蘇 昊，黃村坤，周會(huì)林，王學(xué)民?

(1.天津大學(xué)精密儀器與光電子工程學(xué)院，天津 300072；2.上海道生醫(yī)療科技有限公司，上海 201203)

中醫(yī)理論分為望、聞、問、切四診，其中脈診是在經(jīng)絡(luò)學(xué)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，作為最能體現(xiàn)臨床病癥體征的手段，長(zhǎng)期的實(shí)踐證明中醫(yī)通過脈象診斷疾病是科學(xué)有效的，并且在今天脈診也是中醫(yī)臨床最主要的診斷手段[1]。然而中醫(yī)師以手指按壓寸口位置的方法來獲取脈象感受來診病的方法，然而這種方法具有“心中了了，指下難明”的特點(diǎn)，這使得中醫(yī)脈診的學(xué)習(xí)變得困難，從而限制了中醫(yī)學(xué)的傳承和發(fā)展，因此我們需要運(yùn)用現(xiàn)代工程技術(shù)方法分析脈搏信號(hào)特點(diǎn)并將其客觀化、標(biāo)準(zhǔn)化。近年來中醫(yī)脈診儀設(shè)備得到了廣泛發(fā)展，各種大學(xué)與研究機(jī)構(gòu)推出了多種脈象采集設(shè)備[2]，如2011年，蘭州理工大學(xué)的黨宏智等研制了手動(dòng)加壓的寸關(guān)尺脈搏信息檢測(cè)系統(tǒng)[3]，2012年，天津大學(xué)王學(xué)民等設(shè)計(jì)了基于柔性陣列傳感器的脈象檢測(cè)系統(tǒng)[4]，2014年，華南理工大學(xué)的周侃恒等人設(shè)計(jì)了新型三通道自增壓脈象采集系統(tǒng)[5]。這些脈象采集系統(tǒng)都存在一些缺點(diǎn)，它們往往需要用戶在專業(yè)醫(yī)護(hù)人員的幫助下才能夠找到準(zhǔn)確的采脈位置，這就在很大程度上限制了脈診儀的推廣，此外手動(dòng)加壓模式和腕帶固定方式會(huì)使軟組織變形，對(duì)脈象精度也有影響。

因此，本文結(jié)合中醫(yī)脈診理論，運(yùn)用智能機(jī)械臂的空間靈活性，與新型傳感器結(jié)合進(jìn)行智能尋脈，并與微型氣泵結(jié)合進(jìn)行智能加減壓，在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了基于智能機(jī)械臂的脈象診斷系統(tǒng)，不僅可以大大降低用戶的使用門檻，還可以采集到更加全面的脈象信息，改善了現(xiàn)有的脈象采集設(shè)備的弊端，并且為智能中醫(yī)技術(shù)以及遠(yuǎn)程醫(yī)療提供更加準(zhǔn)確的信息支撐。

1 系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)通過下位機(jī)系統(tǒng)來控制智能機(jī)械臂的移動(dòng)，通過傳感器末端采集的動(dòng)靜壓反饋來實(shí)現(xiàn)控制機(jī)械臂尋找取脈位點(diǎn)，再將取脈位點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集上傳至上位機(jī)進(jìn)行顯示和處理。系統(tǒng)的整體原理框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體框圖

本系統(tǒng)采用基于ARM Cortex_M3內(nèi)核的微控制器STM32F103VET6進(jìn)行脈象信號(hào)的采集、分析和傳輸，以及機(jī)械臂的移動(dòng)控制，該微處理器集成度高，封裝小，內(nèi)部集成了AD轉(zhuǎn)換器和USB接口模塊[6]。采用儒為壓力傳感器固定于機(jī)械臂末端進(jìn)行脈象信號(hào)的采集，將采集的信號(hào)進(jìn)行放大濾波處理，使信號(hào)輸出能夠調(diào)整到單片機(jī)AD采集電壓范圍。

通過ARM微處理器對(duì)智能機(jī)械臂進(jìn)行二次開發(fā)，對(duì)機(jī)械臂發(fā)送移動(dòng)命令，運(yùn)用ARM微處理器自身的AD轉(zhuǎn)換器將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，根據(jù)檢測(cè)到靜壓調(diào)整機(jī)械臂找到手腕位置，然后控制壓力控制模塊進(jìn)行加減壓，根據(jù)動(dòng)壓大小找到正確取脈位點(diǎn)，采集脈象信息。同時(shí)為了提高采集效率，在ARM的內(nèi)存空間開辟4KB的數(shù)據(jù)緩存區(qū)，每次A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束后，通過DMA技術(shù)，將ADC轉(zhuǎn)換的12位數(shù)據(jù)順序搬移到數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中，待緩沖區(qū)滿后，通過USB通信方式將脈象數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機(jī)，上位機(jī)軟件實(shí)時(shí)顯示脈象波形、脈率和壓力等參數(shù)。

2 機(jī)械臂尋脈控制系統(tǒng)

2.1 機(jī)械臂參數(shù)介紹

本系統(tǒng)使用的是越疆者公司的DOBOT機(jī)械臂，它具有豐富的I/O擴(kuò)展接口，本系統(tǒng)使用它的擴(kuò)展接口與單片機(jī)連接進(jìn)行二次開發(fā)，使用自帶二次開發(fā)通訊協(xié)議進(jìn)行程序的編寫，并通過調(diào)用機(jī)械臂命令函數(shù)實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂的回零、運(yùn)動(dòng)模式的設(shè)置和末端坐標(biāo)在四個(gè)自由度的移動(dòng)[7]。DOBOT機(jī)械臂使用的笛卡爾坐標(biāo)系是以機(jī)械臂底座為參照確定的坐標(biāo)系，如圖2所示，坐標(biāo)系原點(diǎn)為大臂、小臂以及底座三個(gè)電機(jī)三軸的交點(diǎn)，X軸方向垂直于固定底座向前，Y軸方向垂直于固定底座向左，Z軸符合右手定則，垂直向上為正方向。機(jī)械臂最大伸展距離為320 mm，重復(fù)定位精度為0.2 mm，能夠滿足機(jī)械臂在脈診范圍內(nèi)尋脈的移動(dòng)，0.2 mm的定位精度也能保證在手腕寸口長(zhǎng)度(3.76±0.34)cm范圍內(nèi)移動(dòng)微小距離從而找到最佳取脈位點(diǎn)。

圖2 機(jī)械臂坐標(biāo)系

2.2 機(jī)械臂尋脈的實(shí)現(xiàn)過程

設(shè)計(jì)微型氣囊接口固定傳感器與機(jī)械臂末端中心，同時(shí)，導(dǎo)管連接傳感器和氣泵負(fù)責(zé)在取脈過程中加壓，實(shí)物圖如圖3所示。系統(tǒng)中機(jī)械臂與脈診的相對(duì)位置如圖4所示，機(jī)械臂下側(cè)沿與脈枕上沿距離為10 cm。機(jī)械臂和患者手的相對(duì)位置的確定保證了本系統(tǒng)的機(jī)械臂三維位點(diǎn)坐標(biāo)設(shè)定的實(shí)現(xiàn)。

圖3 機(jī)械臂末端傳感器實(shí)物圖

圖4 機(jī)械臂與脈枕相對(duì)位置

在各設(shè)備位置相對(duì)固定的情況下，首先確定機(jī)械臂尋脈的初始位置，以固定的初始位置開始沿著手腕尋找橈動(dòng)脈位點(diǎn)。該系統(tǒng)設(shè)定起始點(diǎn)如圖5圈出位置正上方，根據(jù)我們的多次測(cè)量確定了機(jī)械臂的初始位點(diǎn)，這個(gè)初始位點(diǎn)偏下一點(diǎn)，因?yàn)槲覀?點(diǎn)尋脈法的尋脈范圍是30 mm，大于成年人的橈動(dòng)脈范圍，這樣保證機(jī)械臂不會(huì)漏過最佳取脈點(diǎn)，機(jī)械臂末端傳感器與手腕距離100 mm處為初始位點(diǎn)的z坐標(biāo)?；颊邔⑹滞蠓胖迷诿}枕上，手腕處能夠看到明顯的分界線，這條線在中醫(yī)學(xué)上叫魚際橫紋，將魚際橫紋和手腕內(nèi)側(cè)虎口交界點(diǎn)處放在脈枕長(zhǎng)邊中間處，不論有沒有中醫(yī)知識(shí)都能順利找到參考點(diǎn)，并將手腕放在固定位置。

圖5 手腕放置位置圖

根據(jù)?難經(jīng)?記載的寸關(guān)尺的長(zhǎng)度和位置可知，關(guān)為寸尺分界點(diǎn)，寸口脈長(zhǎng)一寸九分，可分析出寸關(guān)尺三部等長(zhǎng)。吳培總結(jié)大量寸關(guān)尺測(cè)量結(jié)果[8]并將之與傳統(tǒng)中醫(yī)書籍中寸口脈長(zhǎng)度對(duì)比，得出現(xiàn)代成年人寸關(guān)尺長(zhǎng)度為(3.16±0.43)cm較為合理，依據(jù)人的身高不同有所調(diào)整[9]。本系統(tǒng)以此為依據(jù)來對(duì)寸關(guān)尺的取脈位點(diǎn)進(jìn)行定位。

機(jī)械臂在測(cè)得靜壓值大于0.1時(shí)判斷觸碰到手腕停止下移，使用單片機(jī)IO口打開氣泵開始加壓，同時(shí)單片機(jī)采集動(dòng)壓值，每次采集的動(dòng)壓在中斷函數(shù)中和上一個(gè)數(shù)據(jù)比較，保存最大的動(dòng)壓數(shù)據(jù)及取得該動(dòng)壓的機(jī)械臂坐標(biāo)，每次采集10 s信號(hào)后機(jī)械臂上移并移動(dòng)到下一個(gè)點(diǎn)再進(jìn)行測(cè)量，最終記錄的取最大動(dòng)壓值時(shí)機(jī)械臂的位置坐標(biāo)即最佳取脈壓力點(diǎn)，也即我們尋找的取脈點(diǎn)。

機(jī)械臂智能五點(diǎn)尋脈算法過程如圖6所示，首先從初始位點(diǎn)X坐標(biāo)加5 mm，由寸口脈起于魚際橫線后一分，Y坐標(biāo)減5 mm，此為尋脈采集第一個(gè)點(diǎn)，打開AD，同時(shí)給機(jī)械臂發(fā)送下降指令，讓機(jī)械臂按一定長(zhǎng)度下降，當(dāng)傳感器接觸到手腕時(shí)靜壓值會(huì)有變化，當(dāng)靜壓大于0.1時(shí)停止機(jī)械臂下移的指令，打開加減壓模塊施加壓力采集動(dòng)壓信號(hào)并儲(chǔ)存在變量數(shù)組中，提取并記錄動(dòng)壓最大值作為變量，并保存機(jī)械臂在此時(shí)的坐標(biāo)值。采集該位置脈象30 s后，以傳感器的半徑5 mm作為步長(zhǎng)，依次沿X軸方向移動(dòng)4次，共得到5個(gè)點(diǎn)，依次對(duì)比這5個(gè)點(diǎn)最大脈象動(dòng)壓數(shù)值，最后保存最大動(dòng)壓峰值處機(jī)械臂末端坐標(biāo)數(shù)值，確定此點(diǎn)為寸部最佳取脈位點(diǎn)，并再次移動(dòng)至該坐標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行脈象復(fù)采集。依此方法以寸部最佳取脈位點(diǎn)為參考點(diǎn)向關(guān)部移動(dòng)12 mm作為關(guān)部取脈的起始點(diǎn)，再以5點(diǎn)尋脈法采集該參考點(diǎn)的數(shù)據(jù)和這個(gè)參考點(diǎn)左右各兩個(gè)點(diǎn)共五個(gè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，兩點(diǎn)間的間隔為5 mm，尺部的取脈方法和關(guān)部相同。機(jī)械臂開啟后會(huì)由單片機(jī)控制進(jìn)行上述操作，自動(dòng)尋脈。最后通過串口向上位機(jī)上傳記錄的最佳取脈位點(diǎn)的脈象數(shù)據(jù)，進(jìn)行后續(xù)處理。

圖6 智能五點(diǎn)尋脈算法流程圖

3 脈象信號(hào)分析

為驗(yàn)證本機(jī)械臂尋脈系統(tǒng)脈象信息采集的準(zhǔn)確性，對(duì)本脈象采集設(shè)備與市面上的脈診設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)對(duì)比。

3.1 最佳取脈壓力獲取

在中醫(yī)脈診中，中醫(yī)師使用指腹對(duì)患者寸關(guān)尺三部進(jìn)行加壓，通過指腹感知脈搏波來獲取患者生理病理信息，中醫(yī)師往往會(huì)不斷調(diào)整指腹壓力，直至能夠感知到一個(gè)最明顯的脈搏波動(dòng)，此時(shí)指腹施加的壓力即為最佳取脈壓力，此時(shí)的脈搏波信號(hào)最明顯[10]。

在使用傳感器對(duì)橈動(dòng)脈正向施壓過程中，傳感器對(duì)皮膚的力與軟組織和橈動(dòng)脈的回彈力是相反的，采集過程會(huì)有很大的干擾，而在減壓過程中，減壓方向與回彈力方向一致，能夠在一定程度上減少時(shí)間漂移和壓力漂移。為了獲取最佳取脈壓力，在找到取脈位點(diǎn)時(shí)，本脈診設(shè)備加減壓模塊使用氣泵模擬中醫(yī)師的指腹對(duì)橈動(dòng)脈加壓，通過分析減壓過程中的脈象數(shù)據(jù)的變化即可得到最佳取脈壓力[11]。

3.2 脈象數(shù)據(jù)特征

通過脈象時(shí)域特征圖即圖7可以直觀地認(rèn)識(shí)脈搏波，脈搏波動(dòng)的強(qiáng)度可以由信號(hào)幅值表現(xiàn)出來，時(shí)間參數(shù)則可以表現(xiàn)出脈率以及節(jié)數(shù)等特征脈象，脈象時(shí)域特征參數(shù)如表1所示。

圖7 脈象數(shù)據(jù)特征圖

表1 脈象時(shí)域特征參數(shù)及其表征含義

3.3 數(shù)據(jù)處理

通過脈象儀得到脈象數(shù)據(jù)容易受到外部條件的干擾，為了得到便于分析的脈象數(shù)據(jù)，需要對(duì)我們得到的信號(hào)進(jìn)行去除高頻噪聲和基線漂移。

去除基線漂移采用的是基于三次樣條插值的LPIP算法[12－13]，通過找到每一個(gè)周期的最小值點(diǎn)作為起點(diǎn)，所有起點(diǎn)擬合出基線，原始脈象信號(hào)減去基線就能得到去除基線漂移的脈象信號(hào)，如圖8所示。

圖8 去基線漂移前后的脈象信號(hào)

高頻去噪選用的是小波去噪的方法，選用db6小波對(duì)信號(hào)進(jìn)行分解，消除20 Hz以上的信號(hào)以實(shí)現(xiàn)高頻去噪[14]，去噪后的脈象信號(hào)如圖9所示。

圖9 高頻去噪后脈象信號(hào)

最后，通過ILP算法進(jìn)行特征參數(shù)的提取[15－16]。該算法的核心思想是根據(jù)每個(gè)周期內(nèi)每個(gè)幅值和脈象信號(hào)的交點(diǎn)個(gè)數(shù)的變化規(guī)律，當(dāng)在某個(gè)幅值處出現(xiàn)突變時(shí)該幅值就是一個(gè)特征參數(shù)，得到的特征參數(shù)如圖10所示。

圖10 時(shí)域特征參數(shù)

4 實(shí)驗(yàn)及數(shù)據(jù)分析

4.1 尋脈位點(diǎn)驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證本機(jī)械臂的智能五點(diǎn)尋脈法是否能夠成功找到最佳取脈位點(diǎn)，本系統(tǒng)使用脈象復(fù)放設(shè)備進(jìn)行驗(yàn)證，脈象復(fù)放設(shè)備主要由脈象發(fā)生器、仿生模擬手組成，仿生手以成年男子的手為模型制作，內(nèi)部有仿生骨架、人造動(dòng)脈血管以及仿生表皮，人造血管的厚度、柔韌度以和位置都與真實(shí)人手脈管很接近，仿生手的結(jié)構(gòu)如圖11所示。

圖11 仿生手

將脈象復(fù)放設(shè)備和機(jī)械臂采集設(shè)備固定，打開脈象復(fù)放設(shè)備，穩(wěn)定之后打開機(jī)械臂，機(jī)械臂會(huì)按照設(shè)計(jì)的算法自動(dòng)尋脈，尋脈時(shí)記錄寸關(guān)尺各部的最佳取脈壓力點(diǎn)，將仿生手的表皮去掉，可以明顯的看到傳感器壓在了人造動(dòng)脈血管上。同時(shí)，請(qǐng)一位有經(jīng)驗(yàn)的中醫(yī)進(jìn)行取脈，取脈之后在人造手臂上進(jìn)行標(biāo)記，用激光筆照向標(biāo)記點(diǎn)，去掉人造手臂表皮，可以看到老中醫(yī)確定的取脈點(diǎn)和我們的智能機(jī)械臂找到的取脈點(diǎn)相同，如圖12所示。

圖12 中醫(yī)師確定的取脈點(diǎn)

為了驗(yàn)證機(jī)械臂尋脈的可靠性，用機(jī)械臂進(jìn)行10次尋脈，每一次傳感器都能壓在人造動(dòng)脈血管上，和中醫(yī)師確定的取脈點(diǎn)一致。證明本系統(tǒng)可以精準(zhǔn)的找到最佳取脈位點(diǎn)，圖13～圖15是實(shí)驗(yàn)中的一組寸關(guān)尺尋脈結(jié)果圖。

圖13 寸部最佳取脈位點(diǎn)

圖14 關(guān)部最佳取脈位點(diǎn)

圖15 尺部最佳取脈位點(diǎn)

4.2 對(duì)比實(shí)驗(yàn)

為驗(yàn)證本脈診設(shè)備在找到最佳取脈位點(diǎn)后所采集脈象信息的準(zhǔn)確性，將本脈診設(shè)備與市面上最常見的蕪湖圣美孚科技有限公司研發(fā)的SMF－Ⅲ増強(qiáng)型中醫(yī)綜合診斷系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)對(duì)比實(shí)驗(yàn)，以下稱該設(shè)備為標(biāo)準(zhǔn)脈診設(shè)備。并在本脈診設(shè)備采集的最佳取脈位點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)記，使用標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備在同一位點(diǎn)進(jìn)行脈象采集。

實(shí)驗(yàn)對(duì)象:選取二十名天津大學(xué)20至25歲的健康在校大學(xué)生進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，男女各十名。

實(shí)驗(yàn)前準(zhǔn)備:數(shù)據(jù)采集時(shí)間定于上午，排除數(shù)據(jù)因?qū)嶒?yàn)對(duì)象飲食活動(dòng)等因素的干擾，安排所有受試者在數(shù)據(jù)采集前靜坐2 min，將手臂平放于脈枕上，機(jī)械臂置于起始點(diǎn)上方。

實(shí)驗(yàn)步驟:①啟動(dòng)機(jī)械臂，開始移動(dòng)尋找寸部脈象，第一輪五點(diǎn)尋脈之后確定最佳寸部脈象坐標(biāo)。并使用記號(hào)筆在手腕標(biāo)記位置。②機(jī)械臂移動(dòng)至最佳寸部脈象處，傳感器在連續(xù)慢減壓模式下采集脈象數(shù)據(jù)并尋找最佳取脈壓力，待信號(hào)穩(wěn)定后截取最佳取脈壓力下的脈象數(shù)據(jù)，采用相同的方法得到關(guān)和尺部的脈象數(shù)據(jù)。③使用標(biāo)準(zhǔn)脈診設(shè)備在手腕標(biāo)記部位采集，尋找寸關(guān)尺三部的最佳取脈壓力。④使用標(biāo)準(zhǔn)脈診設(shè)備，加壓至最佳取脈壓力，待信號(hào)穩(wěn)定后截取脈象數(shù)據(jù)。

4.3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比

對(duì)二十組數(shù)據(jù)以寸部為例進(jìn)行分析，分別獲得各組數(shù)據(jù)的最佳取脈壓力均值以及方差，如表2所示，對(duì)數(shù)據(jù)做等方差假設(shè)的t檢驗(yàn)分析，結(jié)果如表3所示，兩系統(tǒng)所獲取的最優(yōu)取脈壓力均值基本上無(wú)明顯區(qū)別，顯著性水平P高于0.05，兩種系統(tǒng)在同一取脈位點(diǎn)獲取的取脈壓力數(shù)據(jù)在統(tǒng)計(jì)學(xué)上差異不顯著，證明了本系統(tǒng)在最佳取脈位點(diǎn)采集數(shù)據(jù)的可靠性。

表2 兩組最優(yōu)取脈壓力值

表3 最優(yōu)取脈壓力t－檢驗(yàn)結(jié)果

對(duì)比標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)和本尋脈系統(tǒng)下得到的脈象數(shù)據(jù)，選取時(shí)域特征參數(shù)中比較有代表性的h1，h3，h5和t，分析兩種系統(tǒng)下20名學(xué)生這些特征參數(shù)的平均值，結(jié)果如圖16所示。

圖16 時(shí)域特征值對(duì)比

兩個(gè)系統(tǒng)所采集的數(shù)據(jù)無(wú)顯著性差異，驗(yàn)證基于智能機(jī)械臂的脈象診斷系統(tǒng)所采集的數(shù)據(jù)是真實(shí)可靠的。

5 結(jié)論

本文通過分析現(xiàn)有脈象設(shè)備的不足之處，設(shè)計(jì)出一種全新的脈象采集方式，由對(duì)腕部寸口脈的位置的文獻(xiàn)分析確定智能尋脈的固定的坐標(biāo)起點(diǎn)，并利用智能機(jī)械臂的二次嵌入式開發(fā)與脈象采集反饋系統(tǒng)聯(lián)系起來實(shí)現(xiàn)智能五點(diǎn)尋脈法。并且通過設(shè)計(jì)對(duì)比實(shí)驗(yàn)，通過數(shù)據(jù)時(shí)域參數(shù)的相關(guān)性分析，驗(yàn)證了智能尋脈系統(tǒng)所采集的脈象信號(hào)真實(shí)可靠性，為現(xiàn)階段的脈診采集設(shè)備提供了一種全新的方式，大大降低脈診設(shè)備的損耗率，并降低了脈象設(shè)備對(duì)用戶的使用門檻，無(wú)需自己找到脈位去采集，為脈象設(shè)備與人工智能和遠(yuǎn)程醫(yī)療的結(jié)合提供了新的思路和技術(shù)支持。