二、借鉴于水声学的脉诊研究

水声学中，目标一词是指鱼群、礁石、潜艇、鱼雷、水雷等水中的物体，它们或者是声波的反射体，或是声波的散射体，或者两种作用兼而有之。当声波射到这些物体表面时，就会产生反射、散射信号，这种信号的产生，遵循着某种物理规律，是一种有规信号。但实际情况要复杂得多，有很多干扰因素，所以也存在大量无规信号。水声学是声呐研究的一个重要基础领域。

声呐可以看作一种水下雷达，使用声波代替无线电波来探究周围事物。在水中，声波在其低吸收率和自然存在的海洋波导共同作用下，可以传导超过数千公里，而大部分电磁波谱传导则很差。声呐（Sonar）一词是声波导航与测距（sound navigation and ranging）的组合词。声呐最初被用来探测或描绘那些沉没、漂游或掩埋物体的特征（古迹位置、速度和识别）。具有水下探测和定位能力的电子系统是在20世纪被开发出来的。尽管如此，与海洋动物相比，人类仍然是使用水声的初学者。例如，海豚拥有一套与生俱来的精致的声呐系统，它发射声波脉冲串，通过接收和理解回声来感受周围世界。许多鱼类和其他水生动物也具有发出声音和聆听声音的能力。

海水最重要的两个声学特性就是声波的传播速度（简称声速）和随传播距离的衰减（衰减率，或称为吸收系数）。上述两个声学特征都取决于盐度、温度、压强以及海水的密度，通过与边界的相互作用产生影响。在低频时声波的吸收还取决于酸碱度。上述声学特性均与脉学中动脉管内血流的声波传导类似，包括声波的衰减。

衰减是指声波在吸收和散射的共同作用下形成的幅度减弱的过程。吸收意味着转化为某种其他能量形式，通常是热能。而散射则意味着在偏离原来传播方向角度上的重新分布，声能总体上没有损失。声波在水中的衰减比在空气中小，比如1～10 Hz的低频声波能在水中传播达数千公里，但高频声波则衰减得较快；在30～300 kHz范围内，衰减系数随着频率单调增加；高于300 kHz的更高频率，衰减系数随着频率呈现平方关系增加。后文中我们的基础实验和临床研究初步证实了脉诊中的异常低频可闻声波，频率都在可闻声波的低频率段，可能与低频声波在血液中传播的衰减比较轻微有关，从而比较容易检测出来。

由于人体血液循环系统流动环境的复杂多变性，声波在血液中传导必然受到各种复杂环境的影响，如血液层流中的介质成分、密度、黏度和流速的差异。流动的血液声波会受到动脉管径粗细不同、内皮粗糙程度不同、形状复杂多变的血管的影响，导致声波传导的阻碍、反射、散射、噪声干扰、声波吸收、声的混响等情况发生。其中，血流中声波传导的诸多影响因素类似于水声学的研究领域，本声波脉诊的研究可以借鉴水声学的很多基本理论，故我团队将本声波脉诊定义为水声学脉诊，亦称为宋氏水声学脉诊。

宋氏水声学脉诊形成机理的解读：从人体脉诊触摸到的信息是一个复杂综合的物理信息。当然本书仅就声波在脉诊中的形成和因疾病出现的变化做出理论解读和相关验证。

正常的生物体包括人体脏器组织的结构和生命代谢活动都是在一种高效率低能耗的状态下进行的，如果违背这个基本原理，人体则会处于疾病状态，人体的血液循环系统同样也遵循这个原理，正常血液循环的动脉系统是将从心脏泵出的血液循环到全身的脏器和组织，其中心脏泵血过程是在高效率低能耗的状态下进行的，泵出足够的血液供应全身，动脉系统从结构上看就类似一个非常顺滑的树干和树枝，极少有转弯角度很大的分支血管，这样的结构减少了血流阻力，减少了人体输送血液时的能量消耗。另外，动脉形态和舒缩处于一种相对节省能量和最有效输送血液的状态，动脉内膜生理状态下维持着光滑状态，使得血流顺畅，阻力极小，则耗能很小。

动脉血液循环的声波构成为：心脏收缩和舒张时，由于心脏瓣膜的突然关闭或打开等原因，导致血流流速发生迅速变化，引起动脉管内的压强剧烈波动，即压强的突然上升或突然下降，动脉受到迅速变化的一涨一缩的交变力的作用，并在整个动脉内大范围传播，压强的突变可以使得动脉管壁和血流产生振动，即水击现象。可以听到明显的心音并可以传导到全身动脉，此心音主要有4种。①第一心音：主要是由心室收缩时二、三尖瓣骤然关闭的震动产生的，另外，心室肌收缩、心房收缩的终末部分半月瓣开放以及血流冲入大血管等所产生的震动，均参与了第一心音的构成，其震动的频率为55 Hz，持续时间约1秒。②第二心音：主要是由心室舒张开始时肺动脉瓣和主动脉瓣关闭的震动所产生的。此外，心肌的弛缓，大血管内血流以及二、三尖瓣开放等所产生的震动，也参与第二心音的形成，其震动频率为62 Hz，所占时间为0.08秒。③第三心音：在部分正常人中，在第二心音后，还可以听到一个短而弱的声音，称为第三心音，此心音是在心室舒张早期，血液自心房急速流入心室，使得心室壁产生震动所致。④第四心音：出现在第一心音开始前0.1秒，它是由心房收缩的震动所产生，在正常情况下，此心音很弱，一般听不到。人体桡动脉的脉搏搏动主要是由收缩期和舒张期压力波动产生，在桡动脉处监测的声波主要是上述强大的心音传导到桡动脉处的声波。

由于正常人体的动脉系统类似非常顺滑的树干和树枝，极少有转弯角度很大的分支血管，动脉内膜生理状态下维持着光滑状态，血液的质量正常、黏稠度正常，进入脏器和组织的血管和血流也处于正常的顺畅状态，这样的结构和血流减少了血流阻力，血流处于层流状态，使得血流顺畅，阻力极小，极少出现湍流，血管无湍流则不会产生额外的异常声波传导到桡动脉。另外，每一个脏器或组织的质地、形状等有所不同，均有自己的振动固有频率，正常人体的心音振动不会与其他脏器或组织发生共振，这是因为这些正常的脏器组织结构和质地决定的固有频率与心音振动频率不一致，所以生理状态下在桡动脉处监测的声波图仅呈现出振幅较高、波形较规律的反映心音的声波，而不出现其他异常声波（图6-3）。

当人体生病时，一系列的损害和抗损害反应，导致机体各种复杂的机能、代谢和形态结构发生异常变化，其中的心脏泵血功能改变导致心脏射血过程发生变化，影响到动脉中血流动力学，其他的脏器组织由于疾病损害必然影响分布到相应脏器和组织的动脉血流状态，从而出现血流状态改变，此状态的改变可以反映在脉诊中的各种异常信号中。

当脏器组织处于病变状态时，我们可以在桡动脉或其他动脉处检测到异常声波混入心音声波中。在桡动脉处或其他动脉处检测到异常声波的过程类似于声呐波的发射和接收过程。生理情况下心脏收缩和舒张产生的强大心音相当于声呐发射机发射一定频率和振幅的声波，此声波顺着动脉和动脉血流传导到全身脏器和组织的动脉中，在全身脏器组织的动脉包括桡动脉处形成一个正常的心音声波。如果某一个脏器或组织处于疾病状态，则此病变脏器或组织的动脉结构形态、动脉内膜和动脉腔、血流速度等发生改变，使得此动脉内原来平稳的层流血流出现了湍流，病变局部的湍流导致异常声波产生，此异常声波强度小于心音的声波强度，与心音声波融合产生一个新的声波。此状况下，心音声波相当于基音，身体的局部病变产生小振幅的异常声波相当于泛音，二者融合后的声波相当于复音，此复音声波顺着动脉系统向全身动脉传导，包括向桡动脉传导，由于声波在水一类的液体中传导很快，大约为1440 m/s，因此这个复音的异常声波几乎和心音声波同时到达全身动脉，包括桡动脉，此时相应动脉处相当于声呐的接收机，故在桡动脉处就可以检测到以心音声波为基本形状混有异常声波的复音。在正常人体的脉诊不会出现涩脉也就是异常声波，疾病发生时则会出现高于健康状态耗能的结构改变或代谢改变，其中产生异常湍流就是一种增加耗能的状态（图6-4）。

脉诊分层诊脉的机理：众所周知，无论是传统脉诊判断疾病表里深浅的浮、中、沉3层分层，还是现代微观脉诊分层4～7层甚至8层，分层才可以诊断不同脏器的疾病，不同脏器组织的信息分布在脉的不同深浅层次。我们团队经过采用宋氏水声学脉诊仪以5层脉的分层法检测了共1668例志愿者，经过统计学分析，初步得出了人体脏器组织在5层脉中的分布规律。①皮肤组织分布在浅层脉（第1层）；②骨骼肌组织和空腔脏器少部分组织分布在中浅层脉（第2层）；③空腔脏器如胃肠等和实质性脏器少部分组织分布在中层脉（第3层）；④实质性脏器如肝、肾等分布在深层脉（第4层）；⑤骨骼组织分布在底层脉（第5层）。当然如前面所述，上述5层的分层均是诊脉的手指或脉诊仪的探头逐层按压在脉管血流层流轴流的外侧（皮肤），而并非穿透轴流到达轴流内侧（图6-5）。

由于人体中的动脉血流大部分为层流状态，血流中心的血细胞密集，越靠近血管壁则血细胞越少，因此，动脉层流的血液密度差异、流速差异，这些都有可能导致不同频率的声波在不同层流的传导出现衰减差异。对此，我们初步做了基础的实验，留在下面解读。由于不同脏器组织分布在不同脉搏层次的层流中，所以，无论是徒手诊脉还是采用仪器诊脉，都需要我们把诊脉手指或仪器的探头压到脉搏不同层次方可诊出不同脏器或组织疾病。如何实现在下压脉搏时把较浅层脉的声波信息衰减掉而感受到较深层脉的声波信息，而不会将较浅层脉的声波信息与相邻较深层脉的声波信息混淆，对此目前还没有人解释其中的原理，我们通过学习声波在管中的黏滞阻尼原理后，则可以理解并解读其原理了。

假设有一平面，声波沿着半径为a的圆柱形管的x方向传播，假定管壁是刚性的，管壁附近媒质质点黏附于管壁，速度为零，而离管壁越远，媒质质点受管壁约束愈小，速度愈大，于是管中出现了速度梯度，这样各层媒质之间将产生相对运动，而媒质质点因此受到内摩擦力或称为黏滞力的作用，这一黏滞力的大小显然应该与媒质层之间的速度梯度以及媒质层的接触面积成正比。管子中的声波与管壁黏滞引起声吸收的损耗，另外，媒质与管壁之间的热交换产生热损耗。所以，当我们诊脉下压手指头或探头时，则把较浅层的声波与管壁紧密接触，由此形成了声吸收和管壁交换的热损耗，导致较浅层声波被衰减掉，我们的手指或探头就可以检测到相邻较深一层脉的声波，以此类推，每一层脉诊都是如此操作，则可以将每一层脉的声波信息采集到（图6-6、图6-7、图6-8）。

虽然从古代到现代的中医都能从徒手诊脉中分别出寸、关、尺对应人体的上、中、下三焦，如《难经·十八难》云：“上部法天，主胸以上至头之有疾也；中部法人，主膈以下至脐之有疾也；下部法地，主脐以下至足之有疾也。”即胸部至头部的疾病可反映于寸脉部位；膈至脐部疾病可反映于关脉；脐以下部位的疾病可反映于尺脉。但是到现在为止，并没有一个被广泛认可的通过现代生理学和病理学角度对脉诊寸、关、尺分部原理进行分析的正式实验研究及理论阐释。将桡动脉分段划分成寸、关、尺3个部位，并以此反映整个人体上、中、下部位的生理病理状态信息，这是脉学现代研究中一个非常重要的问题，也是以现有科学手段解释中医脉学的基本原理，并使更多学者了解、理解脉诊科学的一个关键之处。

我们通过采用宋氏水声学脉诊仪分为5层脉和寸口脉的寸、关、尺3部方法检测了共1668例志愿者，经过统计学分析，从客观上和科学上证实了人体脏器组织的上、中、下3部分与寸口脉的寸、关、尺3个部位是相吻合的，对于古人寸、关、尺分布的科学性给出了坚实的客观证据。当然在实际检测中发现寸、关、尺可以进一步分得更细，如寸部可以分为寸上、寸中、寸下，分别可以反映出头、颈和胸腔脏器组织，尺部可以分尺上、尺中和尺下，分别可以反映盆腔、腰部、大腿、小腿以及足。我们初步以客观事实证实了脉诊寸、关、尺分部的科学性（图6-9）。

中医脉诊选择部位解读：人体中可以触摸的表浅动脉很多，但是古人并不全是采用这些表浅动脉作为诊脉部位。我注意到应用最多的传统脉诊部位是这3个部位的动脉：即人迎脉（颈动脉）、寸口脉（桡动脉）、趺阳脉（足背动脉），而这3个诊脉部位的动脉都有一个共性的特征，就是都具有动脉弓或环状结构，而且都接近动脉分布的末端，对此尚无人做出现代科学的假说或解释（图6-10、图6-11、图6-12）。

我认为从人体生理状况的角度来看，动脉中传导的声波尤其是心脏收缩和舒张产生的水击声波在人体的末端如头、四肢末端应该被消除掉，不再使得这些声波返回传导，如果返回传导则会导致与向人体外围离心性传导的声波发生逆向碰撞，影响正常声波的传导，导致能量的损耗。从脉诊学上看，如果没有声波折返传导，则不会影响脉诊信息尤其是声波信息的真实呈现，从而可以诊出真实的脉象。这些具有动脉弓部位的动脉内声波可出现波的特殊干涉现象——驻波，它是由振幅相同、频率相同、振动方向相同而传播方向相反的两列波叠加形成的。在有动脉弓或环的上述脉搏处的两个方向相反的两声波引起的位移大小相等但方向相反，则搏动振动位移为零，即两波互相抵消。图6-13给出了两个互相抵消的驻波形成的图示，图中的虚线是向右传播的波，细实线为向左传播的波，粗实线为合成的波，可以看出合成的波为一直线，振动消失。