中医脉象模拟系统的研究
作者：汤伟昌 孙汉钧 徐建国 李斌芳
单位：汤伟昌(上海中医药大学中诊教研室，上海 200032)；孙汉钧(上海中医药大学中诊教研室，上海 200032)；徐建国(上海中医药大学中诊教研室，上海 200032)；李斌芳(上海中医药大学中诊教研室，上海 200032)
关键词：中医脉象；脉象模拟系统
中国中医基础医学杂志000122 中图分类号：R241.19 文献标识码：A
文章标号：1006-3250(2000)01-0070-03
1 前言
中医脉诊是中医诊断学的重要组成部分。我们对中医脉象的再现模拟进行了深入的研究。其目的意义主要为以下几个方面：
, 百拇医药
1.1 解决目前中医教学中脉诊教学难度大、时间长的现状，使学习者在脉象模拟系统上对中医常见典型脉象得到强化“脉诊”指感的训练，很快掌握中医常见典型脉的诊脉技术。
1.2 通过调节模拟系统中的流量与压力(相当于改变人体外周阻力)及流体的粘度(相当于改变人体血液粘度)等参数来观察脉搏波形的变化，可以在体外对脉搏的形成机理作深一步的研究、分析。
1.3 中医事业的未来是中医与现代科技有机结合的时代。本项目的研究，为中医科、教、研走向一个新台阶提供一种有效的科学手段。
2 脉象模拟方法的研究
中医脉象的形成机理相当复杂。中医认为，气、血是形成脉象的物质基础，心、脉是产生脉象的主要脏腑器官。《濒湖脉学》论述“气如橐篇，血如波澜，血脉气息，上下循环”，道出了脉象形成的基本原理。生理学认为，脉搏是由心脏射血活动引起的一种血液和血管壁的振荡。这种振荡所产生的波，从主动脉根部开始，沿着动脉树向外周脉管传播，由于个体差异所引起的波的离散，血液和血管壁的粘滞性对脉搏波的阻止作用以及外周反射波的叠加等因素影响程度的不同，产生了各种不同的脉搏波。中医脉象的形成还与时间、气候、环境、机体状态等因素有关。鉴于这样复杂的因素，用什么样的方法来模拟脉象是首要解决的问题。作为最基本的研究，我们还不可能完全仿制人体生理、病理的状态下来模拟脉象，而只能用机械的、物理的、波形合成的方法仿生模拟出中医脉象最主要的内容，即脉象波形和指感特征。为模拟出这两方面的内容，我们设想用电机和油泵模拟人体心脏，用电磁阀模拟人体心脏瓣膜，用橡胶管路系统模拟人体动脉树，用乳胶管模拟人体挠动脉处的血管，用不同配方的乳胶手模拟人体的手，用各种压力和流量的调节阀模拟人体的外周阻力。实践证明，用这种方法来实现最基本的脉象模拟是行之有效的，并取得了良好的效果。
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3 脉象模拟系统的结构原理
脉象模拟系统的结构框图如下：
框图各部分工作原理如下：
3.1 液压系统
由电机和油泵组成仪器的液压系统。该系统参照工业用液压系统的原理，并通过重新设计，使其压力、流量的参数接近人体心脏小压力、小流量的要求，从而模拟人体心脏的输出输入状态。根据生理学指标，人体心脏每分钟输出量约为4.5～6 L。而流经挠动脉血管的血流量则很少，我们选用了每分钟最大输出为2.5 L的CD2.5齿轮油泵作为压力、流量源；并采用单片机控制的小型调速电机来驱动油泵，调速电机的速度是根据不同脉力要求经多次反复实验而确定的。这样一来，油泵就能根据要求输出不同压力和流量的液体(液体为不同粘度的硅油，相当于人体血液)。
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3.2 分配器
油泵输出的具有一定压力与流量的液体(不同粘度的硅油)通过橡胶管道传输给分配器，分配器将液体分成三路输给电磁阀。输出的压力、流量的大小可通过分配器内部的调节阀和泄流阀任意调节。分配器由金属材料制成，内部有一个容积腔，其功能是对油泵的输出进行稳压和滤波，以改善脉搏波的输出质量。
3.3 单片机控制电路与电磁阀
单片机控制电路根据不同脉象的要求发出指令，一方面可调节电机的转速，另一方面还控制着一组电磁阀的开关。开与关的时间是根据各种中医脉象不同要求而决定的。类似于人体心脏瓣膜的开闭状态。当电磁阀关闭时，其输入端积聚了一定压力的流体，在开启的瞬间，就会输出冲击波往后传导。
3.4 波形合成器
由电磁阀支路输出的三个或两个冲击波(冲击波的个数根据不同脉象要求确定)汇聚到合成器内，可合成各种脉的波形。脉波幅度的大小取决于电机的转速和泄流阀的调节；而脉波的峰与谷出现的时间取决于电磁阀的开启状态；脉波下降支的陡峭程度可通过回流阀的调节来确定，相当于调节人体的外周阻力。合成器内也有一个容积腔，其主要功能是滤波，使输出的脉图光滑、流畅。
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3.5 仿生手
仿生手由模拟桡骨(金属铝)、模拟桡动脉血管(乳胶管)、模拟手(乳胶手)组成。三者的相对位置基本按照人体解剖位置设定。充当血管的乳胶管由软硬、粗细之分，是根据各种脉的不同要求来选取的。当合成器输出的液体经桡动脉血管回流到油缸的过程中，仿生手的腕部就会模拟出人体多种典型脉象。
以平脉为例说明产生脉搏波形的具体过程。平脉的波形形态如图1-1所示，根据《中国脉诊研究》一书中平脉的参数换算出：
t1=0.08s h1=20～25mm
t2=0.18s h2=11～13.75mm
t3=0.24s h3=12～15mm
t4=0.34s h4=8～10mm
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t5=0.4s h5=1～3mm
T=0.8s～0.85s
图1 平脉波形及参数
为实现该脉图，首先由单片机电路发出信号开启第一个电磁阀，开启时间为t1。这样合成器中有一个瞬时压力冲击，形成一个主峰波，主峰波的高度h1通过调节泄流阀和分配器内的支路调节阀使其达到规定的高度。当第一个电磁阀开启0.08 s后，控制电路发出关闭信号，电磁阀关闭，合成器中压力下降，主峰波产生下降沿。当下降到h2位置时，电路马上指示开启第二个电磁阀，开启时间为t3-t2，这样产生第二个峰波。该峰波h3的高度通过分配器中第二支路的调节阀调定。当第二个电磁阀关闭后，波形又开始下降，下降到h4降中峡位置时，再开启第三个电磁阀，开启时间为t5-t4，这样又产生了第三个波峰。该峰值高度h5也是通过分配器中的支路调节阀进行调节。第三个阀关闭后，直到一个脉波的周期T为止再开启第一个电磁阀，以此类推，就产生了模拟人体连续不断的脉搏波。图2是利用ZM-I型脉象仪在人体上测得的平脉和弦脉图形(用心电图机描记)；图3是从脉象模拟系统上测取的平脉和弦脉。两者形态上很接近。
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图2 人体上测取的平脉、弦脉图形
图3 脉象模拟系统上测取的平脉、弦脉图形
4 脉象模拟系统的功能及技术要求的实现方法
目前，我们研制的脉象模拟系统由A、B、C、D四台组成一套，每台能产生4种脉，一共能产生16种脉。其中：
A：平脉、滑脉、迟脉、濡脉
B：洪脉、革脉、数脉、浮脉
C：弦脉、结脉、代脉、促脉
D：沉脉、细脉、涩脉、弱脉
系统的技术要求主要为下列几方面：
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4.1 波形参数(形态、幅度、脉率、节律等)
脉象模拟系统模拟输出脉象图形的基本参数和变异范围主要参照《中国脉诊研究》一书。
4.2 指感特征
脉象模拟系统目前能模拟的指感特征主要包括脉位深浅、脉管粗细、脉搏强弱、脉动频率、脉动节律、脉象弦柔、滑涩等。分别通过以下方法进行模拟：
4.3 脉位深浅
选用腕部皮肤厚度不同的乳胶手和调节乳胶血管与挠骨的相对位置这样一种物理的方法，就能获得脉位深浅的指感特征。
4.4 脉管粗细
通过选取不同直经的乳胶管而实现的，做洪脉的乳胶管显然要比细脉的乳胶管粗得多。根据人体解剖学知识，将乳胶管直径的范围定在2～4mm之间。
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4.5 脉搏强弱
通过调节系统中的各种调节阀门，改变管路系统中液体的流量和速度，从而使输出的脉搏力度达到规定要求。
4.6 脉动频率、脉动节律
将各种脉搏的频率、节律要求编制成软件存放于单片机的存储器中，单片机根据软件指令控制电磁阀的开启频率和节率，从而使输出脉搏波的频率和节率随软件指令的改变而发生变化。
4.7 脉象弦柔
脉象弦柔的模拟较复杂，主要通过三个方面来实现。一是选用不同配方制成的、管壁厚度不一样的乳胶管充当不同要求的血管(例做弦脉的乳胶管比平脉的乳胶管配方要硬，管壁较厚)；二是调节电路系统的参数使弦类脉象主峰波的宽度较柔类脉象的宽，使主峰波的应指时间有所区别；三是改变管路内液体的流量，使弦、柔类脉的充盈度不一样，从而达到不同的指感要求。
, 百拇医药
4.8 脉象滑涩
脉象滑涩的模拟一方面通过电路系统参数控制脉象主峰波上升的时间，另一方面改变液体的粘度和流速，以达到指感滑涩的要求。
5 实际应用和未来期望
脉象模拟系统已开始在国内外部分中医院校试用，使学习者在课堂内就能对中医常见典型脉得到强化训练，取得了良好的效果。通过调节模型系统中的流量与压力(相当于改变人体外周阻力)及流体的粘度(相当于人体血液粘度)等多种参数，还可以在体外对脉搏的形成机理作深一步的研究、分析。
但是，脉象模拟系统的研究还是一个初步的尝试，展望未来，本系统还应在以下几方面作更深一步的研究：
5.1 人体的脉搏是一个变化多端的有生命的生物信号，而脉象模型只是一个模拟信号，要模拟出与人体完全一致的指感特征在有些脉例上还有一点差异。因此，怎么样根据软组织流变力学原理，如何使仿生手的生理结构、软硬程度更接近于人体实际状态，使脉搏指感特征尽可能地与实际状态吻合，将是我们今后努力的方向。
, 百拇医药
5.2 由于模拟系统中存在着流动的液体，其粘度、流速的稳定性直接影响到脉象的变化；另外乳胶血管和乳胶手的老化也会影响脉象的变化。因此，怎么样克服这些不稳定因素对脉象的影响也是我们今后研究的内容。
5.3 模拟系统目前只能模拟出十几种常见中医典型脉象，还不能模拟出兼脉，今后也应在这方面作进一步研究。
作者简介：汤伟昌(1957-)，男(汉族)，上海人，上海中医药大学副研究员，兼任中国生物医学工程学会中医药工程分会委员，从事中医“四诊”客观化方法、手段及仪器的研究以及中医医学工程领域的研究。
参考文献
[1]费兆馥.中国脉诊研究.上海：上海中医学院出版社，1991.
[2]吴云鹏等译.生物流变学.北京：科学出版社，1988.
[3]谢沅清.模拟集成电路应用.北京：人民邮电出版社，1984.
[4]朱文锋.中医诊断学.上海：上海科学技术出版社，1995.
收稿日期：1999-09-07
修回日期：1999-09-21, 百拇医药
单位：汤伟昌(上海中医药大学中诊教研室，上海 200032)；孙汉钧(上海中医药大学中诊教研室，上海 200032)；徐建国(上海中医药大学中诊教研室，上海 200032)；李斌芳(上海中医药大学中诊教研室，上海 200032)
关键词：中医脉象；脉象模拟系统
中国中医基础医学杂志000122 中图分类号：R241.19 文献标识码：A
文章标号：1006-3250(2000)01-0070-03
1 前言
中医脉诊是中医诊断学的重要组成部分。我们对中医脉象的再现模拟进行了深入的研究。其目的意义主要为以下几个方面：
, 百拇医药
1.1 解决目前中医教学中脉诊教学难度大、时间长的现状，使学习者在脉象模拟系统上对中医常见典型脉象得到强化“脉诊”指感的训练，很快掌握中医常见典型脉的诊脉技术。
1.2 通过调节模拟系统中的流量与压力(相当于改变人体外周阻力)及流体的粘度(相当于改变人体血液粘度)等参数来观察脉搏波形的变化，可以在体外对脉搏的形成机理作深一步的研究、分析。
1.3 中医事业的未来是中医与现代科技有机结合的时代。本项目的研究，为中医科、教、研走向一个新台阶提供一种有效的科学手段。
2 脉象模拟方法的研究
中医脉象的形成机理相当复杂。中医认为，气、血是形成脉象的物质基础，心、脉是产生脉象的主要脏腑器官。《濒湖脉学》论述“气如橐篇，血如波澜，血脉气息，上下循环”，道出了脉象形成的基本原理。生理学认为，脉搏是由心脏射血活动引起的一种血液和血管壁的振荡。这种振荡所产生的波，从主动脉根部开始，沿着动脉树向外周脉管传播，由于个体差异所引起的波的离散，血液和血管壁的粘滞性对脉搏波的阻止作用以及外周反射波的叠加等因素影响程度的不同，产生了各种不同的脉搏波。中医脉象的形成还与时间、气候、环境、机体状态等因素有关。鉴于这样复杂的因素，用什么样的方法来模拟脉象是首要解决的问题。作为最基本的研究，我们还不可能完全仿制人体生理、病理的状态下来模拟脉象，而只能用机械的、物理的、波形合成的方法仿生模拟出中医脉象最主要的内容，即脉象波形和指感特征。为模拟出这两方面的内容，我们设想用电机和油泵模拟人体心脏，用电磁阀模拟人体心脏瓣膜，用橡胶管路系统模拟人体动脉树，用乳胶管模拟人体挠动脉处的血管，用不同配方的乳胶手模拟人体的手，用各种压力和流量的调节阀模拟人体的外周阻力。实践证明，用这种方法来实现最基本的脉象模拟是行之有效的，并取得了良好的效果。
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3 脉象模拟系统的结构原理
脉象模拟系统的结构框图如下：
框图各部分工作原理如下：
3.1 液压系统
由电机和油泵组成仪器的液压系统。该系统参照工业用液压系统的原理，并通过重新设计，使其压力、流量的参数接近人体心脏小压力、小流量的要求，从而模拟人体心脏的输出输入状态。根据生理学指标，人体心脏每分钟输出量约为4.5～6 L。而流经挠动脉血管的血流量则很少，我们选用了每分钟最大输出为2.5 L的CD2.5齿轮油泵作为压力、流量源；并采用单片机控制的小型调速电机来驱动油泵，调速电机的速度是根据不同脉力要求经多次反复实验而确定的。这样一来，油泵就能根据要求输出不同压力和流量的液体(液体为不同粘度的硅油，相当于人体血液)。
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3.2 分配器
油泵输出的具有一定压力与流量的液体(不同粘度的硅油)通过橡胶管道传输给分配器，分配器将液体分成三路输给电磁阀。输出的压力、流量的大小可通过分配器内部的调节阀和泄流阀任意调节。分配器由金属材料制成，内部有一个容积腔，其功能是对油泵的输出进行稳压和滤波，以改善脉搏波的输出质量。
3.3 单片机控制电路与电磁阀
单片机控制电路根据不同脉象的要求发出指令，一方面可调节电机的转速，另一方面还控制着一组电磁阀的开关。开与关的时间是根据各种中医脉象不同要求而决定的。类似于人体心脏瓣膜的开闭状态。当电磁阀关闭时，其输入端积聚了一定压力的流体，在开启的瞬间，就会输出冲击波往后传导。
3.4 波形合成器
由电磁阀支路输出的三个或两个冲击波(冲击波的个数根据不同脉象要求确定)汇聚到合成器内，可合成各种脉的波形。脉波幅度的大小取决于电机的转速和泄流阀的调节；而脉波的峰与谷出现的时间取决于电磁阀的开启状态；脉波下降支的陡峭程度可通过回流阀的调节来确定，相当于调节人体的外周阻力。合成器内也有一个容积腔，其主要功能是滤波，使输出的脉图光滑、流畅。
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3.5 仿生手
仿生手由模拟桡骨(金属铝)、模拟桡动脉血管(乳胶管)、模拟手(乳胶手)组成。三者的相对位置基本按照人体解剖位置设定。充当血管的乳胶管由软硬、粗细之分，是根据各种脉的不同要求来选取的。当合成器输出的液体经桡动脉血管回流到油缸的过程中，仿生手的腕部就会模拟出人体多种典型脉象。
以平脉为例说明产生脉搏波形的具体过程。平脉的波形形态如图1-1所示，根据《中国脉诊研究》一书中平脉的参数换算出：
t1=0.08s h1=20～25mm
t2=0.18s h2=11～13.75mm
t3=0.24s h3=12～15mm
t4=0.34s h4=8～10mm
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t5=0.4s h5=1～3mm
T=0.8s～0.85s
图1 平脉波形及参数
为实现该脉图，首先由单片机电路发出信号开启第一个电磁阀，开启时间为t1。这样合成器中有一个瞬时压力冲击，形成一个主峰波，主峰波的高度h1通过调节泄流阀和分配器内的支路调节阀使其达到规定的高度。当第一个电磁阀开启0.08 s后，控制电路发出关闭信号，电磁阀关闭，合成器中压力下降，主峰波产生下降沿。当下降到h2位置时，电路马上指示开启第二个电磁阀，开启时间为t3-t2，这样产生第二个峰波。该峰波h3的高度通过分配器中第二支路的调节阀调定。当第二个电磁阀关闭后，波形又开始下降，下降到h4降中峡位置时，再开启第三个电磁阀，开启时间为t5-t4，这样又产生了第三个波峰。该峰值高度h5也是通过分配器中的支路调节阀进行调节。第三个阀关闭后，直到一个脉波的周期T为止再开启第一个电磁阀，以此类推，就产生了模拟人体连续不断的脉搏波。图2是利用ZM-I型脉象仪在人体上测得的平脉和弦脉图形(用心电图机描记)；图3是从脉象模拟系统上测取的平脉和弦脉。两者形态上很接近。
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图2 人体上测取的平脉、弦脉图形
图3 脉象模拟系统上测取的平脉、弦脉图形
4 脉象模拟系统的功能及技术要求的实现方法
目前，我们研制的脉象模拟系统由A、B、C、D四台组成一套，每台能产生4种脉，一共能产生16种脉。其中：
A：平脉、滑脉、迟脉、濡脉
B：洪脉、革脉、数脉、浮脉
C：弦脉、结脉、代脉、促脉
D：沉脉、细脉、涩脉、弱脉
系统的技术要求主要为下列几方面：
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4.1 波形参数(形态、幅度、脉率、节律等)
脉象模拟系统模拟输出脉象图形的基本参数和变异范围主要参照《中国脉诊研究》一书。
4.2 指感特征
脉象模拟系统目前能模拟的指感特征主要包括脉位深浅、脉管粗细、脉搏强弱、脉动频率、脉动节律、脉象弦柔、滑涩等。分别通过以下方法进行模拟：
4.3 脉位深浅
选用腕部皮肤厚度不同的乳胶手和调节乳胶血管与挠骨的相对位置这样一种物理的方法，就能获得脉位深浅的指感特征。
4.4 脉管粗细
通过选取不同直经的乳胶管而实现的，做洪脉的乳胶管显然要比细脉的乳胶管粗得多。根据人体解剖学知识，将乳胶管直径的范围定在2～4mm之间。
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4.5 脉搏强弱
通过调节系统中的各种调节阀门，改变管路系统中液体的流量和速度，从而使输出的脉搏力度达到规定要求。
4.6 脉动频率、脉动节律
将各种脉搏的频率、节律要求编制成软件存放于单片机的存储器中，单片机根据软件指令控制电磁阀的开启频率和节率，从而使输出脉搏波的频率和节率随软件指令的改变而发生变化。
4.7 脉象弦柔
脉象弦柔的模拟较复杂，主要通过三个方面来实现。一是选用不同配方制成的、管壁厚度不一样的乳胶管充当不同要求的血管(例做弦脉的乳胶管比平脉的乳胶管配方要硬，管壁较厚)；二是调节电路系统的参数使弦类脉象主峰波的宽度较柔类脉象的宽，使主峰波的应指时间有所区别；三是改变管路内液体的流量，使弦、柔类脉的充盈度不一样，从而达到不同的指感要求。
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4.8 脉象滑涩
脉象滑涩的模拟一方面通过电路系统参数控制脉象主峰波上升的时间，另一方面改变液体的粘度和流速，以达到指感滑涩的要求。
5 实际应用和未来期望
脉象模拟系统已开始在国内外部分中医院校试用，使学习者在课堂内就能对中医常见典型脉得到强化训练，取得了良好的效果。通过调节模型系统中的流量与压力(相当于改变人体外周阻力)及流体的粘度(相当于人体血液粘度)等多种参数，还可以在体外对脉搏的形成机理作深一步的研究、分析。
但是，脉象模拟系统的研究还是一个初步的尝试，展望未来，本系统还应在以下几方面作更深一步的研究：
5.1 人体的脉搏是一个变化多端的有生命的生物信号，而脉象模型只是一个模拟信号，要模拟出与人体完全一致的指感特征在有些脉例上还有一点差异。因此，怎么样根据软组织流变力学原理，如何使仿生手的生理结构、软硬程度更接近于人体实际状态，使脉搏指感特征尽可能地与实际状态吻合，将是我们今后努力的方向。
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5.2 由于模拟系统中存在着流动的液体，其粘度、流速的稳定性直接影响到脉象的变化；另外乳胶血管和乳胶手的老化也会影响脉象的变化。因此，怎么样克服这些不稳定因素对脉象的影响也是我们今后研究的内容。
5.3 模拟系统目前只能模拟出十几种常见中医典型脉象，还不能模拟出兼脉，今后也应在这方面作进一步研究。
作者简介：汤伟昌(1957-)，男(汉族)，上海人，上海中医药大学副研究员，兼任中国生物医学工程学会中医药工程分会委员，从事中医“四诊”客观化方法、手段及仪器的研究以及中医医学工程领域的研究。
参考文献
[1]费兆馥.中国脉诊研究.上海：上海中医学院出版社，1991.
[2]吴云鹏等译.生物流变学.北京：科学出版社，1988.
[3]谢沅清.模拟集成电路应用.北京：人民邮电出版社，1984.
[4]朱文锋.中医诊断学.上海：上海科学技术出版社，1995.
收稿日期：1999-09-07
修回日期：1999-09-21, 百拇医药