基于中醫(yī)診斷技術(shù)的智能手環(huán)研究

陳炫慧　謝嚴(yán)坤　王萌　郭乃文　蔣琬秋

摘 要：為了研究中醫(yī)把脈在傳感器上的利用，由此提出了基于中醫(yī)診斷技術(shù)的智能手環(huán)的概念。首先，基于PVDF壓力傳感器的原理，檢測出人的心率；然后，基于光電式脈搏傳感器的原理，可獲取精確的脈搏信息，解決了以往中醫(yī)把脈靠手指感知來獲取脈搏信息存在的主觀性和定性化問題。最后，基于中醫(yī)診斷技術(shù)的智能手環(huán)嵌入睡眠監(jiān)測模塊，全方位地為人們提供最完善的安全監(jiān)測平臺。

關(guān)鍵詞：脈搏；心率測試；傳感器；可穿戴；睡眠監(jiān)控

中圖分類號：TP368 文獻(xiàn)標(biāo)識號：A 文章編號：2095-2163（2016）01-

Abstract： In order to study the use of TCM pulse on the sensor， the concept of TCM diagnostic technology is proposed based on smart bracelet. Firstly， the heart rate is detected using PVDF pressure sensor. Secondly， accurate information of the pulse is obtained with the principle of the photoelectric pulse sensor， which solves subjectivity and qualitation by sensing finger to get the pulse of information in traditional chinese medicine. Finally， the sleep monitoring module is embedded in TCM intelligent bracelet， which provides the best safety monitoring for people.

Key words： pulse； heart rate； sensor； wearable； sleep monitoring

1 研究背景

早期美國John H·Laub[1]根據(jù)中醫(yī)脈診的啟示，設(shè)計了脈搏記錄儀，這是一種可探測不同壓力下脈搏波動的裝置，該儀器將換能器分別并排固定于食指、中指、無名指的手套前端，按在病人寸關(guān)尺三部脈上，用三只筆同時記錄三部脈象的波形，并進(jìn)行分析，醫(yī)者的指感壓力也可以同時顯示。這個技術(shù)說明了脈象確實能被監(jiān)測和記錄。從中醫(yī)的角度來思考，認(rèn)為氣血是形成脈象的物質(zhì)基礎(chǔ)[2]。但單獨依靠脈象檢測儀，無法形成一個完整的體系能夠?qū)γ}象進(jìn)行研究。同時，脈象檢測的儀器太過于龐大，不適合日常使用，因此根據(jù)可穿戴式的技術(shù)，結(jié)合脈搏記錄與檢測儀等技術(shù)，提出了基于中醫(yī)診斷技術(shù)的智能手環(huán)的構(gòu)想。

2 研究技術(shù)

利用當(dāng)今智能手環(huán)中重力傳感器一線多能的原理，結(jié)合用戶之前輸入的個人身體體征的基本信息，由此獲取基本生理參數(shù)以及其衍生參數(shù)。具體內(nèi)容包括：

（1）基本生理參數(shù)：心率、呼吸率、潮氣量、胸呼吸、腹呼吸、體位、體動、體溫等；

（2）衍生參數(shù)：心率變異性 （HRV）、呼吸性竇性心率不齊（RSA）、每分通氣量、分?jǐn)?shù)吸氣時間、 峰值吸氣氣流、胸呼吸容量、腹呼吸容量、胸腹呼吸貢獻(xiàn)比、胸腹運動協(xié)調(diào)性等。

根據(jù)一些特定算法，得到針對個人的個性化監(jiān)測數(shù)據(jù)，諸如一天的運動量等。同時，在手環(huán)的內(nèi)部加入溫度傳感器，感知外部氣溫的變化，判斷季節(jié)。綜合利用現(xiàn)代智能手環(huán)所能提供的各種信息，再加入一種特定的脈搏壓力傳感器，內(nèi)置彈性薄膜材料為PVDF[3]，電容極板為金屬銀漿，電容以空氣為介質(zhì)，這種結(jié)構(gòu)有利于提高傳感器的靈敏度和線性度。由于重點是測試可穿戴式傳感器性能，故實驗中采用了簡單的RS232連接，實際應(yīng)用場合采用藍(lán)牙、Zigbee等技術(shù)。

實驗所采用的PVDF具有膜質(zhì)輕且柔韌，與人體組織的阻抗耦合性好，能緊貼皮膚，靈敏度高?？梢詼?zhǔn)確讀取實驗所采取的信號，適用性強(qiáng)等優(yōu)點。

2.1 心率測試模板

心、脈是形成脈象的主要臟器?？梢酝ㄟ^脈搏壓力傳感器來實現(xiàn)心臟的波動，心氣的盛衰，脈道的通利和氣血的盈虧等信息的采樣與提取。構(gòu)建一種可穿著的日常心率測試監(jiān)控系統(tǒng)，能夠采集心跳信號，從而用于日常心率測試、儲存、報警、實時監(jiān)控等功能的研發(fā)與設(shè)計。

系統(tǒng)工作原理；脈搏跳動引起PVDF材料表面電荷變化，積分電路將電荷信號轉(zhuǎn)換為電壓信號，而后經(jīng)信號處理電路將電壓信號變成標(biāo)準(zhǔn)的脈沖輸入到處理器。中央處理器根據(jù)輸入設(shè)備上用戶輸入的指令進(jìn)行相關(guān)處理，當(dāng)測量數(shù)據(jù)超過正常范圍時進(jìn)行聲光報警。結(jié)構(gòu)圖如圖1和圖2所示。

2.2 血壓測試模板

手環(huán)通過光電傳感器將動脈或靜脈血流容積波信號轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電信號，經(jīng)共同的前置放大電路之后，可分別通過各自不同的濾波和放大電路，將各部分區(qū)分開來。智能化外周血液循環(huán)監(jiān)測儀原理[5]如圖3所示。其中，動脈信號放大濾波電路，根據(jù)動脈信號頻率的范圍，將其從背景中提取出來并加以放大，之后要通過動脈抬高電路加以修整；靜脈信號放大濾波電路，則是根據(jù)靜脈信號頻率范圍，而DC校正電路是為增加可比性而設(shè)計的。這三路由選擇開關(guān)來控制。而之后的電信號將經(jīng)過低通濾波和5OHz陷波器，進(jìn)入A/D轉(zhuǎn)換。數(shù)字電路部分以芯片8751和8255為接口，將A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)果送入 PC機(jī)的入口，相互間又有選擇譯碼電路來控制實現(xiàn)。

血壓測試選用的是光電傳感器的反射類型，反射型指的是光源和光電接收器位于被測體的同一側(cè)面，并緊靠在一起。使用反射類型光電式傳感器的優(yōu)點是能實現(xiàn)光電隔離，故而可減少對第一級的干擾。其工作原理是：當(dāng)一定波長的光束照射在手腕一側(cè)時受到腕部的血液的吸收和衰減作用，以致抵達(dá)光電接收器時其強(qiáng)度大為減弱。因脈搏在心循環(huán)中保持不變，即決定了對光的吸收和衰減作用也是恒定不變的。而手腕在心循環(huán)過程中則呈搏動性變化，故其對光的吸收和衰減作用也相應(yīng)是脈動的，于是光電接收器獲得的信號便反映了手腕動脈血液容量搏動性變化的情況。

研究選用波長為940nm的紅外發(fā)光二極管和光電池組成的傳感器，并采用光電池接收血流反射的紅外光信號，如圖4所示。

選定的紅外發(fā)光二極管具有單色性強(qiáng)，體積小，機(jī)械強(qiáng)度高，壽命長，耗電省，響應(yīng)速度快等優(yōu)點。

2.3 睡眠測試模板

在標(biāo)準(zhǔn)的人工分析下，睡眠記錄通常以90min為一個周期。在一個周期內(nèi)，人一般會經(jīng)歷5個不同的階段，分別為：入睡期、淺睡期、熟睡期、深睡期、快速動眼期。在眼動期，人們會有大量的快速且無規(guī)律的眼球運動。非眼動期睡眠則很少或幾乎沒有眼球運動，肌肉也不會像眼動期一樣無力[6]。而中醫(yī)智能手環(huán)是利用加速度器原理測量手腕的運動幅度和心跳頻率，根據(jù)手腕肌肉的松弛伸張程度來判斷使用者的睡眠情況，使用者可以利用中醫(yī)智能手環(huán)在日常生活狀態(tài)下收集到足夠長時間的睡眠數(shù)據(jù)，從而可以精準(zhǔn)地進(jìn)行睡眠質(zhì)量的分析。

3 發(fā)展現(xiàn)狀與前景

目前國內(nèi)大部分的智能型手環(huán)的功能只是停留在人們對于運動的體驗上，相對地，能時刻檢測和分析人體健康的可穿戴智能設(shè)備卻少之又少。一是由于在識別、檢測人體相關(guān)數(shù)據(jù)上存在技術(shù)難關(guān)，二是由于擁有相關(guān)功能的可穿戴設(shè)備價格高昂，無法滿足大多數(shù)人對于智能型可穿戴設(shè)備的實際期望。

本文中所提到的基于中醫(yī)診斷技術(shù)的智能手環(huán)正好彌補(bǔ)了“醫(yī)療型智能型可穿戴設(shè)備”這一市場欠缺，同時，由基于中醫(yī)診斷技術(shù)的智能手環(huán)引領(lǐng)風(fēng)行的脈象檢測系統(tǒng)將會進(jìn)一步地提升中醫(yī)的診治質(zhì)量，大大節(jié)約費用和人力成本，因而必將有效地推動中醫(yī)診治在社會上的加速發(fā)展，而在一定程度上也將會產(chǎn)生可觀的經(jīng)濟(jì)效益。

參考文獻(xiàn)：

[1]袁肇凱.國外脈診研究概況[J]. 浙江中醫(yī)雜志，1989，24（7）；329-331.

[2]賀振泉，原林.從經(jīng)絡(luò)筋膜學(xué)說看脈象形成機(jī)理[J].中國中醫(yī)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)雜志，2005，11（7）：489-491.

[3] 佚名. 電薄膜傳感器技術(shù)（國際互聯(lián)網(wǎng)版本）[Z]. 深圳：精量電子（深圳）有限公司，1998.

[4]王代華，周德高；PVDF壓電薄膜振動傳感器及其信號處理系統(tǒng)[J].壓電與聲光，1999，21（2）；122-126.

[5]李翠微.動態(tài)心電信號數(shù)據(jù)壓縮的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法[J].中國醫(yī)療器械雜志，1993，17（3）；133-136.

[6] FERINI-STRAMBI L， ZUCCONI M. REM sleep behavior disorder[J].Clin Neurophysiol，2000， 111（Suppl 2）：S136-S140.