一種野戰(zhàn)便攜式脈象檢測儀的研制

申林

聊城市第三人民醫(yī)院，山東 聊城252000

0 前言

脈象診斷起源于中國，發(fā)展歷史悠久[1]。健康人體的內(nèi)外環(huán)境發(fā)生變化時，正常脈象也會產(chǎn)生生理性變化。通過診斷脈象可以判別疾病的發(fā)生部位及其性質(zhì)，進而推斷病情的輕重[2-3]，但脈象診斷結(jié)果會因中醫(yī)的切脈程度不同而具有主觀性、抽象性。在工程學與醫(yī)學及計算機電子技術(shù)緊密結(jié)合的現(xiàn)代社會，中醫(yī)號脈發(fā)展比較緩慢，很難被下一代完全繼承。醫(yī)療儀器可輔助醫(yī)生更精確地診斷病情，協(xié)助護士更好地護理病人?，F(xiàn)代的醫(yī)療儀器很多，體積和重量也很龐大，很難攜帶。在野戰(zhàn)環(huán)境下，使用普通的醫(yī)療儀器比較繁瑣，極為不便。

鑒于此，軍內(nèi)需要一款攜帶方便并可適應野戰(zhàn)環(huán)境的脈象儀[4]。我們研制了一款野戰(zhàn)便攜式脈象檢測儀，主要用于野戰(zhàn)后勤保障部隊對傷員脈象圖譜的檢測，以提高后勤保障能力，加快野戰(zhàn)衛(wèi)生裝備的信息化發(fā)展[5-6]。

1 硬件設(shè)計

本設(shè)計采用適合脈象信號特征的HK2000G傳感器，根據(jù)傳感器拾取的脈象信號的幅值、頻率等特點，選擇具有高輸入阻抗、高共模抑制比（CMRR）等特性的儀用放大器和數(shù)字電位器，實現(xiàn)脈象信號的增益自動調(diào)整；設(shè)計低頻和工頻干擾的濾波電路，完成脈象信號的濾波處理；根據(jù)信號頻率特點，采用8路12位的A/D轉(zhuǎn)換芯片，實現(xiàn)脈象信號的采集； 并設(shè)計防電擊電路，保證脈象儀的使用安全。

1.1 脈象傳感器的選擇

脈象信號屬于強背景噪聲下的微弱信號[7]，因此選擇用于拾取脈象信號的傳感器至關(guān)重要。脈象信號主要是脈搏波動，但醫(yī)生號脈時也會給脈搏一個較小的壓力。因此，實際采集到的脈象信號是號脈壓力與脈搏波動信號的疊加?；诖耍驹O(shè)計采用HK2000G傳感器。HK-2000G壓阻式傳感器可由電壓或電流驅(qū)動產(chǎn)生正比于輸入壓力的毫伏級的電壓輸出信號，具有優(yōu)異的可重復性和時間穩(wěn)定性，非常適用于中醫(yī)脈象診斷，具有集成度高、可靠性高、體積小巧、靈敏度高等特點，符合脈象信號采集的原則。

1.2 脈搏信號調(diào)理模塊

脈象信號在經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換之前需要經(jīng)過信號調(diào)理。脈象傳感器獲取的信號非常微弱，需要采取相關(guān)措施對信號進行放大，但在放大有用信號的同時，也會放大噪聲信號，這就需要將采集到的信號經(jīng)濾波電路濾除部分噪聲。信號放大濾波電路的設(shè)計需要滿足保留有用信號、濾除噪聲信號的要求，因此放大濾波電路要具有“三高二低”（高輸入阻抗、高CMRR、高安全性、低基線漂移、低雜音）的特點[8-9]。

圖1 軟件主程序流程圖

1.3 A/D轉(zhuǎn)換模塊

本設(shè)計采用基于MAX152CPP集成芯片的A/D轉(zhuǎn)換模塊。MAX152CPP是由兩級比較型A/D轉(zhuǎn)換器并行構(gòu)成的，具有A/D轉(zhuǎn)換速度快的特點，其輸出端口采用的是三態(tài)鎖存緩沖電路，與8位微處理器的兼容性很好[10]，這些特點可極大地滿足經(jīng)放大濾波后的有用信號對A/D轉(zhuǎn)換的要求。

1.4 主控模塊與顯示模塊

有許多研究采用數(shù)字信號處理器（DSP）作為脈象檢測儀的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[11-14]，DSP確實有很多好處，但是價格也很高。為降低功耗和成本，本設(shè)計采用AT89C2051單片機作為主控核心。AT89C2051單片機支持發(fā)送與接受同時進行的串行接口[15]，使用RS232將單片機與PC機連接，以便后續(xù)將采集到的脈象信號傳遞到PC機上，實現(xiàn)脈象信號的自動分析和診斷的功能。同時，AT89C2051單片機與LCD顯示屏連接，可實現(xiàn)脈象信號的實時顯示功能。

1.5 電源模塊及聲光報警模塊

電源模塊為整個系統(tǒng)提供電源[16]，MAX152CPP芯片的參考電壓是3 V，主控芯片的電壓是5 V。電源模塊可以提供15 V電壓，可以滿足整個系統(tǒng)的正常工作。將數(shù)據(jù)傳到上位機后，如果時域參數(shù)超過正常值，聲光報警模塊就會發(fā)出報警。

2 軟件設(shè)計

2.1 功能設(shè)計

本設(shè)計的應用程序主要用于實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、處理、顯示等功能，負責調(diào)度各應用程序模塊，并與其他設(shè)備及時交換信息，實現(xiàn)系統(tǒng)軟、硬件資源的整體管理。主程序流程圖，見圖1。

2.2 特征值提取

圖2 脈象信號的時域特征圖

本設(shè)計采用閾值法求得脈象信號的時域特征值t、h3/h1、h4/h1、K、c。

本設(shè)計采用功率譜的分析方法提取脈象信號的頻域特征值：① f0：基頻，功率譜中第一主峰所對應的頻率，可反映心臟搏動的基本頻率，即心臟跳動的快慢；② h0：前次峰值，功率譜第一主峰前的一個峰值，可反映測試者的呼吸頻率；③ x:功率譜諧波個數(shù)，代表頻率是基頻整數(shù)倍的波峰的個數(shù)，可在一定程度上反映脈搏的節(jié)律；④ 譜能比： SER10=E10/E，E10表示脈象信號在0～10 Hz的譜能量，E表示脈象信號在主頻率范圍0～40 Hz的總能量。

3 實驗分析

為驗證脈象檢測儀的性能，在本市野外環(huán)境中采集了280名受過野外訓練的人員的脈象信號，并且由老中醫(yī)為他們號脈診斷。其中8例樣本的特征值參數(shù)，見表1。

這些樣本中平脈、沉脈、細脈、數(shù)脈、緩脈和弦脈的數(shù)量比例是2:1:1:1:1:1。利用支持向量機[17]和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法[14]，分別根據(jù)提取的所有特征值和其中的7個特征值t、h3/h1、h4/h1、K、f0、h0、x，對采集的脈象信號樣本進行分類識別。結(jié)果見表2～3。

表1 脈象信號的特征參數(shù)表

表2 脈象信號分類結(jié)果（支持向量機算法）（例）

表3 脈象信號分類結(jié)果（BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法）（例）

由表2可知，通過支持向量機對140例脈象信號的訓練樣本進行分類識別，其中誤判的脈象信號樣本數(shù)為7例，訓練樣本的正確識別率達95%；對140例脈象信號的測試樣本進行分類識別，其中誤判的脈象信號樣本數(shù)為12例，測試樣本的正確識別率達91.3%。由表3可知，通過對脈象樣本的識別，該脈象檢測儀對脈象信號測試樣本的平均識別率可達89.9%。由表2和表3相比可知，對于基于該脈象檢測儀的脈象信號測試樣本分類識別，支持向量機算法的識別率比BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法要高。

以上數(shù)據(jù)證明，對于相同的分類識別算法，并不是特征值的個數(shù)越多，分類識別率就越高；對于相同的特征值個數(shù)，采用不同的分類識別算法，其識別率也不相同。對于該脈象檢測儀，采用支持向量機算法優(yōu)越于采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法。

4 結(jié)論

本研究通過遴選合適的信號采集傳感器，從信號的濾波放大、A/D轉(zhuǎn)換、信號處理、單片機及其外圍控制電路等方面研制了一種野戰(zhàn)便攜式脈象檢測儀，完成了脈象信號的采集、顯示和存儲。該脈象檢測儀具有體積小、結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定可靠、功耗低、可移動性強、價格低廉等特點，可通過增設(shè)的USB接口與上位機進行通信，提取脈象信號的時域和頻域的特征值，并可分別采用支持向量機算法和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法實現(xiàn)對正常和異常脈象信號的分類識別，平均識別率可達89.9%?？傊撁}象檢測儀實現(xiàn)了脈象圖譜的客觀化、具體化檢測，可在野戰(zhàn)訓練中對訓練人員的生命體征進行檢測。

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