脉象采集分析系统的设计

2015-09-11李瑞昌李庆磊廖璠

电脑知识与技术 2015年17期

李瑞昌++李庆磊++廖璠

摘要：中医药信息化涉及中医现代化理论、传感器技术和信息处理技术。在现有技术基础上，对脉象波形基本特征进行初步分析，设计了以80C51单片机为核心，采用PVDF传感器，通过CP2102连接PC上位机。利用VB开发了脉象采集分析系统。该系统实现对了脉象信息的采集、处理、显示和辅助分析功能。通过对病患和健康学生脉象数据的采集和对比分析，验证了本系统的实用性。

关键词：中医药信息化；脉象；PVDF；传感器

中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2015）17-0197-03

The Design of the Pulse Condition Collection and Analysis System

LI Rui-chang， LI Qing-lei， LIAO Fan

（Henan University of TCM Institute of Information Technology， Zhengzhou 450008，China）

Abstract：The information of TCM involves the theory of TCM modernization， sensor technology and information processing technology. On the basis of the existing technology， analyses the basic features of the pulse wave. The design uses 80C51 to control PVDF sensor， connects PC through USB， using VB to develop a data acquisition analysis system.The system realizes the pulse information collection， processing，display and analysis of auxiliary function. By comparing the data of pulse connected from patients and healthy students verifies the practicability of this system.

Key words： TCM information； pulse； PVDF；sensor

人体的脉搏包含着丰富的器脏机能状况信息，历经几千年的沉淀和发展，中医采用三根手指在腕动脉寸、关、尺三部进行举、按、寻操作，就可以通过脉搏波动反馈回的信息来判断人体机能状态[[1]]，尤其是能够在疾病症状凸显之前获得潜在的病变，达到“治未病”目的[[2，3]]。由于“脉理精微、其体难辨、在心易了，指下难明”，导致中医的学习者需要靠长期经验积累，短时间很难熟练精通。随着计算机技术、信号处理技术、人工智能等多种现代技术的出现，促成了脉象仪产生，切脉慢慢地呈现信息化发展态势[[4，5]]。切脉信息化意味着医生可以通过观察脉搏信号探寻病患的身体状况，实现对疾病进行预防和治疗。

系统采用80C51单片机作为下位机设计和实现了脉象信息的采集，通过USB接口同PC相连，利用VB开发了脉象信息分析系统。该系统界面友好，操作简单，实现了脉象信息的采集、脉象波形实时显示和存储功能。对脉象信息的特征进行系统的分析，通过对临床数据采集和分析验证了本系统的可用性。

1 脉象研究基础

脉象是机体功能状态的外在表现。心、脉是脉象形成的主要脏器。心脏搏动是脉象形成的动力，血脉为气血运行的通道，两者是形成脉象必不可缺的脏器。血液经由心脏的左心室收缩而挤压流入主动脉，随即传递到全身动脉。当大量血液进入动脉将使动脉压力变大而使管径扩张，在体表较浅处动脉即可感受到此扩张，即所谓的脉搏。医生通过寸口取脉，感受病患脉搏的数、形、深浅和强弱变化，变化的综合体现称为脉象。采用脉象采集仪器紧贴手腕相应位置，根据按压力度的不同，可以获得对应的脉搏信息，经过计算机处理可以获得脉象的数形信息化显示，这种信息化显示简称为脉象图。脉象图由脉搏特征曲线组成，波形变化代表着人体脏器生理状况[[6]]。

一个典型的脉搏波形如图1所示，一般由三个波峰和两个波谷构成，波峰分别对应主波峰（B）、潮波（D）和重搏波（F），两个波谷主要对应潮波前谷（C）和降中峡（E）。一个脉搏周期开始于A，结束于G，对应时间为T-AG，整个周期分为上升分支和下降分支，对应时间分别为T-AB和T-BG。A、G是动脉脉瓣开放点，也称为射点；E为脉瓣关闭点。

上升分支AB反映了心室收缩射血，导致主动脉血量增加和动脉血压升高，出现陡峭而平滑脉搏波压力曲线，最高点出现主波峰B。主波峰值点对应收缩压HB，也就是收缩期的最高血压。在心脏收缩后期，心脏排出血液量明显减少，最终心室进入舒张期，动脉瓣关闭阻止了血液从心室流入动脉，压力下降形成下降分支BG。

在心脏收缩期，脉波从主动脉根部向外传播时，受到动脉管壁的张力、弹力和外周阻力等因素的影响，进而产生折返波的多次叠加，在心室输出血液量减少时，会在波形下降过程中出现一个波峰D（潮波），在波峰D前的那个波谷（C）称作潮波前谷，HD代表潮波的强度。在主动脉瓣关闭的瞬间，波形出现一个波谷，称为降中峡（E点），反映心脏舒张初期的主动脉压力。重搏波（F）是降中峡后的一个小波峰，重搏波的产生是由心舒期开始时，主动脉脉瓣突然关闭，外周反流的血液使主动脉根部容积增大，并冲击主动脉瓣而产生的振荡压力所形成的，HE代表重搏波的强度。在实际应用中，主要分析脉搏波的形态（波的形状）、强度（波的幅值）、速率（波的速度）与节律（波的周期）等方面特性，根据波形的不同判断病患机体存在的问题[[7，8]]。

2脉象信息采集系统设计方案

脉象信息采集系统要实现对脉搏信号的检测，并且能够对脉搏信号进行处理，然后对脉象信息进行显示。从工作方式角度出发，有两种方案可以实现。一种采用纯硬件的方式，利用高速DSP器件来构建，系统稳定度比较高[[9]]。但是功能有限，灵活度较低，主要用于便携式设备当中。另外一种采用单片机构建信号调理电路，将脉搏信号转换为数字信号，然后上传至PC机进行进一步处理。本系统采用第二种方案，降低硬件成本和复杂度，充分利用PC机处理能力对脉象信息进行分析。采集系统主要由脉搏采集传感器、放大电路、滤波电路、A/D转换电路、单片机和接口电路构成。

2.1 脉搏信息采集与放大

考虑到精度和工艺的限制，本系统采用的脉搏采集传感器为合肥华科电子技术研究所生产的PVDF压电传感器（HK-2000B），该传感器采用集成化工艺，将力敏元件（PVDF压电膜）、灵敏度温度补偿元件、感温元件、信号调理电路集成在传感器内部[[10]]。接触面柔软，可以采用按压或绷带绑定的方式紧贴皮肤。该传感器电源电压要求3.3VDC，压力量程：-50～+300mmHg，灵敏度：2000uV/mmHg，所以该传感器输出电压为-0.1V-0.6V。但是通过示波仪测试，发现输出电压范围为-0.8V-1.56V，幅度在2.4V左右浮动，所以本系统直接把传感器输出信号引入了运算放大器，把电压提升到0.5-3.3V，实现基线初步调整。

2.2 信号滤波及A/D转换

人体正常的脉率为60～100次/分钟，即1～1.67Hz。人正常呼吸会产生基线漂移，频率是从0.15～0.3HZ。使用频率为50Hz市电的电子仪器设备会对检测系统会产生较大的50Hz干扰。虽然不同人的脉搏频率可能不一样，但最高频率不超过40Hz。从脉搏功率谱的能量分布来看，99%的能量集中在0.5～10Hz之间。本系统采用带通滤波器，低频截止频率为0.05Hz，高频截止频率选择40Hz。滤除系统干扰和市电工频干扰。信号滤波后采用51单片机来控制A/D转换对输入信号进行模数转换[[11，12]]。

2.3接口电路部分

本部分采用CP2102实现USB接口电路[[13]]，设备供电由USB提供。单片机同RS232 接口间的电平驱动采用Maxim公司的MAX202CPE，为确保数据收发的稳定性，避免通信过程产生干扰，利用光电耦合器6N137实现隔离。系统连上通过USB连接PC后，采集设备就会自动上电，传感器采集到的信号经过同向放大器电压提升，清除负压后经过带通滤波器进行滤波，随后进入到A/D转换电路转换成数字信号，经由单片机控制从USB口送到PC处理系统，最终对信号进行处理、显示、分析和辅助诊断操作等。

3基于VB的脉相分析系统设计

脉象采集分析系统主要完成对采集设备上传的脉象信号进行数据转换、脉象波形实时显示和脉象信息深度处理等。本系统的功能结构包括系统管理、参数设置、脉象数据和系统帮助四部分，具体分布见图2：

脉象采集分析系统功能模块任务分配为：1）系统管理模块主要负责医生用户信息维护，采集系统通信端口的基本配置和系统正常运行维护；2）参数设置模块中的病患管理主要负责病患基本信息，包括姓名、性别、身份证信息和联系方式等信息的管理。检测设置主要完成脉象采集设备硬件的设置。波形显示配置主要完成在监测过程中，对由于个体的差异或传感器按压力度过大或过小而出现脉象波形显示不能满足诊断需求进行微调，使得显示出现可用的波形信息；3）脉象数据模块里的波形显示主要显示脉象波形，对采集到的合格的脉象信息进行存储。如果该病患以前做过脉象信息采集，还可以同以前的脉象信息进行对比，最终做出辅助诊断结果；4）系统帮助模块的使用帮助对系统使用技巧和流程进行说明。

针对上述系统结构，本软件系统进行一次诊断流程如图3所示：

在系统启动后，医生首先输入自己的用户名和密码登录，然后进入病患信息维护环节。医生输入病患身份证号码进行查询，如果查询信息为空，说明该病人以前没有进行脉象采集，需要输入病人相应信息进行登记，然后开始监测。如果查询到该病患的信息，可以直接开始监测。在监测过程中，如果脉象波形显示位置不在显示区域中间，或者波形幅度不明显，还可以通过显示配置对波形进行微调，如果微调还是满足不了要求，说明传感器位置不正确或按压力度不适合，就要对位置和力度进行调整。当出现稳定的适合波形后，系统就自动进行处理，截取一段时间脉象数据存储到系统当中，然后进行分析。在分析过程中，如果病患以前有脉象采集记录，还可以进行新旧对比，进行疾病诊断，如果没有就直接给出诊断结果，至此，一次脉象采集流程结束。脉象采集分析系统主界面如图4所示：

系统菜单栏由系统管理、参数设置、脉象数据和帮助四项构成。工具栏由用户管理、端开口设置、数据分析、脉象回放、脉象特征和系统帮助构成。左侧竖栏由病患管理和脉相采集两部分。用鼠标单击相应的姓名就可以直接进入该病患脉象采集操作。主窗口为脉象采集波形显示区域和采集控制区域。在采集控制区域，可以打开关闭端口、停止或开始采集，在采集过程中，可以对采集频率、放大倍数和脉相显示基线进行调整。

在系统测试当中，同河南中医学院第二附属医院内科进行合作，用此仪器临床采集50例老年心脏病患者和50例健康大一学生的脉象波形图，并对这些波形的主波峰幅度和平滑度、潮波同主波峰间隔和幅度、降中峡、重搏波出现的时间和幅度进行分析[[14，15]]。最终得出在健康大学生脉象波形上能够明显地找到主波峰、潮波峰和重搏波波峰，脉象主波峰上升陡峭，降中峡出现位置稍微低于潮波峰，并远离基线。心脏病患者更多出现潮波幅值，接近甚至超过主波，部分患者波形潮波紧挨主波而出现宽大主波，这些患者基本上都有动脉硬化的症状。有些患者波形图中，出现降中峡位置低下接近基线，甚至重搏波没有明显显示，这类患者大多存在动脉弹性变差或主动脉瓣闭锁不全的症状。

4 结论

脉象波形是反映人体脏器功能的重要生理参数，对脉象波形进行分析，然后同对应的疾病进行匹配学习，在临床上具有重要的意义。虽然中医传统切脉操作简单，但是对脉象的判断主要依靠主观经验。医生千千万，病人万千千，切脉也就存在着仁者见仁智者见智的现象。脉象采集分析系统操作简单、评判客观，可以对脉象信息进行分析做出辅助诊断，是中医药信息化的重要工具，在临床中有重要意义。

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