寸關(guān)尺脈搏信息圖像化檢測(cè)裝置*

張愛(ài)華,黨宏智,朱 亮

(蘭州理工大學(xué),蘭州 730050)

目前對(duì)脈搏信息的檢測(cè)裝置主要有單部、雙部、三部、多點(diǎn)式[1-2],所采用的傳感器主要為壓力傳感器、光電傳感器、傳聲器、超聲多普勒檢測(cè)技術(shù)等[3]。單部脈搏信息檢測(cè)裝置是最常見(jiàn)的,它只是對(duì)寸、關(guān)、尺三部位中的一個(gè)部位進(jìn)行檢測(cè),采用的傳感器多為壓力傳感器,所獲取的信息量有限,而且是一維信息。雙部式只能檢測(cè)到寸、關(guān)、尺三部位中兩個(gè)部位的信息,而且也是一維信息,同樣信息量有限。上海中醫(yī)藥大學(xué)研制的三部脈象檢測(cè)系統(tǒng)可以提取寸、關(guān)、尺三部位的脈搏信號(hào),但采用的是應(yīng)變壓力傳感探測(cè)觸頭。為了采集更全面的脈搏信息,金觀(guān)昌教授等研究了PVDF多點(diǎn)脈搏傳感器,采用 9個(gè)測(cè)點(diǎn)分別用于測(cè)量寸、關(guān)、尺三部脈圖以及脈搏沿血管橫截面方向的變化[4]。湯偉昌教授研制了五探頭脈象換能器(除寸、關(guān)、尺 三部外,還加上上魚(yú)際、尺下二部)。雖然這兩種裝置的檢測(cè)部位數(shù)目有所增加,但每一路傳感器的輸出仍為單點(diǎn)信號(hào),而非被測(cè)部位的三維信號(hào)[5]。美國(guó)醫(yī)學(xué)博士 John.H.Laub研制的新型無(wú)創(chuàng)脈波記錄儀,它采用應(yīng)變式力傳感器和壓電式力傳感器可以記錄一部至三部脈波[6]。日本的田口賢輝發(fā)明了“壓力、脈搏測(cè)定裝置”采用壓電式傳感器,也可以測(cè)定一部或者三部脈搏信息[7]。日本 Colin公司利用張力法研制了CBM-3000/2000型橈動(dòng)脈脈波檢測(cè)儀[8]。JY Lee用微波多普勒測(cè)量動(dòng)脈壁隨壓力脈搏波的搏動(dòng),從中提取脈搏信息[9]。上述這些檢測(cè)裝置由于受傳感器類(lèi)型或檢測(cè)部位數(shù)的限制,所采集的信息難以全面準(zhǔn)確地反映脈象的構(gòu)成要素,與傳統(tǒng)中醫(yī)三部九候的取脈方法相差較大,制約了中醫(yī)脈診客觀(guān)化和脈診信息全面化的研究及應(yīng)用[10-11]。為了更好的模擬中醫(yī)切脈,本文研究設(shè)計(jì)了三部脈搏信息圖像化檢測(cè)裝置,并給出了用它采集到的關(guān)、尺、寸同步脈搏波形圖。

1 三部脈搏信息圖像化檢測(cè)裝置

1.1 圖像傳感器

從上世紀(jì)七十年代起,國(guó)內(nèi)許多科學(xué)技術(shù)人員相互協(xié)作,在脈診的原理、檢測(cè)方法、儀器、脈搏信息和臨床應(yīng)用等方面進(jìn)行了大量的研究,并發(fā)明了壓力傳感器、光電傳感器、超聲多普勒法、傳聲器等多種建立在不同工作原理上的脈象檢測(cè)方法。隨著計(jì)算機(jī)和圖像處理技術(shù)的發(fā)展,圖像處理的應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大,而動(dòng)態(tài)圖像是包含豐富信息的信號(hào),通過(guò)對(duì)多幀時(shí)序圖像的分析,可以認(rèn)識(shí)和分析動(dòng)態(tài)過(guò)程。因此,可以通過(guò)檢測(cè)不同切脈壓力下,脈搏搏動(dòng)時(shí)在切脈部位皮膚表面空間任意多點(diǎn)的形象與動(dòng)態(tài),從而獲得脈搏信息,也就是基于圖像傳感器獲取脈搏信息[12-13]。

在本裝置中,把圖像傳感器垂直安放在三個(gè)探測(cè)觸頭上方,用于采集脈搏搏動(dòng)的動(dòng)態(tài)圖像數(shù)據(jù)。所用的圖像傳感器主要參數(shù)為：1/3寸 CCD,攝像有效像素：1 024(H)×768(V),采集速度：30 frame/s,信噪比：＞56 dB,鏡頭視場(chǎng)：33 mm×44 mm,工作距離：129.9mm,鏡頭焦距：25.18 mm.

1.2 探測(cè)觸頭

為了滿(mǎn)足能同時(shí)測(cè)量寸、關(guān)、尺三部位的脈搏信息的要求,設(shè)計(jì)采用三個(gè)尺寸相同的探測(cè)觸頭,如圖 1所示。

圖1 三個(gè)探測(cè)觸頭剖面圖

每個(gè)探測(cè)觸頭由壓力密封腔、具有網(wǎng)格紋理的硅膠薄膜、密封腔透光玻璃片、密封腔進(jìn)氣孔、密封腔內(nèi)光源、硅膠薄膜密封片組成。

三個(gè)探測(cè)觸頭都是由金屬材料制成的內(nèi)含壓力密封腔和光源的棱柱,密封腔的橫截面是一個(gè)直徑為 10mm的圓形,壓力密封腔上端面用透光玻璃片密封,下端面用硅膠薄膜密封,通過(guò)擠壓氣囊給壓力密封腔充氣使三片硅膠薄膜向外膨脹,膨脹的薄膜和被測(cè)處的皮膚表面相接觸,從而模擬切脈。三片硅膠薄膜上都印制具有均勻紋理的網(wǎng)格,圖像傳感器在上方對(duì)其進(jìn)行觀(guān)測(cè)。探測(cè)觸頭中密封腔壓縮空氣的壓力模擬指內(nèi)壓力,壓力密封腔內(nèi)壓力可以連續(xù)調(diào)節(jié)并利用氣壓表進(jìn)行顯示。每個(gè)探測(cè)觸頭的照明光源放置在各自的壓力密封腔內(nèi),照明光源由兩個(gè) LED發(fā)光二極管組成,由 5V穩(wěn)壓電源供電,它的亮度通過(guò)調(diào)整 LED發(fā)光二極管的工作電流進(jìn)行控制,以尋求最佳亮度環(huán)境。在良好的照明條件下,光線(xiàn)照射在硅膠薄膜的表面,薄膜緊貼在橈動(dòng)脈處的皮膚表面,橈動(dòng)脈的搏動(dòng)通過(guò)薄膜的運(yùn)動(dòng)反映出來(lái)。

1.3 機(jī)械結(jié)構(gòu)

為了模擬中醫(yī)三部九候的取脈方法,三部探測(cè)觸頭要能在 X、Y、Z方向三維可調(diào),同時(shí)要能滿(mǎn)足改變切脈壓力的條件,機(jī)械結(jié)構(gòu)主視圖如圖 2所示,部分機(jī)械結(jié)構(gòu)俯視圖如圖 3所示。

圖2 機(jī)械結(jié)構(gòu)主視圖

圖3 部分機(jī)械結(jié)構(gòu)俯視圖

三部脈搏信息圖像化檢測(cè)裝置由電腦、數(shù)據(jù)線(xiàn)、圖像傳感器、傳感器支架、三個(gè)切脈壓力調(diào)節(jié)旋鈕、X軸調(diào)節(jié)滑塊、三條彈性橋臂、密封腔透光玻璃片、三個(gè)探測(cè)觸頭、密封腔進(jìn)氣孔、密封腔內(nèi)光源、硅膠薄膜密封片、密封片螺釘、三片具有網(wǎng)格紋理的硅膠薄膜、底板、Z軸粗調(diào)旋鈕、Y軸調(diào)節(jié)旋鈕、滑塊、豎直軸、Z軸微調(diào)旋鈕、圓環(huán)等組成。

三個(gè)切脈壓力調(diào)節(jié)旋鈕通過(guò)螺紋和 X軸調(diào)節(jié)滑塊相連,調(diào)節(jié)三個(gè)切脈壓力調(diào)節(jié)旋鈕中的任何一個(gè),可以使相應(yīng)的彈性橋臂向上或者向下位移,探測(cè)觸頭和相應(yīng)的彈性橋臂通過(guò)螺釘相固定,從而使探測(cè)觸頭與寸、關(guān)、尺部位皮膚表面的作用力發(fā)生改變,實(shí)現(xiàn)不同切脈壓力。X軸調(diào)節(jié)滑塊的一端有內(nèi)凹槽,彈性橋臂插入其中,通過(guò)改變插入深度調(diào)節(jié)探測(cè)觸頭在 X軸方向上的位置。Y軸調(diào)節(jié)旋鈕是一個(gè)旋入滑塊中的螺釘,滑塊通過(guò)它中央的一個(gè)圓孔套在固定于底板上的豎直軸上,旋開(kāi) Y軸調(diào)節(jié)旋鈕后轉(zhuǎn)動(dòng)滑塊改變探測(cè)觸頭在 Y軸方向上的位置。Z軸粗調(diào)旋鈕通過(guò)螺紋和套在豎直軸上的圓環(huán)相連,松開(kāi) Z軸粗調(diào)旋鈕后把套在豎直軸上的圓環(huán)上推或者下拉,便可大范圍調(diào)整探測(cè)觸頭在 Z軸方向上的位置。Z軸微調(diào)旋鈕插入滑塊的圓孔中,可以順時(shí)針或逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)但相對(duì)滑塊沒(méi)有位移,在 Z軸微調(diào)旋鈕軸向中部有齒牙和 X軸調(diào)節(jié)滑塊的另一端的齒條嚙合,旋轉(zhuǎn) Z軸微調(diào)旋鈕使 X軸調(diào)節(jié)滑塊在 Z軸方向上移動(dòng),從而小范圍調(diào)整探測(cè)觸頭在 Z軸方向上的位置。

1.4 擠壓充壓結(jié)構(gòu)

圖4示出了擠壓充壓機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)圖。它由壓力表、氣路、擠壓氣囊、氣壓緩沖腔組成。氣路和密封腔進(jìn)氣孔相連。采集脈搏搏動(dòng)動(dòng)態(tài)圖像時(shí),通過(guò)擠壓氣囊調(diào)節(jié)壓力密封腔內(nèi)的壓力,通過(guò)壓力表觀(guān)測(cè)壓力大小,調(diào)整至硅膠薄膜向外膨脹接近指內(nèi)壓力為止。

圖4 擠壓充壓機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖

2 工作過(guò)程

采集脈搏搏動(dòng)動(dòng)態(tài)圖像時(shí),首先通過(guò)擠壓氣囊調(diào)節(jié)壓力密封腔內(nèi)的壓力,通過(guò)壓力表觀(guān)測(cè)壓力大小,調(diào)整至硅膠薄膜向外膨脹接近指內(nèi)壓力為止。將手腕水平放在底板上,調(diào)整三條彈性橋臂在 X軸調(diào)節(jié)滑塊中的插入深度來(lái)完成探測(cè)觸頭在 X軸方向上的調(diào)節(jié);通過(guò) Y軸調(diào)節(jié)旋鈕完成探測(cè)觸頭在 Y軸方向上的調(diào)節(jié);通過(guò) Z軸粗調(diào)旋鈕使探測(cè)觸頭完成在 Z軸方向上的粗調(diào),而微調(diào)由 Z軸微調(diào)旋鈕完成,從而使膨脹起的三片硅膠薄膜依次正對(duì)于寸、關(guān)、尺部位處,并和皮膚接觸。通過(guò)三個(gè)切脈壓力調(diào)節(jié)旋鈕施加切脈壓力,調(diào)整 LED發(fā)光二極管的工作電流,以尋求最佳亮度環(huán)境,在良好的照明條件下,調(diào)整圖像傳感器的焦距,觀(guān)察由圖像傳感器獲取的脈搏搏動(dòng)動(dòng)態(tài)圖像,脈搏搏動(dòng)最明顯時(shí)的取脈壓力為最佳取脈壓力。將采集到的動(dòng)態(tài)圖像通過(guò)數(shù)據(jù)線(xiàn)傳輸給電腦,在電腦內(nèi)通過(guò)軟件,應(yīng)用視覺(jué)測(cè)量方法提取三部位的同步脈搏信息。

3 三部動(dòng)態(tài)圖像采集實(shí)驗(yàn)

3.1 實(shí)驗(yàn)條件

為了減弱外部環(huán)境對(duì)實(shí)驗(yàn)的干擾,實(shí)驗(yàn)滿(mǎn)足以下條件：在室內(nèi)窒溫下,采用柔和的白色日光燈照明,使室內(nèi)照度與亮度均勻穩(wěn)定,保持安靜減少噪音,使本裝置遠(yuǎn)離無(wú)線(xiàn)電設(shè)備減少電磁干擾,采用 +5V穩(wěn)壓電源保證 LED燈亮度穩(wěn)定。

3.2 實(shí)驗(yàn)步驟

1.被測(cè)人員將胳膊水平放置在底板上。

2.用擠壓氣囊給密封腔充氣,使三片硅膠薄膜向外膨脹到合適程度為止。

3.調(diào)整三個(gè)探頭在 X、Y、Z軸方向上的位置,使三個(gè)探頭依次正對(duì)寸、關(guān)、尺部位。

4.調(diào)節(jié)切脈壓力到最佳。

5.調(diào)整 LED燈的亮度和圖像傳感器的焦距,使三個(gè)探測(cè)觸頭上的三片硅膠薄膜同時(shí)清晰的出現(xiàn)在圖像傳感器的視場(chǎng)中。

6.采集一定時(shí)間的硅膠薄膜的形象與動(dòng)態(tài)圖像。

7.用軟件分析從動(dòng)態(tài)圖像中提取寸、關(guān)、尺部位同步脈搏信息。

3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖5是利用本檢測(cè)裝置獲取的寸、關(guān)、尺部位硅膠薄膜的形象與動(dòng)態(tài)圖像中的一幀(第 100幀)。三個(gè)網(wǎng)格區(qū)域從左到右依次是寸口、關(guān)口、尺口的圖像。圖 6是應(yīng)用網(wǎng)格面積法從動(dòng)態(tài)圖像中獲取的寸、關(guān)、尺三部位某一點(diǎn)的同步脈搏波形。

圖5 寸、關(guān)、尺部位硅膠薄膜的形象與動(dòng)態(tài)圖像中的一幀(第 100幀)

圖6 寸、關(guān)、尺部位同步脈搏波形圖

4 結(jié)束語(yǔ)

脈象信號(hào)是一種多維的生理信號(hào),隨著脈診客觀(guān)化和脈診信息全面化的研究,對(duì)脈象檢測(cè)裝置能同時(shí)檢測(cè)到的部位數(shù)和信息量均有所增加,與其它類(lèi)型的脈象檢測(cè)裝置相比,采用圖像傳感器的脈象檢測(cè)裝置能獲取更多信息。三部脈搏信息圖像化檢測(cè)裝置采用大視場(chǎng)、高像素、高速率的圖像傳感器,利用研制的探測(cè)觸頭可以同時(shí)對(duì)寸、關(guān)、尺部位的脈搏信息進(jìn)行同步提取。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)看,本裝置滿(mǎn)足多部位檢測(cè)和信息全面化的要求,為實(shí)現(xiàn)脈診客觀(guān)化和脈診信息全面化奠定了基礎(chǔ)。本文應(yīng)用網(wǎng)格面積法對(duì)脈搏信息做了簡(jiǎn)單提取,對(duì)于從動(dòng)態(tài)圖像中提取更多脈搏信息的方法還有待于進(jìn)一步研究。

[1]狄九軍,陳思,王學(xué)民.中醫(yī)脈象發(fā)生儀的研制[J].生物醫(yī)學(xué)工程與臨床,2008,12(6)：503-506.

[2]燕海霞,王憶勤,李福鳳.中醫(yī)脈象傳感器的研究進(jìn)展[J].上海中醫(yī)藥大學(xué)學(xué)報(bào),2005,19(1)：62-64.

[3]徐元景,牛欣.中醫(yī)脈診位數(shù)形勢(shì)屬性的檢測(cè)方法探討[J].中國(guó)中西醫(yī)結(jié)合雜志,2003,23(6)：467-470.

[4]金觀(guān)昌,余淼,鮑乃鏗.PVDF多點(diǎn)脈搏波計(jì)算機(jī)輔助測(cè)試系統(tǒng)研究[J].清華大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),1999,39(8)：117-120.

[5]湯偉昌,李睿.三部脈象檢測(cè)系統(tǒng)的研究[J].中國(guó)醫(yī)療器械雜志,2005,29(3)：164-166.

[6]John HLaub.A New Non-Invasive Pulse Wave Recording Instrument for Acupuncture Clinic[J].American Journal of Acupuncture,1983,11(3)：45-47.

[7]田口賢輝.加壓力脈搏壓測(cè)定裝置[P].公開(kāi)特許.昭和,56-158642.

[8]費(fèi)兆馥.現(xiàn)代中醫(yī)脈診學(xué)[M].北京：人民衛(wèi)生出版社,2003,110-123.

[9]Lee JY,Lin JC,Popovic M A.Microprocessor-Baded Arterial Pulse Wave Aanlyzer[J].Proceeding of the 36th Annual Conference on Engineering in Medicine and Biology,sept,1983：79.

[10]C T Lee.Frequency Distribution of Human Pulse Spectra[J].IEEE Trans.Biomed Eng,1985,32：245-249.

[11]楊杰.基于脈動(dòng)信息獲取的中醫(yī)脈診數(shù)字化、可視化討論[D].北京：北京中醫(yī)藥大學(xué),2006,32-45.

[12]張愛(ài)華,周義勇,朱亮.圖像化脈象采集裝置的研制[J].傳感技術(shù)學(xué)報(bào),2006,19(4)：1261-1263.

[13]張愛(ài)華,郭衛(wèi)剛,李永平.基于網(wǎng)格圖像的多點(diǎn)脈搏信息獲取與三維重構(gòu)[J].中國(guó)醫(yī)療器械雜志,2008,32(3)：179-182.