穿戴式自動(dòng)加壓脈象采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張 琦，呂玉祥

(太原理工大學(xué)物理與光電工程學(xué)院，山西 太原 030024)

在世界古醫(yī)學(xué)中，都有醫(yī)者通過腕部脈搏信號(hào)診斷疾病的相關(guān)記載[1]，通過脈診的方式對(duì)病患進(jìn)行健康判別和疾病的輔助診斷具有快速、安全、無創(chuàng)無痛等優(yōu)點(diǎn)，但傳統(tǒng)脈診過程中存在的非客觀化因素極大地阻礙了中醫(yī)脈學(xué)的傳承發(fā)展以及現(xiàn)代化應(yīng)用[2]。

通過特定施壓脈象獲取裝置，對(duì)不同施壓狀況下的脈象信號(hào)進(jìn)行數(shù)字量化，間接模擬醫(yī)師取脈過程，尋找和建立脈象與病況之間的特定關(guān)系將使脈診的非客觀問題得到解決[3－6]。

國內(nèi)脈象信號(hào)獲取裝置的研究主要集中于各大醫(yī)療機(jī)構(gòu)和高校，其中上海中醫(yī)藥大學(xué)利用半導(dǎo)體受感元件先后研制ZMH－I型、ZM－300型腕部動(dòng)脈信號(hào)采集系統(tǒng)[7]，天津中醫(yī)藥大學(xué)的王學(xué)民、楊成等[8]研究人員設(shè)計(jì)的柔性陣列動(dòng)脈信號(hào)換能器實(shí)現(xiàn)了多路脈搏信號(hào)的采集，華東理工大學(xué)的楊杰等[9]完成了寸關(guān)尺三部脈象數(shù)據(jù)采集裝置設(shè)計(jì)。傳統(tǒng)的脈象采集儀通常體積較大，一般由控制采集單元與傳感裝置分離組成，使用時(shí)，傳感裝置單獨(dú)固定于人體腕部，再操作控制單元對(duì)脈搏信號(hào)進(jìn)行采集，操作繁瑣[10－13]。

本文采用ARM微處理器作為主控單元設(shè)計(jì)一種便攜式可穿戴的脈象采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)使用充氣式氣囊施壓法間接模擬中醫(yī)脈診過程中浮、中、沉脈象壓力變化，精準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)寸關(guān)尺位置脈象數(shù)據(jù)采集，脈象采集終端通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)與云服務(wù)器的數(shù)據(jù)通信。整個(gè)系統(tǒng)輕量，操作簡單，可以廣泛應(yīng)用于線下各種醫(yī)療場景，進(jìn)行用戶脈象數(shù)據(jù)的積累，推動(dòng)傳統(tǒng)中醫(yī)脈診向智能化發(fā)展。

1 脈象采集儀系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

1.1 整體結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)為了實(shí)現(xiàn)脈象采集終端的輕量，便攜，可穿戴目的，將傳統(tǒng)的脈象采集儀的控制單元與傳感單元進(jìn)行集成。終端脈象采集儀可以布置于任何有網(wǎng)絡(luò)的線下場景，采集儀配網(wǎng)后連接本地路由實(shí)現(xiàn)脈象數(shù)據(jù)云端存儲(chǔ)，用戶或醫(yī)師通過訪問云服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)查看與調(diào)用。脈象采集系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。脈象采集儀是完成施壓控制、數(shù)據(jù)采集、通信等功能的主體，主要由脈象儀主殼體、施壓傳感裝置、硬件電路三部分組成。

圖1 脈象采集系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

1.2 脈象儀主殼體

脈象采集儀主殼體部分主要實(shí)現(xiàn)對(duì)硬件電路板、充氣泵、放氣閥等內(nèi)部組成元件的固定以及通過機(jī)械卡扣方式與施壓傳感裝置進(jìn)行連接。在滿足內(nèi)部裝配要求的情況下，盡量縮小主殼體體積，以便達(dá)到輕量、便攜的目的。脈象儀主殼體圖如圖2，圖3所示。

圖2 脈象儀主殼體

圖3 主殼體底視圖

其中A部分為脈象采集儀主控制電路板，B部分為開關(guān)啟動(dòng)按鈕，C部分為電源及系統(tǒng)運(yùn)行指示燈，D部分為氣泵裝配位置，E部分為氣閥裝配位置，F(xiàn)部位為氣泵、氣閥與腕帶施壓氣囊的接口部分，G為電路板支撐柱，H部分為MicroUSB電源接口，I部分為與腕部施壓傳感裝置相連接的機(jī)械卡扣。

1.3 施壓傳感裝置

考慮到人體橈骨形狀以及實(shí)際脈診過程中傳感單元與人體手腕貼合度要求較高，為了更好地模擬傳統(tǒng)中醫(yī)脈診的過程，本設(shè)計(jì)對(duì)脈象采集儀的傳感單元與施壓單元進(jìn)行了集成，采集儀整體施壓傳感裝置如圖4所示。

圖4 施壓傳感裝置

該施壓傳感裝置由腕帶、氣囊、傳感單元三部分組成。傳感單元是直接感受人體動(dòng)脈搏動(dòng)的關(guān)鍵部件之一，綜合傳感器靈敏度、精度、可靠性、以及體積等因素，該傳感單元將選用較為成熟的SC0073B型脈搏傳感器，結(jié)合FPC柔性電路板共同構(gòu)成傳感單元。傳感單元如圖5所示。傳感器直徑10 mm，相鄰傳感器中心間距15 mm，傳感單元整體尺寸為50 mm×13 mm，F(xiàn)PC柔性電路板集成有傳感器外圍電路并完成傳感器的支撐固定。傳感單元電源與信號(hào)線通過柔韌性較好的軟硅膠連接線連接至主電路板。氣囊部分尺寸設(shè)計(jì)為50 mm×80 mm，頂部留有2個(gè)內(nèi)徑為3mm的進(jìn)氣口，整體采用高張力、高韌性的TPU材料，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)人體腕部檢測位置覆蓋，以便完成對(duì)傳感單元的均勻施力。腕帶由彈性PVC卡環(huán)和外部尼龍包裝組成，彈性卡環(huán)完成手腕固定以及與脈象采集儀主殼體的機(jī)械連接。實(shí)際使用過程中，傳感單元、氣囊依次嵌入腕帶。氣囊進(jìn)氣口通過3 mm PU軟管與氣泵、氣閥、氣壓傳感器進(jìn)行連通。

圖5 傳感單元

1.4 硬件電路

硬件電路為脈象采集儀的核心組成部分，對(duì)采集儀的不同功能在硬件層面進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。主要包括電源電路、信號(hào)預(yù)處理電路、AD采集電路、氣泵氣閥控制電路、腕帶氣壓檢測以及數(shù)據(jù)通信電路組成。硬件電路結(jié)構(gòu)圖6所示。

圖6 硬件電路結(jié)構(gòu)

該脈象采集儀使用增強(qiáng)型基于ARM Cortex－M3內(nèi)核的微控制器STM32F103C8T6作為終端核心處理芯片，實(shí)現(xiàn)信號(hào)采集處理及所有外設(shè)控制。脈象儀工作時(shí)，主控發(fā)出指令控制氣泵對(duì)氣囊進(jìn)行充氣，配合氣閥與壓力檢測單元間接向傳感單元進(jìn)行精準(zhǔn)施壓實(shí)現(xiàn)浮、中、沉壓力控制。三路脈象信號(hào)分別經(jīng)過截止頻率為20 Hz的低通濾波預(yù)處理電路進(jìn)入主控制器自帶的12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，主控制器對(duì)脈象數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后通過esp8266 WIFI模塊連接本地路由將數(shù)據(jù)上傳至云端服務(wù)器。此外，脈象采集儀采用5 V MicroUSB接口供電，內(nèi)置3000 mA鋰電池，可在無直插電源供電情況下進(jìn)行工作。

1.5 施壓控制實(shí)現(xiàn)

本文脈象采集裝置進(jìn)行三等級(jí)施壓力度設(shè)計(jì)，綜合壓力需求、主殼體內(nèi)部空間大小、供電等級(jí)等因素，本設(shè)計(jì)選取直流3 V一位一通電磁閥，直流3 V微型充氣泵作為本系統(tǒng)裝置的施壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)。氣泵實(shí)物如圖7所示，氣泵性能參數(shù)如表1所示，氣閥實(shí)物圖如圖8所示，氣閥性能參數(shù)如表2所示。

圖7 微型氣泵實(shí)物圖

表1 氣泵技術(shù)參數(shù)

圖8 微型氣閥實(shí)物圖

表2 氣閥技術(shù)指標(biāo)

采集儀工作時(shí)，主控通過控制氣泵、氣閥的工作狀態(tài)對(duì)腕帶氣囊進(jìn)行充氣間接實(shí)現(xiàn)對(duì)傳感單元的施壓，施壓力度控制由氣壓檢測傳感器實(shí)現(xiàn)，氣壓傳感器通過PU軟管與氣囊內(nèi)部進(jìn)行連通，對(duì)綁帶內(nèi)部壓力進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測進(jìn)而實(shí)現(xiàn)施壓力度控制。氣壓傳感器選用Freescale Semiconductor(飛思卡爾半導(dǎo)體公司)研制的單片式信號(hào)自調(diào)節(jié)硅壓力傳感器MPXV5050GP該傳感器采用新型微機(jī)械和雙極工藝，在－40℃～125℃之間提供有效的溫度補(bǔ)償，可以在壓力測量過程中提供與所施壓力成正比的高輸出模擬信號(hào)，氣壓傳感器實(shí)物圖如圖9所示，壓力傳感器性能參數(shù)如表3所示。

圖9 氣壓傳感器實(shí)物圖

表3 氣壓傳感器技術(shù)指標(biāo)

采集儀工作時(shí)，腕帶氣囊以及脈搏傳感單元與腕部皮膚為緊貼狀態(tài)，脈搏傳感單元所受壓力F與腕帶氣囊對(duì)腕部皮膚施加的力度F氣囊基本相同，即有:

式中:P為腕帶氣囊內(nèi)的壓強(qiáng)，由主控獲取壓力傳感器輸出信號(hào)計(jì)算得出，S為內(nèi)側(cè)氣囊面積。采集儀工作過程中通過設(shè)定壓力閾值實(shí)現(xiàn)固定壓力控制，具體壓力控制以及數(shù)據(jù)采集流程如圖10所示。

圖10 壓力控制和數(shù)據(jù)采集流程圖

2 軟件設(shè)計(jì)

2.1 脈象采集儀軟件設(shè)計(jì)

在脈搏信號(hào)采集系統(tǒng)工作的過程中，主控制器通過程序指令控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)在不同時(shí)間段完成多種不同的任務(wù)，如信號(hào)采集、氣泵氣閥控制、數(shù)據(jù)傳輸、上位機(jī)交互等，共同維持系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。脈象采集儀軟件程序流程圖如圖11所示。

圖11 脈象儀軟件流程圖

2.2 上位機(jī)軟件

脈象采集儀云端存儲(chǔ)采用中國移動(dòng)OneNET云平臺(tái)實(shí)現(xiàn)終端設(shè)備接入，創(chuàng)建多協(xié)議接入產(chǎn)品，設(shè)備接入?yún)f(xié)議選擇EDP協(xié)議，添加終端設(shè)備，設(shè)備建立數(shù)據(jù)流。終端設(shè)備配網(wǎng)完成后，通過服務(wù)器固定IP地址，以及設(shè)備ID與云服務(wù)器建立連接，實(shí)現(xiàn)下位機(jī)數(shù)據(jù)上傳。云端產(chǎn)品應(yīng)用對(duì)接OneNET數(shù)據(jù)源完成數(shù)據(jù)可視化應(yīng)用開發(fā)。產(chǎn)品應(yīng)用如圖12所示

圖12 可視化應(yīng)用

3 系統(tǒng)測試

脈象采集儀的整體結(jié)構(gòu)如圖13所示，脈象儀上電，配網(wǎng)連接本地路由器，脈象采集系統(tǒng)控制施壓傳感裝置分別對(duì)50 mmHg、80 mmHg、100 mmHg壓力下的脈象數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，以獲取最佳脈象圖。80 mmHg脈象圖如圖14所示，脈搏信號(hào)整體形態(tài)完整清晰，達(dá)到預(yù)期效果，能夠較好地反映脈搏形態(tài)特征。

圖13 脈象儀結(jié)構(gòu)圖

圖14 80 mmHg脈象圖

4 結(jié)論

本研究設(shè)計(jì)了新型的穿戴式自動(dòng)加壓脈象采集系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了線下終端用戶脈象數(shù)據(jù)的施壓采集、回傳、存儲(chǔ)。該系統(tǒng)結(jié)合新型傳感與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，具有輕量、便攜、操作簡單等特點(diǎn)，為中醫(yī)脈象數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)庫的構(gòu)建與脈診客觀化提供了新的硬件實(shí)現(xiàn)方案，進(jìn)而為脈象輔助診斷研究與中醫(yī)智能化發(fā)展提供技術(shù)基礎(chǔ)。但系統(tǒng)依舊存在不足，未來將通過改進(jìn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，對(duì)單個(gè)診脈部位不同壓力下的脈象數(shù)據(jù)獲取實(shí)現(xiàn)方法進(jìn)行深入研究。