均为不规则的图形，所以，根据前期研究经验［1］，将切面的轴心作为考察的主要对象。在“周期整体”观念基础上，假设脉诊数据采集时间内，每次脉（心）动周期中桡动脉运动是相同的，那么，横切面和纵切面轴心在周期之初和之末是在同一位置。见图1。
能量主要分为动能和势能。在横切面和纵切面这两个平面上，由于周期之初和之末是在同一位置，轴心运动产生的势能是零，所以，运动产生的能量主要来源于动能。通过分析轴心在两个平面上的周期运动轨迹，可获得对周期时间内桡动脉运动产生能量的大略估计。初步研究证实，桡动脉横切面轴心运动的周期动能是判别脉势的可能依据［5］。
图1 心动周期内桡动脉横切面轴心轨迹示意图（略）
2.1.2 基于桡动脉压力信号的方法 桡动脉压力信号分析是目前最成熟的方法，主要为时域分析和频域分析。频域分析在脉诊研究中主要为快速傅利叶变换（fast Fourier transform, FFT）。对桡动脉压力信号进行一定数量采样点（如1 024点）的FFT变换，可产生该信号频谱。该频谱图（如0～Fs/2）的曲线下面积代表一定采样时间内信号的总功率，通过积分可以获得。如果将总功率除以采样点数，可出每个采样点或采样间隔时间内的平均功率。脉（心）动周期时间和采样点数可以比较容易获得，周期内采样点数与平均功率的乘积，称为周期功率，可以用于估计周期内桡动脉压力变化产生的能量。初步的研究证实，对一定数量脉势确定的样本进行上述两种方法的参数计算，两种方法在辨识脉势方面具有可行性。
基于影像学资料的方法和基于桡动脉压力信号的方法都有一定的假设前提，所以脉势辨识可能会出现不同程度的出入。两种方法从不同角度对能量进行估算，可以相互印证和补充，从而可能达到减小辨识错误的目的。
2.2 脉形的检测方法 脉形包括脉之长度、宽度、流利度和紧张度4个要素。
2.2.1 紧张度 紧张度用来表示指下脉管的挺硬程度，分为脉紧和脉缓两类。脉紧者包括弦脉、紧脉、革脉、牢脉；脉缓者包括濡脉、缓脉、弱脉、微脉等。脉管的紧张度与血管的顺应性有一定关系［6］。实验发现脉搏波的传播速度（pulse wave velocity, PWV）与血管的弹性或顺应性呈负相关关系，动脉血管的弹性（顺应性）越大，则PWV越小［7，8］。王炳和等［9］报道平脉PWV为6.38 m/s，弦脉为7.74 m/s，二者之间差异有统计学意义。
主动脉根部?桡动脉的PWV，可以通过如下方法估算。传播长度可通过测量从第二肋间胸骨左缘经肱骨小结节到寸口检测部位的距离进行估算。传播时间则是通过心电图R波顶点到寸口脉图起始点的时间差减左心室等容收缩期时间（0.05 s）来估算获得［1］。
2.2.2 长度 脉之长度指脉动应指之长度，应指范围超逾寸、关、尺三部者为脉长，不及三部者为脉短，仅及三部者为不长不短。脉长的检测方法的思考主要有两个方向：基于脉象要素比较的间接推导和基于影像学资料的直观检测。
2.2.2.1 基于脉象要素比较的间接推导 具有脉长特征的脉象包括长脉、洪脉、实脉、弦（紧）脉，具有脉短特征的脉象包括短脉、动脉、涩脉。长脉（病脉）脉来长直，硬满劲急；洪脉长大有力，浮大于沉，来盛去衰；实脉宽大有力，来去三指皆满；短脉脉动尺寸缩短，关部隐现；动脉往来流利，频数而应指短小；涩脉往来不利，如轻刀刮竹。
对以上两类脉象，笔者进行了除脉长以外的7种脉象要素的分析比较。结果发现，第一，脉长者可见脉力非常强盛，其强度超过一般的脉势非虚之脉（如滑脉、沉脉等），脉短者脉力正常或弱；第二，脉长者可见脉管紧张度增高，而脉短者脉管紧张度正常或较低。通过以上的比较，可以推断脉之长短可能与脉力（势）和紧张度有关。
脉之长短与脉力（势）有关的原因，笔者围绕触觉阈作了如下考虑。触觉阈为引起触觉的最小压陷深度（μm）。现代研究是用机械刺激器控制的刺激杆，对皮肤进行压陷刺激来得到触觉阈。人手掌面的指尖是触觉最敏感的部位（阈值在10 μm以内），其次为手指的其余部分［10］。手指指腹呈弧形，医者手指与患者寸口皮肤接触的程度，由指腹中央向外侧逐渐减弱，指腹外侧部位的一些区域未达到触觉阈。如果这些部位要感受到脉管搏动，那么需要增加手指与皮肤的接触程度，才能达到触觉阈。通过以下两种情况可以实现：第一，医者手指施力增加，使指腹弧度变小；第二，皮肤发生朝向指面的位移。但在医者手指施力不变的情况下，只存在第二种情况。
寸口部皮肤发生位移的主要原因在于桡动脉的周期性搏动，桡动脉搏动产生的位移很大程度上决定了上层皮肤的位移，每次搏动都会引起上层组织的位移，使手指与患者寸口皮肤接触的程度发生周期变化，从而产生搏动感。桡动脉搏动产生的位移，与动能的形成有关，运动产生的能量越大，力度越大。所以，笔者认为脉长可能与脉力（脉势）有一定关系。
脉之长短与紧张度有关的原因，笔者从触压觉机械感受器的角度进行了考虑。人体无皮肤毛区的触压觉感受器主要为机械感受器，有4种类型：环层小体、Meissner触觉小体、Merkel感受器、Ruffini小体，其中与感受刺激变化有关的是环层小体和Meissner触觉小体。环层小体主要编码波动性刺激的频率，Meissner触觉小体主要编码刺激强度变化率［10］。
脉之长短可能与脉力（势）和紧张度存在关系。脉力可以通过脉势参数来反映，如周期动能或周期功率，而紧张度可以PWV来反映，所以脉长参数=脉势参数×PWV。
2.2.2.2 基于影像学资料的直观检测 根据前期研究的经验［1，11］，本研究在新型可视化脉诊装置的基础上，对脉长的检测方法进行了一些改进。主要采取以下两种方法进行尝试。
（1）单部探头下血管段纵切面轴心位移的测量。探头下血管段指探头正下方的一段桡动脉血管，其在水平面上的投影长度与探头内径相同。桡动脉在搏动中存在轴向伸缩和径向舒缩，以探头下血管段纵切面为研究对象，观察该切面轴心在脉（心）动周期内的运动轨迹，主要分析在水平方向上的最大位移。拟用此位移表示单部脉管的轴向伸缩度，以作为考察脉长的一个参数。见图2和图3。
（2）单部探头可探测血管段外接矩形长度变化的观察。探头下可探测血管段指B超探头扇形扫描区域内可探测并显示的桡动脉长度。外接矩形指包含该段桡动脉的最小矩形。可探测血管段长度包括2个长度。第一，通过寻找该段血管在8个方向上的极值点，可以计算近皮肤一侧血管壁末端两个极值点之间的最长直线距离。第二，矩形长度。将矩形长度作为一个参数是考虑到医者体察脉长时，不可能感受到血管的弯曲，感受到的是平行于皮肤表面的端直血管长度。见图4。
以脉（心）动周期为基础，观察两个极值点间的最长直线距离和矩形长度的最大值、最小值以及长度?时间变化率［（最大值－最小值）/心动周期］等数值，作为考察脉长的参数。
2.2.3 宽度 脉之宽度指医者切脉时脉管的宽度。脉之宽度大于平脉为脉大，小于平脉为脉细。脉大者包括大脉、洪脉、实脉；脉细者包括细脉、濡脉、弱脉、微脉。
指下感觉到的脉管宽度，主要与两方面因素有关。第一是桡动脉直径。在实际情况下，桡动脉横切面呈近似椭圆的不规则形，无法测量其直径或长、短径，所以借助前期研究的经验［11］，本研究组选择面积作为衡量宽度的参数之一。第二是与桡动脉搏动中形成的整体位移有关。整体位移包括径向位移和轴向位移，研究证实，指下脉宽与径向位移关系比较密切［1］。前期研究结果显示［4］，与2～3 mm的脉管宽度相比，桡动脉横切面的径向位移量较小，所以桡动脉横切面面积是决定脉宽的主要因素，但是脉宽是在脉管运动过程中形成的，个体之间脉管宽度（或面积）的差异有可能很小，因此，径向位移量也是必须考虑的因素。脉之宽度的检测主要采取基于影像学资料的方法。
图2 单部探头下血管段（略）
图3 单部探头下血管段纵切面轴心（略）
图4 包含桡动脉的最小矩形、极值点和两个极值点间最长直线距离（略）
2.2.3.1 桡动脉横切面面积变化的考察 通过图像处理，可获得较为清晰的桡动脉横切面的分割图像。以像素为基础计算面积，观察脉（心）动周期内桡动脉横切面面积的最大值、最小值和面积?时间变化率，分析这些参数与脉宽之间的关系。见图5。
2.2.3.2 桡动脉横切面轴心位移的考察 图像处理可获得桡动脉横切面的轴心，观察脉（心）动周期内轴心运动轨迹，测量径向位移量和位移?时间变化率，分析这些参数与脉宽之间的关系。见图1和图6。
图5 桡动脉横切面（略）
图6 桡动脉横切面轴心（略）
2.2.4 流利度 流利度指指下感觉的流利或涩滞。流利度主要有滑、涩两类，脉滑者包括滑脉、动脉，脉涩者包括涩脉。滑脉往来流利，如珠走盘；动脉短而滑数，厥厥动摇；涩脉往来不利，其势艰难，三五不参。
前期研究表明［1］，脉之滑涩与桡动脉运动有一定关系。在此基础上，结合脉图时域分析方法，笔者进行了进一步的推理，认为流利度与心（脉）动周期内桡动脉运动方向改变程度、周期时间及桡动脉横切面形状等因素有关。
压力脉图其实反映的是桡动脉直径随时间变化的情况，从一个方面反映了桡动脉在垂直方向上的运动情况［12］。从滑脉和涩脉的脉图来看，如仅考虑波动曲线的光滑程度，滑脉较涩脉要光滑得多。由于压力信号采样频率相同，可以推断，在垂直方向上，相邻采样时间内滑脉桡动脉上壁位移速度改变的程度小于涩脉，微分图则更加直观地表现了这种差异［13］。脉动过程不仅仅是桡动脉上壁的垂直运动，而且是包含桡动脉和上层组织的整体三维运动，由于上层组织相对静止，脉动的产生主要是由于桡动脉的三维运动。前期研究已经证实［1］，脉滑变与脉管横切面扩张及轴心位移增大有关。所以，仅一个方向上的变化可能很难说明构成脉象的一个基本要素，需要从桡动脉三维运动的角度进行探索。关于桡动脉的三维运动随时间变化的情况，本研究组采取分别考察的策略，将桡动脉运动分为径向运动和轴向运动，以轴心为研究对象，结合“周期整体”观念，观察横切面和纵切面在两个平面内随时间变化的周期运动情况。同时改进脉图对滑涩进行辨识的方法，以运动轨迹夹角代表相邻时间段内桡动脉切面运动方向的变化，以内角和代表周期运动方向的变化程度。
桡动脉横切面的形状近似椭圆，其形状的周期变化可能也是影响流利度的因素之一。在脉动周期运动中，若桡动脉横切面形状多变，那么使医者指下皮肤产生较快的变形速度，容易被指端感受器感知，产生形状多变的涩滞感。
基于上述考虑，对脉（心）动周期内桡动脉切面轴心运动轨迹以及横切面形状变化程度进行考察，将轨迹内角和、均值、角度?时间变化率以及固靠性等作为反映流利度的参数。见图1。初步研究证实，帧间角度平均值和帧间固靠性变化率两个参数相结合考察可以初步进行流利度的辨识［14］。
脉形、脉势是两个较为复杂的属性，对它们的研究，除了检测手段的多样化外，考察思路和研究策略也需要丰富，这也是实现有效参数筛选和构建对应关系的基本前提。本文仅是对脉形、脉势检测方法的初步探索，其有效性需要进一步的证实和大样本的检验。
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