基于DSP的脈象儀的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

焦琪玉，龐春穎

長(zhǎng)春理工大學(xué)生命科學(xué)技術(shù)學(xué)院，長(zhǎng)春市，130022

0 前言

在中醫(yī)理論中，對(duì)疾病的診斷與治療絕大部分是以脈診為依據(jù)的。對(duì)于這項(xiàng)“在心易了，指下難明”的技術(shù)，現(xiàn)代人早就渴望能有一種客觀的中醫(yī)脈象檢測(cè)和描述方法，以系統(tǒng)地解釋中醫(yī)脈診的奧秘[1]。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者先后研發(fā)了多種類型的中醫(yī)脈象儀，不同程度地實(shí)現(xiàn)了脈象信號(hào)的檢測(cè)、分析處理和診斷描述。如上海中醫(yī)藥大學(xué)的ZM-III型中醫(yī)脈象儀，北京清華科技園的APCP-Ⅳ中醫(yī)脈象儀和北京華宇脈象診斷儀等，對(duì)脈象信號(hào)進(jìn)行了不同程度的描述和分析。但是它們?cè)谛盘?hào)采集和分析處理功能上有不足之處，而且多數(shù)需要PC機(jī)的配合使用，距離脈診技術(shù)的智能化、客觀化和定量化的要求還有一段差距。在脈象信號(hào)的采集和臨床分析方面，文獻(xiàn)[2]提出了多點(diǎn)三維動(dòng)態(tài)壓力脈搏波的采集方法，文獻(xiàn)[3]分析了高血壓病人的脈象信號(hào)的時(shí)域特征，文獻(xiàn)[4]對(duì)冠心病患者和健康人分別研究了其EMD分解后的模態(tài)特征，但都僅限于方法學(xué)的研究。國(guó)外的Womersley、Cox等一批學(xué)者建立了動(dòng)脈管中脈搏波的傳播模型，麥克唐納在考慮組織對(duì)血管約束作用的基礎(chǔ)上討論了管內(nèi)脈動(dòng)流與波的傳播問(wèn)題[5-8]，還有德國(guó)、俄羅斯、意大利、印度、日本和韓國(guó)也開(kāi)發(fā)了基于不同檢測(cè)原理的脈象檢測(cè)儀器。

本文研制的基于DSP的脈象儀，充分利用DSP芯片的控制能力和信號(hào)處理能力，通過(guò)數(shù)據(jù)采集、人機(jī)接口模塊、存儲(chǔ)器模塊的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了脈象信號(hào)的采集、分析處理和結(jié)果顯示。該儀器可測(cè)量具有臨床診斷意義的9個(gè)脈象信號(hào)的時(shí)域和頻域參數(shù)，并通過(guò)這些參數(shù)對(duì)脈象信號(hào)進(jìn)行分類識(shí)別，為疾病診斷提供了重要的生理信息。通過(guò)USB接口設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了與PC機(jī)的數(shù)據(jù)通信，既可以進(jìn)行信號(hào)的上位機(jī)分析，也為遠(yuǎn)程監(jiān)控提供了條件。實(shí)驗(yàn)證明，儀器具有體積小巧，信號(hào)處理功能強(qiáng)，易于操作和使用的特點(diǎn)。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

本中醫(yī)脈象儀采用HKG-07B紅外脈象傳感器提取脈象信號(hào)，并對(duì)脈象信號(hào)進(jìn)行濾波放大等模擬調(diào)理，保證脈象信號(hào)的質(zhì)量及幅度，以便進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換；以 TI公司的TMS320VC5402芯片作為控制核心；通過(guò)CM320240-3EBLWA-5N液晶屏和觸摸板進(jìn)行脈象信號(hào)的實(shí)時(shí)顯示和人機(jī)交互的接口設(shè)計(jì)。系統(tǒng)擴(kuò)展了RAM和FLASH，用于多用戶的脈象信號(hào)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。還通過(guò)CY7C68013A芯片擴(kuò)展了USB接口，可方便地與PC機(jī)或者其他帶有USB接口的外設(shè)相連。其硬件框圖如圖1所示，儀器實(shí)物如圖2所示。

圖1 脈象儀硬件系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)Fig.1 Block diagram of hardware system of pulse instrument

圖2 脈象儀實(shí)物圖Fig.2 Picture of pulse instrument

1.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

1.2.1 主程序結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)的功能包括系統(tǒng)設(shè)置，有LCD設(shè)置、AD設(shè)置和其他參數(shù)設(shè)置（如時(shí)間設(shè)置、信號(hào)增益設(shè)置等）；有脈象信號(hào)采集和實(shí)時(shí)顯示，時(shí)域特征參數(shù)和頻域特征參數(shù)的提取，脈象信號(hào)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。整體軟件的流程圖如圖3所示，其中特征參數(shù)的提取是軟件處理的關(guān)鍵。

圖3 系統(tǒng)軟件流程圖Fig.3 System software flowchart

1.2.2 脈象信號(hào)時(shí)域分析

脈象圖大多由三個(gè)峰兩個(gè)谷組成，其中升支和降支組成主波，降支上有一切跡稱為降中峽，它出現(xiàn)在主動(dòng)脈瓣關(guān)閉的瞬間，反映心臟舒張期起點(diǎn)的主動(dòng)脈壓力。主波和降中峽之間往往出現(xiàn)重搏前波，又稱潮波。緊接降中峽出現(xiàn)的重搏波又稱降中波，以上的波和峽是構(gòu)成脈象圖的主要成分。圖4為典型的脈象時(shí)域波形[9]。在實(shí)際脈象信號(hào)的形態(tài)分析中，一般取各波和峽的對(duì)比值進(jìn)行研究。如h2/hl、h3/hl、(hl-h3)/hl、tl/t和t2/t等。

數(shù)學(xué)核心素養(yǎng)是基于數(shù)學(xué)知識(shí)和計(jì)算、測(cè)量、推理、分析、建模和統(tǒng)計(jì)等基本數(shù)學(xué)知識(shí)和技能形成的數(shù)學(xué)思維方法和態(tài)度.它也反映了學(xué)生在現(xiàn)實(shí)社會(huì)和生活中的數(shù)學(xué)，了解角色和價(jià)值. 數(shù)學(xué)核心素養(yǎng)與數(shù)學(xué)知識(shí)和技能，數(shù)學(xué)探究能力和問(wèn)題解決能力密切相關(guān)，構(gòu)成了學(xué)生的數(shù)學(xué)素養(yǎng).

圖4 脈圖的時(shí)域特征Fig.4 The pulse figure time domain features

進(jìn)行時(shí)域分析的關(guān)鍵是對(duì)一個(gè)周期的脈象信號(hào)進(jìn)行準(zhǔn)確定位，本研究采用閾值定位法。脈象信號(hào)定位后，計(jì)算信號(hào)的幅值比h2/hl、h3/hl、脈動(dòng)周期t和波形特征量k，這幾個(gè)特征參數(shù)。其中幅值比h2/hl、h3/hl能客觀反映血管阻力和血管壁彈性。定義K[10]為

圖5 脈搏波波形特征量K值的提取Fig.5 The characteristic parameter K value of the pulse waveform

時(shí)域分析步驟如圖6所示。其中設(shè)x(t) 為脈象信號(hào)，m為閾值，一般在3～5之間選取，圖4中的D點(diǎn)以下。

圖6 時(shí)域算法流程圖Fig.6 Time domain algorithm flowchart

1.2.3 頻域分析模塊

本儀器選擇對(duì)脈象信號(hào)進(jìn)行功率譜分析，并計(jì)算相應(yīng)的特征參數(shù)。采用多個(gè)周期進(jìn)行譜分析，然后求取平均值的方法。其計(jì)算流程如圖7所示。

圖7 頻域算法流程圖Fig.7 Frequency domain algorithm flowchart

FFT參數(shù)中設(shè)定了N=1024，將預(yù)處理后的數(shù)字信號(hào)x(n)分為L(zhǎng)段，每一段數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為M，則有L=N/M，第i段數(shù)據(jù)記為xi(n)=x[n+(i-1)M]，其中0≤n≤M-1，1≤i≤L。

用式(2)計(jì)算每一段數(shù)據(jù)的功率譜[11]，

把PiPER對(duì)應(yīng)相加，再取平均值可得平均功率譜為：

其中0≤k≤M-1。

頻域特征參數(shù)的選取和計(jì)算如下：

(1)f0：基頻，功率譜中第一主峰所對(duì)應(yīng)的頻率。該參數(shù)反映心臟搏動(dòng)的基本頻率，即心臟跳動(dòng)的快慢。

(2)h0：前次峰值，功率譜第一主峰前的一個(gè)峰值，該參數(shù)反映測(cè)試者的呼吸頻率。

(3) 譜能比：SER10。由于脈象信號(hào)的頻率主要集中在0～40 Hz，所以設(shè)信號(hào)的總能量值為

則0～10 Hz能量值表示為

式中F為頻譜分辨率。

則譜能比定義為SER10=E10/E，代表0～10 Hz的譜能量占總能量的百分比。該參數(shù)反映了信號(hào)能量隨頻率的分布。

(4)x：功率譜諧波個(gè)數(shù)，它代表了頻率是基頻整數(shù)倍的波峰的個(gè)數(shù)。該參數(shù)在一定程度上反映了脈搏的節(jié)律。

2 儀器性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)與討論

2.1 儀器性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證儀器的性能，在長(zhǎng)春理工大學(xué)醫(yī)院和前衛(wèi)醫(yī)院進(jìn)行了臨床使用試驗(yàn)，圖8和圖9是儀器觸摸屏顯示的試驗(yàn)結(jié)果。

由臨床經(jīng)驗(yàn)豐富的醫(yī)生通過(guò)“雙盲法”診斷，確診了平脈、沉脈、滑脈、細(xì)脈、弦脈、數(shù)脈、緩脈等共200例樣本。其中男性82例，女性118例。在儀器使用試驗(yàn)過(guò)程中要求測(cè)試者在安靜狀態(tài)下休息15 min，然后用本系統(tǒng)進(jìn)行脈象信號(hào)的提取、特征參數(shù)的計(jì)算以及結(jié)果顯示。有10例樣本的特征參數(shù)如表1所示。對(duì)所計(jì)算的參數(shù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)學(xué)的分析，具有明顯的統(tǒng)計(jì)意義（p＜0.05）。

從樣本中隨機(jī)抽取100例作為訓(xùn)練樣本，剩下100例作為測(cè)試樣本。根據(jù)提取的脈象信號(hào)的特征參數(shù)，采用9-5-3型BP網(wǎng)絡(luò)，用Sigmoid作為輸入函數(shù)，基于梯度下降法進(jìn)行學(xué)習(xí)，以“最大值準(zhǔn)則”作為分類依據(jù)[12]，具體識(shí)別率如表2所示。

圖8 時(shí)域分析試驗(yàn)結(jié)果Fig.8 Time domain analyze experimental results

圖9 頻域分析試驗(yàn)結(jié)果Fig.9 Frequency domain analyze experimental results

表1 脈象信號(hào)特征參數(shù)Tab.1 Pulse signal characteristic parameters

表2 脈象信號(hào)識(shí)別結(jié)果對(duì)照表Tab.2 Pulse signal identification results comparison

2.2 結(jié)果分析和討論

通過(guò)對(duì)200例受試者脈象的識(shí)別結(jié)果的比較，該中醫(yī)脈象儀系統(tǒng)對(duì)脈象信號(hào)的平均識(shí)別率可達(dá)87.4%，其中對(duì)弦脈的識(shí)別率最高，而對(duì)于緩脈的識(shí)別率最低。產(chǎn)生這個(gè)結(jié)果的原因在于，某些脈象信號(hào)本身的形態(tài)就比較容易識(shí)別，另外與所選擇的特征參數(shù)也有很大的關(guān)系。因此，可考慮從脈象的“位、數(shù)、形、勢(shì)”的整體上選擇更有代表意義的參數(shù)。另外，在建立預(yù)測(cè)模型時(shí)，可以考慮參數(shù)的自適應(yīng)選取，以此提高分類識(shí)別方法的自適應(yīng)性。

理論上講，脈象中蘊(yùn)含了豐富的人體信息，而且對(duì)同一個(gè)人，不同的狀態(tài)、不同時(shí)間、左右手寸關(guān)尺不同部位采集的脈搏波都會(huì)有差異。因此，對(duì)于脈象儀，還需要進(jìn)一步開(kāi)展多傳感器融合、時(shí)頻域信號(hào)處理等方面的研究，并將這些工程技術(shù)和臨床醫(yī)生的經(jīng)驗(yàn)相結(jié)合。

3 結(jié)論

基于DSP的脈象儀可實(shí)現(xiàn)脈象信號(hào)的采集、處理、形態(tài)分析和脈象識(shí)別。同時(shí)，觸摸屏的運(yùn)用使操作更加簡(jiǎn)單，使USB的接口可方便地與PC機(jī)通信。通過(guò)對(duì)200位受試者的脈象信號(hào)的采集和分類試驗(yàn)，平均識(shí)別率達(dá)到了87.4%，適用于醫(yī)院和家庭的臨床診斷和健康情況的監(jiān)護(hù)，對(duì)于實(shí)現(xiàn)中醫(yī)脈診的客觀化、標(biāo)準(zhǔn)化有重要的意義。

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