有限元分析皮肤厚度对脉象浮沉的影响

杨力铭

(常州工学院光电工程学院，江苏 常州 213032)

0 引言

传统中医认为疾病导致脉象变化，脉象是诊断疾病的重要依据。近期就有研究表明肥胖影响脉象，胖人易现沉脉，瘦人易现浮脉，而这并非疾病所引起。陈淑阳等[1]研究脉象检测仪器时指出如果不能准确辨识皮肤对脉象的影响而只根据传感器获得的信号评价脉象显然是不合理的。因此，研究皮肤参数对脉搏信号的影响具有十分重要的意义。

胖人皮下脂肪层较厚，而瘦人皮下脂肪层较薄。本文依据手腕解剖结构，建立仿指柔性探头检测脉搏的三维有限元模型，计算不同皮肤厚度下探头薄膜的振动规律，从而分析皮肤厚度对脉象沉浮的影响。

1 建立有限元模型

1.1 仿指柔性探头取脉原理

仿指柔性探头取脉原理如图1所示。探头由刚性壳体和气囊两部分构成，气囊紧贴于手腕皮肤，具有一定内压。脉搏经由皮肤组织传递至薄膜，薄膜随脉搏一起振动。薄膜中心点(CP)的振动波形即为脉搏波形。

图1 仿指柔性探头取脉原理

1.2 仿指柔性探头几何模型

图2为仿指柔性探头几何模型。对模型进行必要简化：1)血管无弯曲，内直径1.2 mm，壁厚0.5 mm；2)桡骨对桡动脉的支撑面为平面；3)模型左右对称。H0为覆盖在桡动脉上方的皮肤厚度。

图2 仿指柔性探头几何模型

1.3 材料模型

薄膜由双组份液体硅胶浇铸而成，硅胶凝固后其力学性能用Mooney-Rivlin形式的超弹性材料模型表示，并通过拉伸实验取得材料常数。将血管视为无粘性的各向同性材料，其力学性能用Neo-Hooken超弹性材料模型表示，并参考Fung的实验数据获得材料常数[2]，见表1。皮肤具有压缩性[3]，其力学性能用Hyperfoam可压缩超弹性材料模型表示，并参考Haut的实验数据获得材料常数[4]，见表2。

表1 薄膜和血管材料模型及材料常数

表2 皮肤材料模型及材料常数

1.4 载荷

载荷包括3部分：探头内压、取脉压力和血压。探头内压和取脉压力均为恒定值。取脉压力是探头与手腕皮肤之间的接触压力。实验测得探头内压30 kPa、接触压力1.2 N时接触膜振动幅度较大，便于检测。血压则随脉搏发生周期性变化，图3为1个周期内典型的血压变化曲线。

图3 血压载荷曲线

2 计算结果

模型计算完成后，提取薄膜中心点位移数据，绘制振动曲线。振动曲线与文献[5]实验结果相符，如图4所示。两组数据的相关系数达0.968，证明本文建立的有限元模型可信任。

图5为模型计算完成后的变形状态。分别计算皮肤厚度为1、2、3 mm时，薄膜中心点的振动曲线，如图6所示。图6中横坐标为取脉压力，纵坐标为薄膜中心点的Z坐标。3条曲线总体趋势都是下降的，皮肤越厚下降趋势越缓慢，但下降幅度越大。

图4 模型验证

图5 模型变形状态

图6 薄膜中心点振动曲线

3 讨论

在图6所示的振动曲线上，脉搏周期显而易见。各脉搏周期的最大值与最小值之差为该周期的振幅，振幅大小反映信号强弱。图7所示的曲线即为振幅与取脉压力之间的关系。由图7可见，各曲线都有一个顶点，该点处振幅最大。在到达顶点之前，皮肤压缩率较小，微观结构存在较多空隙，传递脉搏信号能力较弱。在顶点处，皮肤压缩率最大，微观结构密实，传递脉搏信号能力最强，因此振幅最大。在到达顶点之后，取脉压力起抑制作用使得振幅开始减小。

图7 振幅曲线比较

顶点处的横坐标即最佳取脉压力。不同皮肤厚度，最佳取脉压力也不同。皮肤厚度越小，用较小的取脉压力即可检测到较强的脉搏信号，这与中医中浮脉的描述一致，即“轻取即得，重按反减”。皮肤厚度越大，需要用较大的取脉压力才能检测到脉搏信号，这与中医中沉脉的描述一致，即“轻取不应，重按使得”。由此可见，除了病理因素以外，包括皮肤厚度在内的生理因素也影响脉象沉浮。

4 结论

皮肤具有可压缩性，在压缩过程中会吸收能量，影响脉搏信号传导。皮肤是脉搏信号的主要传导介质，其特性对脉搏信号检测结果影响十分明显。中医诊脉时应当考虑病人身高体重比，根据身高体重比修正诊断结论。因此，有必要进一步研究皮肤传递脉搏信号的力学机制，建立皮肤参数与脉搏信号关系的数学模型，为研制客观、准确的脉搏信号检测仪器奠定基础。