基于多傳感器信息融合技術的電子診脈裝置的應用研究

吳義成

(馬鞍山職業技術學院，安徽 馬鞍山 243000)

中華民族的文化歷史悠久，尤以傳統中醫學博大精深，源遠流長。其中脈診可追溯到公元前6世紀，漢朝司馬遷在《史記》中曾記載:“至今天下言脈者，由扁鵲也”，可以說傳統中醫學以脈診作為醫生給病人看病時很重要的一個步驟。所謂“望、聞、問、切”四診合參［1］，脈診在臨床診斷時具有很關鍵的作用，可使針對病人疾病的診斷更為精確，同時也是對其他診斷的印證。本文以漢末著名醫家王叔和所著《脈經》為基礎，結合現代科學檢測與計算技術，提出通過建立人體28種標準脈象數據庫系統，使用3個壓力傳感器檢測傳統中醫學中論述的寸、關、尺脈處的信號波形，將三處檢測所得的脈動信號波形信息融合，與人體的28種標準脈象數據庫系統相比對，基于信號誤差最小原則，得出最符合所檢測的標準脈象，從而對被檢測者的身體內臟及氣、血等健康情況作出判斷，及時給出相應的中醫調養藥方或營養調整建議，達到預防疾病的效果。

1 電子診脈裝置研究理論原理

中醫理論認為，血的生成與五臟有著非常緊密的聯系。心主血脈;肝主疏泄而藏血;脾為后天之本，氣血生化之源，主統血;肺主一身之氣;腎主藏精。精可以化生為氣，也能化生為血，是生成血液的物質基礎之一。［2］整個人體是一個有機統一的整體，在人體內部，氣推動血流走全身，滋潤著人體的各個器官和組織，同時氣是無形的，必須附著在有形的血上，靠血來運載，兩者之間互為陰陽，相互依存。脈象的形成與臟腑氣血有著密切的關系。在健康的人體中，氣和血都保持著動態的平衡，當人體處于不健康狀態時，血脈的運行必然會受到影響，使得脈象產生變化。《脈經》首先確立了“浮、芤、洪、滑、數、促、弦、緊、沉、伏、革、實、微、澀、細、軟、弱、虛、散、緩、遲、結、代、動”等24種脈象的名稱，并且描述了各個脈象的脈形與相似脈象的鑒別，后世增加了“長、短、牢、疾”4種脈象，故至今有28種中醫理論脈象。中醫寸口診法具體部位如圖1所示。

圖1 人體診脈部位圖

圖1所示寸口分為寸、關、尺三部，掌后高骨為關，關前為寸，關后為尺，兩手各分為寸、關、尺三部，共六部脈。寸、關、尺三部又可以分為浮、中、沉三部位來候脈。人體具體脈象如圖2所示。

圖2 人體具體脈象圖

人體兩手寸、關、尺處脈象，依據《脈經》所述中醫理論，能反映出人體五臟健康狀況及氣血運行情況，以此為基礎，給出人體所需調養藥方和營養調整方案。

2 電子診脈裝置的實現

本裝置主要包括袖帶、氣泵、壓力傳感器、信號處理電路、數據采集卡、A/D轉換器、基于總線的數據通信模塊、微控制器、上位計算機及若干軟件系統等。壓力傳感器采用BP300T型壓力傳感器。［3］該診脈裝置工作方式有一般工作方式和氣泵加壓工作方式。一般工作方式為測得人體浮脈波形，氣泵不加壓時，壓力傳感器貼緊皮膚測得人體脈搏波形，可獲得人體沉脈波形數據。氣泵加壓工作方式，通過充氣壓迫相關部位，模擬中醫脈診按法診脈，可獲得人體沉脈波形數據，工作方式由上位計算機發出，導引微控制器發出控制信號，啟動氣泵工作。

具體裝置原理框圖如圖3所示。

圖3 電子診脈裝置硬件原理框圖

氣泵加壓工作主要是為了獲得人體沉脈波形數據，采用微控制器單片機來控制直流電機工作。［4］當單片機某一控制引腳輸出高電平時，氣泵開始工作，袖帶充氣加壓，此時裝置處于氣泵加壓工作方式，測得人體沉脈數據波形。直流電動機驅動電路圖如圖4所示。

圖4 直流電動機驅動電路

微控制器采集到人體寸、關、尺脈波形數據后，通過串行口將數據傳輸給上位機，上位機將獲得的數據進行存儲，同時不斷與數據庫內的標準脈動波形進行計算比較，得出與28種標準脈象數據庫最符合的波形，從而調取相應的中醫診斷藥方，對被診斷對象給出科學、合理的人體氣血情況及內臟健康狀況。

3 多傳感器信息融合算法

該電子診脈裝置的開發，需建立一個標準脈象數據庫專家系統，專家系統是一類包含知識和推理的智能計算機程序，診斷型專家系統是目前開發和應用最多的一類專家系統。［5］上位機中開發的診斷型專家系統擁有28種標準脈象數據庫，28種標準脈象數據庫中的每一種脈象數據波形包含寸、關、尺處數據波形，將每一種脈象數據波形進行取樣，形成矩陣B，該矩陣包含三列數據，分別代表寸、關、尺處數據波形。當電子診脈裝置工作時，對人體寸、關、尺處脈動波形進行采樣，形成矩陣Y，基于最小二乘法原理，以最小平方誤差準則函數為依據，得出所診斷的脈象與標準脈象數據庫中的脈象最接近的，從而得到具體的診斷結論，并給出相應的藥方，具體計算方法如下:

本問題中的多傳感器信息融合算法實質上是在28種標準脈象數據庫構成的矩陣中尋找到一個使J(A)極小化的B作為問題的解，采樣后，每次循環共要計算28次，取J(A)的最小值為滿足該問題的解。主體開發程序流程如圖5所示。

4 結語

21世紀被公認為是生命科學的世紀。［6］本電子診脈裝置是建立在中醫脈診理論基礎上，使用現代科學技術加以開發使用的，其難點在于建立一個包含中醫脈診28種標準脈象數據庫的專家系統，而中醫脈診理論結合現代醫學仍在不斷發展和完善中。該研究對中醫理論、硬件原理及構成等部分進行了闡述，并進行了探索性的應用研究。該裝置若能與電子血壓儀、脈搏檢測器等現代家居醫學產品相結合使用，必將具有非常廣闊的應用前景，為人們及時了解自身的健康情況并依據中醫理論進行調節帶來裨益。

圖5 主程序流程圖

［1］林政宏.脈診一學就通［M］.廣州:廣東科技出版社，2009:1-2.

［2］陳華豐.中醫入門一學就會［M］.廣州:廣東科技出版社，2012:57-65.

［3］彭桂力，劉知貴，鮮華，等.基于AVR單片機的血壓、脈搏裝置設計［J］.計算機工程，2007(6):247-250.

［4］俞竹青，金衛東.機電一體化系統設計［M］.北京:電子工業出版社，2011(8):102-107.

［5］劉鋒，夏春先，黃振和.基于人工神經網絡的故障診斷專家系統［J］.國外電子測量技術，2004(4):34-36.

［6］黃國瓊，羅長坤.生命科學前沿的特征與意義［J］.醫學與哲學，2007(1):1-4.