穿戴式自動加壓脈象采集系統設計

張 琦，呂玉祥

(太原理工大學物理與光電工程學院，山西 太原 030024)

在世界古醫學中，都有醫者通過腕部脈搏信號診斷疾病的相關記載[1]，通過脈診的方式對病患進行健康判別和疾病的輔助診斷具有快速、安全、無創無痛等優點，但傳統脈診過程中存在的非客觀化因素極大地阻礙了中醫脈學的傳承發展以及現代化應用[2]。

通過特定施壓脈象獲取裝置，對不同施壓狀況下的脈象信號進行數字量化，間接模擬醫師取脈過程，尋找和建立脈象與病況之間的特定關系將使脈診的非客觀問題得到解決[3－6]。

國內脈象信號獲取裝置的研究主要集中于各大醫療機構和高校，其中上海中醫藥大學利用半導體受感元件先后研制ZMH－I型、ZM－300型腕部動脈信號采集系統[7]，天津中醫藥大學的王學民、楊成等[8]研究人員設計的柔性陣列動脈信號換能器實現了多路脈搏信號的采集，華東理工大學的楊杰等[9]完成了寸關尺三部脈象數據采集裝置設計。傳統的脈象采集儀通常體積較大，一般由控制采集單元與傳感裝置分離組成，使用時，傳感裝置單獨固定于人體腕部，再操作控制單元對脈搏信號進行采集，操作繁瑣[10－13]。

本文采用ARM微處理器作為主控單元設計一種便攜式可穿戴的脈象采集系統。該系統使用充氣式氣囊施壓法間接模擬中醫脈診過程中浮、中、沉脈象壓力變化，精準實現寸關尺位置脈象數據采集，脈象采集終端通過網絡實現與云服務器的數據通信。整個系統輕量，操作簡單，可以廣泛應用于線下各種醫療場景，進行用戶脈象數據的積累，推動傳統中醫脈診向智能化發展。

1 脈象采集儀系統方案設計

1.1 整體結構

本系統為了實現脈象采集終端的輕量，便攜，可穿戴目的，將傳統的脈象采集儀的控制單元與傳感單元進行集成。終端脈象采集儀可以布置于任何有網絡的線下場景，采集儀配網后連接本地路由實現脈象數據云端存儲，用戶或醫師通過訪問云服務器進行數據查看與調用。脈象采集系統整體結構圖如圖1所示。脈象采集儀是完成施壓控制、數據采集、通信等功能的主體，主要由脈象儀主殼體、施壓傳感裝置、硬件電路三部分組成。

圖1 脈象采集系統整體結構

1.2 脈象儀主殼體

脈象采集儀主殼體部分主要實現對硬件電路板、充氣泵、放氣閥等內部組成元件的固定以及通過機械卡扣方式與施壓傳感裝置進行連接。在滿足內部裝配要求的情況下，盡量縮小主殼體體積，以便達到輕量、便攜的目的。脈象儀主殼體圖如圖2，圖3所示。

圖2 脈象儀主殼體

圖3 主殼體底視圖

其中A部分為脈象采集儀主控制電路板，B部分為開關啟動按鈕，C部分為電源及系統運行指示燈，D部分為氣泵裝配位置，E部分為氣閥裝配位置，F部位為氣泵、氣閥與腕帶施壓氣囊的接口部分，G為電路板支撐柱，H部分為MicroUSB電源接口，I部分為與腕部施壓傳感裝置相連接的機械卡扣。

1.3 施壓傳感裝置

考慮到人體橈骨形狀以及實際脈診過程中傳感單元與人體手腕貼合度要求較高，為了更好地模擬傳統中醫脈診的過程，本設計對脈象采集儀的傳感單元與施壓單元進行了集成，采集儀整體施壓傳感裝置如圖4所示。

圖4 施壓傳感裝置

該施壓傳感裝置由腕帶、氣囊、傳感單元三部分組成。傳感單元是直接感受人體動脈搏動的關鍵部件之一，綜合傳感器靈敏度、精度、可靠性、以及體積等因素，該傳感單元將選用較為成熟的SC0073B型脈搏傳感器，結合FPC柔性電路板共同構成傳感單元。傳感單元如圖5所示。傳感器直徑10 mm，相鄰傳感器中心間距15 mm，傳感單元整體尺寸為50 mm×13 mm，FPC柔性電路板集成有傳感器外圍電路并完成傳感器的支撐固定。傳感單元電源與信號線通過柔韌性較好的軟硅膠連接線連接至主電路板。氣囊部分尺寸設計為50 mm×80 mm，頂部留有2個內徑為3mm的進氣口，整體采用高張力、高韌性的TPU材料，能夠實現對人體腕部檢測位置覆蓋，以便完成對傳感單元的均勻施力。腕帶由彈性PVC卡環和外部尼龍包裝組成，彈性卡環完成手腕固定以及與脈象采集儀主殼體的機械連接。實際使用過程中，傳感單元、氣囊依次嵌入腕帶。氣囊進氣口通過3 mm PU軟管與氣泵、氣閥、氣壓傳感器進行連通。

圖5 傳感單元

1.4 硬件電路

硬件電路為脈象采集儀的核心組成部分，對采集儀的不同功能在硬件層面進行實現。主要包括電源電路、信號預處理電路、AD采集電路、氣泵氣閥控制電路、腕帶氣壓檢測以及數據通信電路組成。硬件電路結構圖6所示。

圖6 硬件電路結構

該脈象采集儀使用增強型基于ARM Cortex－M3內核的微控制器STM32F103C8T6作為終端核心處理芯片，實現信號采集處理及所有外設控制。脈象儀工作時，主控發出指令控制氣泵對氣囊進行充氣，配合氣閥與壓力檢測單元間接向傳感單元進行精準施壓實現浮、中、沉壓力控制。三路脈象信號分別經過截止頻率為20 Hz的低通濾波預處理電路進入主控制器自帶的12位模數轉換器，主控制器對脈象數據進行處理后通過esp8266 WIFI模塊連接本地路由將數據上傳至云端服務器。此外，脈象采集儀采用5 V MicroUSB接口供電，內置3000 mA鋰電池，可在無直插電源供電情況下進行工作。

1.5 施壓控制實現

本文脈象采集裝置進行三等級施壓力度設計，綜合壓力需求、主殼體內部空間大小、供電等級等因素，本設計選取直流3 V一位一通電磁閥，直流3 V微型充氣泵作為本系統裝置的施壓執行機構。氣泵實物如圖7所示，氣泵性能參數如表1所示，氣閥實物圖如圖8所示，氣閥性能參數如表2所示。

圖7 微型氣泵實物圖

表1 氣泵技術參數

圖8 微型氣閥實物圖

表2 氣閥技術指標

采集儀工作時，主控通過控制氣泵、氣閥的工作狀態對腕帶氣囊進行充氣間接實現對傳感單元的施壓，施壓力度控制由氣壓檢測傳感器實現，氣壓傳感器通過PU軟管與氣囊內部進行連通，對綁帶內部壓力進行實時檢測進而實現施壓力度控制。氣壓傳感器選用Freescale Semiconductor(飛思卡爾半導體公司)研制的單片式信號自調節硅壓力傳感器MPXV5050GP該傳感器采用新型微機械和雙極工藝，在－40℃～125℃之間提供有效的溫度補償，可以在壓力測量過程中提供與所施壓力成正比的高輸出模擬信號，氣壓傳感器實物圖如圖9所示，壓力傳感器性能參數如表3所示。

圖9 氣壓傳感器實物圖

表3 氣壓傳感器技術指標

采集儀工作時，腕帶氣囊以及脈搏傳感單元與腕部皮膚為緊貼狀態，脈搏傳感單元所受壓力F與腕帶氣囊對腕部皮膚施加的力度F氣囊基本相同，即有:

式中:P為腕帶氣囊內的壓強，由主控獲取壓力傳感器輸出信號計算得出，S為內側氣囊面積。采集儀工作過程中通過設定壓力閾值實現固定壓力控制，具體壓力控制以及數據采集流程如圖10所示。

圖10 壓力控制和數據采集流程圖

2 軟件設計

2.1 脈象采集儀軟件設計

在脈搏信號采集系統工作的過程中，主控制器通過程序指令控制執行機構在不同時間段完成多種不同的任務，如信號采集、氣泵氣閥控制、數據傳輸、上位機交互等，共同維持系統穩定運行。脈象采集儀軟件程序流程圖如圖11所示。

圖11 脈象儀軟件流程圖

2.2 上位機軟件

脈象采集儀云端存儲采用中國移動OneNET云平臺實現終端設備接入，創建多協議接入產品，設備接入協議選擇EDP協議，添加終端設備，設備建立數據流。終端設備配網完成后，通過服務器固定IP地址，以及設備ID與云服務器建立連接，實現下位機數據上傳。云端產品應用對接OneNET數據源完成數據可視化應用開發。產品應用如圖12所示

圖12 可視化應用

3 系統測試

脈象采集儀的整體結構如圖13所示，脈象儀上電，配網連接本地路由器，脈象采集系統控制施壓傳感裝置分別對50 mmHg、80 mmHg、100 mmHg壓力下的脈象數據進行采集，以獲取最佳脈象圖。80 mmHg脈象圖如圖14所示，脈搏信號整體形態完整清晰，達到預期效果，能夠較好地反映脈搏形態特征。

圖13 脈象儀結構圖

圖14 80 mmHg脈象圖

4 結論

本研究設計了新型的穿戴式自動加壓脈象采集系統，實現了線下終端用戶脈象數據的施壓采集、回傳、存儲。該系統結合新型傳感與物聯網技術，具有輕量、便攜、操作簡單等特點，為中醫脈象數據數據庫的構建與脈診客觀化提供了新的硬件實現方案，進而為脈象輔助診斷研究與中醫智能化發展提供技術基礎。但系統依舊存在不足，未來將通過改進系統結構，對單個診脈部位不同壓力下的脈象數據獲取實現方法進行深入研究。