基于移動(dòng)通信終端的數(shù)字化脈診系統(tǒng)設(shè)計(jì)

黃艷麗，石軼夫，郭 寧，吳 楊

(1.西安電子科技大學(xué)通信工程學(xué)院，陜西 西安 710071;2.西安電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院，陜西 西安 710071)

1 研究背景及目的

脈診是我國(guó)傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)中具有特色的一項(xiàng)診斷方法，是中醫(yī)“整體觀(guān)念”“辯證論治”基本精神的體現(xiàn)與應(yīng)用。脈診的指感形態(tài)由王叔和統(tǒng)一診斷標(biāo)準(zhǔn)后，經(jīng)歷代醫(yī)家的不斷完善補(bǔ)充，已基本定型。歷代中醫(yī)學(xué)家都企圖用模式或示意圖形來(lái)說(shuō)明脈象的形狀，但中醫(yī)古代的脈象圖只是把脈象的語(yǔ)言變?yōu)樾蜗蟮膱D形，使之形象化。相比之下西方醫(yī)學(xué)隨工業(yè)革命的發(fā)展，醫(yī)療技術(shù)飛速進(jìn)步，而我國(guó)中醫(yī)脈學(xué)理論深?yuàn)W，方法古老，使脈診的數(shù)字化研究受到較大限制，中醫(yī)脈學(xué)顯得缺乏時(shí)代氣息［1］。

脈象是中醫(yī)用手指獲取病人“寸口”脈搏的頻率、節(jié)律、形狀、深淺和強(qiáng)弱等變化的綜合信息，即中醫(yī)脈診全憑經(jīng)驗(yàn)和手指主觀(guān)感覺(jué)。因此帶有個(gè)人主觀(guān)臆斷因素，缺乏客觀(guān)指標(biāo)作為判定脈象的標(biāo)準(zhǔn)。而且，由于中醫(yī)脈象體系復(fù)雜性、實(shí)踐的長(zhǎng)期性和技巧性，所謂“脈理精微，其體難辨?！谛囊琢?，指下難明”，至少要5～8年的臨床實(shí)踐才有可能初步掌握這種診法，所以脈象診斷和應(yīng)用的進(jìn)一步發(fā)展受到嚴(yán)重阻礙［1－2］。

脈診數(shù)字化與客觀(guān)化是涉及中醫(yī)學(xué)、西醫(yī)學(xué)、物理學(xué)、生物學(xué)、計(jì)算機(jī)學(xué)、工程學(xué)等多門(mén)學(xué)科的系統(tǒng)工程。數(shù)字化研究的目的在于使脈診逐步走向定量化、標(biāo)準(zhǔn)化的脈象語(yǔ)言，輔助中醫(yī)的臨床工作，把傳統(tǒng)中醫(yī)理論和現(xiàn)代科學(xué)理論結(jié)合，從病因、病機(jī)、局部、整體、人體和環(huán)境等多方面、多層次地研究脈診問(wèn)題，使每種脈象都有自己特定的內(nèi)容和病理依據(jù)，使以往中醫(yī)對(duì)這方面的抽象概念更接近于具體概念，使中醫(yī)脈診的經(jīng)驗(yàn)予以保留，對(duì)中醫(yī)脈診中公認(rèn)的精華部分，予以揭示和證明，在采集海量脈象數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上輔助中醫(yī)教學(xué)，恢復(fù)其應(yīng)有的地位［3－4］。

2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

基于中醫(yī)脈學(xué)理論，設(shè)計(jì)出了能進(jìn)行“三部九候”脈象檢測(cè)的數(shù)據(jù)采集裝置、建立脈象識(shí)別的數(shù)學(xué)模型、搭建完善的后臺(tái)醫(yī)療服務(wù)體制，融合了中醫(yī)脈學(xué)理論精華與當(dāng)前發(fā)展迅速的移動(dòng)通信與人工智能技術(shù)，完成了基于移動(dòng)通信終端的數(shù)字化中醫(yī)脈象診斷系統(tǒng)。

系統(tǒng)主要分為4個(gè)部分:脈象采集裝置、脈象分析模塊、智能移動(dòng)終端和醫(yī)療服務(wù)中心，系統(tǒng)模型如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)模型

系統(tǒng)的脈象采集裝置將寸部脈象、關(guān)部脈象和尺部脈象的信號(hào)實(shí)時(shí)采集，并傳輸給脈象分析模塊，脈象分析模塊利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(ANN)對(duì)脈象數(shù)據(jù)進(jìn)行智能分析，并對(duì)脈象數(shù)據(jù)進(jìn)行加密，通過(guò)藍(lán)牙方式傳輸給智能移動(dòng)終端，其對(duì)接收到的脈象數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字簽名，并通過(guò)GPRS、WIFI或3G方式傳輸給醫(yī)療服務(wù)中心，醫(yī)療服務(wù)中心對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行解密、存儲(chǔ)和分析，并利用訪(fǎng)問(wèn)控制機(jī)制對(duì)用戶(hù)身份進(jìn)行判斷，反饋診斷結(jié)果給智能移動(dòng)終端，最后顯示診斷結(jié)果。

3 脈象采集裝置設(shè)計(jì)

根據(jù)脈象采集的客觀(guān)需求，裝置包含3個(gè)PVDF壓電薄膜傳感器，首先，AD620對(duì)傳感器輸出信號(hào)進(jìn)行一級(jí)放大，LTC1151作二級(jí)放大與濾波，濾波器為50 Hz工頻陷波器，其輸出端接無(wú)源抗混疊濾波器，隨后將信號(hào)輸出至DSP的A/D采集端［4－8］。

其中選用低偏流低噪聲AD620，有效降低了輸出阻抗PVDF壓電薄膜傳感器的噪聲，放大了脈象信號(hào)。由于脈象信號(hào)頻率極低，工頻50 Hz交流電對(duì)其干擾很大，在二級(jí)放大電路上增加了50 Hz陷波器，有效提高SNR。盡管輸出信號(hào)在示波器上較為理想，但數(shù)據(jù)從DSP的A/D端采集后，仍遇到較大噪聲，使用低通濾波器抗混疊，脈波信號(hào)在A(yíng)/D采樣時(shí)減少了頻譜混疊，提高了SNR。

新型脈象采集裝置框圖如圖2所示。

4 脈象分析模塊設(shè)計(jì)

脈象信號(hào)屬于生理電信號(hào)，會(huì)隨人體的各種生理病因及周?chē)h(huán)境條件的變化，波形也隨之變化，因此，它在醫(yī)學(xué)診斷中具有重要的意義。利用計(jì)算機(jī)自動(dòng)識(shí)別各類(lèi)典型脈象，基礎(chǔ)和關(guān)鍵的工作是對(duì)脈象信號(hào)進(jìn)行特征提取，找出能代表各類(lèi)典型脈象的特征，并探索與疾病的聯(lián)系，因此對(duì)特征提取以及與病癥之間的聯(lián)系的研究就顯得尤為重要［9］。

圖2 脈象采集裝置框圖

人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(ANN)技術(shù)是對(duì)人腦神經(jīng)元結(jié)構(gòu)及功能的模擬。在模式識(shí)別與故障檢測(cè)領(lǐng)域具有較大的潛力和優(yōu)越性。利用ANN對(duì)中醫(yī)脈象進(jìn)行識(shí)別，在搜集大量脈象信號(hào)樣本的基礎(chǔ)上可以取得較高的正確率。系統(tǒng)是基于A(yíng)NN的脈象智能分析系統(tǒng)模型，建立浮沉特征、遲數(shù)特征、結(jié)代特征、滑弦特征、虛實(shí)特征網(wǎng)絡(luò)，其中遲數(shù)脈類(lèi)以信號(hào)的頻率作為分辨的主要指標(biāo);結(jié)代脈類(lèi)以信號(hào)的節(jié)律作為分辨的主要指標(biāo);浮沉脈類(lèi)以不同加壓值時(shí)的信號(hào)幅度變化為主要判別依據(jù);大細(xì)脈類(lèi)以不同的加壓值時(shí)的信號(hào)幅度大小作為其分辨依據(jù)，滑弦脈類(lèi)以脈象波形的形態(tài)變化為分辨依據(jù)。

5 智能移動(dòng)終端中軟件的設(shè)計(jì)

智能移動(dòng)通信終端，包括用戶(hù)交互模塊、藍(lán)牙模塊和Socket模塊。用戶(hù)交互模塊用于驗(yàn)證登錄信息;Socket模塊用于發(fā)送脈象數(shù)據(jù)到醫(yī)療服務(wù)中心后臺(tái)服務(wù)器;藍(lán)牙模塊用于接收數(shù)據(jù)采集裝置傳輸過(guò)來(lái)的脈象數(shù)據(jù)。

圖3 智能移動(dòng)終端結(jié)構(gòu)框圖

系統(tǒng)中智能移動(dòng)終端首先通過(guò)用戶(hù)交互模塊遠(yuǎn)程驗(yàn)證用戶(hù)信息，然后開(kāi)啟藍(lán)牙模塊接收脈象分析裝置傳輸過(guò)來(lái)的脈象數(shù)據(jù)，并使用Socket模塊將經(jīng)過(guò)數(shù)字簽名后的脈象數(shù)據(jù)發(fā)送給醫(yī)療服務(wù)中心，同時(shí)Socket模塊接收醫(yī)療服務(wù)中心反饋的診斷結(jié)果，并通過(guò)用戶(hù)交互模塊進(jìn)行顯示。其中，智能移動(dòng)終端中Android程序的設(shè)計(jì)如圖4所示。

圖4 Android程序設(shè)計(jì)

Android程序在啟動(dòng)之后，對(duì)手機(jī)進(jìn)行初始化，依次檢查藍(lán)牙、啟動(dòng)藍(lán)牙和檢查網(wǎng)絡(luò)的工作，完成初始化之后提示輸入用戶(hù)名和密碼進(jìn)行登錄，掃描生理數(shù)據(jù)采集設(shè)備并連接該設(shè)備，之后進(jìn)行循環(huán)采集和發(fā)送數(shù)據(jù)［5］。

6 醫(yī)療服務(wù)中心的設(shè)計(jì)

醫(yī)療服務(wù)中心后臺(tái)服務(wù)器，包括Web登錄管理界面模塊、歷史記錄分析模塊和網(wǎng)絡(luò)通信模塊。Web登錄管理界面模塊，用于登錄管理醫(yī)療服務(wù)中心后臺(tái)服務(wù)器;網(wǎng)絡(luò)通信模塊用于接收移動(dòng)通信終端傳輸?shù)拿}象數(shù)據(jù)，并將其脈象數(shù)據(jù)傳輸至歷史記錄分析模塊進(jìn)行存儲(chǔ)和分析，待醫(yī)療人員查看。

圖5 醫(yī)療服務(wù)中心后臺(tái)服務(wù)器結(jié)構(gòu)框圖

醫(yī)療服務(wù)中心后臺(tái)服務(wù)器的程序流程圖如圖6所示。

醫(yī)療服務(wù)中心后臺(tái)服務(wù)程序開(kāi)啟后，首先進(jìn)行Socket監(jiān)聽(tīng)，等待客戶(hù)機(jī)連接，當(dāng)客戶(hù)機(jī)連接后，新建一個(gè)子線(xiàn)程為其服務(wù)，并對(duì)客戶(hù)機(jī)發(fā)送歡迎消息，之后接收客戶(hù)機(jī)傳輸過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)，按照協(xié)議對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分類(lèi)、統(tǒng)計(jì)和分析，并將結(jié)果反饋給客戶(hù)機(jī)。

7 結(jié)束語(yǔ)

圖6 醫(yī)療服務(wù)中心后臺(tái)服務(wù)器程序流程圖

系統(tǒng)完成了一個(gè)基于移動(dòng)通信終端的數(shù)字化中醫(yī)脈象診斷系統(tǒng)，結(jié)合中醫(yī)脈學(xué)的精華與智能信息處理和移動(dòng)通信終端的優(yōu)點(diǎn)，達(dá)到中醫(yī)脈診的數(shù)字化、客觀(guān)化和便攜化。系統(tǒng)研究不僅涉及概率統(tǒng)計(jì)、信息融合、模糊數(shù)學(xué)等應(yīng)用數(shù)學(xué)領(lǐng)域，還涉及中醫(yī)學(xué)、信號(hào)與信息處理、生物信息論、系統(tǒng)論等諸多學(xué)科，因此本系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)僅是此方向研究的一個(gè)開(kāi)始，其中的許多問(wèn)題有待于進(jìn)一步完善。

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