基于新型氣囊傳感探頭的脈搏檢測裝置設計*

張愛華, 王敬陽, 林冬梅, 王 琦

(1.蘭州理工大學 計算機與通信學院，甘肅 蘭州 730050；2.蘭州理工大學 電氣工程與信息工程學院，甘肅 蘭州 730050；3.蘭州理工大學 甘肅省工業過程先進控制重點實驗室，甘肅 蘭州 730050；4.蘭州理工大學 電氣與控制工程國家級實驗教學示范中心，甘肅 蘭州 730050)

0 引 言

中醫切脈的準確性與可靠性依賴于醫師個人的主觀感覺與經驗積累，缺乏客觀、量化的診斷指標，存在主觀性強和可重復性差等不足。研制脈診客觀化檢測裝置，對于揭示中醫切脈機理、疾病預防與診斷等均具有重要的科學意義和廣闊的應用前景。目前，脈搏檢測主要采用光電式、壓電式和壓阻式傳感器等[1～7]。國內外學者也研制了不同種類的脈搏檢測裝置，如橈動脈觸力傳感器檢測裝置、3維數字圖像相關法的脈搏信息采集系統、雙感脈診儀、腕部脈搏采集裝置等[8～12]，可檢測到三部九侯的脈搏信號，由于傳感器體積、點數及檢測方式等限制，不能精細地反映切脈皮膚表面各點的形變情況，且獲得的脈幅值不是脈搏搏動的實際縱向離面位移值。

本文研制了多代基于氣囊探頭的脈搏檢測裝置[12～16]，實現了3維脈搏信息可視化。本文在前期工作的基礎上，進一步研究靈敏度高、可重復性強的新型脈搏檢測裝置，實現氣囊傳感探頭內壓與血管內壓精準匹配，獲得更為豐富且有效的脈搏信息。

1 改進的脈搏檢測裝置

1.1 裝置介紹

脈搏檢測裝置如圖1(a)所示，由切脈壓力加載模塊、雙目視覺同步采集系統模塊以及氣囊傳感探頭模塊組成。切脈壓力加載模塊和雙目視覺同步采集系統模塊如圖1(b)所示。切脈壓力加載模塊主要由4個部分組成：直進式測微頭(日本三豐Mitutoyo公司，153—203#，分度值0.01 mm)、調焦手輪旋鈕、“一”字形應變片、以及鋁制氣囊傳感探頭固定支架。雙目視覺同步采集系統由硬件系統與軟件系統構成[16]。其中，硬件系統的主要構成有：2部CCD工業相機(Basler acA1300—30gm，GigE接口，分辨率為130萬像素，最大幀率為30 fps)、工業鏡頭(COMPUTAR M0814—MP，焦距為8 mm，鏡頭畸變小于1 %)、鋁制“Z”型相機固定支架。氣囊傳感探頭模塊如圖1(c)所示，用于感知及轉換橈動脈處血管的運動，主要由6部分構成：異形亞克力薄片(直徑為80 mm，厚度為3 mm)、可穿孔硅膠墊片(厚度為3 mm)、柔性薄膜(厚度為0.5 mm)、進氣孔、固定螺釘、直徑為80 mm的中空有機玻璃筒狀體。氣囊傳感探頭頂端由強透光性、自重輕的異形亞克力板制作，可保證氣囊傳感探頭的氣密性。選用邵氏硬度為60的硅膠墊片作為氣囊傳感探頭密封圈，并在其側壁留有小孔用于放置導氣管。柔性薄膜采用厚度為0.5 mm的聚乙烯材料制作，表面通過光敏印章印有數量為45×45個圓形標記點。氣囊傳感探頭管壁采用半透明有機玻璃棒制成筒狀體，可實現柔性薄膜的固定。通過浸水氣泡法與壓力表示數觀察法驗證，該氣囊傳感探頭具有良好的氣密性。

圖1 基于氣囊傳感探頭的脈搏檢測裝置

1.2 工作過程

中醫師切脈過程存在2個最明顯的特征，即通過指面向脈管施加不同大小的力，指面也能感受到反映脈搏特點的細微反搏力。在脈搏檢測裝置中，使得氣囊傳感探頭內充有適量氣體，以氣囊傳感探頭柔性薄膜模擬人體指面，其形變大小可間接感知脈管的細微反搏力；通過改變測微頭測量桿垂直高度，使得氣囊傳感探頭可調節作用于脈管的力。脈搏檢測裝置的工作過程可描述為：

1)通過光敏印章將規則圓形特征點印制于柔性薄膜，按照圖1(c)進行順序組裝氣密性良好的氣囊傳感探頭。

2)使得橈動脈下段(手腕)處于氣囊傳感探頭正下方，借助調焦手輪旋鈕確定氣囊傳感探頭與被試者腕部檢測區域的初始位置。

3)以0.05 mm為步長向上或向下旋轉測微頭微分筒，通過激光位移傳感器實時觀察不同狀態下薄膜形變量，確定氣囊傳感探頭內壓與血管內壓的匹配程度，以薄膜形變量最大值時測量桿運動位移作為數據采集的最有效狀態。

4)最佳匹配狀態確定后，通過氣囊傳感探頭上方雙目視覺同步采集系統采集動態薄膜圖像與標定圖像。

2 檢測裝置性能分析

2.1 實驗方法

精度是衡量裝置性能的指標之一。脈搏檢測裝置采集薄膜圖像時，若氣囊傳感探頭內壓與血管內壓未達到匹配狀態，將導致血管壁運動未能完全有效地轉換為動態薄膜形變，從而引起誤差；同時，多點脈搏波計算時，相機標定結果、特征點提取參數設置、特征點空間坐標計算等都會引入誤差。為了進一步驗證脈搏檢測裝置檢測結果是否有效，設計以下實驗。

本實驗選取可調節z軸位移的升降臺作為參照物，采用激光位移傳感器與脈搏檢測裝置同時檢測升降臺z軸位移，以激光位移傳感器檢測結果為參考，分析脈搏檢測裝置誤差。通過北京思邁科華技術有限公司的8通道同步數據采集卡USB—4221對激光位移傳感器模擬信號進行A/D轉換、數據傳輸、存儲，采樣率為100 Sa/s。

2.2 實驗步驟

1)將LZ40型升降臺放置于穩定平面上且調節至標準平面處(螺旋千分尺0 mm刻度線時升降臺臺面所在平面作為標準平面)。2)將激光位移傳感器固定在有效測量范圍內且激光點可垂直照射在升降臺臺面處,如圖2所示。

圖2 脈搏檢測裝置精度分析實驗

3)通過螺旋千分尺手動調節升降臺臺面距離標準平面距離，每次向上或向下旋轉約0.1 mm且保持狀態約10～20 s，使得臺面距離標準平面的位移約是0.1 mm以及0.2 mm。4)將檢測結果與標準值進行對比，分析該裝置精度。

2.3 分析與討論

激光位移傳感器采集的數據為電壓值，進一步可得到升降臺臺面位移。通過脈搏檢測裝置采集LZ40型升降臺不同狀態時的薄膜圖像。通過圖像二值化、質心提取等預處理及立體匹配等算法[15]，可確定動態薄膜圖像中用于計算LZ40升降臺位移的標記點公共區域為4×4個標記點。通過雙相機立體標定算法[17]，可得到標記點從成像平面坐標系與世界坐標系之間的關系。由標定結果可知：左右相機的有效焦距為(2 243.335 54 2 240.091 52),(2 221.409 79 2 216.455 12)，旋轉矩陣om為(-0.002 93 0.630 97 0.016 71)，平移矩陣T為(-39.398 43 -1.390 00 20.831 64)?；谙嘟还廨S雙目視覺系統結構測量原理，應用空間點坐標計算式(1)，計算柔性薄膜圖像中標記點的空間3維坐標

(1)

式中 (x,y,z)為標記點在世界坐標系的3維空間坐標，(Xl,Yl),(Xr,Yr)是標記點在圖像坐標系中的圖像坐標，fl,fr是左、右相機的焦距，(r1,r2,r3,r4,r5,r6,r7,r8,r9)構成大小為3×3旋轉矩陣om，(tx,ty,tz)構成大小為1×3的平移矩陣T。

為了更加準確、有效地分析脈搏檢測裝置的檢測精度，按照上述實驗步驟進行10次重復性實驗，對升降臺臺面的不同狀態進行研究。通過激光位移傳感器校準脈搏檢測裝置檢測結果，實驗結果表明：脈搏檢測裝置檢測結果平均誤差為0.001 2 mm，均方誤差為0.002 9，最大誤差為0.004 7 mm，精度為95.17 %。

3 檢測裝置可靠性分析

3.1 最佳匹配狀態確定與實驗數據

為了進一步說明裝置檢測結果的可靠性，本文選擇上海中醫藥大學研發的MM—3脈象模型(A組)，作為動態脈搏信號發生器。其中，隨著模擬血管的收縮擴張，仿生手腕部模擬血管產生搏動，使得氣囊傳感探頭柔性薄膜產生形變，進一步引起柔性薄膜上標記點發生位移。最佳匹配狀態確定過程，具體如下：將激光位移傳感器穩定固定于氣囊傳感探頭上方；通過充氣裝置使得探頭內具有40 mmHg的初始內壓；通過手輪調焦旋鈕使得柔性薄膜與仿生手橈動脈處“皮膚”貼合，作為調節最佳匹配的起始狀態；以0.05 mm為步長調節測微頭垂直行走，比較不同狀態下脈搏波脈幅值(pulse amplitude，PA)，以脈幅值最大值所屬狀態作為最佳匹配狀態，結果如圖4所示。由圖3可知：在該初始位置下，從檢測到最大脈幅值至恢復最大脈幅值狀態時，共需10次調節，測量桿位移為0.3 mm，此時，最大脈幅值為0.200 1 mm，認為氣囊傳感探頭內壓與血管內壓實現最佳匹配。同時，由于調節次數受到初始位置的影響，上述最佳匹配狀態調節次數與測量桿位移不具有唯一性。

圖3 最佳匹配狀態確定過程

氣囊傳感探頭內壓與血管內壓匹配時，通過脈搏檢測裝置采集動態薄膜圖像。由脈搏波提取及脈搏形態3維重構算法可得，某一時刻圖像平面和脈搏形態的3維空間對應關系[15]，如圖4所示。其中，圖4(a)中圈為柔性薄膜形變較為明顯區域，圖4(b)為某一時刻脈搏3維形態的重構圖像，其橫縱坐標分別表示標記點對應薄膜上的尺寸，z軸表示脈搏搏動的實際縱向離面位移值。計算連續時間內某一標記點的z值序列，將其連接成波形，即可獲得該標記點的脈搏波。脈搏檢測裝置和激光位移傳感器的檢測結果，如圖5所示。

圖4 某一時刻圖像平面和脈搏形態的三維空間對應關系

圖5 脈搏檢測裝置與激光位移傳感器檢測結果

3.2 一致性分析

Bland-Altman法是用于評價兩種測量一致性的標準方法?；舅枷胧欠謩e以檢測結果均值和差值作為橫軸和縱軸，計算95 %差值在一致性界限(-1.96SD，+1.96SD)的分布情況，確定兩種測量方式是否具有一致性[18]。通過上述方法對3.1節中檢測結果的進行一致性分析，結果如圖6所示。

圖6 脈搏檢測裝置與激光位移傳感器一致性分析結果

從圖6可看出：脈搏檢測裝置與激光位移傳感器檢測結果的差值均分布在±1.96SD區間內。因此，脈搏檢測裝置與激光位移傳感器檢測結果具有一致性。

3.3 穩定性分析

通過貝塞爾法確定標準不確定度[18]，其計算公式

(2)

為了進一步說明脈搏檢測裝置單次檢測結果具有穩定性，在相同實驗環境下，采集時間為1 s的MM—3脈象模型(平脈)脈搏信息，提取同一標記點在單個周期內波峰值與波谷值進行穩定性分析，相同實驗環境下，記錄10次檢測結果的波峰值分別為0.193 3,0.199 8,0.199 7,0.195 9,0.198 4,0.193 1,0.195 4,0.199 3,0.198 3,0.199 7 mm;波谷值分別為0.028 2,0.001 3,0.001 1,0.001 8,0.003 9,0.032 9,0.027 8,0.012 7,0.038 0,0.001 4 mm。

4 結 論

實驗結果表明：在靜態信號分析中，該裝置檢測結果平均誤差為0.001 2 mm，均方誤差為0.002 9，最大誤差為0.004 7 mm，其最大精度為95.17 %，該精度符合日常監測檢測條件；在動態信號分析中，該裝置檢測結果具有較強的可重復性與穩定性。因此，該裝置可作為脈幅值的有效獲取方式。