基于微气囊的三部脉象采集腕带设计*

蔡 伟，路光达，郭晓倩，孙文昊，赵壮壮，韩 旭

（天津职业技术师范大学天津市信息传感与智能控制重点实验室，天津 300222）

1 引言

中医遵循辨证论治，收集望、闻、问、切四诊信息，判断患者证候并对症下药。其中，“切”指脉诊。医师将食指、中指、无名指分别放于寸、关、尺三部，使用总按、单诊等运指方法体会脉象浮沉强弱等特征，分析患者身体状况。近年来，国内外多位学者开展了对脉搏波信号的研究。随着传感器技术的快速发展，应用到各类传感器技术的脉诊仪器相继出现，极大的推动了脉诊数字化与客观化。传感器类型包括压力式（压磁、压电、压阻）、光纤类、光电容积类、微机电系统芯片、机械类、以及近年兴起的超声波传感器，其中以压力式最为符合中医切脉的思想。苏昊、黄村坤等人通过六轴机械臂设计了压力式的脉象采集系统，实现脉象的定位与采集[1]。天津大学的罗鸣等设计了基于柔性阵列传感器的脉象检测系统[2]。王鹏等提出了多通道腕部脉搏信号采集系统，大大提升寻脉准确度[3]。任天令教授团队提出一种石墨烯基压力传感器的制备方法，使得柔性压力传感器的灵敏度有了进一步提升[4-5]。韩国某研究团队设计了用于心血管健康监测的柔性可穿戴传感器，测量脉搏波穿过动脉的速度[6]。卫佳骏设计了一款三探头脉象采集设备，通过步进电机加压，采集系统与传感单元分离，设备较大，操作繁琐[7]。上述压力式脉诊仪中，采用刚性压力传感器的脉诊仪灵敏度较高，采用柔性压力传感器的脉诊仪与皮肤贴合效果较好。中医脉诊取脉方式急需发展灵敏度高同时贴合皮肤的新型脉诊仪。鉴于现有研究存在的问题，基于MEMS 压力传感器[8]，在此设计一种三部脉象采集腕带。

2 三部脉象采集系统设计

2.1 系统整体结构

设计由三组腕带、气泵、泄气阀、传感器和上位机组成，构成一个完整的脉象采集系统。三组腕带分别采集寸、关、尺三部脉象信息，可分别加压或同时加压，对应单诊和总按的要求。腕带的外观样式为可穿戴式手环，结构小巧。根据“三部九候”理论，所采用的采集方式需要满足可自动加压的要求，以此来获取精准的脉象信息。

腕带和主控部分构成了系统的主体。主控部分由气泵进行压力控制，排气阀泄气，三部腕带对应寸、关、尺。腕带表面进气孔连接气压传感器，进气与出气。采用医用硅胶软管进行气路连接。整体系统框原理图如图1 所示。

图1 三部脉象采集系统总体设计

气泵加压到浮、中、沉三者之一的压力时，微弱的脉搏跳动会使腕带中气体产生压强变化，压力传感器对此变化产生的电信号转化成数字信号发送到计算机系统中，由上位机系统存储显示。

系统采用STM32F103VET6 控制器进行整体控制。有研究表明，人体寸、关、尺三部总长占前臂的比例与前臂占人身总长的比例相适应，以两寸最为合理。由三部微气囊构成的腕带与MMR901XA 气压传感器芯片构成数据采集部分。气泵和泄气阀组成系统的气压控制部分，对气囊进行加压和泄压操作。当气压控制模块接收到控制器发出的指令时，气泵向腕带进行充气，加压微型气泵负责加压。根据采集命令的不同，加压至浮、中、沉三者其一的取脉方式，气压传感器采集此时脉搏跳动的数据将其发送至上位机。在进行一个周期的采集过程后，泄气阀接收控制器的命令进行排气。控制器、气泵和泄气阀三者均需要单独供电，且要求各不相同。为保证电源电压稳定输出，采用AC-DC 开关电源，将220 V 交流电源转换成5V 直流电源，其最大输出电流为5A。电源GND 与控制器模块共地。

2.2 数据采集模块

为尽可能贴合人体桡骨形状以模拟中医诊脉过程，设计采用微型气囊的模式设计脉诊仪。气囊选用TPU 材质，其拉伸效果好，在不同环境下皆可保持良好的气密性。气囊的结构简图如图2 所示。

图2 气囊装置结构

在对气囊进行加压后，脉搏的跳动将引起气囊内部气压的变化，由传感器内部EEPROM 将ADC值变换成压力计数值，通过SPI 传到ARM 芯片。由于ADC 存在噪声的原因，要获得给定分辨率的稳定压力读数时，需要取随后几个压力值的平均值，以此修正传感器的特性变化。

此处系统内部使用低通滤波器，如图3 所示，当发出压力测量命令时，SW 打开。V1 和V2 之间的电压差发生特定的偏移，从而对传感器元件施加压力。其阶跃响应的稳定时间由连接的电容决定，因此，本设计采用的AD 值是在发出测量命令之后再经过了沉淀时间的结果。

图3 模拟低通滤波器

传统压力传感器都会有很小的零漂，需要制造外置调整电路进行偏差补偿，同时在生产线上逐一调整。为简化这一过程，本设计的气压传感器将偏差参数写入内藏的EEPROM 中，进行校正零点和压力测定，最终由MCU 处理计算压力校正，压力值由数字数据输出。MMR901XA 具有高精度的数据采集能力，在此使用，可以有效捕捉微弱的脉象信号。传感器构成框图如图4 所示。

图4 MMR901XA 结构框图

2.3 基于压力分析的脉象感知模块

脉搏具有微弱性的特点，其搏动范围通常不超过1.96 mmHg(20 g)，因此选用的气压传感器要求有很高的灵敏度以及抗干扰能力。MMR901XA 压力传感器是由日本三美电机公司推出的一款产品，可将模拟量的变化以数字量的方式输出，其分辨率能够达到0.025 mmHg(3.3 Pa)，满足高灵敏度的要求，且线性度小，体积小，安全可靠。通过气泵加压使腕带紧贴皮肤，满足中医切脉要求。传感器的技术指标如表1 所示。

表1 传感器技术参数

所选用的MMR901XA 型气压传感器采用SPI通讯的方式与嵌入式系统进行信息交换，如图5 所示。向传感器芯片发送相应的指令代码即可执行测量温度、测量压力、读取ADC 等操作。代码通过DIN 引脚传输；DOUT 引脚发送；ADRDY 脚用于ADC 数据输出就绪；CS 用于片选引脚。由于接线端子密集且靠近，为保证信号传输过程不受临近的电气元器件干扰，采用RVV 多股屏蔽线进行传感器和控制系统的连接。

图5 传感器通讯连接方式

2.4 气压控制单元设计

压力控制模块主要是向寸、关、尺三个部位施加不同的压力，以此来模拟医师诊脉时的浮、中、沉三种取脉方式。其由微型气泵与泄气阀组成。微型气泵给腕带内部进行充气加压，用单片机I/O 口控制，配置为推挽输出。

气泵选用Kamoer 公司的EDZP02-D3 型微型气泵，其工作电压为3.3V，最大压力为450mmHg，驱动电流为50mA。鉴于控制器最大输出电流为25mA，故需采用电磁继电器进行电源转换。具体技术参数如表2 所示。为尽可能减少气体浓度变化导致压强变化的时间，在气泵与传感器之间添加一个100ml的缓冲瓶，使装置内的压力不至发生太突然的变化，从而防止突然加压或排气带来的噪声误差。

表2 气泵技术参数

模块排气阀选用VALVE 型常闭排气阀，其工作电压为3.0V，最大压力为300 mmHg，泄气只需3 s，满足设计需求。腕带与皮肤贴合，人体桡动脉所受压力如下式1 所示：

所采集的脉象数据中含有基线数据和脉象数据。

3 软件设计

3.1 脉象采集系统软件设计

脉象采集系统软件包括控制程序和上位机软件。控制程序对系统进行初始化，通过下位机不断扫描串口，接收上位机界面的发送标志位。当下位机接收到标志位时解析命令，使气泵工作加压，达到设定压力且完成采集后，将数据传送到上位机进行波形显示，进行泄压排气。为进行可视化显示与数据保存，三部脉象采集系统还包括上位机程序。上位机的开发主要借助PC 端的LabVIEW 平台。

系统达到采样时间后，单片机控制排气阀对腕带进行泄气，将数据发送到上位机。上位机系统的流程主要包括初始化串口，将气压传感器的数据放入数组发送，通过串口放入缓冲区，对缓冲区内的数据进行数组拆分，得到三部脉象数据，标记周期起点并拟合，进行数据分离与提取，最后显示波形并存储。

3.2 数据分离

采集的脉象波形曲线如图6 所示。寸关尺三部的浮中沉脉象中，包含气泵产生的压力数据与脉搏跳动的脉象数据。压力数据对应中医师指端用力情况，可判断脉象的浮中沉位置。脉象波形则是用来区分何种脉象的原始依据，对其进行时域，频域，时频域的分析，可以得到用来区分各个脉象的重要特征。

图6 脉象波形曲线

观察图6 中的波形，可以发现其整体是处于下降趋势的，经分析，这是气泵与气囊之间，传感器与气囊之间的软管连接的实际气密性所致。从图6(a)可见，采集到的脉搏波数据存在基线漂移的情况，根据脉搏波信号的周期性特性，采用极值法标记周期起点的位置，便得到图6(b)；在原始数据中通过定位各周期的起点位置得到图6(c)；进行插值拟合找到波形基线曲线，基线曲线即等价于医生的取脉压力，原始数据去除基线压力后得到的作为脉象的搏动数据，即为图6(d)，可作为脉象有力无力特征的判据。

4 稳定性测试

为验证腕带采集系统的有效性，对天津市某医院心血管科病人进行数据采集，采集情况如图7 所示。实验开始前，受试者静坐5min，保持手臂与心脏位置水平一致，呼吸稳定。实验过程中，受试者首先将手臂置于脉枕之上，穿戴三部脉象采集腕带，调整腕带位置，令其对应寸、关、尺三部。

图7 现场采集脉象

测试中一共采集111 例患者脉象数据，均为心血管类疾病脉象，多数为心梗、心衰，主要临床表现为胸痛心悸，表征心脏和血管的气血运行受阻或不畅导致心脏功能障碍的病理状态。根据采集脉象分析得出，心血管类疾病脉象多数寸口脉沉且迟，关上多为小、数、紧脉。由此可知，寸部脉无或弱可作为心血管类疾病早期诊断的主要标准。

5 结束语

基于微气囊的三部脉象采集腕带，结合了三部九候理论与现代脉诊仪技术，并加入下位机编程与上位机开发。下位机控制气泵的启停、泄气阀的开关和气压传感器的数据采集，具有便携性，可模拟脉诊。上位机系统对整个软件进行控制，实现取脉压力的调节，更好的模拟了医师指腹取脉时的触觉感受。对脉搏波的采集包含预处理，分离脉搏静压与脉搏动压，以获取最佳取脉压力。系统在临床上多次测试，准确性与稳定性良好，为后续分析脉象打下基础。在后续研究中，将对控制方法、滤波方法、特征提取算法等进行深入研究，以期得到更准确的、不同压力下的脉象信号的变化规律。