蔡 偉，路光達，郭曉倩，孫文昊，趙壯壯，韓 旭

（天津職業(yè)技術師范大學天津市信息傳感與智能控制重點實驗室，天津 300222）

1 引言

中醫(yī)遵循辨證論治，收集望、聞、問、切四診信息，判斷患者證候并對癥下藥。其中，“切”指脈診。醫(yī)師將食指、中指、無名指分別放于寸、關、尺三部，使用總按、單診等運指方法體會脈象浮沉強弱等特征，分析患者身體狀況。近年來，國內外多位學者開展了對脈搏波信號的研究。隨著傳感器技術的快速發(fā)展，應用到各類傳感器技術的脈診儀器相繼出現(xiàn)，極大的推動了脈診數(shù)字化與客觀化。傳感器類型包括壓力式（壓磁、壓電、壓阻）、光纖類、光電容積類、微機電系統(tǒng)芯片、機械類、以及近年興起的超聲波傳感器，其中以壓力式最為符合中醫(yī)切脈的思想。蘇昊、黃村坤等人通過六軸機械臂設計了壓力式的脈象采集系統(tǒng)，實現(xiàn)脈象的定位與采集[1]。天津大學的羅鳴等設計了基于柔性陣列傳感器的脈象檢測系統(tǒng)[2]。王鵬等提出了多通道腕部脈搏信號采集系統(tǒng)，大大提升尋脈準確度[3]。任天令教授團隊提出一種石墨烯基壓力傳感器的制備方法，使得柔性壓力傳感器的靈敏度有了進一步提升[4-5]。韓國某研究團隊設計了用于心血管健康監(jiān)測的柔性可穿戴傳感器，測量脈搏波穿過動脈的速度[6]。衛(wèi)佳駿設計了一款三探頭脈象采集設備，通過步進電機加壓，采集系統(tǒng)與傳感單元分離，設備較大，操作繁瑣[7]。上述壓力式脈診儀中，采用剛性壓力傳感器的脈診儀靈敏度較高，采用柔性壓力傳感器的脈診儀與皮膚貼合效果較好。中醫(yī)脈診取脈方式急需發(fā)展靈敏度高同時貼合皮膚的新型脈診儀。鑒于現(xiàn)有研究存在的問題，基于MEMS 壓力傳感器[8]，在此設計一種三部脈象采集腕帶。

2 三部脈象采集系統(tǒng)設計

2.1 系統(tǒng)整體結構

設計由三組腕帶、氣泵、泄氣閥、傳感器和上位機組成，構成一個完整的脈象采集系統(tǒng)。三組腕帶分別采集寸、關、尺三部脈象信息，可分別加壓或同時加壓，對應單診和總按的要求。腕帶的外觀樣式為可穿戴式手環(huán)，結構小巧。根據(jù)“三部九候”理論，所采用的采集方式需要滿足可自動加壓的要求，以此來獲取精準的脈象信息。

腕帶和主控部分構成了系統(tǒng)的主體。主控部分由氣泵進行壓力控制，排氣閥泄氣，三部腕帶對應寸、關、尺。腕帶表面進氣孔連接氣壓傳感器，進氣與出氣。采用醫(yī)用硅膠軟管進行氣路連接。整體系統(tǒng)框原理圖如圖1 所示。

圖1 三部脈象采集系統(tǒng)總體設計

氣泵加壓到浮、中、沉三者之一的壓力時，微弱的脈搏跳動會使腕帶中氣體產生壓強變化，壓力傳感器對此變化產生的電信號轉化成數(shù)字信號發(fā)送到計算機系統(tǒng)中，由上位機系統(tǒng)存儲顯示。

系統(tǒng)采用STM32F103VET6 控制器進行整體控制。有研究表明，人體寸、關、尺三部總長占前臂的比例與前臂占人身總長的比例相適應，以兩寸最為合理。由三部微氣囊構成的腕帶與MMR901XA 氣壓傳感器芯片構成數(shù)據(jù)采集部分。氣泵和泄氣閥組成系統(tǒng)的氣壓控制部分，對氣囊進行加壓和泄壓操作。當氣壓控制模塊接收到控制器發(fā)出的指令時，氣泵向腕帶進行充氣，加壓微型氣泵負責加壓。根據(jù)采集命令的不同，加壓至浮、中、沉三者其一的取脈方式，氣壓傳感器采集此時脈搏跳動的數(shù)據(jù)將其發(fā)送至上位機。在進行一個周期的采集過程后，泄氣閥接收控制器的命令進行排氣。控制器、氣泵和泄氣閥三者均需要單獨供電，且要求各不相同。為保證電源電壓穩(wěn)定輸出，采用AC-DC 開關電源，將220 V 交流電源轉換成5V 直流電源，其最大輸出電流為5A。電源GND 與控制器模塊共地。

2.2 數(shù)據(jù)采集模塊

為盡可能貼合人體橈骨形狀以模擬中醫(yī)診脈過程，設計采用微型氣囊的模式設計脈診儀。氣囊選用TPU 材質，其拉伸效果好，在不同環(huán)境下皆可保持良好的氣密性。氣囊的結構簡圖如圖2 所示。

圖2 氣囊裝置結構

在對氣囊進行加壓后，脈搏的跳動將引起氣囊內部氣壓的變化，由傳感器內部EEPROM 將ADC值變換成壓力計數(shù)值，通過SPI 傳到ARM 芯片。由于ADC 存在噪聲的原因，要獲得給定分辨率的穩(wěn)定壓力讀數(shù)時，需要取隨后幾個壓力值的平均值，以此修正傳感器的特性變化。

此處系統(tǒng)內部使用低通濾波器，如圖3 所示，當發(fā)出壓力測量命令時，SW 打開。V1 和V2 之間的電壓差發(fā)生特定的偏移，從而對傳感器元件施加壓力。其階躍響應的穩(wěn)定時間由連接的電容決定，因此，本設計采用的AD 值是在發(fā)出測量命令之后再經過了沉淀時間的結果。

圖3 模擬低通濾波器

傳統(tǒng)壓力傳感器都會有很小的零漂，需要制造外置調整電路進行偏差補償，同時在生產線上逐一調整。為簡化這一過程，本設計的氣壓傳感器將偏差參數(shù)寫入內藏的EEPROM 中，進行校正零點和壓力測定，最終由MCU 處理計算壓力校正，壓力值由數(shù)字數(shù)據(jù)輸出。MMR901XA 具有高精度的數(shù)據(jù)采集能力，在此使用，可以有效捕捉微弱的脈象信號。傳感器構成框圖如圖4 所示。

圖4 MMR901XA 結構框圖

2.3 基于壓力分析的脈象感知模塊

脈搏具有微弱性的特點，其搏動范圍通常不超過1.96 mmHg(20 g)，因此選用的氣壓傳感器要求有很高的靈敏度以及抗干擾能力。MMR901XA 壓力傳感器是由日本三美電機公司推出的一款產品，可將模擬量的變化以數(shù)字量的方式輸出，其分辨率能夠達到0.025 mmHg(3.3 Pa)，滿足高靈敏度的要求，且線性度小，體積小，安全可靠。通過氣泵加壓使腕帶緊貼皮膚，滿足中醫(yī)切脈要求。傳感器的技術指標如表1 所示。

表1 傳感器技術參數(shù)

所選用的MMR901XA 型氣壓傳感器采用SPI通訊的方式與嵌入式系統(tǒng)進行信息交換，如圖5 所示。向傳感器芯片發(fā)送相應的指令代碼即可執(zhí)行測量溫度、測量壓力、讀取ADC 等操作。代碼通過DIN 引腳傳輸；DOUT 引腳發(fā)送；ADRDY 腳用于ADC 數(shù)據(jù)輸出就緒；CS 用于片選引腳。由于接線端子密集且靠近，為保證信號傳輸過程不受臨近的電氣元器件干擾，采用RVV 多股屏蔽線進行傳感器和控制系統(tǒng)的連接。

圖5 傳感器通訊連接方式

2.4 氣壓控制單元設計

壓力控制模塊主要是向寸、關、尺三個部位施加不同的壓力，以此來模擬醫(yī)師診脈時的浮、中、沉三種取脈方式。其由微型氣泵與泄氣閥組成。微型氣泵給腕帶內部進行充氣加壓，用單片機I/O 口控制，配置為推挽輸出。

氣泵選用Kamoer 公司的EDZP02-D3 型微型氣泵，其工作電壓為3.3V，最大壓力為450mmHg，驅動電流為50mA。鑒于控制器最大輸出電流為25mA，故需采用電磁繼電器進行電源轉換。具體技術參數(shù)如表2 所示。為盡可能減少氣體濃度變化導致壓強變化的時間，在氣泵與傳感器之間添加一個100ml的緩沖瓶，使裝置內的壓力不至發(fā)生太突然的變化，從而防止突然加壓或排氣帶來的噪聲誤差。

表2 氣泵技術參數(shù)

模塊排氣閥選用VALVE 型常閉排氣閥，其工作電壓為3.0V，最大壓力為300 mmHg，泄氣只需3 s，滿足設計需求。腕帶與皮膚貼合，人體橈動脈所受壓力如下式1 所示：

所采集的脈象數(shù)據(jù)中含有基線數(shù)據(jù)和脈象數(shù)據(jù)。

3 軟件設計

3.1 脈象采集系統(tǒng)軟件設計

脈象采集系統(tǒng)軟件包括控制程序和上位機軟件?？刂瞥绦驅ο到y(tǒng)進行初始化，通過下位機不斷掃描串口，接收上位機界面的發(fā)送標志位。當下位機接收到標志位時解析命令，使氣泵工作加壓，達到設定壓力且完成采集后，將數(shù)據(jù)傳送到上位機進行波形顯示，進行泄壓排氣。為進行可視化顯示與數(shù)據(jù)保存，三部脈象采集系統(tǒng)還包括上位機程序。上位機的開發(fā)主要借助PC 端的LabVIEW 平臺。

系統(tǒng)達到采樣時間后，單片機控制排氣閥對腕帶進行泄氣，將數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機。上位機系統(tǒng)的流程主要包括初始化串口，將氣壓傳感器的數(shù)據(jù)放入數(shù)組發(fā)送，通過串口放入緩沖區(qū)，對緩沖區(qū)內的數(shù)據(jù)進行數(shù)組拆分，得到三部脈象數(shù)據(jù)，標記周期起點并擬合，進行數(shù)據(jù)分離與提取，最后顯示波形并存儲。

3.2 數(shù)據(jù)分離

采集的脈象波形曲線如圖6 所示。寸關尺三部的浮中沉脈象中，包含氣泵產生的壓力數(shù)據(jù)與脈搏跳動的脈象數(shù)據(jù)。壓力數(shù)據(jù)對應中醫(yī)師指端用力情況，可判斷脈象的浮中沉位置。脈象波形則是用來區(qū)分何種脈象的原始依據(jù)，對其進行時域，頻域，時頻域的分析，可以得到用來區(qū)分各個脈象的重要特征。

圖6 脈象波形曲線

觀察圖6 中的波形，可以發(fā)現(xiàn)其整體是處于下降趨勢的，經分析，這是氣泵與氣囊之間，傳感器與氣囊之間的軟管連接的實際氣密性所致。從圖6(a)可見，采集到的脈搏波數(shù)據(jù)存在基線漂移的情況，根據(jù)脈搏波信號的周期性特性，采用極值法標記周期起點的位置，便得到圖6(b)；在原始數(shù)據(jù)中通過定位各周期的起點位置得到圖6(c)；進行插值擬合找到波形基線曲線，基線曲線即等價于醫(yī)生的取脈壓力，原始數(shù)據(jù)去除基線壓力后得到的作為脈象的搏動數(shù)據(jù)，即為圖6(d)，可作為脈象有力無力特征的判據(jù)。

4 穩(wěn)定性測試

為驗證腕帶采集系統(tǒng)的有效性，對天津市某醫(yī)院心血管科病人進行數(shù)據(jù)采集，采集情況如圖7 所示。實驗開始前，受試者靜坐5min，保持手臂與心臟位置水平一致，呼吸穩(wěn)定。實驗過程中，受試者首先將手臂置于脈枕之上，穿戴三部脈象采集腕帶，調整腕帶位置，令其對應寸、關、尺三部。

圖7 現(xiàn)場采集脈象

測試中一共采集111 例患者脈象數(shù)據(jù)，均為心血管類疾病脈象，多數(shù)為心梗、心衰，主要臨床表現(xiàn)為胸痛心悸，表征心臟和血管的氣血運行受阻或不暢導致心臟功能障礙的病理狀態(tài)。根據(jù)采集脈象分析得出，心血管類疾病脈象多數(shù)寸口脈沉且遲，關上多為小、數(shù)、緊脈。由此可知，寸部脈無或弱可作為心血管類疾病早期診斷的主要標準。

5 結束語

基于微氣囊的三部脈象采集腕帶，結合了三部九候理論與現(xiàn)代脈診儀技術，并加入下位機編程與上位機開發(fā)。下位機控制氣泵的啟停、泄氣閥的開關和氣壓傳感器的數(shù)據(jù)采集，具有便攜性，可模擬脈診。上位機系統(tǒng)對整個軟件進行控制，實現(xiàn)取脈壓力的調節(jié)，更好的模擬了醫(yī)師指腹取脈時的觸覺感受。對脈搏波的采集包含預處理，分離脈搏靜壓與脈搏動壓，以獲取最佳取脈壓力。系統(tǒng)在臨床上多次測試，準確性與穩(wěn)定性良好，為后續(xù)分析脈象打下基礎。在后續(xù)研究中，將對控制方法、濾波方法、特征提取算法等進行深入研究，以期得到更準確的、不同壓力下的脈象信號的變化規(guī)律。