基于傳感器的智能電子脈診儀的設計

劉映辰 李佳慧 楊向國 梁爽

摘要：中醫所采用的脈診診斷的方法是中華民族智慧的結晶。脈搏波可以反映人體的健康狀況。本設計可使對脈搏波的即時存儲與分析成為可能。利用傳感器和自動加壓裝置對脈搏波的數據進行采集和特征提取，可以實現智能電子脈診儀對病情的診斷。可攜帶式智能電子脈診儀具有可移植性強、適用范圍廣的特點，可將其應用于門診檢測、醫學實驗以及教學研究、醫療監護、健康檢測等方面。

關鍵詞：脈診;脈搏波;傳感器;樹莓派;特征提取

一、引言

當今社會疫情防控常態化，人們迫切希望一套便攜家庭診斷裝置，實現家庭自檢，只需要將測得的數據上傳至平臺，就可以實現與醫生的云會診。脈搏波是人們通過中醫脈診了解人體生理狀況的重要指標之一[1]。但長期實踐中也暴露出很多缺點：脈診會受到中醫學者的脈診經驗、個人的感觸能力以及不同人的表達水平的差異等非客觀因素的影響，診斷的結果因人而異，難以實現統一化、規范化、客觀化。年輕的中醫從業者對于把脈技巧的學習以及使用的水平相對于從業很多年的老中醫來說還有很大的提升空間，年輕人對于一些高超技巧或經驗掌握不足。對于這些的脈像中醫從業者是通過手的觸覺去感受的，只有摸到的時候才有感受，離開就沒有了，因此，事后沒有對脈像數據即時的儲存，不利于后續人們對中醫脈診技巧的學習與研究。

智能電子脈診儀是具有巨大的研發潛力的醫療設備，人類一直迫切地想要達到脈診治療的科學化與現代化，加之近幾年來，由于材料科學和計算機科技水平的日新月異，及其向傳統醫療應用領域的滲透，進一步推動了脈象信號收集、數據處理、圖像表述等的發展，為脈診的自動化與智能化發展創造了良好的機遇。實現中醫脈診統一化、規范化、客觀化以及不同脈象的模式識別，是目前中醫脈診方面研究的主要研究問題，現在的中醫學者和中醫研究人員應同心協力，完成這一目標[2]。本設計外觀簡介、整體輕巧、攜帶方便、操作簡單，可以實現人們對健康狀況的監測的功能。

二、硬件平臺的設計

（一）脈相數據的獲取

傳感器是一種檢測設備，又稱為電子感官，是人體感官的延展，它能夠感受到被測量的信息，并將測量到的信號變換成為常用的電信號或滿足其他所需形式的信號，以實現對被測量的信息的計算處理、輸出控制、記錄存儲等不同的要求[3，4]。生物醫學傳感器是獲取人體病理信息的重要工具。生物醫學研究時所使用的傳感器是實現將測量到的生理信號輸出為相對應的電信號，并對輸出信號進行處理和變換，得到分析和研究所需要的人體生理數據。本設計采用了由硅材料所制成的BP300T型號的壓力傳感器，它被封裝成六腳二列直插式結構。如圖1所示：

BP300T型號的壓力傳感器是比較穩定的電子元器件，其特點為可靠性高和低滯后性，把采集到的壓力信號進行一定的線性轉換，并輸出為相對應的電信號，因此是比較理想的選擇。它的主要參數指標是：輸出電壓范圍為70～130毫伏;電源電壓為直流5伏;壓力感受范圍不超過300毫米汞柱;零漂的值為+20毫伏（或者-20毫伏）;所能適應的溫度范圍較廣，一般為-20～+100攝氏度，可以基本滿足一般的使用情況。電路圖如下：

因為一般對人體的生理信號進行測量時特別容易受外界噪聲的干擾，所以測得的信號都比較微弱，在采用BP300T型號的壓力傳感器的同時使用AD620型號的醫用放大器，將二者合到一起使用。AD620只需要外接一個合適大小的電阻，并調節其大小就可以使信號的放大倍數達到可觀的1000倍。電源電壓在2.3～18伏的范圍內最佳，電源電流不能超過1.3毫安，所能適應的溫度范圍是-40～+85攝氏度。引腳圖和結構圖分別如下圖3、圖4。

設備中的電路中經常會產生很多的噪聲，會對數據的測量產生影響。通過信號濾波器來去除許多不需要的頻率成分，濾去多余的低頻、高頻或與測量結果無關信號，使最終得到的信號更加純凈。AD620型號的醫用放大器的輸出是兩種信號的混合，分別是脈搏波的信號和袖內的壓力信號。為了方便對數據處理，必須從輸出的疊加信號中過濾掉袖內的壓力信號。因此采用的LM324型號的集成的四運放大器，它可以提高脈搏波信號的信噪比，也就是對脈搏波的信號進行放大。

常用的四運放大器型號是LM324系列的。它的成本低，有許多單獨一個運算放大器所沒有的優點，這四個放大器同時工作的時候，電壓的范圍比較大，在3V到32V之間，可以較好地適應其他的外接電路的電壓值。它的結構圖如下：

（二）充放氣設置

對于充放氣裝置的實現可以參考血壓測量儀器的設計。電機工作，裝置進行充氣;放氣時不需要電機工作了，采用固定放氣的方式，放氣速度又快到慢，十分方便簡單，容易操作，成本也低[5]。當然，在充氣的時候，放氣的氣閥的也會有一定量的氣體泄漏，但是對比于電機對裝置的充氣量，便可以忽略不計了。

（三）信號轉換

利用樹莓派以及PCF8591模塊來實現數據的AD轉換。就是將連續的模擬信號轉換為離散的數字信號。首先將I2C內核驅動啟動。PCF8591是一種8位的模數/數模轉換器，這表明每個引腳可以讀取的模擬值達到256。具有一個行I2C總線接口、四個輸入和一個輸出。A0、A1和A2為模塊的地址引腳，意味著能連接23個元器件。D1和D2是兩個LED燈，D1和D2明亮程度分別表示輸出輸入時的電壓強度，輸入時的電壓強度也就是電源的電壓強度。元器件的基本數據流和控制信息都是通過總線來傳輸的，并且傳輸是雙向的。

進行A/D轉換時，讀取數據可以使用以下的程序：

I2CReadACK（）;

val = I2CReadNAK（）;

第一句的目的是給PCF8591模塊產生SCL時鐘;第二句的目的便是讀取當前的A/D轉換過后的結果。

三、軟件算法的設計

（一）去噪算法的設計

1.小波去噪

外界的光、電、磁會對測量的脈搏值進行干擾，從而產生噪聲。小波去噪處理的目的是去除脈搏信號中的噪聲。樹莓派可以將脈搏的模擬信號轉換成數字信號并存儲下來。因此，對脈搏波數據進行處理，主要就采用小波去噪的算法。

2.改進的小波去噪算法

小波變換算法具有比較好的時頻分辨率，并且基函數可以靈活的選擇等特點，而硬件設備一般具有基頻隨不同的運行狀態而波動的特點，小波變換算法并不受采樣周期的約束，所以小波變換算法具有很強的適應性，對于不同的電力系統都可以適應。在小波閾值去噪的方法中，Denoho是最先采用軟閾值函數[6]和硬閾值函數[7]來解決輸出信號的去噪問題，但還是存在以下的缺陷：硬閾值函數的連續性比較差，數據去噪處理完成后，對輸出信號進行重構時不夠平滑，經常會出現間斷的現象;而軟閾值函數的平滑性相對于硬閾值函數要更好，但是誤差又無法避免。此外，對固定閾值進行選取時，一般都會出現“過扼殺”的現象，這是不愿意看到的[8]。因此，對閾值函數進行改進顯得尤其重要。

設計的小波去噪處理模塊選用一種改進閾值折中函數，并結合多標準分層閾值的量化規則進行去噪的方法。彌補了軟、硬閾值和固定閾值的不足，改進過后的函數稱為：改進的軟閾值硬閾值折中函數[7，9]，其表達式為：

（1）

式中的（0 < k < 1）和 k1（k1 > 0）為上述函數中可以進行調節的參數。當小波系數的絕對值大于等于 λ時， k主要對產生影響;當小波系數的絕對值小于 時， 受 k和 k1二者的影響。

（2）

在實際應用時，噪聲方差的估計值σ可以通過公式（3）的計算得到：

（3）

式中λi為選取的閾值在不同標準下的結果，可以看出隨著j的不斷增加，λi是不斷減小的，這個規律與白噪聲的小波系數的變化規律基本一致[9]。多標準閾值的思想是不同標準上的系數選取不同的閾值去處理。通過硬件軟件的濾波器以及小波去噪算法的幫助，對脈診儀讀入數據的準確度有了很好的提升。

（二）脈像圖的時域判讀法

時域分析法主要是分析脈搏波的波幅的高低、波幅的周期變換以及不同振幅于坐標軸圍成的面積之間的數量關系[10]。通過對波幅大小、波幅周期的分析，從而對脈搏波的頻率、脈勢的虛實情況以及脈力的強弱情況進行分析與總結。

在圖8中，O點是主波的上升點，A點附近的凸出的曲線為主波峰，同理，B峰為潮波峰。C點附近凹陷下去的地方叫做降中峽，也就是重博波的起點。D點為重搏波的波峰，E點為潮波的起點，一般都在主波波幅的 1/3 處出現。T為主波上升的時間。

1.主波波幅的高度為H1（AA1）。頂夾角也就是EA與A1A的夾角。

2.潮波波幅的高度為H2（B1B）。

3.重博波波幅的高度為H4（D1D）。

4.脈像圖的總面積為主波波幅的面積、潮波波幅的面積以及重博波波幅的面積和。

（三）中醫脈象的模式識別

模式識別進行分類的關鍵分為兩點：第一點，對有效的脈搏波信號進行精準識別;第二點，對脈象的特征進行有效提取[10]。脈像圖中的主波起點、主波波峰的高度以及重搏波的起點等一些具有重要意義的特征，同時也是時域分析發的基本要點。

脈象模式識別的關鍵核心在于對特征值的提取。對一個脈搏波周期內的特征值進行分析時，主要計算常用的17種參數值：脈搏波的周期值T0、上升支的角度大小AngleU、主波峰的夾角大小AngleP、下降支的角度大小AngleD、主波峰的高度值H1、潮波波谷的高度值、潮波波峰的高度值H2、重波波谷的高度值H3、重波波峰的高度值H4、主波的上升時間T1、潮波波谷的時間T2、潮波波峰的時間T3、重波波谷的時間T4、重波波峰的時間T5、上升支的面積大小S1、下降支的面積大小S2、主波的面積大小S3，這些參數都是脈象判別時的依據。

模式識別函數的判別規則：先以脈搏波的周期為分界點，若已經被分割好的脈搏波的周期大小相等，則將脈象分三種，分別為促脈、代脈和結脈。若已經被分割好的脈搏波的周期大小不相等，則屬于脈律的異常現象，分為脈率，脈行，脈位異常三種。脈率異常就是芤脈。脈行異常包含弦脈、滑脈、澀脈、弦脈、緊脈大脈、小脈、細脈和長脈九種脈象。脈位異常則包含緩脈、數脈、遲脈和疾脈四種。

四、結束語

本設計通過利用BP300T壓力傳感器以及樹莓派的將脈搏的生理信號轉換為電信號，并采用小波去噪算法對數據進行處理，將處理好的數據（即脈搏波）進行周期分割，對每個周期之間以及每個周期內部特征值進行比較，完成模式識別，得到自己的對應病癥。

本設計對于中醫傳統把脈技術的客觀化以及信息化具有積極的啟示。脈搏波的采集與識別工作是特別困難的，但是為了實現中醫脈診客觀化以及信息化，這是不得不克服的困難，這是需要廣大中醫學者和科研工作者共同奮斗解決的。同時，在當下疫情防護常態化的背景下，能足不出戶就解決自己的病情實在彌足珍貴。

作者單位：劉映辰? ?李佳慧? ?楊向國? ?梁爽? ? 西北民族大學 數學與計算機科學學院

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