第二节　基于传感器技术的中医切诊、闻诊

医学的产生可以说是伴随着传感器的产生而来的。中医望、闻、问、切“四诊”，就是运用了人类天生的传感器——触觉、听觉、视觉等人类自身的感觉。从传统的听筒、小锤到如今的内窥镜、CT、B超，再到现在应用于临床的各种手术机器人，医用传感器延伸了医生的感觉器官，把定性的感觉扩展为定量的检测，是医疗设备的关键器件。医用传感器是医学临床诊断的“口舌”，在临床医学诊断、治疗、康复等阶段发挥着必不可少的作用，成为制约高水平先进医疗设备发展的关键技术。

近年来，针对临床医学的特点和临床应用的需要，医用传感器技术成为医疗信息化的重要技术基础，改变了传统医用传感器体积大、性能差的缺点，形成了全新的现代的新型医用传感器技术，正向着智能化、微型化、多参数、可遥控等崭新的方向快速发展。

一、中医诊断装备中常用的传感器介绍

随着现代计算机技术及数字信号处理技术的不断发展，越来越多的先进技术被广泛应用到医学科技领域，如传感器技术。人们在日常生活中所遇到的信号大都是非电量的，这些信号很难被放大、处理和传输。传感器就是将物理、化学、机械等外界参量转化为便于计算机或电子仪器所接收和处理的电学量或光学量的一种装置。医用传感器作为临床医学诊断中医生的“感觉器官”，是生物医学测量、诊断、治疗、数据处理等工作中必不可少的关键元件且意义重大。医用传感器是指将生物体各种不同的生命信息转换为生物测量和医学仪器可用的输出信号的器件或装置。在西医学中，医用传感器代替了医生的感觉器官并起到延伸作用，它能提供生物医学检测、连续监护、人体疾病治疗和控制、临床检验的信息。目前医用传感器已成为高水平先进医疗设备发展的关键技术。

由于人体生理信息分为电信息和非电信息两大类，因此检测人体不同信息需要用不同的传感器。目前主要根据探测的变化量的性质和医用传感器的作用原理对医用传感器进行分类。

（一）根据探测的变化量的性质分类

1.位移传感器　该类医用传感器是利用测量人体的器官和组织的大小、形状、位置的变化来判断这些器官的功能是否正常。如测得大血管的周长变化和血压变化之间的关系，可以算出血管的阻力和血管壁的弹性；测量胸围变化来描记呼吸；测量肠蠕动、胃收缩以了解消化道功能等。

2.振动传感器　该类医用传感器是利用人体中各类振动量的变化，判断这些器官的功能是否正常。如根据各种生理病理声音，如心音、心脏的搏动、呼吸音、血管音，判断心脏、肺部的功能及人体震颤。

3.压力传感器　该类医用传感器是利用人体的各部压力变化，判断这些器官的功能是否正常。如测量血压、心内压、眼压、颅内压及子宫压等等。在呼吸机运行系统中，可通过压力传感器测量计算患者呼气期间的二氧化碳水平，以调节输入压力大小，使患者呼吸顺畅。

4.流量传感器　该类医用传感器是利用人体中某部位的流量变化，判断这些器官的功能是否正常。如根据患者呼吸快慢，通过进气泵控制，调节通气量大小与速度，使患者呼吸和进气频率保持一致，以提供肺部足够的氧浓度。

（二）根据医用传感器的作用原理分类

1.电阻式　电阻式位移传感器，是一种将位移转换成电阻变化的传感器。主要分为电位器式、应变片式和弹性变应计三种。如测量肌肉收缩电位器，以电位器作中心轴，肌肉收缩时，双脚和两臂分开带动电位器中心点移动，从而记录下肌肉的收缩曲线。

2.电感式　电感式位移传感器用位移来改变单线圈的自感或双线圈的互感。电感式传感器主要用于位移测量和可以转换成位移变化的机械量（如力、张力、压力、压差、加速度、振动、应变、流量、厚度、液位、比重、转矩等）的测量。常用电感式传感器有变间隙型、变面积型和螺管插铁型。可用于测量机体内部各器官的大小尺寸变化。血管内外径等。

（三）中医诊疗中常见的传感器

1.压力式脉象传感器　压力传感器在中医脉诊仪中扮演着至关重要的角色。这些传感器精确测量患者脉搏的力度和波动，为中医专业人士提供了一种量化和客观评估脉象的方式。通过高灵敏度和精细的压力变化检测，压力传感器能够捕捉到细微的脉搏特征，从而辅助中医诊断，提高脉诊的准确性和效率。目前已研制出单探头、双探头及三探头压力式脉象传感器，其中，单探头传感器种类较多且应用广泛，但较为简单的结构导致在采集脉象信息时存在局限性，与之相比多探头传感器能获得更丰富的脉象信息。随着技术的不断进步，这些传感器的应用有望进一步优化传统的脉诊方法，为中医现代化贡献力量。

2.光电式脉搏传感器　在中医脉诊领域，光电传感器的应用正日益成为技术革新的焦点。这种传感器通过非侵入式地检测人体脉搏波动，准确捕捉脉搏的细微变化。其工作原理是利用光源照射皮肤并通过光电探测器接收反射或透过血管的光，从而获得脉搏信号。通过对脉搏波形的分析，可以指导医生判断患者的气血状况、脏腑功能、病理变化等信息。这一技术不仅提高了脉诊的准确性和重复性，为脉象的数字化发展带来了可能，还为中医诊断提供了便捷、客观的量化手段，是现代中医脉诊仪器不可或缺的关键组件。

3.电子鼻　是一种模拟人类嗅觉系统的传感器阵列，能够检测和辨识复杂气味的模式。这一技术不仅能提高产品质量控制的准确性，还能在环境监测、健康诊断等多个行业中发挥重要作用。在中医嗅诊领域，电子鼻通过捕捉和分析患者呼出的气体成分，为诊断提供了量化的数据支持。同时，电子鼻还可以用于检测和识别中草药的气味成分，为中药的质量控制和鉴别提供了一种新型手段。这种融合传统医学与现代电子技术的方法，不仅提高了嗅诊的准确性，也为中医的标准化和国际化铺平了道路。

4.红外传感器　在中医诊断实践中，红外成像技术凭借其非侵入性和高灵敏度的特点，正逐渐成为一种重要的辅助诊断手段。这些高精度传感器能够检测人体发出的红外辐射，从而为医生提供关于人体不同部位的温度分布图。这种温度分布图能够反映出人体的生理和病理状态，对于诸如经络堵塞、炎症等中医关注的病变有着重要的指示作用。除了温度测量，现代的红外传感器还配备了先进的图像处理算法，可以将人体表面的温度分布转化为清晰的三维图像，从而帮助医生直观地观察到人体内部的病理变化。红外传感器作为中医诊疗设备中一种重要的辅助诊断手段，以其非侵入性、高灵敏度为中医诊疗提供了强有力的技术支持。

5.经络腧穴阻抗传感器　在中医学领域，经络腧穴的状态被认为是评估人体健康状况的重要指标。近年来，随着生物电阻抗技术的发展，经络腧穴阻抗传感器应运而生，为传统中医经络检测提供了一种新的科学化、量化手段。该传感器通过测定腧穴区域的电阻抗变化，能够非侵入性地探测经络气血流通的功能状态，为诊断和治疗提供了客观的数据支持。与传统的经验判断相比，经络腧穴阻抗传感器以其精确度高、重复性好、操作简便等优点，正逐渐成为中医经络研究及临床应用中不可或缺的工具。

（四）医用传感器的进展

近年来，新型的科学技术前沿与生命科学的进步结合，成为新型医用传感器研究和产品开发的推动力，促使医用传感器朝着智能化、量子化、集成化、微型化、可遥控化及多参数、多功能化等方面发展。

1.智能化　随着信息时代的到来，在生物医学工程领域，计算机、微电子等技术的进步带动了医用传感器的发展。信息量的增长使得传感器的精度、可靠性、响应要求越来越高，传统的大体积传感器因无法满足上述需要而被淘汰，在这种情况下，智能化传感器得到了突飞猛进的发展。智能化传感器由微传感器、微处理器、微执行器和接口电路组成。其主要作用是可根据输入信号进行判断并制定决策，可根据软件控制做出决定，可与外部信息进行交换，并具有自检测、自修正等功能。

2.微型化　微型传感器的典型特点是体积小，其敏感原件的尺寸一般为微米级。经过多年努力，微型传感器技术已广泛应用于医疗领域中。在临床中，微型传感器可以将所需的信息如血液、胃酸、体液中的特定成分等准确地传给医生。此外，微型传感器可以凭借其“娇小”的体积进入常规仪器不能到达的部位，将病灶的位置进行实时反馈。典型的微型传感器是“电子药丸”所带的微传感器，其大小近似于药片，可口服，内装有无线发射器，用于测量胃液成分，可将胃液信号直接通过无线电发送到体外，使医生及时了解胃液情况。

3.多参数　多参数传感器由若干敏感元件组成，不同的敏感元件具有不同的物理结构和化学性质，因此可实现用一个传感器实时测量多种参数，实现多种传感器功能。多参数传感器大多用于人工嗅觉方面，如“电子鼻”，它是由一个交叉选择式气体传感器阵列和相关的数据处理技术组成，并配以恰当的模式识别系统，具有识别简单和复杂气味的能力。在临床应用中，“电子鼻”可以绘画出患者的“呼吸图”，从而方便医生观察判断患者是否受到细菌感染。此外，“电子鼻”还能提供对抗细菌的抗生素。

4.可遥控　遥控传感器就是将遥控技术与传感器技术进行结合形成一种新型的可遥控传感器。在临床诊断治疗中，在患者体内植入或让患者吞服一些检测体内各种参数的传感器或定期释放药物的装置时，需要使用遥控技术在体外控制这些传感器。如微型传感器中的“电子药丸”就是利用遥控技术来完成定点采样、药物释放、图像采集等任务。

随着人们健康意识的不断提高和现代医学手段的多样化，其他一些新型传感器如DNA传感器、光纤传感器、无创检测传感器等也逐渐展露出其优异的性能，成为现代临床诊断研究的重点领域，医用传感器技术的创新必然会推动现代临床医学的更快发展。

二、数据预处理和存储

（一）数据预处理

在数据挖掘过程中，数据的质量直接决定了模型的预测和泛化能力的好坏。然而在现实生活问题中，原始数据往往非常混乱、不够全面，可能包含大量缺失值，也可能包含大量噪声，这将非常不利于算法模型的训练。因此在采集完数据后，建模的首要步骤就是数据预处理，其目的是去除原始数据中的无效数据、不规范数据、错误数据；补齐数据中的缺失值；对数据范围、量纲、格式、类型进行统一化处理；得到标准的、干净的数据，提供给数据统计、数据挖掘等使用。数据预处理主要有以下步骤：处理缺失值、数据标准化、特征选择。

1.处理缺失值　此步骤主要在数据清洗阶段，缺失的数据主要分为数据记录丢失和各种原因而导致的数据记录的空缺。相对于丢弃而言，通过一定的方法将缺失的数据补上在缺失值处理中更加常见。常用的补齐数据中的缺失值方法有均值插补、同类均值插补等。均值插补是针对属性距离可度量的样本，可使用该属性有效值的平均值来插补缺失的值。同类均值插补是将样本数据分类后以该类中样本的均值来插补缺失值。

2.数据标准化　由于算法要求样本具有零均值和单位方差，一般需要对数据进行标准化处理。数据标准化是将不同规格的数据转换到统一规格或将不同分布的数据转换到某个特定范围。此类操作也被称为无量纲化。数据标准化常用的有最小-最大标准化、Z-score标准化等方法。最小-最大标准化又称为min-max标准化，是指对原始数据进行线性变换，设min为属性的最小值，max为属性的最大值，主要原理就是将原始值通过min-max标准化映射到［0，1］区间的值。该方法的公式为：

Z-score标准化是基于原始数据的均值和标准差进行数据标准化，适用于属性最大值和最小值未知的情况。其公式为：

3.特征选择　在实际的数据处理过程中，特征维度通常过高，增大了模型的计算复杂度。所以需要对多维数据的特征进行选择，去除不必要的特征。特征选择是从所有特征中，以统计检验中的分数及相关性指标为依据，选择出对模型建立有用的特征，避免导入不必要的特征。消除不相关的特征能够在降低学习任务的难度、降低模型复杂度的同时，也会提高模型的表达能力。常见的特征选择分为过滤式、包裹式、嵌入式。过滤式特征选择是先对数据集进行特征选择后，再训练学习器。包裹式选择是将要使用的学习器的性能作为特征子集的评价指标，该方法可针对特定的学习器进行优化，较过滤式特征选择效果更好。

（二）数据存储

面对大数据的爆炸式增长，且具有大数据量、异构型、高时效性的需求时，数据的存储不仅有存储容量的压力，还给系统的存储性能、数据管理乃至大数据的应用方面都带来了挑战。数据存储具有很强的现实意义，只有采取合理的数据存储方式，才能够有利于数据的管理、检索等。数据存储主要分为块存储、文件存储、对象存储三种方式。

1.块存储　一般体现形式是卷或者硬盘，数据是按字节来访问的。块存储对里面存的数据内容和格式是一无所知的。块存储只负责数据读取和写入，因此性能很高，适用于对响应时间要求高的系统，如数据库等。

2.文件存储　一般体现形式是目录和文件，数据以文件的方式存储和访问，按照目录结构进行组织。文件存储可以对数据进行一定的高级管理，比如在文件层面进行访问权限控制等。文件存储可以很方便地共享，因此用途非常广泛。比如常用的NFS、CIFS、FTP等都是基于文件存储的。

3.对象存储　一般体现形式是一个UUID，数据和元数据打包在一起，作为一个整体对象存在一个超大池子里。对于对象访问，只需要报出它的UUID，就能立即找到它，但访问的时候对象是作为一个整体访问的。对象存储可以非常简单地扩展到超大规模，因此非常适合数据量大、增速又很快的视频、图像等。