基于中醫診斷技術的智能手環研究

陳炫慧　謝嚴坤　王萌　郭乃文　蔣琬秋

摘 要：為了研究中醫把脈在傳感器上的利用，由此提出了基于中醫診斷技術的智能手環的概念。首先，基于PVDF壓力傳感器的原理，檢測出人的心率；然后，基于光電式脈搏傳感器的原理，可獲取精確的脈搏信息，解決了以往中醫把脈靠手指感知來獲取脈搏信息存在的主觀性和定性化問題。最后，基于中醫診斷技術的智能手環嵌入睡眠監測模塊，全方位地為人們提供最完善的安全監測平臺。

關鍵詞：脈搏；心率測試；傳感器；可穿戴；睡眠監控

中圖分類號：TP368 文獻標識號：A 文章編號：2095-2163（2016）01-

Abstract： In order to study the use of TCM pulse on the sensor， the concept of TCM diagnostic technology is proposed based on smart bracelet. Firstly， the heart rate is detected using PVDF pressure sensor. Secondly， accurate information of the pulse is obtained with the principle of the photoelectric pulse sensor， which solves subjectivity and qualitation by sensing finger to get the pulse of information in traditional chinese medicine. Finally， the sleep monitoring module is embedded in TCM intelligent bracelet， which provides the best safety monitoring for people.

Key words： pulse； heart rate； sensor； wearable； sleep monitoring

1 研究背景

早期美國John H·Laub[1]根據中醫脈診的啟示，設計了脈搏記錄儀，這是一種可探測不同壓力下脈搏波動的裝置，該儀器將換能器分別并排固定于食指、中指、無名指的手套前端，按在病人寸關尺三部脈上，用三只筆同時記錄三部脈象的波形，并進行分析，醫者的指感壓力也可以同時顯示。這個技術說明了脈象確實能被監測和記錄。從中醫的角度來思考，認為氣血是形成脈象的物質基礎[2]。但單獨依靠脈象檢測儀，無法形成一個完整的體系能夠對脈象進行研究。同時，脈象檢測的儀器太過于龐大，不適合日常使用，因此根據可穿戴式的技術，結合脈搏記錄與檢測儀等技術，提出了基于中醫診斷技術的智能手環的構想。

2 研究技術

利用當今智能手環中重力傳感器一線多能的原理，結合用戶之前輸入的個人身體體征的基本信息，由此獲取基本生理參數以及其衍生參數。具體內容包括：

（1）基本生理參數：心率、呼吸率、潮氣量、胸呼吸、腹呼吸、體位、體動、體溫等；

（2）衍生參數：心率變異性 （HRV）、呼吸性竇性心率不齊（RSA）、每分通氣量、分數吸氣時間、 峰值吸氣氣流、胸呼吸容量、腹呼吸容量、胸腹呼吸貢獻比、胸腹運動協調性等。

根據一些特定算法，得到針對個人的個性化監測數據，諸如一天的運動量等。同時，在手環的內部加入溫度傳感器，感知外部氣溫的變化，判斷季節。綜合利用現代智能手環所能提供的各種信息，再加入一種特定的脈搏壓力傳感器，內置彈性薄膜材料為PVDF[3]，電容極板為金屬銀漿，電容以空氣為介質，這種結構有利于提高傳感器的靈敏度和線性度。由于重點是測試可穿戴式傳感器性能，故實驗中采用了簡單的RS232連接，實際應用場合采用藍牙、Zigbee等技術。

實驗所采用的PVDF具有膜質輕且柔韌，與人體組織的阻抗耦合性好，能緊貼皮膚，靈敏度高。可以準確讀取實驗所采取的信號，適用性強等優點。

2.1 心率測試模板

心、脈是形成脈象的主要臟器。可以通過脈搏壓力傳感器來實現心臟的波動，心氣的盛衰，脈道的通利和氣血的盈虧等信息的采樣與提取。構建一種可穿著的日常心率測試監控系統，能夠采集心跳信號，從而用于日常心率測試、儲存、報警、實時監控等功能的研發與設計。

系統工作原理；脈搏跳動引起PVDF材料表面電荷變化，積分電路將電荷信號轉換為電壓信號，而后經信號處理電路將電壓信號變成標準的脈沖輸入到處理器。中央處理器根據輸入設備上用戶輸入的指令進行相關處理，當測量數據超過正常范圍時進行聲光報警。結構圖如圖1和圖2所示。

2.2 血壓測試模板

手環通過光電傳感器將動脈或靜脈血流容積波信號轉換為相應的電信號，經共同的前置放大電路之后，可分別通過各自不同的濾波和放大電路，將各部分區分開來。智能化外周血液循環監測儀原理[5]如圖3所示。其中，動脈信號放大濾波電路，根據動脈信號頻率的范圍，將其從背景中提取出來并加以放大，之后要通過動脈抬高電路加以修整；靜脈信號放大濾波電路，則是根據靜脈信號頻率范圍，而DC校正電路是為增加可比性而設計的。這三路由選擇開關來控制。而之后的電信號將經過低通濾波和5OHz陷波器，進入A/D轉換。數字電路部分以芯片8751和8255為接口，將A/D轉換的結果送入 PC機的入口，相互間又有選擇譯碼電路來控制實現。

血壓測試選用的是光電傳感器的反射類型，反射型指的是光源和光電接收器位于被測體的同一側面，并緊靠在一起。使用反射類型光電式傳感器的優點是能實現光電隔離，故而可減少對第一級的干擾。其工作原理是：當一定波長的光束照射在手腕一側時受到腕部的血液的吸收和衰減作用，以致抵達光電接收器時其強度大為減弱。因脈搏在心循環中保持不變，即決定了對光的吸收和衰減作用也是恒定不變的。而手腕在心循環過程中則呈搏動性變化，故其對光的吸收和衰減作用也相應是脈動的，于是光電接收器獲得的信號便反映了手腕動脈血液容量搏動性變化的情況。

研究選用波長為940nm的紅外發光二極管和光電池組成的傳感器，并采用光電池接收血流反射的紅外光信號，如圖4所示。

選定的紅外發光二極管具有單色性強，體積小，機械強度高，壽命長，耗電省，響應速度快等優點。

2.3 睡眠測試模板

在標準的人工分析下，睡眠記錄通常以90min為一個周期。在一個周期內，人一般會經歷5個不同的階段，分別為：入睡期、淺睡期、熟睡期、深睡期、快速動眼期。在眼動期，人們會有大量的快速且無規律的眼球運動。非眼動期睡眠則很少或幾乎沒有眼球運動，肌肉也不會像眼動期一樣無力[6]。而中醫智能手環是利用加速度器原理測量手腕的運動幅度和心跳頻率，根據手腕肌肉的松弛伸張程度來判斷使用者的睡眠情況，使用者可以利用中醫智能手環在日常生活狀態下收集到足夠長時間的睡眠數據，從而可以精準地進行睡眠質量的分析。

3 發展現狀與前景

目前國內大部分的智能型手環的功能只是停留在人們對于運動的體驗上，相對地，能時刻檢測和分析人體健康的可穿戴智能設備卻少之又少。一是由于在識別、檢測人體相關數據上存在技術難關，二是由于擁有相關功能的可穿戴設備價格高昂，無法滿足大多數人對于智能型可穿戴設備的實際期望。

本文中所提到的基于中醫診斷技術的智能手環正好彌補了“醫療型智能型可穿戴設備”這一市場欠缺，同時，由基于中醫診斷技術的智能手環引領風行的脈象檢測系統將會進一步地提升中醫的診治質量，大大節約費用和人力成本，因而必將有效地推動中醫診治在社會上的加速發展，而在一定程度上也將會產生可觀的經濟效益。

參考文獻：

[1]袁肇凱.國外脈診研究概況[J]. 浙江中醫雜志，1989，24（7）；329-331.

[2]賀振泉，原林.從經絡筋膜學說看脈象形成機理[J].中國中醫基礎醫學雜志，2005，11（7）：489-491.

[3] 佚名. 電薄膜傳感器技術（國際互聯網版本）[Z]. 深圳：精量電子（深圳）有限公司，1998.

[4]王代華，周德高；PVDF壓電薄膜振動傳感器及其信號處理系統[J].壓電與聲光，1999，21（2）；122-126.

[5]李翠微.動態心電信號數據壓縮的神經網絡算法[J].中國醫療器械雜志，1993，17（3）；133-136.

[6] FERINI-STRAMBI L， ZUCCONI M. REM sleep behavior disorder[J].Clin Neurophysiol，2000， 111（Suppl 2）：S136-S140.