基于光纖微震動傳感器的脈象分析診療系統(tǒng)

李一帆+史煒+孫茂康

摘 要：擬定搭建一套對人體脈搏信號進行提取和分析的系統(tǒng)，能夠客觀地對脈搏波進行檢測和存儲，并通過比對算法進行分析，嘗試在其中定量地找出規(guī)律，并與中醫(yī)中的各種脈象進行比對。通過物理的方法和算法的分析對病癥有客觀而量化的判斷，為脈診客觀化的研究提供相應的依據(jù)。

關鍵詞：脈診；客觀化；光纖微震動；可穿戴設備

0 引 言

脈診主要是通過中醫(yī)醫(yī)生的診脈，根據(jù)自己的經(jīng)驗分析和醫(yī)術典籍的記載進行判斷，其本身具有很強的主觀特性。同時，診斷標準的模糊化也給診療帶來了一定的誤差。再則，感知的脈象無法記錄和保存影響了脈象機理的研究。究其原因，一方面是各種脈象之間存在混疊的時候，需要醫(yī)生進行翔實的分析判斷，這本身就會引起一定的誤差，同時對于各種脈象所對應的疾病類型，有需要醫(yī)生記憶大量的知識來進行判斷，這無形之中也降低了診療的準確度。

根據(jù)這一現(xiàn)狀，本課題組成員擬定搭建一套對人體脈搏信號進行提取和分析的系統(tǒng)，能夠客觀地對脈搏波進行檢測和存儲，并通過比對算法進行分析，嘗試在其中定量地找出規(guī)律，并與中醫(yī)中的各種脈象進行比對。通過物理的方法和算法的分析對病癥有客觀而量化的判斷，為脈診客觀化的研究提供相應的依據(jù)。同時，該系統(tǒng)的搭建，可以深化醫(yī)療技術在中醫(yī)方面的開展力度，通過物理性的分析最終實現(xiàn)中西醫(yī)結合的目的。

1 作品詳細介紹

為克服現(xiàn)有技術的不足，現(xiàn)提供一種基于光纖微震動傳感器的脈象分析診療系統(tǒng)，其抗干擾能力強，能采集脈搏等細小振動，使用簡便，為達上述目的，具體使用方式及設備如下：

（1）打開腕帶，將光纖傳感器探頭貼于上臂橈動脈附近，系緊腕帶，松緊度以不感受壓迫為宜。

（2）在一到兩個周期內進行脈搏信號提取，將信號輸入到診療儀內。

（3）根據(jù)輸出的脈象圖和診療儀上的數(shù)據(jù)庫初步判斷疾病信息。

（4）進一步對數(shù)據(jù)處理分析，得到脈搏時域上的脈搏波形，然后進行脈搏信息的三維重構，在三維形態(tài)的基礎上，提取脈象的頻率、脈長、脈寬等特征，進一步分析比照病情并存檔入數(shù)據(jù)庫。

2 工作原理

光纖傳感大量應用于周界報警，其對微小震動的敏感程度極高。通過血氧飽和度的漫射光層析成像與活體之間僅僅通過夾持的方式銜接，在運動中容易掉落，對需要大量進行運動的人員身體狀況的監(jiān)測效果并不明顯。另一個方面，光纖系統(tǒng)具有天然的抗電磁干擾的功能。

通常所用的傳感光纖采用鎧裝的通信光纜，它能保證在不受外界多變的氣候和惡劣環(huán)境的影響下，仍然能采集細小的震動。

當光信號經(jīng)由激光器輸送進光纖時，探測器會處理接收到的光信號，并且實時反映出接收到光信號的相位。通常情況下傳感光纜沒有受到任何干擾或光的傳輸沒有變化，那么光信號的相位也將不發(fā)生變化，對應于探測器上是一個相對穩(wěn)定的波形。當傳感光纖受到運動或震動的干擾時，光信號的傳輸模式就會發(fā)生變化。

對于一些的應用場合，傳感光纖沒有固定的相位作為參照，因此從使用方法上進行如下修正。

系統(tǒng)由四部分構成，分別是激光光源，傳輸光纖，數(shù)據(jù)初步處理與傳輸系統(tǒng)，外圍纖維束帶四部分。

第一部分，激光光源，目前市場上生產(chǎn)的激光光源種類較多，選取應適當偏重單色性較好的光源。

第二部分，光纖傳輸系統(tǒng)。由一段光纖光柵應變傳感器構成，探頭部分緊貼脈搏，探頭封裝在纖維束帶內。

第三部分是光信號數(shù)據(jù)初步處理與傳輸系統(tǒng)。接收到的信號通過數(shù)據(jù)的初步處理，形成信號波形，分析產(chǎn)生脈搏信號，并傳輸?shù)竭M一步的分析系統(tǒng)中。

第四部分剛才已經(jīng)提到，主要作用有二：①經(jīng)過纖維束帶包裹的光纖光纜可以受到很好的保護。②纖維束帶可以使光纖較好地固定在被檢測的活體手腕上，并且通過彈性放縮可以使之很好地貼近脈搏部位，得到最終的信號。

其中運用到了平面應變片，闡述如下。

脈搏波屬于低頻，微弱信號，裸露的光纖光柵在測量脈搏時，靈敏度不能達到要求，故采用平面應變片進行增敏處理。在一定程度上增加了信噪比，減小了溫度、肌肉抖動的誤差。將測得的信號進行脈搏震動時間分布函數(shù)的轉化，以此實時的監(jiān)測被檢測活體脈搏的震動周期、振幅，并通過其中的拓撲變化關系，為后期的脈搏——中醫(yī)信號分析做了硬件上的支持。值得注意的是，整個過程中需要比較精準合適的信號放大處理，以便從復雜的背景中提取出有用的脈搏信息。

3 作品創(chuàng)新點

（1）利用光纖微震動傳感器的結構進行脈搏波的提取，特別是通過束帶的固定進行橈動脈的緊貼，最大程度上模擬了中醫(yī)的切診動作。

（2）利用光學相干檢測靈敏度高、噪聲低、動態(tài)范圍大等優(yōu)點，全面提取人體脈搏信息的各細節(jié)特征，為脈象診療分析提供全面詳盡的數(shù)據(jù)支撐。

（3）提出脈象基底的思路，即將基本脈象作為基底，利用分解變換的方法將混疊脈象向各種脈象基底分解，通過數(shù)據(jù)庫比對的方式量化各種體征特點。

（4）利用參考信號的方式，濾掉人體運動、呼吸等行為引入的干擾，并通過多種信號處理方式提高檢測的精度。

4 市場前景

隨著社會進步，人們對自己身體的關注程度也在逐日增加。西醫(yī)在治療中講究治標，主要是大型的醫(yī)療儀器、化學藥品和手術等方式，而中醫(yī)則通過診斷，針灸推拿以及湯藥等方式進行治療。中醫(yī)中檢測手段的非破壞性、安全性正在成為人們關注的焦點。所以，對市場而言，急需一種準確的實現(xiàn)脈診客觀化的儀器，而本課題中的基于光纖微震動傳感器的脈象分析診療系統(tǒng)就充分滿足了這種需求。一種能夠準確檢測脈象的系統(tǒng)，可以推動中醫(yī)進一步發(fā)展，這樣的系統(tǒng)，特別是小型化的家用系統(tǒng)具有龐大的市場潛力并可能產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟效益。