基于柔性阵列传感器的脉象检测系统的设计*

2012-06-12王学民陆小佐

传感技术学报 2012年6期

王学民，杨成，陆小佐，罗鸣，周鹏*

(1.天津大学精密仪器与光电子工程学院，天津300072;2.天津中医药大学中医工程学院，天津300193)

数千年来中医脉诊传承大多都是通过医生口述或者定性的记录，脉象信息的获取也往往是医生通过手指去按压患者桡动脉处，凭借个人的经验得出，难以有定量化的数据支持，这就给病人脉象信息的确定、传递、存储带来了诸多不便［1］。

在现代医学越来越重视定量化、客观化研究的背景下，缺乏客观性支持的中医脉诊难以实现国际化。

近现代以来，国内外许多学者对脉诊的理论、脉诊客观化、临床诊断和实验研究等进行了多方面的研究，通过大量的实验论证，实现了将常见脉象的特征以数学方程、力学模型或模式图的形式加以表述，从而对脉象的形成机制及对应的生理、病理意义有了比较深入的认识，为脉诊的客观化研究奠定了一定基础［2］。

本文研究的基于柔性阵列传感器的多路脉象检测系统的创新点在于设计了模拟指尖取脉的柔性换能器，并采用气压传导的方式，实现了对多路脉象信号的采集，为中医的客观化、可视化研究提供了新方法。

1 脉象仪的发展

20世纪70年代，中国医学科学院生物医学工程研究所研制出BYS－14型脉象仪，该脉象仪具有四笔式热笔记录仪，具有三道脉象一道心电，采用应变片式刚性圆触头悬臂梁换能器，插件式整机结构，能较为清晰地描绘出受试者的脉图，并在临床脉象的研究中得到了应用［3］。80年代初天津医疗器械研究所研制出了MTY－A型脉图仪，该脉图仪具有检测脉管粗细的换能器，利用电子扫描开关电路做出脉管粗细的示意图，采用浮沉自动加压电路及描记自动控制电路做出浮沉趋势图。到了20世纪90年代中期，脉象采集仪逐步变得智能化、复杂化，其采集精度也越来越高。2000年上海中医药大学研制出了ZM－Ⅲ型智能脉象仪，它是我国当前较具代表性的一种脉象仪，采用“带副梁的悬臂式”结构，并能模拟中医切脉特点，对取脉压力进行调控［4］。近几年随着传感技术的进步，脉搏传感器的体积可以做到毫米级，使得脉象检测仪的研制逐步从单点向多通道、阵列式过渡，由二维脉图向三维地形图方向发展，并已取得了可喜的成果［5－6］。

2 多路脉象检测系统设计

2.1 系统硬件总体结构

本文在考虑脉搏波信号特点［7］的基础上，设计了新型多路脉象检测系统。主要包括柔性阵列式脉搏换能器，气压传感器，信号处理系统，基于USB－7660的A/D采集系统，压力检测与控制系统，上位机显示存储系统，如图1所示。

图1 多路中医脉象检测系统框图

微弱的脉搏波动在换能器中转化为气体压强变化，由气压传感器转化为电信号。由于传感器输出的脉搏信号是毫伏级别的弱信号，因此必须对其进行预处理，以保证检测结果的准确性和可视性［8］。

经过信号处理后的脉动信号分为了直流静压信号和交流脉搏波动信号。脉搏搏动信号经过二次放大由基于USB－7660采集卡的采集系统进行A/D采集。采集之后的脉象数据信息发送至计算机做最后的数据分析处理以及显示存储［9］。

本设计尽可能模拟医生取脉的过程，尤其是取脉时手指与皮肤软组织的弹性接触［10］。由于采用气压传感器，因此柔性阵列式脉搏换能器与传感器之间的物理结构简单，直接通过七路硬质塑胶管进行连接。

2.2 柔性阵列式脉搏换能器的制作

本文从仿生学的角度出发，专门设计了柔性阵列式脉搏换能器，以期能改善探头与软组织的接触状态［11］.该腔体采用硅胶制作，长7 cm，宽2 cm，高2 mm，横向排列七路，每路腔体横截面都是半径为1 mm的圆形。在保证换能器良好弹性的前提下，每个腔体周围用1 mm厚的硅胶将其隔开，以避免各个腔体间互相干扰。换能器后端封闭，前端与气压传感器的一端相接。其结构示意图如图2所示。在检测时将该换能器沿手臂方向放置于腕部，前端与七路气压传感器相接并密封。脉搏的波动会导致封闭换能器内部压强的变化，通过气压传感器将机械量转变为电压信号［12－13］。

图2 七路硅胶腔体示意图

2.3 脉象传感器的选择

由于脉搏的搏动量一般不会超过20 g，由脉搏搏动所导致的换能器内气压变化是非常微弱的，所以就要求所选的气压传感器有很高的灵敏度，很好的抗干扰能力［14－15］。本文所用特制脉搏传感器支持气体传导和液体传导两种方式，具有灵敏度高、线性度小、抗干扰能力强、体积小、重量轻、安全可靠等特点。技术指标如下:

该气压传感器内部是四个等值电阻组成的惠氏电桥。理想情况下，在没有任何压力时传感器输出值应该为零。但实际情况下，传感器都会有很小的零漂，因此得对其进行系统去漂［16］。

2.4 信号处理系统

由于传感器输出的脉搏信号是毫伏级别的弱信号，因此必须对其进行预处理，包括:放大、滤波以及阻抗匹配等。信号处理系统如图3所示。

图3 脉象信号处理系统框图

七路气压传感器分别采集的脉动信号依次经过由AD620构成的前置放大器，对其进行初次放大，提高信号的信噪比、滤除干扰，然后通过截止频率为0.08 Hz的低通滤波器从脉动信号分出了七路直流静压信号，通过截止频率为0.08 Hz的一阶的巴特沃思高通滤波器和增益为1、截止频率为40 Hz的二阶巴特沃斯低通滤波器组成的带通滤波器从脉动信号中分出七路交流动压信号。由于脉搏搏动信号相比直流静压信号要微弱很多，所以必须对其进行二次放大，放大倍数最高可达20倍。最后由基于USB－7660采集卡的采集系统对预处理完的信号进行A/D采集。

硬件电路搭建好之后要对所有的传感器及对应的信号处理模块进行调零和放大倍数的统一。搭建好的多路脉象检测系统实物连接图如图4所示。

图4 多路脉象检测系统实物连接图

2.5 压力控制检测系统

由于换能器是一个长方体且紧贴于皮肤软组织的硅胶模型，不便用探头等硬物对其施加压力，因此选用腕带式气囊对其进行加压，如图5。

图5 压力控制系统

压力控制检测系统中的气路系统由气囊、缓冲瓶、迷你气泵、快放气阀、慢放气阀、和一些导气胶管组成。迷你气泵通过气路连接之间的导气胶管对整个气路系统充气。气体通过导气胶管进入到缓冲气瓶，经过其缓冲作用后再经由导气胶管进入气囊。气囊的顶部固定，因此充气膨胀后可以对其下的换能器施加压力。快、慢放气阀导通后可将气路的气体放出，起到松弛气囊的目的，进而实现压力的调节［17］。

通过气路系统的充气、放气过程，本设计可自动调节施加在取脉位置的压力，极好地模拟医生按压在寸、关、尺三部的指力大小及其不同的变化。

3 寸关尺脉搏波的三维成像研究

3.1 三维地形图

为了表达出脉搏波的三维地形图，笔者沿着脉管方向，在寸、关、尺及其前后单独施压采集了五组脉搏波数据。如果把不同物理位置作为纵轴，通道数作为横轴，脉搏搏动的大小作为Z轴，这样就有5纵7横的阵列数据，然后对其进行五次方差值，就能得到比较平滑的三维曲面图。从中，能够更好的看到脉搏波的三维传导过程，以及它的空间分布状况，如图6所示。

图6 脉搏波三维重建地形图

3.2 脉宽图

脉宽图是指将医生切脉手指感觉到的脉道粗细［18］，即搏动应指的径向范围客观图像化，使受试者的脉宽信息可以被直接观察得出。一般情况下，我们所得到的脉宽大小不仅直接取决于受试者的血管粗细，还受脉道的径向运动和周围皮肤组织等因素的影响。

图7为脉宽示意图，其中横坐标X表示脉宽度，纵坐标H表示手指所感受到的脉搏力的大小，T为指感的阈值线，正常人的脉道宽度用Wx表示。曲线2的脉道宽度正常，曲线1的最小，曲线3的最大。如果把该图归结到多路脉象检测系统所采脉图上，脉宽可简单地认为是以七路采集通道中幅值最高的那路为中心，波形幅值超过设定阈值幅度的左右宽度。因此，通过本文所设计的多路脉象检测系统，可以清楚地得到受试者的脉道宽度，以及脉搏搏动在血管径向的分布或衰减情况等信息。

图7 脉宽示意图

4 实验及数据分析总结

4.1 脉象采集准确性验证

天津大学生产的脉象复放系统可以产生26种常见脉象，长期的临床检验显示其产生的标准脉象完全符合中医理论中对手感及特征参数的描述，以此系统作为脉象发生器保证了所采脉象的精确性。

本文使用多路脉象检测系统以及由安徽芜湖圣美孚公司生产的现已进入临床应用的中医脉象诊断系统对常见脉象中的平脉、迟脉、弦脉、洪脉这四中脉来进行检测、对比和分析。其中对平脉进行采集的结果如图8、图9所示。

图8 多路脉象检测系统所测平脉图

图9 中医脉象诊断系统所测平脉图

对比发现本文所设计的多路脉象采集系统与中医脉象诊断系统所采脉图有很高的吻合度。脉图中，潮波、重搏波、脉数、脉势等特征都得到了很好的表现。可见本文所设计的多路脉象检测系统不仅能如实地反映所测脉象信息，具有很高的真实性，而且能很好的表达出各种脉象信息的细节，具有很高的准确性，通过对脉象特征参数的提取分析，能够准确的反映脉象对应的生理现象。

4.2 脉图的采集

将换能器按照标准方法置于受试者腕部，按照操作规范进行采集准备，使用自动加压系统自动调节取脉压力［19］。

本设计在保证准确性与重复性的基础上，进行了多组实验，分别采集了40 mmHg、55 mmHg、70 mmHg、85 mmHg、100 mmHg 压力下的脉象数据，形成一系列脉图。脉图系列中波幅最大、波形无畸变的脉图称之为最佳脉图，以此作为该受试者各项脉图参数分析的依据。图10为70 mmHg压力值时采集到的七路脉象数据，图中最大的脉搏波幅值电压为2 607 mV，可以看出此时的脉图平滑、清晰。

图10 70 mmHg下的脉图

实验中采集到的不同压力下的脉图显示，脉图的幅值并不是随着取脉压力的逐渐增大而一直增高，当取脉压力增大到一定程度后，所测脉图的幅值随着取脉压力的增大而减小。从这一过程中，可以得出受试者的最佳脉图、最佳取脉压力及加压过程中脉图的动态变化图谱等数据，为后期的脉象数据处理保存了丰富的原始资料［20］。

4.3 最佳取脉压力下的三维脉图

将最佳取脉压力下存储的脉象数据，按照本文前面所述方法，构建其三维地形图，如图11所示。由于七路换能器中的第五路通道摆放的位置更靠近血管中心，所以该脉图的幅值并没有由中心向两边递减，而是后几路通道的幅值更高一些。通过这幅图，可以更加清晰的看到脉搏波的幅值随距离血管中心的位置逐渐变化的趋势。由此，更进一步证明了所设计的基于柔性阵列传感器的脉象检测系统可以很好的反映出所测脉象的各种信息。

图11 最佳取脉压力下的三维脉图

5 结论

本文在分析和借鉴前人关于脉象理论及以往的脉象检测系统的基础上，提出了关于脉象检测系统设计的新理念，为多路脉象检测系统的研发提供了理论依据;从仿生学角度出发，设计了柔性阵列式脉搏换能器以及与之配合的压力控制系统，实现了取脉压力的自动调节，极好得模拟了传统中医指尖取脉的方式;搭建了脉搏信号采集、预处理电路，将脉搏静压与脉搏波动压力成功分离;通过对脉搏波三维传导地形图的构建，实现了二维向三维的转变;在确保设备准确性与重复性良好的基础上进行了临床检测，通过压力控制系统成功获取了受试者的最佳脉图等信息。

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