基于中医诊断技术的智能手环研究

陈炫慧　谢严坤　王萌　郭乃文　蒋琬秋

摘 要：为了研究中医把脉在传感器上的利用，由此提出了基于中医诊断技术的智能手环的概念。首先，基于PVDF压力传感器的原理，检测出人的心率；然后，基于光电式脉搏传感器的原理，可获取精确的脉搏信息，解决了以往中医把脉靠手指感知来获取脉搏信息存在的主观性和定性化问题。最后，基于中医诊断技术的智能手环嵌入睡眠监测模块，全方位地为人们提供最完善的安全监测平台。

关键词：脉搏；心率测试；传感器；可穿戴；睡眠监控

中图分类号：TP368 文献标识号：A 文章编号：2095-2163（2016）01-

Abstract： In order to study the use of TCM pulse on the sensor， the concept of TCM diagnostic technology is proposed based on smart bracelet. Firstly， the heart rate is detected using PVDF pressure sensor. Secondly， accurate information of the pulse is obtained with the principle of the photoelectric pulse sensor， which solves subjectivity and qualitation by sensing finger to get the pulse of information in traditional chinese medicine. Finally， the sleep monitoring module is embedded in TCM intelligent bracelet， which provides the best safety monitoring for people.

Key words： pulse； heart rate； sensor； wearable； sleep monitoring

1 研究背景

早期美国John H·Laub[1]根据中医脉诊的启示，设计了脉搏记录仪，这是一种可探测不同压力下脉搏波动的装置，该仪器将换能器分别并排固定于食指、中指、无名指的手套前端，按在病人寸关尺三部脉上，用三只笔同时记录三部脉象的波形，并进行分析，医者的指感压力也可以同时显示。这个技术说明了脉象确实能被监测和记录。从中医的角度来思考，认为气血是形成脉象的物质基础[2]。但单独依靠脉象检测仪，无法形成一个完整的体系能够对脉象进行研究。同时，脉象检测的仪器太过于庞大，不适合日常使用，因此根据可穿戴式的技术，结合脉搏记录与检测仪等技术，提出了基于中医诊断技术的智能手环的构想。

2 研究技术

利用当今智能手环中重力传感器一线多能的原理，结合用户之前输入的个人身体体征的基本信息，由此获取基本生理参数以及其衍生参数。具体内容包括：

（1）基本生理参数：心率、呼吸率、潮气量、胸呼吸、腹呼吸、体位、体动、体温等；

（2）衍生参数：心率变异性 （HRV）、呼吸性窦性心率不齐（RSA）、每分通气量、分数吸气时间、 峰值吸气气流、胸呼吸容量、腹呼吸容量、胸腹呼吸贡献比、胸腹运动协调性等。

根据一些特定算法，得到针对个人的个性化监测数据，诸如一天的运动量等。同时，在手环的内部加入温度传感器，感知外部气温的变化，判断季节。综合利用现代智能手环所能提供的各种信息，再加入一种特定的脉搏压力传感器，内置弹性薄膜材料为PVDF[3]，电容极板为金属银浆，电容以空气为介质，这种结构有利于提高传感器的灵敏度和线性度。由于重点是测试可穿戴式传感器性能，故实验中采用了简单的RS232连接，实际应用场合采用蓝牙、Zigbee等技术。

实验所采用的PVDF具有膜质轻且柔韧，与人体组织的阻抗耦合性好，能紧贴皮肤，灵敏度高。可以准确读取实验所采取的信号，适用性强等优点。

2.1 心率测试模板

心、脉是形成脉象的主要脏器。可以通过脉搏压力传感器来实现心脏的波动，心气的盛衰，脉道的通利和气血的盈亏等信息的采样与提取。构建一种可穿着的日常心率测试监控系统，能够采集心跳信号，从而用于日常心率测试、储存、报警、实时监控等功能的研发与设计。

系统工作原理；脉搏跳动引起PVDF材料表面电荷变化，积分电路将电荷信号转换为电压信号，而后经信号处理电路将电压信号变成标准的脉冲输入到处理器。中央处理器根据输入设备上用户输入的指令进行相关处理，当测量数据超过正常范围时进行声光报警。结构图如图1和图2所示。

2.2 血压测试模板

手环通过光电传感器将动脉或静脉血流容积波信号转换为相应的电信号，经共同的前置放大电路之后，可分别通过各自不同的滤波和放大电路，将各部分区分开来。智能化外周血液循环监测仪原理[5]如图3所示。其中，动脉信号放大滤波电路，根据动脉信号频率的范围，将其从背景中提取出来并加以放大，之后要通过动脉抬高电路加以修整；静脉信号放大滤波电路，则是根据静脉信号频率范围，而DC校正电路是为增加可比性而设计的。这三路由选择开关来控制。而之后的电信号将经过低通滤波和5OHz陷波器，进入A/D转换。数字电路部分以芯片8751和8255为接口，将A/D转换的结果送入 PC机的入口，相互间又有选择译码电路来控制实现。

血压测试选用的是光电传感器的反射类型，反射型指的是光源和光电接收器位于被测体的同一侧面，并紧靠在一起。使用反射类型光电式传感器的优点是能实现光电隔离，故而可减少对第一级的干扰。其工作原理是：当一定波长的光束照射在手腕一侧时受到腕部的血液的吸收和衰减作用，以致抵达光电接收器时其强度大为减弱。因脉搏在心循环中保持不变，即决定了对光的吸收和衰减作用也是恒定不变的。而手腕在心循环过程中则呈搏动性变化，故其对光的吸收和衰减作用也相应是脉动的，于是光电接收器获得的信号便反映了手腕动脉血液容量搏动性变化的情况。

研究选用波长为940nm的红外发光二极管和光电池组成的传感器，并采用光电池接收血流反射的红外光信号，如图4所示。

选定的红外发光二极管具有单色性强，体积小，机械强度高，寿命长，耗电省，响应速度快等优点。

2.3 睡眠测试模板

在标准的人工分析下，睡眠记录通常以90min为一个周期。在一个周期内，人一般会经历5个不同的阶段，分别为：入睡期、浅睡期、熟睡期、深睡期、快速动眼期。在眼动期，人们会有大量的快速且无规律的眼球运动。非眼动期睡眠则很少或几乎没有眼球运动，肌肉也不会像眼动期一样无力[6]。而中医智能手环是利用加速度器原理测量手腕的运动幅度和心跳频率，根据手腕肌肉的松弛伸张程度来判断使用者的睡眠情况，使用者可以利用中医智能手环在日常生活状态下收集到足够长时间的睡眠数据，从而可以精准地进行睡眠质量的分析。

3 发展现状与前景

目前国内大部分的智能型手环的功能只是停留在人们对于运动的体验上，相对地，能时刻检测和分析人体健康的可穿戴智能设备却少之又少。一是由于在识别、检测人体相关数据上存在技术难关，二是由于拥有相关功能的可穿戴设备价格高昂，无法满足大多数人对于智能型可穿戴设备的实际期望。

本文中所提到的基于中医诊断技术的智能手环正好弥补了“医疗型智能型可穿戴设备”这一市场欠缺，同时，由基于中医诊断技术的智能手环引领风行的脉象检测系统将会进一步地提升中医的诊治质量，大大节约费用和人力成本，因而必将有效地推动中医诊治在社会上的加速发展，而在一定程度上也将会产生可观的经济效益。

参考文献：

[1]袁肇凯.国外脉诊研究概况[J]. 浙江中医杂志，1989，24（7）；329-331.

[2]贺振泉，原林.从经络筋膜学说看脉象形成机理[J].中国中医基础医学杂志，2005，11（7）：489-491.

[3] 佚名. 电薄膜传感器技术（国际互联网版本）[Z]. 深圳：精量电子（深圳）有限公司，1998.

[4]王代华，周德高；PVDF压电薄膜振动传感器及其信号处理系统[J].压电与声光，1999，21（2）；122-126.

[5]李翠微.动态心电信号数据压缩的神经网络算法[J].中国医疗器械杂志，1993，17（3）；133-136.

[6] FERINI-STRAMBI L， ZUCCONI M. REM sleep behavior disorder[J].Clin Neurophysiol，2000， 111（Suppl 2）：S136-S140.