基于光纖微震動(dòng)傳感器的脈象分析診療系統(tǒng)

李一帆+史煒+孫茂康

摘 要：擬定搭建一套對(duì)人體脈搏信號(hào)進(jìn)行提取和分析的系統(tǒng)，能夠客觀地對(duì)脈搏波進(jìn)行檢測(cè)和存儲(chǔ)，并通過(guò)比對(duì)算法進(jìn)行分析，嘗試在其中定量地找出規(guī)律，并與中醫(yī)中的各種脈象進(jìn)行比對(duì)。通過(guò)物理的方法和算法的分析對(duì)病癥有客觀而量化的判斷，為脈診客觀化的研究提供相應(yīng)的依據(jù)。

關(guān)鍵詞：脈診；客觀化；光纖微震動(dòng)；可穿戴設(shè)備

0 引 言

脈診主要是通過(guò)中醫(yī)醫(yī)生的診脈，根據(jù)自己的經(jīng)驗(yàn)分析和醫(yī)術(shù)典籍的記載進(jìn)行判斷，其本身具有很強(qiáng)的主觀特性。同時(shí)，診斷標(biāo)準(zhǔn)的模糊化也給診療帶來(lái)了一定的誤差。再則，感知的脈象無(wú)法記錄和保存影響了脈象機(jī)理的研究。究其原因，一方面是各種脈象之間存在混疊的時(shí)候，需要醫(yī)生進(jìn)行翔實(shí)的分析判斷，這本身就會(huì)引起一定的誤差，同時(shí)對(duì)于各種脈象所對(duì)應(yīng)的疾病類型，有需要醫(yī)生記憶大量的知識(shí)來(lái)進(jìn)行判斷，這無(wú)形之中也降低了診療的準(zhǔn)確度。

根據(jù)這一現(xiàn)狀，本課題組成員擬定搭建一套對(duì)人體脈搏信號(hào)進(jìn)行提取和分析的系統(tǒng)，能夠客觀地對(duì)脈搏波進(jìn)行檢測(cè)和存儲(chǔ)，并通過(guò)比對(duì)算法進(jìn)行分析，嘗試在其中定量地找出規(guī)律，并與中醫(yī)中的各種脈象進(jìn)行比對(duì)。通過(guò)物理的方法和算法的分析對(duì)病癥有客觀而量化的判斷，為脈診客觀化的研究提供相應(yīng)的依據(jù)。同時(shí)，該系統(tǒng)的搭建，可以深化醫(yī)療技術(shù)在中醫(yī)方面的開(kāi)展力度，通過(guò)物理性的分析最終實(shí)現(xiàn)中西醫(yī)結(jié)合的目的。

1 作品詳細(xì)介紹

為克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，現(xiàn)提供一種基于光纖微震動(dòng)傳感器的脈象分析診療系統(tǒng)，其抗干擾能力強(qiáng)，能采集脈搏等細(xì)小振動(dòng)，使用簡(jiǎn)便，為達(dá)上述目的，具體使用方式及設(shè)備如下：

（1）打開(kāi)腕帶，將光纖傳感器探頭貼于上臂橈動(dòng)脈附近，系緊腕帶，松緊度以不感受壓迫為宜。

（2）在一到兩個(gè)周期內(nèi)進(jìn)行脈搏信號(hào)提取，將信號(hào)輸入到診療儀內(nèi)。

（3）根據(jù)輸出的脈象圖和診療儀上的數(shù)據(jù)庫(kù)初步判斷疾病信息。

（4）進(jìn)一步對(duì)數(shù)據(jù)處理分析，得到脈搏時(shí)域上的脈搏波形，然后進(jìn)行脈搏信息的三維重構(gòu)，在三維形態(tài)的基礎(chǔ)上，提取脈象的頻率、脈長(zhǎng)、脈寬等特征，進(jìn)一步分析比照病情并存檔入數(shù)據(jù)庫(kù)。

2 工作原理

光纖傳感大量應(yīng)用于周界報(bào)警，其對(duì)微小震動(dòng)的敏感程度極高。通過(guò)血氧飽和度的漫射光層析成像與活體之間僅僅通過(guò)夾持的方式銜接，在運(yùn)動(dòng)中容易掉落，對(duì)需要大量進(jìn)行運(yùn)動(dòng)的人員身體狀況的監(jiān)測(cè)效果并不明顯。另一個(gè)方面，光纖系統(tǒng)具有天然的抗電磁干擾的功能。

通常所用的傳感光纖采用鎧裝的通信光纜，它能保證在不受外界多變的氣候和惡劣環(huán)境的影響下，仍然能采集細(xì)小的震動(dòng)。

當(dāng)光信號(hào)經(jīng)由激光器輸送進(jìn)光纖時(shí)，探測(cè)器會(huì)處理接收到的光信號(hào)，并且實(shí)時(shí)反映出接收到光信號(hào)的相位。通常情況下傳感光纜沒(méi)有受到任何干擾或光的傳輸沒(méi)有變化，那么光信號(hào)的相位也將不發(fā)生變化，對(duì)應(yīng)于探測(cè)器上是一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的波形。當(dāng)傳感光纖受到運(yùn)動(dòng)或震動(dòng)的干擾時(shí)，光信號(hào)的傳輸模式就會(huì)發(fā)生變化。

對(duì)于一些的應(yīng)用場(chǎng)合，傳感光纖沒(méi)有固定的相位作為參照，因此從使用方法上進(jìn)行如下修正。

系統(tǒng)由四部分構(gòu)成，分別是激光光源，傳輸光纖，數(shù)據(jù)初步處理與傳輸系統(tǒng)，外圍纖維束帶四部分。

第一部分，激光光源，目前市場(chǎng)上生產(chǎn)的激光光源種類較多，選取應(yīng)適當(dāng)偏重單色性較好的光源。

第二部分，光纖傳輸系統(tǒng)。由一段光纖光柵應(yīng)變傳感器構(gòu)成，探頭部分緊貼脈搏，探頭封裝在纖維束帶內(nèi)。

第三部分是光信號(hào)數(shù)據(jù)初步處理與傳輸系統(tǒng)。接收到的信號(hào)通過(guò)數(shù)據(jù)的初步處理，形成信號(hào)波形，分析產(chǎn)生脈搏信號(hào)，并傳輸?shù)竭M(jìn)一步的分析系統(tǒng)中。

第四部分剛才已經(jīng)提到，主要作用有二：①經(jīng)過(guò)纖維束帶包裹的光纖光纜可以受到很好的保護(hù)。②纖維束帶可以使光纖較好地固定在被檢測(cè)的活體手腕上，并且通過(guò)彈性放縮可以使之很好地貼近脈搏部位，得到最終的信號(hào)。

其中運(yùn)用到了平面應(yīng)變片，闡述如下。

脈搏波屬于低頻，微弱信號(hào)，裸露的光纖光柵在測(cè)量脈搏時(shí)，靈敏度不能達(dá)到要求，故采用平面應(yīng)變片進(jìn)行增敏處理。在一定程度上增加了信噪比，減小了溫度、肌肉抖動(dòng)的誤差。將測(cè)得的信號(hào)進(jìn)行脈搏震動(dòng)時(shí)間分布函數(shù)的轉(zhuǎn)化，以此實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)被檢測(cè)活體脈搏的震動(dòng)周期、振幅，并通過(guò)其中的拓?fù)渥兓P(guān)系，為后期的脈搏——中醫(yī)信號(hào)分析做了硬件上的支持。值得注意的是，整個(gè)過(guò)程中需要比較精準(zhǔn)合適的信號(hào)放大處理，以便從復(fù)雜的背景中提取出有用的脈搏信息。

3 作品創(chuàng)新點(diǎn)

（1）利用光纖微震動(dòng)傳感器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行脈搏波的提取，特別是通過(guò)束帶的固定進(jìn)行橈動(dòng)脈的緊貼，最大程度上模擬了中醫(yī)的切診動(dòng)作。

（2）利用光學(xué)相干檢測(cè)靈敏度高、噪聲低、動(dòng)態(tài)范圍大等優(yōu)點(diǎn)，全面提取人體脈搏信息的各細(xì)節(jié)特征，為脈象診療分析提供全面詳盡的數(shù)據(jù)支撐。

（3）提出脈象基底的思路，即將基本脈象作為基底，利用分解變換的方法將混疊脈象向各種脈象基底分解，通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)比對(duì)的方式量化各種體征特點(diǎn)。

（4）利用參考信號(hào)的方式，濾掉人體運(yùn)動(dòng)、呼吸等行為引入的干擾，并通過(guò)多種信號(hào)處理方式提高檢測(cè)的精度。

4 市場(chǎng)前景

隨著社會(huì)進(jìn)步，人們對(duì)自己身體的關(guān)注程度也在逐日增加。西醫(yī)在治療中講究治標(biāo)，主要是大型的醫(yī)療儀器、化學(xué)藥品和手術(shù)等方式，而中醫(yī)則通過(guò)診斷，針灸推拿以及湯藥等方式進(jìn)行治療。中醫(yī)中檢測(cè)手段的非破壞性、安全性正在成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)。所以，對(duì)市場(chǎng)而言，急需一種準(zhǔn)確的實(shí)現(xiàn)脈診客觀化的儀器，而本課題中的基于光纖微震動(dòng)傳感器的脈象分析診療系統(tǒng)就充分滿足了這種需求。一種能夠準(zhǔn)確檢測(cè)脈象的系統(tǒng)，可以推動(dòng)中醫(yī)進(jìn)一步發(fā)展，這樣的系統(tǒng)，特別是小型化的家用系統(tǒng)具有龐大的市場(chǎng)潛力并可能產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益。