基于卡爾曼濾波的蒙醫脈象采集分析系統

王利輝，包曉華

（內蒙古民族大學，內蒙古 通遼 028043）

蒙醫脈象診斷學是蒙醫學的重要組成部分，具有鮮明的民族特色和診斷特點［1］.通過分析病人脈搏的“位、數、形、勢”等主要特征，來判斷病人的臟腑疾病.傳統的蒙醫脈診，因個人認識、經驗不同，判斷結果往往有很大差異.蒙醫診斷的傳承和發展，需要具有量化的新思路.隨著人工智能、模式識別等先進理論的發展和完善，簡單的邏輯判斷和對照診療的脈診量化思想已經淘汰，取而代之的是新一代專家系統.蒙醫十二脈象的總結與中醫脈象學有一定淵源，但在脈診位置、方法、分類上有所不同［2］.根據這些特點，我們設計了脈象的自適應采集分析系統.該系統利用氣動加壓，對患者的脈象進行最佳力度采集，獲得不同壓力條件下的脈象，并針對壓電材料傳感器的噪聲特點，設計脈象傳感器的卡爾曼濾波器，該濾波器可以提取脈搏的有效信息，為脈象分析的準確提供保障.

1 總體設計

蒙醫脈象采集分析系統由上位機、采集卡、控制器、傳感器、液壓系統組成［3］.具體框圖如圖1所示.

圖1 蒙醫脈象采集分析系統整體框圖Fig. 1 Overall block diagram of Mongolian medicine pulse acquisition and analysis system

脈象傳感器采集脈象信息，該信息通過數字濾波器得到理想的波形.波形會輸入數據采集卡，由數據采集卡根據USB串口協議，將脈搏信息傳遞給上位機，上位機根據所得波形，進行氣動系統控制，得到不同壓力下的脈搏數據.上位機通過已經獲得的標準十二脈象，與采集的脈象在專家系統里進行分類比對，最后得出診斷結果.

2 脈象采集控制系統

傳感器控制系統的主要用途是獲得良好的脈象波形，并根據不同的脈象波形選擇不同的指壓效果，獲取不同壓力下的脈象信息.整個過程由氣壓系統、傳感器、控制器組成.實現了脈象采集的智能化.具體結構框圖如圖2所示.

圖2 傳感器控制系統組成原理圖Fig. 2 Schematic diagram of composition of sensor control system

該系統由壓力傳感器采集脈搏信息，然后通過信號采集分析系統對氣壓袖帶的壓力狀態進行評估，利用控制器讓氣泵工作，為袖帶充氣.由于氣泵充氣過程存在慣性，當壓力傳感器測得數據超過理想值時，氣泵關閉，單向閥開啟，進行袖帶減壓，當壓力到達理想值時，單向閥關閉.

3 脈象傳感器系統

目前，國內開始進行脈搏信息采集的傳感器種類很多，其中包括壓力傳感器、光電容積傳感器、應變片傳感器.筆者根據蒙醫脈象采集的特點，考慮了指壓采集脈象的因素，采用了SC0073動態微壓力傳感器［4］.該傳感器是一種利用壓電薄膜作為換能元件的低功耗、高靈敏度小型脈搏測量傳感器.該傳感器壓力范圍小于1 kPa，頻率響應在1~1 000 Hz間，標準電壓在3.3~4.5 V間.目前已經廣泛用于中醫脈象的臨床采集工作.該傳感器的電路如圖3所示.

圖3 SC0073脈搏傳感器電路原理圖Fig. 3 Schematic circuit diagram of SC0073 pulse sensor

雖然該傳感器精度高，但測量過程中存在各種噪聲干擾，使得脈象波形不是很清晰，脈象特征不容易提取.筆者根據脈搏傳感器特點，設計了數字濾波器，用于提取脈搏的數字特征［5-6］.選取了卡爾曼濾波器，脈搏信號采集系統的狀態方程為

其中，x（t-1）為系統上一個時刻的估計量，x（t）為系統本時刻的估計量.A為系統狀態矩陣，B為系統的控制矩陣，u（t-1）為系統的控制量，w（t）為系統狀態噪聲.

系統的觀測方程為

其中，Z（t）為系統的觀測預測值，H為系統的觀測矩陣，y（t）為系統的觀測噪聲.

系統協方差預測方程為

其中，P（t|t-1）為系統在t-1時刻獲得的協方差矩陣預測，P（t-1）為系統在t-1時刻的協方差矩陣，Q為預測噪聲協方差矩陣.卡爾曼濾波增益為

其中，R為觀測噪聲協方差矩陣，卡爾曼濾波在進行脈搏信號處理時，實際上是一個迭代過程，用上一個時刻的估計值進行下一個時刻的預測，預測值根據觀測矩陣獲得的測量值進行修正，所以卡爾曼濾波的結果具有實時更新的特性.

根據數字濾波的要求，卡爾曼濾波的數據更新方程為

在對脈搏進行數據采集的系統里，控制量u（t-1）為0.參數A和H可取為1.簡化后的濾波器預測方程為

同時的觀測量修正方程，也可以改寫為如下形式

4 脈象采集濾波實驗

根據蒙醫脈象采集分析系統特點，進行了脈搏信號的采集和分析.脈搏信號為正常人脈搏平穩狀態下的傳感器采集信息.在大樣本的情況下，獲得脈象信號如圖4所示.

圖4 大樣本條件下濾波前后脈象曲線對比圖Fig. 4 Comparison diagrams of pulse curve before and after filtering under large sample conditions

在大樣本采集脈象的情況下，脈象的整體輪廓雖然可辨認，但細節部分存在巨大的噪聲.這些噪聲直接影響系統對脈搏信息特征的提取.采用卡爾曼濾波以后可以看出，脈象信息特征明顯，曲線平滑.經過濾波前后曲線的對比，可以看出濾波器很好地還原了實際的脈象信息特征.

5 結論

筆者根據蒙醫十二脈象的特點及指壓獲取脈象的方法，設計了具有自適應加壓功能的脈象傳感器采集系統，并根據采集信息的特點設計了適合壓電傳感器的卡爾曼數字濾波器.該濾波器能夠在有限的脈象范圍內很好地實現脈象信息特征的提取，得到平滑的脈象曲線.該曲線對上位機的脈象分析專家系統具有很重要的意義，能在很大程度上提高專家系統分析診斷的準確率.隨著研究工作的深入，根據小型化、輕量化的需求，還要進一步將光電血氧傳感器應用于蒙醫脈象采集分析系統.