脈象采集分析系統(tǒng)的設(shè)計

李瑞昌++李慶磊++廖璠

摘要：中醫(yī)藥信息化涉及中醫(yī)現(xiàn)代化理論、傳感器技術(shù)和信息處理技術(shù)。在現(xiàn)有技術(shù)基礎(chǔ)上，對脈象波形基本特征進(jìn)行初步分析，設(shè)計了以80C51單片機(jī)為核心，采用PVDF傳感器，通過CP2102連接PC上位機(jī)。利用VB開發(fā)了脈象采集分析系統(tǒng)。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對了脈象信息的采集、處理、顯示和輔助分析功能。通過對病患和健康學(xué)生脈象數(shù)據(jù)的采集和對比分析，驗(yàn)證了本系統(tǒng)的實(shí)用性。

關(guān)鍵詞：中醫(yī)藥信息化；脈象；PVDF；傳感器

中圖分類號：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2015）17-0197-03

The Design of the Pulse Condition Collection and Analysis System

LI Rui-chang， LI Qing-lei， LIAO Fan

（Henan University of TCM Institute of Information Technology， Zhengzhou 450008，China）

Abstract：The information of TCM involves the theory of TCM modernization， sensor technology and information processing technology. On the basis of the existing technology， analyses the basic features of the pulse wave. The design uses 80C51 to control PVDF sensor， connects PC through USB， using VB to develop a data acquisition analysis system.The system realizes the pulse information collection， processing，display and analysis of auxiliary function. By comparing the data of pulse connected from patients and healthy students verifies the practicability of this system.

Key words： TCM information； pulse； PVDF；sensor

人體的脈搏包含著豐富的器臟機(jī)能狀況信息，歷經(jīng)幾千年的沉淀和發(fā)展，中醫(yī)采用三根手指在腕動脈寸、關(guān)、尺三部進(jìn)行舉、按、尋操作，就可以通過脈搏波動反饋回的信息來判斷人體機(jī)能狀態(tài)[[1]]，尤其是能夠在疾病癥狀凸顯之前獲得潛在的病變，達(dá)到“治未病”目的[[2，3]]。由于“脈理精微、其體難辨、在心易了，指下難明”，導(dǎo)致中醫(yī)的學(xué)習(xí)者需要靠長期經(jīng)驗(yàn)積累，短時間很難熟練精通。隨著計算機(jī)技術(shù)、信號處理技術(shù)、人工智能等多種現(xiàn)代技術(shù)的出現(xiàn)，促成了脈象儀產(chǎn)生，切脈慢慢地呈現(xiàn)信息化發(fā)展態(tài)勢[[4，5]]。切脈信息化意味著醫(yī)生可以通過觀察脈搏信號探尋病患的身體狀況，實(shí)現(xiàn)對疾病進(jìn)行預(yù)防和治療。

系統(tǒng)采用80C51單片機(jī)作為下位機(jī)設(shè)計和實(shí)現(xiàn)了脈象信息的采集，通過USB接口同PC相連，利用VB開發(fā)了脈象信息分析系統(tǒng)。該系統(tǒng)界面友好，操作簡單，實(shí)現(xiàn)了脈象信息的采集、脈象波形實(shí)時顯示和存儲功能。對脈象信息的特征進(jìn)行系統(tǒng)的分析，通過對臨床數(shù)據(jù)采集和分析驗(yàn)證了本系統(tǒng)的可用性。

1 脈象研究基礎(chǔ)

脈象是機(jī)體功能狀態(tài)的外在表現(xiàn)。心、脈是脈象形成的主要臟器。心臟搏動是脈象形成的動力，血脈為氣血運(yùn)行的通道，兩者是形成脈象必不可缺的臟器。血液經(jīng)由心臟的左心室收縮而擠壓流入主動脈，隨即傳遞到全身動脈。當(dāng)大量血液進(jìn)入動脈將使動脈壓力變大而使管徑擴(kuò)張，在體表較淺處動脈即可感受到此擴(kuò)張，即所謂的脈搏。醫(yī)生通過寸口取脈，感受病患脈搏的數(shù)、形、深淺和強(qiáng)弱變化，變化的綜合體現(xiàn)稱為脈象。采用脈象采集儀器緊貼手腕相應(yīng)位置，根據(jù)按壓力度的不同，可以獲得對應(yīng)的脈搏信息，經(jīng)過計算機(jī)處理可以獲得脈象的數(shù)形信息化顯示，這種信息化顯示簡稱為脈象圖。脈象圖由脈搏特征曲線組成，波形變化代表著人體臟器生理狀況[[6]]。

一個典型的脈搏波形如圖1所示，一般由三個波峰和兩個波谷構(gòu)成，波峰分別對應(yīng)主波峰（B）、潮波（D）和重搏波（F），兩個波谷主要對應(yīng)潮波前谷（C）和降中峽（E）。一個脈搏周期開始于A，結(jié)束于G，對應(yīng)時間為T-AG，整個周期分為上升分支和下降分支，對應(yīng)時間分別為T-AB和T-BG。A、G是動脈脈瓣開放點(diǎn)，也稱為射點(diǎn)；E為脈瓣關(guān)閉點(diǎn)。

上升分支AB反映了心室收縮射血，導(dǎo)致主動脈血量增加和動脈血壓升高，出現(xiàn)陡峭而平滑脈搏波壓力曲線，最高點(diǎn)出現(xiàn)主波峰B。主波峰值點(diǎn)對應(yīng)收縮壓HB，也就是收縮期的最高血壓。在心臟收縮后期，心臟排出血液量明顯減少，最終心室進(jìn)入舒張期，動脈瓣關(guān)閉阻止了血液從心室流入動脈，壓力下降形成下降分支BG。

在心臟收縮期，脈波從主動脈根部向外傳播時，受到動脈管壁的張力、彈力和外周阻力等因素的影響，進(jìn)而產(chǎn)生折返波的多次疊加，在心室輸出血液量減少時，會在波形下降過程中出現(xiàn)一個波峰D（潮波），在波峰D前的那個波谷（C）稱作潮波前谷，HD代表潮波的強(qiáng)度。在主動脈瓣關(guān)閉的瞬間，波形出現(xiàn)一個波谷，稱為降中峽（E點(diǎn)），反映心臟舒張初期的主動脈壓力。重搏波（F）是降中峽后的一個小波峰，重搏波的產(chǎn)生是由心舒期開始時，主動脈脈瓣突然關(guān)閉，外周反流的血液使主動脈根部容積增大，并沖擊主動脈瓣而產(chǎn)生的振蕩壓力所形成的，HE代表重搏波的強(qiáng)度。在實(shí)際應(yīng)用中，主要分析脈搏波的形態(tài)（波的形狀）、強(qiáng)度（波的幅值）、速率（波的速度）與節(jié)律（波的周期）等方面特性，根據(jù)波形的不同判斷病患機(jī)體存在的問題[[7，8]]。

2脈象信息采集系統(tǒng)設(shè)計方案

脈象信息采集系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)對脈搏信號的檢測，并且能夠?qū)γ}搏信號進(jìn)行處理，然后對脈象信息進(jìn)行顯示。從工作方式角度出發(fā)，有兩種方案可以實(shí)現(xiàn)。一種采用純硬件的方式，利用高速DSP器件來構(gòu)建，系統(tǒng)穩(wěn)定度比較高[[9]]。但是功能有限，靈活度較低，主要用于便攜式設(shè)備當(dāng)中。另外一種采用單片機(jī)構(gòu)建信號調(diào)理電路，將脈搏信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，然后上傳至PC機(jī)進(jìn)行進(jìn)一步處理。本系統(tǒng)采用第二種方案，降低硬件成本和復(fù)雜度，充分利用PC機(jī)處理能力對脈象信息進(jìn)行分析。采集系統(tǒng)主要由脈搏采集傳感器、放大電路、濾波電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、單片機(jī)和接口電路構(gòu)成。

2.1 脈搏信息采集與放大

考慮到精度和工藝的限制，本系統(tǒng)采用的脈搏采集傳感器為合肥華科電子技術(shù)研究所生產(chǎn)的PVDF壓電傳感器（HK-2000B），該傳感器采用集成化工藝，將力敏元件（PVDF壓電膜）、靈敏度溫度補(bǔ)償元件、感溫元件、信號調(diào)理電路集成在傳感器內(nèi)部[[10]]。接觸面柔軟，可以采用按壓或繃帶綁定的方式緊貼皮膚。該傳感器電源電壓要求3.3VDC，壓力量程：-50～+300mmHg，靈敏度：2000uV/mmHg，所以該傳感器輸出電壓為-0.1V-0.6V。但是通過示波儀測試，發(fā)現(xiàn)輸出電壓范圍為-0.8V-1.56V，幅度在2.4V左右浮動，所以本系統(tǒng)直接把傳感器輸出信號引入了運(yùn)算放大器，把電壓提升到0.5-3.3V，實(shí)現(xiàn)基線初步調(diào)整。

2.2 信號濾波及A/D轉(zhuǎn)換

人體正常的脈率為60～100次/分鐘，即1～1.67Hz。人正常呼吸會產(chǎn)生基線漂移，頻率是從0.15～0.3HZ。使用頻率為50Hz市電的電子儀器設(shè)備會對檢測系統(tǒng)會產(chǎn)生較大的50Hz干擾。雖然不同人的脈搏頻率可能不一樣，但最高頻率不超過40Hz。從脈搏功率譜的能量分布來看，99%的能量集中在0.5～10Hz之間。本系統(tǒng)采用帶通濾波器，低頻截止頻率為0.05Hz，高頻截止頻率選擇40Hz。濾除系統(tǒng)干擾和市電工頻干擾。信號濾波后采用51單片機(jī)來控制A/D轉(zhuǎn)換對輸入信號進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換[[11，12]]。

2.3接口電路部分

本部分采用CP2102實(shí)現(xiàn)USB接口電路[[13]]，設(shè)備供電由USB提供。單片機(jī)同RS232 接口間的電平驅(qū)動采用Maxim公司的MAX202CPE，為確保數(shù)據(jù)收發(fā)的穩(wěn)定性，避免通信過程產(chǎn)生干擾，利用光電耦合器6N137實(shí)現(xiàn)隔離。系統(tǒng)連上通過USB連接PC后，采集設(shè)備就會自動上電，傳感器采集到的信號經(jīng)過同向放大器電壓提升，清除負(fù)壓后經(jīng)過帶通濾波器進(jìn)行濾波，隨后進(jìn)入到A/D轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，經(jīng)由單片機(jī)控制從USB口送到PC處理系統(tǒng)，最終對信號進(jìn)行處理、顯示、分析和輔助診斷操作等。

3基于VB的脈相分析系統(tǒng)設(shè)計

脈象采集分析系統(tǒng)主要完成對采集設(shè)備上傳的脈象信號進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、脈象波形實(shí)時顯示和脈象信息深度處理等。本系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)包括系統(tǒng)管理、參數(shù)設(shè)置、脈象數(shù)據(jù)和系統(tǒng)幫助四部分，具體分布見圖2：

脈象采集分析系統(tǒng)功能模塊任務(wù)分配為：1）系統(tǒng)管理模塊主要負(fù)責(zé)醫(yī)生用戶信息維護(hù)，采集系統(tǒng)通信端口的基本配置和系統(tǒng)正常運(yùn)行維護(hù)；2）參數(shù)設(shè)置模塊中的病患管理主要負(fù)責(zé)病患基本信息，包括姓名、性別、身份證信息和聯(lián)系方式等信息的管理。檢測設(shè)置主要完成脈象采集設(shè)備硬件的設(shè)置。波形顯示配置主要完成在監(jiān)測過程中，對由于個體的差異或傳感器按壓力度過大或過小而出現(xiàn)脈象波形顯示不能滿足診斷需求進(jìn)行微調(diào)，使得顯示出現(xiàn)可用的波形信息；3）脈象數(shù)據(jù)模塊里的波形顯示主要顯示脈象波形，對采集到的合格的脈象信息進(jìn)行存儲。如果該病患以前做過脈象信息采集，還可以同以前的脈象信息進(jìn)行對比，最終做出輔助診斷結(jié)果；4）系統(tǒng)幫助模塊的使用幫助對系統(tǒng)使用技巧和流程進(jìn)行說明。

針對上述系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，本軟件系統(tǒng)進(jìn)行一次診斷流程如圖3所示：

在系統(tǒng)啟動后，醫(yī)生首先輸入自己的用戶名和密碼登錄，然后進(jìn)入病患信息維護(hù)環(huán)節(jié)。醫(yī)生輸入病患身份證號碼進(jìn)行查詢，如果查詢信息為空，說明該病人以前沒有進(jìn)行脈象采集，需要輸入病人相應(yīng)信息進(jìn)行登記，然后開始監(jiān)測。如果查詢到該病患的信息，可以直接開始監(jiān)測。在監(jiān)測過程中，如果脈象波形顯示位置不在顯示區(qū)域中間，或者波形幅度不明顯，還可以通過顯示配置對波形進(jìn)行微調(diào)，如果微調(diào)還是滿足不了要求，說明傳感器位置不正確或按壓力度不適合，就要對位置和力度進(jìn)行調(diào)整。當(dāng)出現(xiàn)穩(wěn)定的適合波形后，系統(tǒng)就自動進(jìn)行處理，截取一段時間脈象數(shù)據(jù)存儲到系統(tǒng)當(dāng)中，然后進(jìn)行分析。在分析過程中，如果病患以前有脈象采集記錄，還可以進(jìn)行新舊對比，進(jìn)行疾病診斷，如果沒有就直接給出診斷結(jié)果，至此，一次脈象采集流程結(jié)束。脈象采集分析系統(tǒng)主界面如圖4所示：

系統(tǒng)菜單欄由系統(tǒng)管理、參數(shù)設(shè)置、脈象數(shù)據(jù)和幫助四項(xiàng)構(gòu)成。工具欄由用戶管理、端開口設(shè)置、數(shù)據(jù)分析、脈象回放、脈象特征和系統(tǒng)幫助構(gòu)成。左側(cè)豎欄由病患管理和脈相采集兩部分。用鼠標(biāo)單擊相應(yīng)的姓名就可以直接進(jìn)入該病患脈象采集操作。主窗口為脈象采集波形顯示區(qū)域和采集控制區(qū)域。在采集控制區(qū)域，可以打開關(guān)閉端口、停止或開始采集，在采集過程中，可以對采集頻率、放大倍數(shù)和脈相顯示基線進(jìn)行調(diào)整。

在系統(tǒng)測試當(dāng)中，同河南中醫(yī)學(xué)院第二附屬醫(yī)院內(nèi)科進(jìn)行合作，用此儀器臨床采集50例老年心臟病患者和50例健康大一學(xué)生的脈象波形圖，并對這些波形的主波峰幅度和平滑度、潮波同主波峰間隔和幅度、降中峽、重搏波出現(xiàn)的時間和幅度進(jìn)行分析[[14，15]]。最終得出在健康大學(xué)生脈象波形上能夠明顯地找到主波峰、潮波峰和重搏波波峰，脈象主波峰上升陡峭，降中峽出現(xiàn)位置稍微低于潮波峰，并遠(yuǎn)離基線。心臟病患者更多出現(xiàn)潮波幅值，接近甚至超過主波，部分患者波形潮波緊挨主波而出現(xiàn)寬大主波，這些患者基本上都有動脈硬化的癥狀。有些患者波形圖中，出現(xiàn)降中峽位置低下接近基線，甚至重搏波沒有明顯顯示，這類患者大多存在動脈彈性變差或主動脈瓣閉鎖不全的癥狀。

4 結(jié)論

脈象波形是反映人體臟器功能的重要生理參數(shù)，對脈象波形進(jìn)行分析，然后同對應(yīng)的疾病進(jìn)行匹配學(xué)習(xí)，在臨床上具有重要的意義。雖然中醫(yī)傳統(tǒng)切脈操作簡單，但是對脈象的判斷主要依靠主觀經(jīng)驗(yàn)。醫(yī)生千千萬，病人萬千千，切脈也就存在著仁者見仁智者見智的現(xiàn)象。脈象采集分析系統(tǒng)操作簡單、評判客觀，可以對脈象信息進(jìn)行分析做出輔助診斷，是中醫(yī)藥信息化的重要工具，在臨床中有重要意義。

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