一種野戰(zhàn)便攜式脈象檢測(cè)儀的研制

申林

聊城市第三人民醫(yī)院，山東 聊城252000

0 前言

脈象診斷起源于中國(guó)，發(fā)展歷史悠久[1]。健康人體的內(nèi)外環(huán)境發(fā)生變化時(shí)，正常脈象也會(huì)產(chǎn)生生理性變化。通過(guò)診斷脈象可以判別疾病的發(fā)生部位及其性質(zhì)，進(jìn)而推斷病情的輕重[2-3]，但脈象診斷結(jié)果會(huì)因中醫(yī)的切脈程度不同而具有主觀性、抽象性。在工程學(xué)與醫(yī)學(xué)及計(jì)算機(jī)電子技術(shù)緊密結(jié)合的現(xiàn)代社會(huì)，中醫(yī)號(hào)脈發(fā)展比較緩慢，很難被下一代完全繼承。醫(yī)療儀器可輔助醫(yī)生更精確地診斷病情，協(xié)助護(hù)士更好地護(hù)理病人。現(xiàn)代的醫(yī)療儀器很多，體積和重量也很龐大，很難攜帶。在野戰(zhàn)環(huán)境下，使用普通的醫(yī)療儀器比較繁瑣，極為不便。

鑒于此，軍內(nèi)需要一款攜帶方便并可適應(yīng)野戰(zhàn)環(huán)境的脈象儀[4]。我們研制了一款野戰(zhàn)便攜式脈象檢測(cè)儀，主要用于野戰(zhàn)后勤保障部隊(duì)對(duì)傷員脈象圖譜的檢測(cè)，以提高后勤保障能力，加快野戰(zhàn)衛(wèi)生裝備的信息化發(fā)展[5-6]。

1 硬件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)采用適合脈象信號(hào)特征的HK2000G傳感器，根據(jù)傳感器拾取的脈象信號(hào)的幅值、頻率等特點(diǎn)，選擇具有高輸入阻抗、高共模抑制比（CMRR）等特性的儀用放大器和數(shù)字電位器，實(shí)現(xiàn)脈象信號(hào)的增益自動(dòng)調(diào)整；設(shè)計(jì)低頻和工頻干擾的濾波電路，完成脈象信號(hào)的濾波處理；根據(jù)信號(hào)頻率特點(diǎn)，采用8路12位的A/D轉(zhuǎn)換芯片，實(shí)現(xiàn)脈象信號(hào)的采集； 并設(shè)計(jì)防電擊電路，保證脈象儀的使用安全。

1.1 脈象傳感器的選擇

脈象信號(hào)屬于強(qiáng)背景噪聲下的微弱信號(hào)[7]，因此選擇用于拾取脈象信號(hào)的傳感器至關(guān)重要。脈象信號(hào)主要是脈搏波動(dòng)，但醫(yī)生號(hào)脈時(shí)也會(huì)給脈搏一個(gè)較小的壓力。因此，實(shí)際采集到的脈象信號(hào)是號(hào)脈壓力與脈搏波動(dòng)信號(hào)的疊加。基于此，本設(shè)計(jì)采用HK2000G傳感器。HK-2000G壓阻式傳感器可由電壓或電流驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生正比于輸入壓力的毫伏級(jí)的電壓輸出信號(hào)，具有優(yōu)異的可重復(fù)性和時(shí)間穩(wěn)定性，非常適用于中醫(yī)脈象診斷，具有集成度高、可靠性高、體積小巧、靈敏度高等特點(diǎn)，符合脈象信號(hào)采集的原則。

1.2 脈搏信號(hào)調(diào)理模塊

脈象信號(hào)在經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換之前需要經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理。脈象傳感器獲取的信號(hào)非常微弱，需要采取相關(guān)措施對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大，但在放大有用信號(hào)的同時(shí)，也會(huì)放大噪聲信號(hào)，這就需要將采集到的信號(hào)經(jīng)濾波電路濾除部分噪聲。信號(hào)放大濾波電路的設(shè)計(jì)需要滿足保留有用信號(hào)、濾除噪聲信號(hào)的要求，因此放大濾波電路要具有“三高二低”（高輸入阻抗、高CMRR、高安全性、低基線漂移、低雜音）的特點(diǎn)[8-9]。

圖1 軟件主程序流程圖

1.3 A/D轉(zhuǎn)換模塊

本設(shè)計(jì)采用基于MAX152CPP集成芯片的A/D轉(zhuǎn)換模塊。MAX152CPP是由兩級(jí)比較型A/D轉(zhuǎn)換器并行構(gòu)成的，具有A/D轉(zhuǎn)換速度快的特點(diǎn)，其輸出端口采用的是三態(tài)鎖存緩沖電路，與8位微處理器的兼容性很好[10]，這些特點(diǎn)可極大地滿足經(jīng)放大濾波后的有用信號(hào)對(duì)A/D轉(zhuǎn)換的要求。

1.4 主控模塊與顯示模塊

有許多研究采用數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）作為脈象檢測(cè)儀的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[11-14]，DSP確實(shí)有很多好處，但是價(jià)格也很高。為降低功耗和成本，本設(shè)計(jì)采用AT89C2051單片機(jī)作為主控核心。AT89C2051單片機(jī)支持發(fā)送與接受同時(shí)進(jìn)行的串行接口[15]，使用RS232將單片機(jī)與PC機(jī)連接，以便后續(xù)將采集到的脈象信號(hào)傳遞到PC機(jī)上，實(shí)現(xiàn)脈象信號(hào)的自動(dòng)分析和診斷的功能。同時(shí)，AT89C2051單片機(jī)與LCD顯示屏連接，可實(shí)現(xiàn)脈象信號(hào)的實(shí)時(shí)顯示功能。

1.5 電源模塊及聲光報(bào)警模塊

電源模塊為整個(gè)系統(tǒng)提供電源[16]，MAX152CPP芯片的參考電壓是3 V，主控芯片的電壓是5 V。電源模塊可以提供15 V電壓，可以滿足整個(gè)系統(tǒng)的正常工作。將數(shù)據(jù)傳到上位機(jī)后，如果時(shí)域參數(shù)超過(guò)正常值，聲光報(bào)警模塊就會(huì)發(fā)出報(bào)警。

2 軟件設(shè)計(jì)

2.1 功能設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)的應(yīng)用程序主要用于實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、處理、顯示等功能，負(fù)責(zé)調(diào)度各應(yīng)用程序模塊，并與其他設(shè)備及時(shí)交換信息，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)軟、硬件資源的整體管理。主程序流程圖，見(jiàn)圖1。

2.2 特征值提取

圖2 脈象信號(hào)的時(shí)域特征圖

本設(shè)計(jì)采用閾值法求得脈象信號(hào)的時(shí)域特征值t、h3/h1、h4/h1、K、c。

本設(shè)計(jì)采用功率譜的分析方法提取脈象信號(hào)的頻域特征值：① f0：基頻，功率譜中第一主峰所對(duì)應(yīng)的頻率，可反映心臟搏動(dòng)的基本頻率，即心臟跳動(dòng)的快慢；② h0：前次峰值，功率譜第一主峰前的一個(gè)峰值，可反映測(cè)試者的呼吸頻率；③ x:功率譜諧波個(gè)數(shù)，代表頻率是基頻整數(shù)倍的波峰的個(gè)數(shù)，可在一定程度上反映脈搏的節(jié)律；④ 譜能比： SER10=E10/E，E10表示脈象信號(hào)在0～10 Hz的譜能量，E表示脈象信號(hào)在主頻率范圍0～40 Hz的總能量。

3 實(shí)驗(yàn)分析

為驗(yàn)證脈象檢測(cè)儀的性能，在本市野外環(huán)境中采集了280名受過(guò)野外訓(xùn)練的人員的脈象信號(hào)，并且由老中醫(yī)為他們號(hào)脈診斷。其中8例樣本的特征值參數(shù)，見(jiàn)表1。

這些樣本中平脈、沉脈、細(xì)脈、數(shù)脈、緩脈和弦脈的數(shù)量比例是2:1:1:1:1:1。利用支持向量機(jī)[17]和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法[14]，分別根據(jù)提取的所有特征值和其中的7個(gè)特征值t、h3/h1、h4/h1、K、f0、h0、x，對(duì)采集的脈象信號(hào)樣本進(jìn)行分類識(shí)別。結(jié)果見(jiàn)表2～3。

表1 脈象信號(hào)的特征參數(shù)表

表2 脈象信號(hào)分類結(jié)果（支持向量機(jī)算法）（例）

表3 脈象信號(hào)分類結(jié)果（BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法）（例）

由表2可知，通過(guò)支持向量機(jī)對(duì)140例脈象信號(hào)的訓(xùn)練樣本進(jìn)行分類識(shí)別，其中誤判的脈象信號(hào)樣本數(shù)為7例，訓(xùn)練樣本的正確識(shí)別率達(dá)95%；對(duì)140例脈象信號(hào)的測(cè)試樣本進(jìn)行分類識(shí)別，其中誤判的脈象信號(hào)樣本數(shù)為12例，測(cè)試樣本的正確識(shí)別率達(dá)91.3%。由表3可知，通過(guò)對(duì)脈象樣本的識(shí)別，該脈象檢測(cè)儀對(duì)脈象信號(hào)測(cè)試樣本的平均識(shí)別率可達(dá)89.9%。由表2和表3相比可知，對(duì)于基于該脈象檢測(cè)儀的脈象信號(hào)測(cè)試樣本分類識(shí)別，支持向量機(jī)算法的識(shí)別率比BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法要高。

以上數(shù)據(jù)證明，對(duì)于相同的分類識(shí)別算法，并不是特征值的個(gè)數(shù)越多，分類識(shí)別率就越高；對(duì)于相同的特征值個(gè)數(shù)，采用不同的分類識(shí)別算法，其識(shí)別率也不相同。對(duì)于該脈象檢測(cè)儀，采用支持向量機(jī)算法優(yōu)越于采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法。

4 結(jié)論

本研究通過(guò)遴選合適的信號(hào)采集傳感器，從信號(hào)的濾波放大、A/D轉(zhuǎn)換、信號(hào)處理、單片機(jī)及其外圍控制電路等方面研制了一種野戰(zhàn)便攜式脈象檢測(cè)儀，完成了脈象信號(hào)的采集、顯示和存儲(chǔ)。該脈象檢測(cè)儀具有體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定可靠、功耗低、可移動(dòng)性強(qiáng)、價(jià)格低廉等特點(diǎn)，可通過(guò)增設(shè)的USB接口與上位機(jī)進(jìn)行通信，提取脈象信號(hào)的時(shí)域和頻域的特征值，并可分別采用支持向量機(jī)算法和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法實(shí)現(xiàn)對(duì)正常和異常脈象信號(hào)的分類識(shí)別，平均識(shí)別率可達(dá)89.9%。總之，該脈象檢測(cè)儀實(shí)現(xiàn)了脈象圖譜的客觀化、具體化檢測(cè)，可在野戰(zhàn)訓(xùn)練中對(duì)訓(xùn)練人員的生命體征進(jìn)行檢測(cè)。

[1]黃世林,孫明異.中醫(yī)脈象研究[M].北京:人民衛(wèi)生出版社,1995.

[2]費(fèi)兆馥.現(xiàn)代中醫(yī)脈診學(xué)[M].北京:人民衛(wèi)生出版社,2003.

[3]彭濤.脈象信號(hào)分析與中醫(yī)脈象證型識(shí)別研究[D].蘇州:蘇州大學(xué),2008.

[4]王志陽(yáng),孫瑛.信息化戰(zhàn)爭(zhēng)衛(wèi)勤保障的主要特點(diǎn)[J].西南國(guó)防醫(yī)藥,2003,13(4):436-437.

[5]漢瑞娟.外軍野戰(zhàn)衛(wèi)生裝備現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[J].解放軍護(hù)理雜志,2012,29(3):30-32.

[6]宋振興,吳太虎,孟興菊,等.便攜式生命支持系統(tǒng)的研制[J].中國(guó)醫(yī)療設(shè)備,2012,27(7):27-29.

[7]張珍玉,蘇玉章,喻自成.中醫(yī)學(xué)基礎(chǔ)[M].北京:中國(guó)中醫(yī)藥出版社,1992.

[8]阮健俊.低功耗遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].自動(dòng)化儀表,2012,33(11):45-47.

[9]陳尚松,郭慶,雷加.電子測(cè)量與儀器[M].北京:電子工業(yè)出版社,2009.

[10]潘宏歌.8位高速模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片MAX152及其典型應(yīng)用 [EB/OL].[2010-01-04][2014-09-25].http://www.paper.edu.cn/html/releasepaper/2010/01/67/copy_right.shtml.

[11]王艷蘋(píng).脈圖信息采集處理系統(tǒng)[D].濟(jì)南:山東大學(xué),2006.

[12]劉峰.中醫(yī)脈象描述特點(diǎn)及全方位脈象儀器檢測(cè)研究[D].北京:北京中醫(yī)藥大學(xué),2007.

[13]李國(guó)棟.智能化脈象采集與象譜分析系統(tǒng)研究[D].黑龍江:黑龍江大學(xué),2002.

[14]焦琪玉,龐春穎.基于DSP的脈象儀的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].中國(guó)醫(yī)療器械雜志,2013,37(2):112-115.

[15]張萌,和湘,姜斌.單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)開(kāi)發(fā)綜合實(shí)例[M].北京:清華大學(xué)出版社,2007.

[16]Wang BH,Xiang JL.Detecting system and power_spectral analysis of pulse signals of human body[C].Proc of IEEE Inter Conf on Signal Processing,Bejing,1998.

[17]龐春穎,韓立喜,劉記奎.HHT和提升小波包相結(jié)合的心音信號(hào)識(shí)別研究[J].信號(hào)處理,2014,30(1):112-118.