基于傳感器的智能電子脈診儀的設(shè)計(jì)

劉映辰 李佳慧 楊向國 梁爽

摘要：中醫(yī)所采用的脈診診斷的方法是中華民族智慧的結(jié)晶。脈搏波可以反映人體的健康狀況。本設(shè)計(jì)可使對脈搏波的即時(shí)存儲與分析成為可能。利用傳感器和自動加壓裝置對脈搏波的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和特征提取，可以實(shí)現(xiàn)智能電子脈診儀對病情的診斷。可攜帶式智能電子脈診儀具有可移植性強(qiáng)、適用范圍廣的特點(diǎn)，可將其應(yīng)用于門診檢測、醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)以及教學(xué)研究、醫(yī)療監(jiān)護(hù)、健康檢測等方面。

關(guān)鍵詞：脈診;脈搏波;傳感器;樹莓派;特征提取

一、引言

當(dāng)今社會疫情防控常態(tài)化，人們迫切希望一套便攜家庭診斷裝置，實(shí)現(xiàn)家庭自檢，只需要將測得的數(shù)據(jù)上傳至平臺，就可以實(shí)現(xiàn)與醫(yī)生的云會診。脈搏波是人們通過中醫(yī)脈診了解人體生理狀況的重要指標(biāo)之一[1]。但長期實(shí)踐中也暴露出很多缺點(diǎn)：脈診會受到中醫(yī)學(xué)者的脈診經(jīng)驗(yàn)、個人的感觸能力以及不同人的表達(dá)水平的差異等非客觀因素的影響，診斷的結(jié)果因人而異，難以實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一化、規(guī)范化、客觀化。年輕的中醫(yī)從業(yè)者對于把脈技巧的學(xué)習(xí)以及使用的水平相對于從業(yè)很多年的老中醫(yī)來說還有很大的提升空間，年輕人對于一些高超技巧或經(jīng)驗(yàn)掌握不足。對于這些的脈像中醫(yī)從業(yè)者是通過手的觸覺去感受的，只有摸到的時(shí)候才有感受，離開就沒有了，因此，事后沒有對脈像數(shù)據(jù)即時(shí)的儲存，不利于后續(xù)人們對中醫(yī)脈診技巧的學(xué)習(xí)與研究。

智能電子脈診儀是具有巨大的研發(fā)潛力的醫(yī)療設(shè)備，人類一直迫切地想要達(dá)到脈診治療的科學(xué)化與現(xiàn)代化，加之近幾年來，由于材料科學(xué)和計(jì)算機(jī)科技水平的日新月異，及其向傳統(tǒng)醫(yī)療應(yīng)用領(lǐng)域的滲透，進(jìn)一步推動了脈象信號收集、數(shù)據(jù)處理、圖像表述等的發(fā)展，為脈診的自動化與智能化發(fā)展創(chuàng)造了良好的機(jī)遇。實(shí)現(xiàn)中醫(yī)脈診統(tǒng)一化、規(guī)范化、客觀化以及不同脈象的模式識別，是目前中醫(yī)脈診方面研究的主要研究問題，現(xiàn)在的中醫(yī)學(xué)者和中醫(yī)研究人員應(yīng)同心協(xié)力，完成這一目標(biāo)[2]。本設(shè)計(jì)外觀簡介、整體輕巧、攜帶方便、操作簡單，可以實(shí)現(xiàn)人們對健康狀況的監(jiān)測的功能。

二、硬件平臺的設(shè)計(jì)

（一）脈相數(shù)據(jù)的獲取

傳感器是一種檢測設(shè)備，又稱為電子感官，是人體感官的延展，它能夠感受到被測量的信息，并將測量到的信號變換成為常用的電信號或滿足其他所需形式的信號，以實(shí)現(xiàn)對被測量的信息的計(jì)算處理、輸出控制、記錄存儲等不同的要求[3，4]。生物醫(yī)學(xué)傳感器是獲取人體病理信息的重要工具。生物醫(yī)學(xué)研究時(shí)所使用的傳感器是實(shí)現(xiàn)將測量到的生理信號輸出為相對應(yīng)的電信號，并對輸出信號進(jìn)行處理和變換，得到分析和研究所需要的人體生理數(shù)據(jù)。本設(shè)計(jì)采用了由硅材料所制成的BP300T型號的壓力傳感器，它被封裝成六腳二列直插式結(jié)構(gòu)。如圖1所示：

BP300T型號的壓力傳感器是比較穩(wěn)定的電子元器件，其特點(diǎn)為可靠性高和低滯后性，把采集到的壓力信號進(jìn)行一定的線性轉(zhuǎn)換，并輸出為相對應(yīng)的電信號，因此是比較理想的選擇。它的主要參數(shù)指標(biāo)是：輸出電壓范圍為70～130毫伏;電源電壓為直流5伏;壓力感受范圍不超過300毫米汞柱;零漂的值為+20毫伏（或者-20毫伏）;所能適應(yīng)的溫度范圍較廣，一般為-20～+100攝氏度，可以基本滿足一般的使用情況。電路圖如下：

因?yàn)橐话銓θ梭w的生理信號進(jìn)行測量時(shí)特別容易受外界噪聲的干擾，所以測得的信號都比較微弱，在采用BP300T型號的壓力傳感器的同時(shí)使用AD620型號的醫(yī)用放大器，將二者合到一起使用。AD620只需要外接一個合適大小的電阻，并調(diào)節(jié)其大小就可以使信號的放大倍數(shù)達(dá)到可觀的1000倍。電源電壓在2.3～18伏的范圍內(nèi)最佳，電源電流不能超過1.3毫安，所能適應(yīng)的溫度范圍是-40～+85攝氏度。引腳圖和結(jié)構(gòu)圖分別如下圖3、圖4。

設(shè)備中的電路中經(jīng)常會產(chǎn)生很多的噪聲，會對數(shù)據(jù)的測量產(chǎn)生影響。通過信號濾波器來去除許多不需要的頻率成分，濾去多余的低頻、高頻或與測量結(jié)果無關(guān)信號，使最終得到的信號更加純凈。AD620型號的醫(yī)用放大器的輸出是兩種信號的混合，分別是脈搏波的信號和袖內(nèi)的壓力信號。為了方便對數(shù)據(jù)處理，必須從輸出的疊加信號中過濾掉袖內(nèi)的壓力信號。因此采用的LM324型號的集成的四運(yùn)放大器，它可以提高脈搏波信號的信噪比，也就是對脈搏波的信號進(jìn)行放大。

常用的四運(yùn)放大器型號是LM324系列的。它的成本低，有許多單獨(dú)一個運(yùn)算放大器所沒有的優(yōu)點(diǎn)，這四個放大器同時(shí)工作的時(shí)候，電壓的范圍比較大，在3V到32V之間，可以較好地適應(yīng)其他的外接電路的電壓值。它的結(jié)構(gòu)圖如下：

（二）充放氣設(shè)置

對于充放氣裝置的實(shí)現(xiàn)可以參考血壓測量儀器的設(shè)計(jì)。電機(jī)工作，裝置進(jìn)行充氣;放氣時(shí)不需要電機(jī)工作了，采用固定放氣的方式，放氣速度又快到慢，十分方便簡單，容易操作，成本也低[5]。當(dāng)然，在充氣的時(shí)候，放氣的氣閥的也會有一定量的氣體泄漏，但是對比于電機(jī)對裝置的充氣量，便可以忽略不計(jì)了。

（三）信號轉(zhuǎn)換

利用樹莓派以及PCF8591模塊來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的AD轉(zhuǎn)換。就是將連續(xù)的模擬信號轉(zhuǎn)換為離散的數(shù)字信號。首先將I2C內(nèi)核驅(qū)動啟動。PCF8591是一種8位的模數(shù)/數(shù)模轉(zhuǎn)換器，這表明每個引腳可以讀取的模擬值達(dá)到256。具有一個行I2C總線接口、四個輸入和一個輸出。A0、A1和A2為模塊的地址引腳，意味著能連接23個元器件。D1和D2是兩個LED燈，D1和D2明亮程度分別表示輸出輸入時(shí)的電壓強(qiáng)度，輸入時(shí)的電壓強(qiáng)度也就是電源的電壓強(qiáng)度。元器件的基本數(shù)據(jù)流和控制信息都是通過總線來傳輸?shù)模⑶覀鬏斒请p向的。

進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換時(shí)，讀取數(shù)據(jù)可以使用以下的程序：

I2CReadACK（）;

val = I2CReadNAK（）;

第一句的目的是給PCF8591模塊產(chǎn)生SCL時(shí)鐘;第二句的目的便是讀取當(dāng)前的A/D轉(zhuǎn)換過后的結(jié)果。

三、軟件算法的設(shè)計(jì)

（一）去噪算法的設(shè)計(jì)

1.小波去噪

外界的光、電、磁會對測量的脈搏值進(jìn)行干擾，從而產(chǎn)生噪聲。小波去噪處理的目的是去除脈搏信號中的噪聲。樹莓派可以將脈搏的模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號并存儲下來。因此，對脈搏波數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，主要就采用小波去噪的算法。

2.改進(jìn)的小波去噪算法

小波變換算法具有比較好的時(shí)頻分辨率，并且基函數(shù)可以靈活的選擇等特點(diǎn)，而硬件設(shè)備一般具有基頻隨不同的運(yùn)行狀態(tài)而波動的特點(diǎn)，小波變換算法并不受采樣周期的約束，所以小波變換算法具有很強(qiáng)的適應(yīng)性，對于不同的電力系統(tǒng)都可以適應(yīng)。在小波閾值去噪的方法中，Denoho是最先采用軟閾值函數(shù)[6]和硬閾值函數(shù)[7]來解決輸出信號的去噪問題，但還是存在以下的缺陷：硬閾值函數(shù)的連續(xù)性比較差，數(shù)據(jù)去噪處理完成后，對輸出信號進(jìn)行重構(gòu)時(shí)不夠平滑，經(jīng)常會出現(xiàn)間斷的現(xiàn)象;而軟閾值函數(shù)的平滑性相對于硬閾值函數(shù)要更好，但是誤差又無法避免。此外，對固定閾值進(jìn)行選取時(shí)，一般都會出現(xiàn)“過扼殺”的現(xiàn)象，這是不愿意看到的[8]。因此，對閾值函數(shù)進(jìn)行改進(jìn)顯得尤其重要。

設(shè)計(jì)的小波去噪處理模塊選用一種改進(jìn)閾值折中函數(shù)，并結(jié)合多標(biāo)準(zhǔn)分層閾值的量化規(guī)則進(jìn)行去噪的方法。彌補(bǔ)了軟、硬閾值和固定閾值的不足，改進(jìn)過后的函數(shù)稱為：改進(jìn)的軟閾值硬閾值折中函數(shù)[7，9]，其表達(dá)式為：

（1）

式中的（0 < k < 1）和 k1（k1 > 0）為上述函數(shù)中可以進(jìn)行調(diào)節(jié)的參數(shù)。當(dāng)小波系數(shù)的絕對值大于等于 λ時(shí)， k主要對產(chǎn)生影響;當(dāng)小波系數(shù)的絕對值小于 時(shí)， 受 k和 k1二者的影響。

（2）

在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，噪聲方差的估計(jì)值σ可以通過公式（3）的計(jì)算得到：

（3）

式中λi為選取的閾值在不同標(biāo)準(zhǔn)下的結(jié)果，可以看出隨著j的不斷增加，λi是不斷減小的，這個規(guī)律與白噪聲的小波系數(shù)的變化規(guī)律基本一致[9]。多標(biāo)準(zhǔn)閾值的思想是不同標(biāo)準(zhǔn)上的系數(shù)選取不同的閾值去處理。通過硬件軟件的濾波器以及小波去噪算法的幫助，對脈診儀讀入數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度有了很好的提升。

（二）脈像圖的時(shí)域判讀法

時(shí)域分析法主要是分析脈搏波的波幅的高低、波幅的周期變換以及不同振幅于坐標(biāo)軸圍成的面積之間的數(shù)量關(guān)系[10]。通過對波幅大小、波幅周期的分析，從而對脈搏波的頻率、脈勢的虛實(shí)情況以及脈力的強(qiáng)弱情況進(jìn)行分析與總結(jié)。

在圖8中，O點(diǎn)是主波的上升點(diǎn)，A點(diǎn)附近的凸出的曲線為主波峰，同理，B峰為潮波峰。C點(diǎn)附近凹陷下去的地方叫做降中峽，也就是重博波的起點(diǎn)。D點(diǎn)為重搏波的波峰，E點(diǎn)為潮波的起點(diǎn)，一般都在主波波幅的 1/3 處出現(xiàn)。T為主波上升的時(shí)間。

1.主波波幅的高度為H1（AA1）。頂夾角也就是EA與A1A的夾角。

2.潮波波幅的高度為H2（B1B）。

3.重博波波幅的高度為H4（D1D）。

4.脈像圖的總面積為主波波幅的面積、潮波波幅的面積以及重博波波幅的面積和。

（三）中醫(yī)脈象的模式識別

模式識別進(jìn)行分類的關(guān)鍵分為兩點(diǎn)：第一點(diǎn)，對有效的脈搏波信號進(jìn)行精準(zhǔn)識別;第二點(diǎn)，對脈象的特征進(jìn)行有效提取[10]。脈像圖中的主波起點(diǎn)、主波波峰的高度以及重搏波的起點(diǎn)等一些具有重要意義的特征，同時(shí)也是時(shí)域分析發(fā)的基本要點(diǎn)。

脈象模式識別的關(guān)鍵核心在于對特征值的提取。對一個脈搏波周期內(nèi)的特征值進(jìn)行分析時(shí)，主要計(jì)算常用的17種參數(shù)值：脈搏波的周期值T0、上升支的角度大小AngleU、主波峰的夾角大小AngleP、下降支的角度大小AngleD、主波峰的高度值H1、潮波波谷的高度值、潮波波峰的高度值H2、重波波谷的高度值H3、重波波峰的高度值H4、主波的上升時(shí)間T1、潮波波谷的時(shí)間T2、潮波波峰的時(shí)間T3、重波波谷的時(shí)間T4、重波波峰的時(shí)間T5、上升支的面積大小S1、下降支的面積大小S2、主波的面積大小S3，這些參數(shù)都是脈象判別時(shí)的依據(jù)。

模式識別函數(shù)的判別規(guī)則：先以脈搏波的周期為分界點(diǎn)，若已經(jīng)被分割好的脈搏波的周期大小相等，則將脈象分三種，分別為促脈、代脈和結(jié)脈。若已經(jīng)被分割好的脈搏波的周期大小不相等，則屬于脈律的異?，F(xiàn)象，分為脈率，脈行，脈位異常三種。脈率異常就是芤脈。脈行異常包含弦脈、滑脈、澀脈、弦脈、緊脈大脈、小脈、細(xì)脈和長脈九種脈象。脈位異常則包含緩脈、數(shù)脈、遲脈和疾脈四種。

四、結(jié)束語

本設(shè)計(jì)通過利用BP300T壓力傳感器以及樹莓派的將脈搏的生理信號轉(zhuǎn)換為電信號，并采用小波去噪算法對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，將處理好的數(shù)據(jù)（即脈搏波）進(jìn)行周期分割，對每個周期之間以及每個周期內(nèi)部特征值進(jìn)行比較，完成模式識別，得到自己的對應(yīng)病癥。

本設(shè)計(jì)對于中醫(yī)傳統(tǒng)把脈技術(shù)的客觀化以及信息化具有積極的啟示。脈搏波的采集與識別工作是特別困難的，但是為了實(shí)現(xiàn)中醫(yī)脈診客觀化以及信息化，這是不得不克服的困難，這是需要廣大中醫(yī)學(xué)者和科研工作者共同奮斗解決的。同時(shí)，在當(dāng)下疫情防護(hù)常態(tài)化的背景下，能足不出戶就解決自己的病情實(shí)在彌足珍貴。

作者單位：劉映辰? ?李佳慧? ?楊向國? ?梁爽? ? 西北民族大學(xué) 數(shù)學(xué)與計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)院

參? 考? 文? 獻(xiàn)

[1] 楊國忠. 生物醫(yī)學(xué)工程的過去、現(xiàn)在和未來[J].世界醫(yī)療器械，1995， 1（1）.

[2] Lee M L， Rosner B A， Vokonas P S. Longitudinal Analysis of Adult Male Blood Pressure： the Normative Aging Study[J]. Journal of Epidemiology & Biostatistics， 1996， （1）： 79-87.

[3] 齊頒揚(yáng). 醫(yī)學(xué)儀器[M]. 北京： 高等教育出版社， 1990.

[4] 丁鎮(zhèn)生. 傳感及其遙控遙測技術(shù)應(yīng)用[M]. 北京： 電子工業(yè)出版社， 2002.

[5] 彭桂力， 劉知貴， 鮮華等. 基于AVR單片機(jī)的血壓、脈搏裝置設(shè)計(jì)[J]. 計(jì)算機(jī)工程， 2007， 33（12）： 247-250.

[6] Zhang X， Li J， Xing J， et al. A particle swarm optimization technique-based parametric wavelet thresholding function for signal denoising[J]. Circuits Systems & Signal Processing， 2017， 36（1）： 247-269.

[7] 崔公哲， 張朝霞， 楊玲珍等. 一種改進(jìn)的小波閾值去噪算法[J]. 現(xiàn)代電子技術(shù)， 2019， 42（19）： 50-53， 58.

Cui Gongzhe， Zhang Zhaoxia， Yang Lingzhen， et al. An improved wavelet threshold denoising algorithm[J]. Modern Electronics Technique， 2019， 42（19）： 50-53， 58.

[8] 王維博， 董蕊瑩， 曾文入， 等. 基于改進(jìn)閾值和閾值函數(shù)的電能質(zhì)量小波去噪方法[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào)， 2019， 34（2）： 409-418.

[9] 肖勇， 李博， 曹敏. 基于小波閾值的電力諧波信號去噪研究[J]. 電測與儀表， 2021.

[10] 曾俊峰. 基于MATLAB的中醫(yī)脈象模式識別及應(yīng)用研究[D]. 燕山大學(xué)， 2017.