脈搏波溝通中醫(yī)和西醫(yī)的橋梁

脈搏波：溝通中醫(yī)和西醫(yī)的橋梁作者：宋相和【摘要】脈搏波蘊含著豐富的人體生理和病理信息，歷來都受到中外醫(yī)學界的重視，現(xiàn)已成為中西醫(yī)共同的研究熱點。本文從脈搏波理論的發(fā)展和應用研究出發(fā)，分析了其中存在的問題，比較了中西醫(yī)對脈搏波信息提取和利用的現(xiàn)狀，提出應對脈搏波進行更深入的研究，使之成為一個溝通中醫(yī)和西醫(yī)的橋梁?！娟P鍵詞】 脈搏波模型理論脈診客觀化中西醫(yī)結合Abstract:Pulsewave,aresearchfocusinbothtraditionalChinesemedicineandWesternmedicine,whichcontainsawealthofhumanphysiologicalandpathologicalinformation,hasalwaysbeentheconcernofmedicalpractitioners.Onthebasisofthereviewonthedevelopmentofthepulsewavetheoryanditsapplications,theexistingproblemsinthisfieldarediscussedinthispaper.OnthebasisofthestatusquoofpulsewaveinformationextractionmethodsandtheutilizationofpulsewaveintraditionalChineseandWesternmedicine,amoreindepthstudyonpulsewaveisproposedtomakeitabridgeconnectingtraditionalChinesemedicinewithWesternmedicine.Keywords:pulsewave;models,theoretical;objectifyingpulsetaking;integrativetraditionalChineseandWesternmedicine當心臟周期性地收縮和舒張時，左心室射入主動脈的血流沖擊主動脈瓣和血管壁，產(chǎn)生的振動將以波的形式自主動脈根部發(fā)出，沿動脈樹向外周動脈傳播，此波稱為向前波。當向前波受到動脈分支和外周動脈等因素的作用時，產(chǎn)生與之方向相反的反射波。反射波沿動脈樹向心臟方向傳播，與向前波疊加后形成具有不同波形特征的脈搏波。脈搏波的傳播過程不僅受到心臟本身的影響，還受到沿途動脈和周圍組織器官狀況的影響，使脈搏波蘊藏著豐富的人體生理和病理信息。另外，由于脈搏波的檢測不需要復雜而昂貴的儀器，操作簡便，而且無創(chuàng)，因此關于脈搏波深入細致的研究，歷來都受到中外醫(yī)學界的重視。脈搏波理論發(fā)展對脈搏波的理論研究，國外學者做了大量的工作，從18世紀初開始至今，其研究歷史已長達幾個世紀。而國內(nèi)學者對脈搏波理論研究則始于解放后。脈搏波理論研究大致經(jīng)歷了從理論描述到模型分析以及線性化理論到非線性化理論的發(fā)展過程［1 4］。見表1。表1 脈搏波理論發(fā)展歷程發(fā)展階段分析模型及理論研究者理論描述首次發(fā)現(xiàn)和認識到血液循環(huán)現(xiàn)象HarveyW（17世紀初）首先論證了動脈彈性腔的意義NewtonI（1700年）線性化理論提出Windkessel模型（彈性腔模型）HaleS（1733年）發(fā)表了理想流體的彈性管內(nèi)波傳播速度公式YoungT（1808年）提出血管阻力模型，解釋了動脈中平均血壓下降的原因PoiseuilleJLM（1840年）發(fā)現(xiàn)主動脈和外周動脈壓力波波形的差異MahomedF（1872年）發(fā)表計算脈搏波傳播速度的楊莫恩斯公式MoensAI和KortewegDJ（1878年）建立了相當于動脈系集中參數(shù)模型的風箱理論（彈性腔模型）FrankO（1899年）提出第一個血流脈搏波傳播的分析模型MorganGW和KielyJP（1954年）［5］提出線性分布參數(shù)模型（Womersley理論）WomersleyJR（1957年）［6］提出雙彈性腔模型GoldwynR和WattT（1967年）［7］提出一個完整的線性化脈搏波模型AtabekHB（1968年）［8］對心血管彈性腔理論作了較為深入的研究柳兆榮（1980年）［9］非線性理論提出非線性分布參數(shù)模型，闡明動脈脈搏波傳播的非線性特性EulerL（1755年）提出多項式血管壁應力應變表達式VaishnavRN等（1972年）［10］提出一個包含血管和外周組織運動的非線性脈搏波傳播理論伍時桂等（1986年）［11］提出大血管中非線性壓力波滿足的孤波方程SigeoY（1987年）［12］首次在心臟和血管動態(tài)耦合的基礎上，研究了人體動脈中壓力和流量脈搏波的傳播王英曉等（1998年）［13］建立了非線性血流脈搏波在動脈內(nèi)傳播的理論模型謝官模等（2001年）［14］脈搏波分析方法與應用目前，對脈搏波的分析主要是比較正常和病理狀態(tài)下，脈搏波波形和傳播速度的不同，或者是提取時域或頻域特征參數(shù)來加以分析研究。主要分析方法包括時域分析法、頻域分析法、時頻聯(lián)合分析法、數(shù)學建模分析法和脈搏波傳播速度分析法等。時域分析法時域分析法是指在時域脈搏波圖上分析波動信號的動態(tài)特征，通過對主波、重搏前波和重搏波的高度、比值、時值、夾角和面積值等進行參量分析，找出某些特征與人體生理病理變化的內(nèi)在聯(lián)系。時域分析法是目前最常用的脈搏波分析方法［15］，主要包括直觀形態(tài)法和波圖面積法等。直觀形態(tài)法是直接通過脈搏波波圖的形態(tài)分析，在時域波圖中提取特征信息，如波圖的波、峽的高度、特征點、相應時值等參量，從而分析脈搏波蘊含的生理病理信息。如Millasseau等［16］用主波高度與延遲時間（主波與重搏波之間的時間間隔）的比值作為大動脈硬化指數(shù)，研究了隨年齡增長引起的大動脈硬化。脈圖面積法是以脈搏波波圖面積的變化為基礎的脈搏波形特征量K值提取的一種方法［17］，能較好地反映人體心血管系統(tǒng)中血管外周阻力、血管壁彈性和血液黏度等生理因素。后來，又將K分解成K1和K2，綜合K、K1和K2三個參數(shù)，結合血壓和心率能夠較準確地得到心輸出量。同時，也解決了由不同生理狀況卻得到同一K值的問題，使脈圖面積法在臨床上有了更好的應用［18］。頻域分析法 頻域分析法是近代物理學、工程力學中常用的一種對周期性波動信息做數(shù)值分析的方法。此法通過離散快速傅里葉變換，將時域的脈搏波信號變換到頻域，從脈搏波頻譜中提取與人體生理病理相應的信息，主要觀察振幅、相位隨頻率的變化，找出信號在時域中不太明顯而在頻域中比較明顯的特征。具體方法包括功率譜分析和倒譜分析功率譜分析是指利用廣義平穩(wěn)隨機過程的N個樣本數(shù)據(jù)估計該過程的功率譜密度，也稱為譜分析。對脈搏波信號進行功率譜分析的算法通常采用經(jīng)典的快速傅立葉變換(fastFouriertransform,FFT)，主要是把時域的脈搏波信號用FFT轉(zhuǎn)換成頻譜圖，再通過比較頻譜圖上不同頻率的特征峰來分析脈搏波。此法在脈搏波信號分析中使用較早［19,20］,在當前的許多研究中也經(jīng)常使用［21］。倒譜分析是對頻譜取對數(shù)后，進行傅立葉變換。它將頻域內(nèi)的周期成分轉(zhuǎn)化為倒譜上單根線譜及其倒譜波，測得脈搏周期較為準確。如宋建勤等［22］運用倒譜理論討論了正常心律和非正常心律受檢者的脈搏信號在倒譜域中的特征表現(xiàn)，并通過對286例脈搏信號的倒譜分析，發(fā)現(xiàn)病理與正常心律脈搏信號的倒譜特征差異有統(tǒng)計學意義。時頻聯(lián)合分析法時頻聯(lián)合分析法是把一維信號或系統(tǒng)表示成一個時間和頻率的二維函數(shù)，時頻平面能描述出各個時刻的譜成分。常用的時頻表示方法有短時傅立葉變換和小波變換等。短時傅立葉變換法是將信號劃分成許多小的時間間隔，用傅立葉變換分析每一個時間間隔，以便確定在此時間間隔存在的頻率，這些頻譜的總體表示頻譜在時間上如何變化［23］。它依賴于被分析信號的線性特性，即信號的頻譜與在數(shù)據(jù)中提供正弦成分的幅度成線性比例。其最主要的優(yōu)點是容易實現(xiàn)，計算簡潔有效。利用小波變換可在信號的不同部位得到最佳時域分辨率和頻域分辨率，具有可變的時間和頻率分辨率，把傅立葉變換中的正弦基函數(shù)修改成整個時頻平面的基函數(shù)，最終達到高頻處時間細分和平低頻處頻率細分，自動適應時頻信號分析的要求，從而可聚焦到信號的任意細節(jié)。小波變換這種獨特的能力使它成為分析脈搏波這種非平穩(wěn)信號的有利工具，可以實現(xiàn)對脈搏波信號同時進行時域、頻域特征值的提取和分析［24］。數(shù)學建模分析法數(shù)學建模分析法是指利用模擬電路、流體力學和生物力學等方法，結合脈搏波傳播的理論特征和脈搏波與心血管系統(tǒng)的聯(lián)系，建立相應的脈搏波分析數(shù)學模型，從而在計算機上仿真脈搏波，系統(tǒng)地分析其特征參數(shù)和生理病理信息。具體方法包括力學建模法、電路模擬建模法和系統(tǒng)仿真建模法等。力學建模法是指根據(jù)生物力學和血液動力學原理建立脈搏波在動脈管中傳播的線性和非線性模型，可以在一定意義上反映脈搏波的傳播規(guī)律。力學建模主要針對理論研究，而且大部分都是心血管系統(tǒng)的局部建模，因此在脈搏波理論的發(fā)展過程中具有重要的意義(見表1)，而很難應用于臨床研究。電路模擬建模法是為了便于計算和分析力學方程，利用力電之間的等效關系將力學模型在一定的條件下化為“電路模型”來求解和分析動脈系統(tǒng)。具體把血流比擬為電流，血壓比擬為電壓，血容量比擬為電量，血流黏滯阻力比擬為電阻，血管順應性比擬為電容，血液流動慣性比擬為電感等，可建立心臟模擬電路模型等心血管系統(tǒng)模型25］。具體根據(jù)研究目的不同，建立的不同形式的模型，其結構也可以差別很大。系統(tǒng)仿真建模法是利用系統(tǒng)分析和數(shù)字信號處理研究生理系統(tǒng)的一種新方法主要是通過系統(tǒng)各部分的分析整合，建立系統(tǒng)整體的仿真模型。清華大學白凈教授126］在美國德勒克塞爾大學Jaron教授建立的仿真模型基礎上，增加了左心房和肺循環(huán)等部分，并擴充和建立了人體上肢模型，其仿真實驗結果與臨床試驗結果基本吻合。除上述建模方法外，國內(nèi)還有學者用高斯函數(shù)來仿真脈搏波。一個高斯函數(shù)可以構建一個鐘形波，因此，一個周期的橈動脈脈搏波可以用3個高斯函數(shù)來合成，分別對應主波、重搏波和重搏前波［27］。通過這種方法建立的仿真模型可以提取若干脈搏波特征參數(shù)，用于區(qū)別正常和病理狀況下的脈搏波。脈搏波傳播速度分析法脈搏波傳播速度(pulsewavevelocity,PWV)是指脈搏波由動脈的一特定位置沿管壁傳播至另一特定位置的速率。動脈血管在年齡和各種致病因素等的作用下導致動脈僵硬度增加，從而增加沿動脈樹傳播的PWV。PWV是通過測量兩個記錄部位的距離和脈搏波傳播時間求得，目前臨床上通常采用記錄的部位有頸動脈股動脈、頸動脈肱動脈、頸動脈樓動脈以及肱動脈踝動脈等。PWV已被認為是表征血管硬化程度的金標準，可作為預測心血管疾病發(fā)生率和死亡率的重要依據(jù)128］。近些年來，國外對脈搏波的臨床應用研究大部分都集中在PWV上，主要用來預測和判斷高血壓歸9］、糖尿病［30］和晚期腎衰竭［31］等疾病患者的心血管狀況。脈搏波與中醫(yī)脈診對脈搏波的研究最早可追溯到中國古代的中醫(yī)脈診。在中國傳統(tǒng)醫(yī)學中，脈診具有十分重要的地位，自古就有“切之以九臟之動，惟妙在脈，不可不察”之說，其價值已被2600多年的中醫(yī)臨床實踐所證實。脈診理論現(xiàn)有有關脈診的最早記載是公元前3世紀前后出現(xiàn)的《內(nèi)經(jīng)》；到公元3世紀晉代的王叔和，著有《脈經(jīng)》十卷，成為當時脈學研究的集大成者，他提出“獨取寸口”的診脈方法，對脈學的發(fā)展起了重要的作用；明代李時珍著有《瀕湖脈學》一書，以歌訣的形式來描述脈法，使脈學得到普及和發(fā)展。脈診理論經(jīng)歷代醫(yī)學家的反復臨床實踐與研究，已經(jīng)發(fā)展成為一門獨具特色的診斷科學一一“中醫(yī)脈診學”。它是中醫(yī)“整體觀念”和“辨證論治”基本思想的體現(xiàn)和應用，也是中醫(yī)理論體系中不可缺少的重要組成部分。脈診客觀化研究脈診理論有著悠久的歷史，對中華民族的世代繁衍和發(fā)展做出了巨大的貢獻，其內(nèi)容之博大精深已為世人所公認。但由于中醫(yī)脈診具有極大的個人主觀臆斷性，所謂“脈理精微，其體難辨”；“在心易了，指下難明”。脈象的概念模糊、籠統(tǒng)，難以掌握，長期影響著脈診的現(xiàn)代化發(fā)展。因此，自解放后國內(nèi)學者就掀起了脈診客觀化研究的熱潮，主要是針對脈象形成機制、典型脈圖的識別分類和脈圖的客觀描記(脈診信息采集裝置的研制)等研究。對脈象的研究除借鑒上述幾種脈搏波分析方法外，還有學者提出多因素脈圖識脈法［32］、脈象速率法［33］、句法模式識別法［34］、模糊聚類方法［35］、希爾伯特黃變換(HilbertHuangtransform,HHT)法［36］、盲解卷法［37］和人工神經(jīng)網(wǎng)絡法［38］等。隨著大量現(xiàn)代工程和信號分析方法的引入，脈診客觀化研究正向著多元化的方向發(fā)展。但目前大部分的研究都集中在典型脈圖的解析上，僅有關此方面的研究專著就不下十幾部。傳感器是脈診信息采集裝置研制的最關鍵部分，主要可分為壓力式和光電式等接觸性傳感器，以及傳聲器和超聲多普勒技術等非接觸式傳感器。由于非接觸性傳感器不符合中醫(yī)指壓切脈的特點，目前主要還是以接觸式傳感器開發(fā)為主。脈診信息采集傳感器的研制經(jīng)過了從單探頭到雙探頭，再到三探頭的發(fā)展歷程，逐漸模仿中醫(yī)同步取三部脈象的特征。為了把脈象圖和指壓指感趨勢圖結合起來，車新生等［39］開發(fā)了三維脈象圖采集模塊，并用VB應用程序構建了三維坐標系作為顯示平臺，從而得到了立體化的脈象圖，使脈象特征表達更明顯，與脈診理論中的脈象描述更為貼切。由于脈診信息的采集是后期信號分析的關鍵前提，很多學者都在探討性能更加優(yōu)良的傳感器，隨之而開發(fā)出的脈象儀和脈診儀等智能化脈象分析設備也是品種繁多，功能各異，為脈診客觀化研究提供了良好的硬件基礎。問題討論與前景展望脈搏波的現(xiàn)代研究作為中醫(yī)和西醫(yī)共同的研究熱點，吸引了國內(nèi)外越來越多學者的參與。其理論研究經(jīng)歷了從線性化理論到非線性化理論，局部分析到整體分析的發(fā)展過程。而應用研究也經(jīng)歷了從經(jīng)驗傳授到客觀描述，簡單波圖分析到復雜頻譜分析和系統(tǒng)建模研究的過程。以生物醫(yī)學為基礎，結合物理學、工程學、數(shù)學和計算機科學的技術和方法，大量的信號處理算法被應用到脈搏波的分析和研究中來，使脈搏波研究成為一個多學科交融的領域。但是從研究現(xiàn)狀來看，脈搏波研究主要存在以下幾點不足：只重視純理論研究的深入而無法應用于臨床，或是發(fā)現(xiàn)臨床應用價值而不重視從理論上進行驗證，使脈搏波的理論與應用研究脫節(jié)；分析使用的算法雖然很多，但每種算法都有局限性，脈搏波研究缺乏一種通用的算法或系統(tǒng)的研究體系；多數(shù)研究方法都是提取脈搏波的特征參數(shù)作為分析的依據(jù)，有限幾個特征參數(shù)并不能完整地反映脈搏波的全部信息，而且缺乏對特征參數(shù)之間聯(lián)系的研究，難以得出很有價值的研究結果；時域分析等方法只重視單個周期的波圖研究，雖然操作簡單、直觀，容易為臨床醫(yī)生所接受，但誤差較大，也無法體現(xiàn)脈搏波的動態(tài)變化特征；單從數(shù)學角度建立的模型，在應用上比較方便靈活，但缺乏醫(yī)學上的說服力；而從生理學和力學角度建立的模型能夠很好地反映脈搏波的生理病理特征，但過于龐大和復雜，限制了模型的應用。這些不足很大程度上制約了脈搏波在臨床中的應用，PWV研究卻是個例外。PWV只是脈搏波復雜信息中的一部分，但PWV研究是眾多脈搏波研究工作中最成功的例子，通過比較成熟的理論研究和臨床試驗驗證，PWV已經(jīng)成為心血管系統(tǒng)疾病研究中的一個重要標準。所以，脈搏波研究最重要的一點就是，將廣泛的臨床應用研究與深入的理論研究緊密結合。相比較而言，西醫(yī)更重視脈搏波的理論研究，西方對脈搏波產(chǎn)生和傳播機制的研究已經(jīng)長達幾個世紀，研究手段已經(jīng)比較成熟，理論分析也比較深入。但是，西醫(yī)不像中醫(yī)這樣有獨特的脈診理論作指導，脈搏波的臨床應用只限于心血管系統(tǒng)疾病的診斷和分析，研究對象大多集中在脈搏波傳播速度分析及其測量和分析手段的優(yōu)化，對脈搏波信息的利用有很大的局限性。而中醫(yī)比較重視脈搏波的臨床應用研究，但由于缺乏系統(tǒng)深入的理論研究，中醫(yī)無法客觀地解釋脈診的科學內(nèi)涵。因此，如果能將西醫(yī)的理論研究和中醫(yī)的應用研究很好地結合起來，取長補短，那么脈搏波作為中醫(yī)和西醫(yī)都很關注的研究熱點，很有希望成為溝通二者的橋梁。而且一些學者已經(jīng)認識到，脈搏波技術是一個“省錢”的生物醫(yī)學工程，可以提供一個簡單、快捷、安全、有效和省錢的心血管無創(chuàng)診斷方法】3］。特別是近些年來，為了發(fā)展無創(chuàng)傷診斷技術和降低醫(yī)療費用，美、英、日、韓和加拿大等國的學者對人體脈搏信息和中醫(yī)脈診理論的研究也發(fā)生了濃厚的興趣，這已成為發(fā)展無創(chuàng)傷診斷技術的前沿課題之一。隨著脈搏波理論研究的不斷深入，以及現(xiàn)代生物醫(yī)學、電子與信息學、工程學和計算機學等應用科學的迅猛發(fā)展，脈搏波研究必將在中西醫(yī)結合領域中發(fā)揮越來越重要的作用。【參考文獻】LiJK,MelbinJ,RiffleRA,etal.Pulsewavepropagation.CircRes.1981;49(2):442452.WangBH,XiangJL.Theprogressinresearchforhumanpulsesystemmodelingandpulseconditioninformationanalysis.ShengWuYiXueGongChengXueZaZhi.2002;19(2):329333.ChinesewithabstractinEnglish.王炳和，相敬林.脈搏系統(tǒng)建模與脈象信息分析的研究進展.生物醫(yī)學工程學雜志.2002;19(2):329 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