基于機械加壓方式的便攜式脈象采集分析系統(tǒng)的研究*

王學(xué)民，孫 飛，陸小左，于志峰，周 鵬*

（1.天津大學(xué)精密儀器與光電子工程學(xué)院，天津300072；2.天津市生物醫(yī)學(xué)檢測技術(shù)與儀器重點實驗室，天津300072；3.天津中醫(yī)藥大學(xué)中醫(yī)藥工程學(xué)院，天津300193）

基于機械加壓方式的便攜式脈象采集分析系統(tǒng)的研究*

王學(xué)民1，2，孫 飛1，陸小左3，于志峰3，周 鵬1，2*

（1.天津大學(xué)精密儀器與光電子工程學(xué)院，天津300072；2.天津市生物醫(yī)學(xué)檢測技術(shù)與儀器重點實驗室，天津300072；3.天津中醫(yī)藥大學(xué)中醫(yī)藥工程學(xué)院，天津300193）

針對目前脈象系統(tǒng)成本高、不便攜帶、加壓模式復(fù)雜，且在家庭使用困難等缺點，依據(jù)中醫(yī)脈診原理，運用現(xiàn)代移動醫(yī)療新技術(shù)，在智能手機平臺，設(shè)計基于新型凸輪加壓模式的中醫(yī)腕帶脈診系統(tǒng)，系統(tǒng)采用MINI電機驅(qū)動凸輪轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)了中醫(yī)浮、中、沉脈象的自動加壓，并通過智能手機進行采集及控制。通過與標(biāo)準(zhǔn)脈象統(tǒng)進行試驗對比，兩者獲取到的脈象特征參數(shù)無明顯差異，結(jié)果表明：系統(tǒng)性能可靠，能準(zhǔn)確的獲取人體的脈搏信息，并且通過智能手機與服務(wù)器的連接，為用戶提供精準(zhǔn)醫(yī)療，適用于個人及家庭健康醫(yī)療。

脈象；移動醫(yī)療；腕帶脈診；凸輪；智能手機

脈診是中醫(yī)四診的重要組成部分，是中醫(yī)診察疾病必不可少的療法之一，脈搏波中包含著豐富的人體生理信息，歷來受到醫(yī)家的重視。傳統(tǒng)脈診主要依靠中醫(yī)師的主觀判斷，存在“在心易了，指下難明”的缺點，阻礙了中醫(yī)的發(fā)展。經(jīng)過多年的努力，中醫(yī)客觀化得到很好的發(fā)展，各種脈診儀也相應(yīng)的出現(xiàn)［1］，上海中醫(yī)藥大學(xué)湯偉昌在2005年設(shè)計了三部脈象檢測系統(tǒng)［2］，2011年，蘭州理工大學(xué)的黨宏智等研制了手動加壓的寸關(guān)尺脈搏信息檢測系統(tǒng)［3］，2012年，天津大學(xué)王學(xué)民等設(shè)計了基于柔性陣列傳感器的脈象檢測系統(tǒng)［4］，然而，這些脈象儀都需要計算機以及專門的顯示設(shè)備，不僅成本比較高，而且不便攜帶，用戶需要到醫(yī)院等固定場合才能使用，難以在個人及家庭健康醫(yī)療中推廣。另外，對于加壓模式，以上采用的手動加壓模式雖能任意改變?nèi)∶}壓力，但是施加壓力不夠穩(wěn)定，精度很難把握；傳統(tǒng)的氣體加壓模式不僅需要氣泵，而且需要儲氣瓶、電磁閥等設(shè)備，設(shè)計比較繁瑣。針對目前狀況，本文采用ARM微處理器進行脈象信號的采集，智能手機作為數(shù)據(jù)處理端［5］，并設(shè)計了新型的凸輪加壓模式來模擬中醫(yī)師指下浮、中、沉等壓力變化。整個系統(tǒng)成本低、低功耗、便于攜帶，并且能夠?qū)崿F(xiàn)脈診數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)共享，提供精準(zhǔn)醫(yī)療，即使偏遠(yuǎn)地區(qū)以及行動不便的人群也能很方便的使用本系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計

系統(tǒng)通過智能手機提供人機交互功能，來控制脈象數(shù)據(jù)的采集過程，并在智能手機端實現(xiàn)脈象信息的分析和處理，系統(tǒng)的整體原理框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體框圖

本文采用基于ARM Cortex_M4內(nèi)核的32 bit Flash微控制器STM32F373C8進行脈象信號的采集、分析和傳輸，該微處理器集成度高，封裝小，內(nèi)部集成了AD轉(zhuǎn)換器和USB接口模塊。采用MH-1型脈搏傳感器將脈搏搏動信號轉(zhuǎn)換成電信號，該傳感器靈敏度高、頻率響應(yīng)好，具有優(yōu)異的時間穩(wěn)定性和可重復(fù)性。人體脈搏信號頻率通常在0.1 Hz～25 Hz之間，為降低噪聲，需要對脈搏信號進行濾波處理，本文將獲取0.08 Hz～23.4 Hz之間的有效信號，信號調(diào)理電路由兩路構(gòu)成，一路經(jīng)過截止頻率為0.08 Hz的低通濾波器，輸出靜壓信號，即取脈壓力，系統(tǒng)通過實時顯示取脈壓力來反映浮、中、沉壓力變化；另一路由一個截止頻率為0.08 Hz的高通濾波電路和一個截止頻率為23.4 Hz的低通濾波電路組成，輸出動壓信號，用來繪制脈搏波。信號調(diào)理電路流程如圖2所示。

圖2 脈象信號調(diào)理流程

脈象數(shù)據(jù)經(jīng)過信號調(diào)理電路后，運用ARM微處理器自身的AD轉(zhuǎn)換器將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，為了提高采集效率，在ARM的內(nèi)存空間開辟4 KB的數(shù)據(jù)緩存區(qū)，每次A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束后，通過DMA直接存取技術(shù)，不占用微處理器內(nèi)核的工作時間，將ADC轉(zhuǎn)換的16 bit數(shù)據(jù)順序搬移到數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中，待緩沖區(qū)滿后，通過USB總線方式將脈象數(shù)據(jù)發(fā)送到智能手機端，系統(tǒng)供電由智能手機通過USB數(shù)據(jù)線提供。

圖3 凸輪加壓示意圖

由圖3所示，微控制器通過輸出PWM波控制MINI電機，從而驅(qū)動凸輪緩慢轉(zhuǎn)動給傳感器施加壓力來實現(xiàn)浮、中、沉的壓力變化。凸輪同軸設(shè)計有監(jiān)測電位器，可實時監(jiān)測凸輪轉(zhuǎn)動的角度，便于施加準(zhǔn)確的取脈壓力。將凸輪控制系統(tǒng)、傳感器、微處理器以及信號調(diào)理模塊封裝在腕帶上，封裝成便攜的腕帶采集系統(tǒng)，整個系統(tǒng)如圖4所示，由腕帶采集系統(tǒng)和智能手機組成。

圖4 系統(tǒng)整體圖

智能手機端實時顯示取脈壓力、脈率、脈搏波形等參數(shù)，同時建立個人健康數(shù)據(jù)庫，以便進行持續(xù)診斷，將脈象數(shù)據(jù)發(fā)送至服務(wù)器做深層次的處理［6］，并將脈診結(jié)果回饋到智能手機端，另外，本系統(tǒng)可實現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)脈診數(shù)據(jù)資源共享，為用戶提供專家診斷意見，從而達(dá)到精確醫(yī)療。

2 脈象數(shù)據(jù)分析

脈搏信號是微弱的人體生理信號，采集的過程中易受工頻干擾和被試呼吸體動的影響，前者會引起高頻噪聲，后者則引起基線漂移，這些噪聲對于后續(xù)的最佳取脈壓力的獲取以及特征參數(shù)提取存在很大的影響，因此需要對采集到的脈搏信號進行預(yù)處理，主要包括去高頻噪聲和基線糾漂。

本系統(tǒng)采用小波變換去除高頻噪聲［7-9］，小波變換的數(shù)學(xué)原理如下：

小波母函數(shù)?(t)平方可積，滿足允許條件：

則f（t）的連續(xù)小波變換：

其中：

采用基于LIP（lowest point in one period）算法的三次樣條差值法來進行基線糾漂［10］［11］，公式如下所示：

式中,ai，bi，ci，di代表4n個未知系數(shù)。

采用ILP（Intersection Points of Lines and Pulse Waveform）算法［12,13］進行時域特征參數(shù)的提取，該算法根據(jù)高度變化的直線與一個周期的脈象信號的交點個數(shù)的不同，找到相應(yīng)的特征點，從而獲得相應(yīng)的特征參數(shù)，如圖5所示。

圖5 單周期脈搏信號與不同高度的直線

將脈搏信號歸一化到0～1之間，直線y=L，從最低點移動到1，考慮到人體脈搏信號的降中峽均在0.2以上，為提高效率，本系統(tǒng)在提取特征參數(shù)時，將直線y=L從0.2移動到1，經(jīng)過大量實驗，直線移動步進為0.000 01時效果最佳，如果步進小于0.000 01，將會增加幾秒的數(shù)據(jù)處理時間，降低效率，步進大于0.000 01時，有可能遺漏個別特征點。由于脈搏數(shù)據(jù)是由離散的點組成，不會與直線有交點，因此，設(shè)置一個閾值，當(dāng)直線與離散的點的距離小于這個閾值的時候，就認(rèn)為與直線相交，經(jīng)過反復(fù)實驗，將閾值設(shè)置為步進的10倍時提取特征參數(shù)效果最佳。

以圖6所示標(biāo)準(zhǔn)脈象為例，脈象特征點的提取過程為：直線從歸一化幅值0.2處開始向上移動，在降中峽H4之下時，交點個數(shù)為2個。當(dāng)達(dá)到H4時，交點個數(shù)變?yōu)?個。當(dāng)直線移動到H4和重搏波H5之間時，交點個數(shù)為4。達(dá)到H5，個數(shù)變?yōu)?，直線在H5和主波峽H2之間時，交點個數(shù)為2。達(dá)到H2，又變?yōu)?。直線在H2和重搏前波H3之間時，交點個數(shù)為4。達(dá)到H3，又變?yōu)?。在H3和主波峰H1之間交點個數(shù)為2。達(dá)到H1時為1。高于H1為0。直線在不同的特征點處交點個數(shù)不同。根據(jù)此特點，將獲取的交點個數(shù)數(shù)組的后一個減去前一個，若不為零即為要提取特征點。且負(fù)值為波峰，正值為波谷。

圖6 標(biāo)準(zhǔn)單周期信號及其與直線交點個數(shù)

2.1 最佳取脈壓力

中醫(yī)師在脈診的時候，將手指放在患者橈動脈處施加不同的壓力，直至獲得最佳應(yīng)指脈動力，這種壓力調(diào)整，研究者根據(jù)血液流動過程中的波動方式，用數(shù)學(xué)的方法構(gòu)建了動脈的最佳取脈壓力數(shù)學(xué)模型，并驗證了最佳取脈壓力的存在［14］。為獲取最佳取脈壓力，本系統(tǒng)采集不同取脈壓力下的脈搏信號。由于正向加壓法傳感器探頭下皮膚軟組織及血管的回彈力是逆向的，采集脈象信號時壓力不穩(wěn)定，而且需要較長時間才能達(dá)到相對平衡，而反向減壓法測量時減壓方向與皮膚軟組織的回彈方向是同向的，一定程度上會減少壓力漂移和時間漂移［15］，所以本系統(tǒng)選擇在緩慢減壓模式才采集不同取脈壓力下的脈搏數(shù)據(jù)，并將采集到的脈搏信號進行高頻小波去噪［16］和基線糾漂預(yù)處理，處理后不同取脈壓力下的脈象信號如圖7所示。

圖7 連續(xù)減壓模式下所得脈搏信號

然后如圖8所示，根據(jù)ILP算法提取每個脈動周期的最大主波峰峰值，再將最大主波峰峰值與其對應(yīng)壓力散點圖進行擬合，如圖9所示，擬合出取脈壓力與主波峰值曲線圖，即可精確地得到最佳取脈壓力。

圖8 最大主波峰提取

圖9 壓力-峰值散點圖及其擬合曲線

2.2 脈象特征參數(shù)

采集最佳取脈壓力下的脈搏信號，并獲取相應(yīng)特征參數(shù)，如圖10所示，其中H1為主波幅值，主要反映左心室射血功能和大動脈順應(yīng)性；H3為重搏前波幅值，反映動脈血管張力和外周阻力狀態(tài)；H4為降中峽幅值，反映外周阻力大??；H5為重搏波幅值，反映大動脈的彈性；W為主波峰2/3處的寬度，表征動脈內(nèi)高壓水平的維持時間；f為脈率，即1/t，反映心跳頻率；t1為升支時間，對應(yīng)左心室快速射血期。

圖10 脈搏波特征點標(biāo)注圖

首先要對采集到的脈搏數(shù)據(jù)進行高頻小波去噪和基于LIP算法的基線糾漂，如圖11所示。

圖11 基線糾漂前后脈象信號

采用ILP算法，根據(jù)不同高度的直線與單個周期脈象信號的交點個數(shù)不同的原理，將采集到的脈搏信號歸一化到0～1之間，然后逐漸移動直線，根據(jù)交點的個數(shù)來標(biāo)記不同的特征參數(shù)點［17,18］，效果如圖12所示。

圖12 特征參數(shù)點標(biāo)記效果圖

3 脈象采集實驗設(shè)計

實驗對象。脈象數(shù)據(jù)的采集對象為20名天津大學(xué)18歲～26歲的健康在校大學(xué)生。

實驗設(shè)備。本實驗用于采集脈象數(shù)據(jù)的設(shè)備為本脈診系統(tǒng)以及蕪湖圣美孚科技有限公司研發(fā)的SMF-Ⅲ増強型中醫(yī)綜合診斷系統(tǒng)（皖食藥監(jiān)械（準(zhǔn)）字2011第2270048號），以下簡稱標(biāo)準(zhǔn)脈診系統(tǒng)，并將其采集到的脈搏數(shù)據(jù)作為標(biāo)準(zhǔn)進行對比參考。

數(shù)據(jù)采集前準(zhǔn)備。數(shù)據(jù)采集前，讓受試者靜坐2 min左右，待其心態(tài)平穩(wěn)后，端坐于設(shè)備前，手臂放置于設(shè)備平臺合適的位置，高度保證基本與心臟平齊，用手指觸摸定位，將傳感器準(zhǔn)確的放置于受試者橈動脈關(guān)部。

具體數(shù)據(jù)采集步驟如下：①使用本脈診系統(tǒng)在凸輪連續(xù)緩慢減壓模式下，采集200 gn到40 gn靜壓力下的脈搏數(shù)據(jù)；②使用本脈診系統(tǒng)，在最佳取脈壓力下采集受試者的脈搏信號；③使用標(biāo)準(zhǔn)脈診系統(tǒng)用氣體慢放減壓的模式下采集200 gn到40 gn靜壓力下的脈搏數(shù)據(jù)；④使用標(biāo)準(zhǔn)脈診系統(tǒng)，在最佳取脈壓力下采集受試者的脈搏信息。

4 實驗數(shù)據(jù)對比分析

①最佳取脈壓力數(shù)據(jù)對比分析

分別將標(biāo)準(zhǔn)脈診系統(tǒng)和本系統(tǒng)獲取的20組最佳取脈壓力進行統(tǒng)計分析，得出相應(yīng)的均值及方差，其結(jié)果如圖13所示柱形圖。

圖13 最佳取脈壓力數(shù)據(jù)對比

②脈象特征參數(shù)的對比分析

分別提取兩系統(tǒng)在最佳取脈壓力下脈搏信號的特征參數(shù)，然后將獲取到的對人體具有顯著生理意義的特征參數(shù)進行均值和方差的計算，其結(jié)果如圖14和圖15所示。

③雙樣本等方差假設(shè)的t-檢驗分析

分別將兩系統(tǒng)獲取到的最佳取脈壓力以及相應(yīng)的各特征參數(shù)進行雙樣本等方差假設(shè)的t-檢驗分析，其結(jié)果如表1所示。

圖14 H1、H3、H4數(shù)據(jù)對比

圖15 脈率數(shù)據(jù)對比

表1中P值均大于0.05，證明了標(biāo)準(zhǔn)脈診系統(tǒng)和本系統(tǒng)獲取的最佳取脈壓力以及在最佳取脈壓力下獲取的相應(yīng)特征參數(shù)無顯著性差異，從而驗證了本系統(tǒng)的可靠性，達(dá)到了家庭醫(yī)學(xué)診斷的要求。

5 結(jié)論

本文設(shè)計了新型的凸輪加壓模式，介紹了基于凸輪加壓模式的手機中醫(yī)脈診系統(tǒng)，實現(xiàn)了基于智能手機端的脈診系統(tǒng)的研制。并設(shè)計對比試驗，通過對20例試驗對象的數(shù)據(jù)采集，建立初步數(shù)據(jù)庫，然后分別對本系統(tǒng)和蕪湖圣美孚科技有限公司研發(fā)的SMF-Ⅲ増強型中醫(yī)綜合診斷系統(tǒng)采集到的數(shù)據(jù)進行對比分析，最終驗證了本系統(tǒng)的可靠性。本系統(tǒng)結(jié)合現(xiàn)代移動醫(yī)療新技術(shù)，為中醫(yī)客觀化提供了一種新的思路，具有低功耗、成本低、極易便攜等多種優(yōu)點，在智能手機端建立個人健康數(shù)據(jù)庫，方便用戶做持續(xù)性診斷。同時實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)脈診資源共享，獲得專家診斷指導(dǎo)意見，為用戶提供精準(zhǔn)醫(yī)療，適用于個人及家庭健康醫(yī)療，并且為手機平臺中醫(yī)四診的實現(xiàn)提供了基礎(chǔ)。

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王學(xué)民（1961-），男，博士，副教授，主要研究方向為人體信息檢測，中醫(yī)客觀化，經(jīng)顱磁場分布及腦認(rèn)知，具體側(cè)重醫(yī)學(xué)成像、分析儀器的研究等xueminw@tju.edu.cn；

孫 飛（1992-），男，現(xiàn)為天津大學(xué)在讀碩士，主要研究方向為人體信息檢測，中醫(yī)脈診客觀化，現(xiàn)代移動醫(yī)療，sunfei312@tju.edu.cn；

周 鵬（1978-），男，博士，副教授，主要研究方向為神經(jīng)工程，生物醫(yī)學(xué)信息傳感與檢測，生物醫(yī)學(xué)信號處理，zpzp@ tju.edu.cn。

The Design of Portable Acquisition and Analysis System of Pulse Based on Mechanical Pressure Mode*

WANG Xuemin1，2，SUN Fei1，LU Xiaozuo3，YU Zhifeng3，ZHOU Peng1，2*
（1.School of Precision Instrument and Opto-Electronics Engineering，Tianjin University，Tianjin 300072，China；2.Tianjin Key Laboratory of Biomedical Detection Technology and Instrumentation，Tianjin 300072，China；3.School of Traditional Chinese Medicine，Tianjin University of Traditional Chinese Medicine，Tianjin 300193，China）

In order to resolve the disadvantage of the current pulse instrument high cost，inconvenient to carry，diffi?culties in the family use and other shortcomings，according to the principle of pulse diagnosis，combined with mod?ern mobile medicaltechnology，developd a new wristband pulse diagnosis system of smartphone，based on the new cam compression mode.the MINI motor driven cam rotation，implements the float，medium and heavy automatic pressure of pulse condition of traditional Chinese medicine，and the collection and control through the smart phones.Compared with standard pulse system，both get no difference between the characteristic parameters of pulse condition，the results show that the performance of the system is reliable，can accurately get the pulse of human body information，and through the smart phone disconnected from the server，to provide users with accurate medi?cal，suitable for personal and family health care.

pulse；mobile medical；wristband pulse diagnosis；cam；smartphone

TP391

A

1004-1699（2016）11-1631-06

EEACC：1280；7230 10.3969/j.issn.1004-1699.2016.11.001

項目來源：國家自然科學(xué)基金項目（51377120，81173202，31271062）；天津市自然基金項目（13JCQNJC13900）

2016-04-23 修改日期：2016-06-02