基于柔性陣列傳感器的脈象檢測系統的設計*

王學民，楊 成，陸小佐，羅 鳴，周 鵬*

(1.天津大學精密儀器與光電子工程學院，天津300072;2.天津中醫藥大學中醫工程學院，天津300193)

數千年來中醫脈診傳承大多都是通過醫生口述或者定性的記錄，脈象信息的獲取也往往是醫生通過手指去按壓患者橈動脈處，憑借個人的經驗得出，難以有定量化的數據支持，這就給病人脈象信息的確定、傳遞、存儲帶來了諸多不便［1］。

在現代醫學越來越重視定量化、客觀化研究的背景下，缺乏客觀性支持的中醫脈診難以實現國際化。

近現代以來，國內外許多學者對脈診的理論、脈診客觀化、臨床診斷和實驗研究等進行了多方面的研究，通過大量的實驗論證，實現了將常見脈象的特征以數學方程、力學模型或模式圖的形式加以表述，從而對脈象的形成機制及對應的生理、病理意義有了比較深入的認識，為脈診的客觀化研究奠定了一定基礎［2］。

本文研究的基于柔性陣列傳感器的多路脈象檢測系統的創新點在于設計了模擬指尖取脈的柔性換能器，并采用氣壓傳導的方式，實現了對多路脈象信號的采集，為中醫的客觀化、可視化研究提供了新方法。

1 脈象儀的發展

20世紀70年代，中國醫學科學院生物醫學工程研究所研制出BYS－14型脈象儀，該脈象儀具有四筆式熱筆記錄儀，具有三道脈象一道心電，采用應變片式剛性圓觸頭懸臂梁換能器，插件式整機結構，能較為清晰地描繪出受試者的脈圖，并在臨床脈象的研究中得到了應用［3］。80年代初天津醫療器械研究所研制出了MTY－A型脈圖儀，該脈圖儀具有檢測脈管粗細的換能器，利用電子掃描開關電路做出脈管粗細的示意圖，采用浮沉自動加壓電路及描記自動控制電路做出浮沉趨勢圖。到了20世紀90年代中期，脈象采集儀逐步變得智能化、復雜化，其采集精度也越來越高。2000年上海中醫藥大學研制出了ZM－Ⅲ型智能脈象儀，它是我國當前較具代表性的一種脈象儀，采用“帶副梁的懸臂式”結構，并能模擬中醫切脈特點，對取脈壓力進行調控［4］。近幾年隨著傳感技術的進步，脈搏傳感器的體積可以做到毫米級，使得脈象檢測儀的研制逐步從單點向多通道、陣列式過渡，由二維脈圖向三維地形圖方向發展，并已取得了可喜的成果［5－6］。

2 多路脈象檢測系統設計

2.1 系統硬件總體結構

本文在考慮脈搏波信號特點［7］的基礎上，設計了新型多路脈象檢測系統。主要包括柔性陣列式脈搏換能器，氣壓傳感器，信號處理系統，基于USB－7660的A/D采集系統，壓力檢測與控制系統，上位機顯示存儲系統，如圖1所示。

圖1 多路中醫脈象檢測系統框圖

微弱的脈搏波動在換能器中轉化為氣體壓強變化，由氣壓傳感器轉化為電信號。由于傳感器輸出的脈搏信號是毫伏級別的弱信號，因此必須對其進行預處理，以保證檢測結果的準確性和可視性［8］。

經過信號處理后的脈動信號分為了直流靜壓信號和交流脈搏波動信號。脈搏搏動信號經過二次放大由基于USB－7660采集卡的采集系統進行A/D采集。采集之后的脈象數據信息發送至計算機做最后的數據分析處理以及顯示存儲［9］。

本設計盡可能模擬醫生取脈的過程，尤其是取脈時手指與皮膚軟組織的彈性接觸［10］。由于采用氣壓傳感器，因此柔性陣列式脈搏換能器與傳感器之間的物理結構簡單，直接通過七路硬質塑膠管進行連接。

2.2 柔性陣列式脈搏換能器的制作

本文從仿生學的角度出發，專門設計了柔性陣列式脈搏換能器，以期能改善探頭與軟組織的接觸狀態［11］.該腔體采用硅膠制作，長7 cm，寬2 cm，高2 mm，橫向排列七路，每路腔體橫截面都是半徑為1 mm的圓形。在保證換能器良好彈性的前提下，每個腔體周圍用1 mm厚的硅膠將其隔開，以避免各個腔體間互相干擾。換能器后端封閉，前端與氣壓傳感器的一端相接。其結構示意圖如圖2所示。在檢測時將該換能器沿手臂方向放置于腕部，前端與七路氣壓傳感器相接并密封。脈搏的波動會導致封閉換能器內部壓強的變化，通過氣壓傳感器將機械量轉變為電壓信號［12－13］。

圖2 七路硅膠腔體示意圖

2.3 脈象傳感器的選擇

由于脈搏的搏動量一般不會超過20 g，由脈搏搏動所導致的換能器內氣壓變化是非常微弱的，所以就要求所選的氣壓傳感器有很高的靈敏度，很好的抗干擾能力［14－15］。本文所用特制脈搏傳感器支持氣體傳導和液體傳導兩種方式，具有靈敏度高、線性度小、抗干擾能力強、體積小、重量輕、安全可靠等特點。技術指標如下:

該氣壓傳感器內部是四個等值電阻組成的惠氏電橋。理想情況下，在沒有任何壓力時傳感器輸出值應該為零。但實際情況下，傳感器都會有很小的零漂，因此得對其進行系統去漂［16］。

2.4 信號處理系統

由于傳感器輸出的脈搏信號是毫伏級別的弱信號，因此必須對其進行預處理，包括:放大、濾波以及阻抗匹配等。信號處理系統如圖3所示。

圖3 脈象信號處理系統框圖

七路氣壓傳感器分別采集的脈動信號依次經過由AD620構成的前置放大器，對其進行初次放大，提高信號的信噪比、濾除干擾，然后通過截止頻率為0.08 Hz的低通濾波器從脈動信號分出了七路直流靜壓信號，通過截止頻率為0.08 Hz的一階的巴特沃思高通濾波器和增益為1、截止頻率為40 Hz的二階巴特沃斯低通濾波器組成的帶通濾波器從脈動信號中分出七路交流動壓信號。由于脈搏搏動信號相比直流靜壓信號要微弱很多，所以必須對其進行二次放大，放大倍數最高可達20倍。最后由基于USB－7660采集卡的采集系統對預處理完的信號進行A/D采集。

硬件電路搭建好之后要對所有的傳感器及對應的信號處理模塊進行調零和放大倍數的統一。搭建好的多路脈象檢測系統實物連接圖如圖4所示。

圖4 多路脈象檢測系統實物連接圖

2.5 壓力控制檢測系統

由于換能器是一個長方體且緊貼于皮膚軟組織的硅膠模型，不便用探頭等硬物對其施加壓力，因此選用腕帶式氣囊對其進行加壓，如圖5。

圖5 壓力控制系統

壓力控制檢測系統中的氣路系統由氣囊、緩沖瓶、迷你氣泵、快放氣閥、慢放氣閥、和一些導氣膠管組成。迷你氣泵通過氣路連接之間的導氣膠管對整個氣路系統充氣。氣體通過導氣膠管進入到緩沖氣瓶，經過其緩沖作用后再經由導氣膠管進入氣囊。氣囊的頂部固定，因此充氣膨脹后可以對其下的換能器施加壓力。快、慢放氣閥導通后可將氣路的氣體放出，起到松弛氣囊的目的，進而實現壓力的調節［17］。

通過氣路系統的充氣、放氣過程，本設計可自動調節施加在取脈位置的壓力，極好地模擬醫生按壓在寸、關、尺三部的指力大小及其不同的變化。

3 寸關尺脈搏波的三維成像研究

3.1 三維地形圖

為了表達出脈搏波的三維地形圖，筆者沿著脈管方向，在寸、關、尺及其前后單獨施壓采集了五組脈搏波數據。如果把不同物理位置作為縱軸，通道數作為橫軸，脈搏搏動的大小作為Z軸，這樣就有5縱7橫的陣列數據，然后對其進行五次方差值，就能得到比較平滑的三維曲面圖。從中，能夠更好的看到脈搏波的三維傳導過程，以及它的空間分布狀況，如圖6所示。

圖6 脈搏波三維重建地形圖

3.2 脈寬圖

脈寬圖是指將醫生切脈手指感覺到的脈道粗細［18］，即搏動應指的徑向范圍客觀圖像化，使受試者的脈寬信息可以被直接觀察得出。一般情況下，我們所得到的脈寬大小不僅直接取決于受試者的血管粗細，還受脈道的徑向運動和周圍皮膚組織等因素的影響。

圖7為脈寬示意圖，其中橫坐標X表示脈寬度，縱坐標H表示手指所感受到的脈搏力的大小，T為指感的閾值線，正常人的脈道寬度用Wx表示。曲線2的脈道寬度正常，曲線1的最小，曲線3的最大。如果把該圖歸結到多路脈象檢測系統所采脈圖上，脈寬可簡單地認為是以七路采集通道中幅值最高的那路為中心，波形幅值超過設定閾值幅度的左右寬度。因此，通過本文所設計的多路脈象檢測系統，可以清楚地得到受試者的脈道寬度，以及脈搏搏動在血管徑向的分布或衰減情況等信息。

圖7 脈寬示意圖

4 實驗及數據分析總結

4.1 脈象采集準確性驗證

天津大學生產的脈象復放系統可以產生26種常見脈象，長期的臨床檢驗顯示其產生的標準脈象完全符合中醫理論中對手感及特征參數的描述，以此系統作為脈象發生器保證了所采脈象的精確性。

本文使用多路脈象檢測系統以及由安徽蕪湖圣美孚公司生產的現已進入臨床應用的中醫脈象診斷系統對常見脈象中的平脈、遲脈、弦脈、洪脈這四中脈來進行檢測、對比和分析。其中對平脈進行采集的結果如圖8、圖9所示。

圖8 多路脈象檢測系統所測平脈圖

圖9 中醫脈象診斷系統所測平脈圖

對比發現本文所設計的多路脈象采集系統與中醫脈象診斷系統所采脈圖有很高的吻合度。脈圖中，潮波、重搏波、脈數、脈勢等特征都得到了很好的表現。可見本文所設計的多路脈象檢測系統不僅能如實地反映所測脈象信息，具有很高的真實性，而且能很好的表達出各種脈象信息的細節，具有很高的準確性，通過對脈象特征參數的提取分析，能夠準確的反映脈象對應的生理現象。

4.2 脈圖的采集

將換能器按照標準方法置于受試者腕部，按照操作規范進行采集準備，使用自動加壓系統自動調節取脈壓力［19］。

本設計在保證準確性與重復性的基礎上，進行了多組實驗，分別采集了40 mmHg、55 mmHg、70 mmHg、85 mmHg、100 mmHg 壓力下的脈象數據，形成一系列脈圖。脈圖系列中波幅最大、波形無畸變的脈圖稱之為最佳脈圖，以此作為該受試者各項脈圖參數分析的依據。圖10為70 mmHg壓力值時采集到的七路脈象數據，圖中最大的脈搏波幅值電壓為2 607 mV，可以看出此時的脈圖平滑、清晰。

圖10 70 mmHg下的脈圖

實驗中采集到的不同壓力下的脈圖顯示，脈圖的幅值并不是隨著取脈壓力的逐漸增大而一直增高，當取脈壓力增大到一定程度后，所測脈圖的幅值隨著取脈壓力的增大而減小。從這一過程中，可以得出受試者的最佳脈圖、最佳取脈壓力及加壓過程中脈圖的動態變化圖譜等數據，為后期的脈象數據處理保存了豐富的原始資料［20］。

4.3 最佳取脈壓力下的三維脈圖

將最佳取脈壓力下存儲的脈象數據，按照本文前面所述方法，構建其三維地形圖，如圖11所示。由于七路換能器中的第五路通道擺放的位置更靠近血管中心，所以該脈圖的幅值并沒有由中心向兩邊遞減，而是后幾路通道的幅值更高一些。通過這幅圖，可以更加清晰的看到脈搏波的幅值隨距離血管中心的位置逐漸變化的趨勢。由此，更進一步證明了所設計的基于柔性陣列傳感器的脈象檢測系統可以很好的反映出所測脈象的各種信息。

圖11 最佳取脈壓力下的三維脈圖

5 結論

本文在分析和借鑒前人關于脈象理論及以往的脈象檢測系統的基礎上，提出了關于脈象檢測系統設計的新理念，為多路脈象檢測系統的研發提供了理論依據;從仿生學角度出發，設計了柔性陣列式脈搏換能器以及與之配合的壓力控制系統，實現了取脈壓力的自動調節，極好得模擬了傳統中醫指尖取脈的方式;搭建了脈搏信號采集、預處理電路，將脈搏靜壓與脈搏波動壓力成功分離;通過對脈搏波三維傳導地形圖的構建，實現了二維向三維的轉變;在確保設備準確性與重復性良好的基礎上進行了臨床檢測，通過壓力控制系統成功獲取了受試者的最佳脈圖等信息。

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