張 琦,呂玉祥
(太原理工大學(xué)物理與光電工程學(xué)院,山西 太原 030024)
在世界古醫(yī)學(xué)中,都有醫(yī)者通過(guò)腕部脈搏信號(hào)診斷疾病的相關(guān)記載[1],通過(guò)脈診的方式對(duì)病患進(jìn)行健康判別和疾病的輔助診斷具有快速、安全、無(wú)創(chuàng)無(wú)痛等優(yōu)點(diǎn),但傳統(tǒng)脈診過(guò)程中存在的非客觀化因素極大地阻礙了中醫(yī)脈學(xué)的傳承發(fā)展以及現(xiàn)代化應(yīng)用[2]。
通過(guò)特定施壓脈象獲取裝置,對(duì)不同施壓狀況下的脈象信號(hào)進(jìn)行數(shù)字量化,間接模擬醫(yī)師取脈過(guò)程,尋找和建立脈象與病況之間的特定關(guān)系將使脈診的非客觀問(wèn)題得到解決[3-6]。
國(guó)內(nèi)脈象信號(hào)獲取裝置的研究主要集中于各大醫(yī)療機(jī)構(gòu)和高校,其中上海中醫(yī)藥大學(xué)利用半導(dǎo)體受感元件先后研制ZMH-I型、ZM-300型腕部動(dòng)脈信號(hào)采集系統(tǒng)[7],天津中醫(yī)藥大學(xué)的王學(xué)民、楊成等[8]研究人員設(shè)計(jì)的柔性陣列動(dòng)脈信號(hào)換能器實(shí)現(xiàn)了多路脈搏信號(hào)的采集,華東理工大學(xué)的楊杰等[9]完成了寸關(guān)尺三部脈象數(shù)據(jù)采集裝置設(shè)計(jì)。傳統(tǒng)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(shí),傳感裝置單獨(dú)固定于人體腕部,再操作控制單元對(duì)脈搏信號(hào)進(jìn)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(shè)計(jì)一種便攜式可穿戴的脈象采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)使用充氣式氣囊施壓法間接模擬中醫(yī)脈診過(guò)程中浮、中、沉脈象壓力變化,精準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)寸關(guān)尺位置脈象數(shù)據(jù)采集,脈象采集終端通過(guò)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)與云服務(wù)器的數(shù)據(jù)通信。整個(gè)系統(tǒng)輕量,操作簡(jiǎn)單,可以廣泛應(yīng)用于線下各種醫(yī)療場(chǎng)景,進(jìn)行用戶脈象數(shù)據(jù)的積累,推動(dòng)傳統(tǒng)中醫(yī)脈診向智能化發(fā)展。
本系統(tǒng)為了實(shí)現(xiàn)脈象采集終端的輕量,便攜,可穿戴目的,將傳統(tǒng)的脈象采集儀的控制單元與傳感單元進(jìn)行集成。終端脈象采集儀可以布置于任何有網(wǎng)絡(luò)的線下場(chǎng)景,采集儀配網(wǎng)后連接本地路由實(shí)現(xiàn)脈象數(shù)據(jù)云端存儲(chǔ),用戶或醫(yī)師通過(guò)訪問(wèn)云服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)查看與調(diào)用。脈象采集系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。脈象采集儀是完成施壓控制、數(shù)據(jù)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(tǒng)整體結(jié)構(gòu)
脈象采集儀主殼體部分主要實(shí)現(xiàn)對(duì)硬件電路板、充氣泵、放氣閥等內(nèi)部組成元件的固定以及通過(guò)機(jī)械卡扣方式與施壓傳感裝置進(jìn)行連接。在滿足內(nèi)部裝配要求的情況下,盡量縮小主殼體體積,以便達(dá)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(kāi)關(guān)啟動(dòng)按鈕,C部分為電源及系統(tǒng)運(yùn)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(xiàn)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(jī)械卡扣。
考慮到人體橈骨形狀以及實(shí)際脈診過(guò)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(tǒng)中醫(yī)脈診的過(guò)程,本設(shè)計(jì)對(duì)脈象采集儀的傳感單元與施壓?jiǎn)卧M(jìn)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(dòng)脈搏動(dòng)的關(guān)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(jié)合FPC柔性電路板共同構(gòu)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,F(xiàn)PC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(hào)線通過(guò)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(shè)計(jì)為50 mm×80 mm,頂部留有2個(gè)內(nèi)徑為3mm的進(jìn)氣口,整體采用高張力、高韌性的TPU材料,能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)人體腕部檢測(cè)位置覆蓋,以便完成對(duì)傳感單元的均勻施力。腕帶由彈性PVC卡環(huán)和外部尼龍包裝組成,彈性卡環(huán)完成手腕固定以及與脈象采集儀主殼體的機(jī)械連接。實(shí)際使用過(guò)程中,傳感單元、氣囊依次嵌入腕帶。氣囊進(jìn)氣口通過(guò)3 mm PU軟管與氣泵、氣閥、氣壓傳感器進(jìn)行連通。
圖5 傳感單元
硬件電路為脈象采集儀的核心組成部分,對(duì)采集儀的不同功能在硬件層面進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。主要包括電源電路、信號(hào)預(yù)處理電路、AD采集電路、氣泵氣閥控制電路、腕帶氣壓檢測(cè)以及數(shù)據(jù)通信電路組成。硬件電路結(jié)構(gòu)圖6所示。
圖6 硬件電路結(jié)構(gòu)
該脈象采集儀使用增強(qiáng)型基于ARM Cortex-M3內(nèi)核的微控制器STM32F103C8T6作為終端核心處理芯片,實(shí)現(xiàn)信號(hào)采集處理及所有外設(shè)控制。脈象儀工作時(shí),主控發(fā)出指令控制氣泵對(duì)氣囊進(jìn)行充氣,配合氣閥與壓力檢測(cè)單元間接向傳感單元進(jìn)行精準(zhǔn)施壓實(shí)現(xiàn)浮、中、沉壓力控制。三路脈象信號(hào)分別經(jīng)過(guò)截止頻率為20 Hz的低通濾波預(yù)處理電路進(jìn)入主控制器自帶的12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器,主控制器對(duì)脈象數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后通過(guò)esp8266 WIFI模塊連接本地路由將數(shù)據(jù)上傳至云端服務(wù)器。此外,脈象采集儀采用5 V MicroUSB接口供電,內(nèi)置3000 mA鋰電池,可在無(wú)直插電源供電情況下進(jìn)行工作。
本文脈象采集裝置進(jìn)行三等級(jí)施壓力度設(shè)計(jì),綜合壓力需求、主殼體內(nèi)部空間大小、供電等級(jí)等因素,本設(shè)計(jì)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(tǒng)裝置的施壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)。氣泵實(shí)物如圖7所示,氣泵性能參數(shù)如表1所示,氣閥實(shí)物圖如圖8所示,氣閥性能參數(shù)如表2所示。
圖7 微型氣泵實(shí)物圖
表1 氣泵技術(shù)參數(shù)
圖8 微型氣閥實(shí)物圖
表2 氣閥技術(shù)指標(biāo)
采集儀工作時(shí),主控通過(guò)控制氣泵、氣閥的工作狀態(tài)對(duì)腕帶氣囊進(jìn)行充氣間接實(shí)現(xiàn)對(duì)傳感單元的施壓,施壓力度控制由氣壓檢測(cè)傳感器實(shí)現(xiàn),氣壓傳感器通過(guò)PU軟管與氣囊內(nèi)部進(jìn)行連通,對(duì)綁帶內(nèi)部壓力進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)進(jìn)而實(shí)現(xiàn)施壓力度控制。氣壓傳感器選用Freescale Semiconductor(飛思卡爾半導(dǎo)體公司)研制的單片式信號(hào)自調(diào)節(jié)硅壓力傳感器MPXV5050GP該傳感器采用新型微機(jī)械和雙極工藝,在-40℃~125℃之間提供有效的溫度補(bǔ)償,可以在壓力測(cè)量過(guò)程中提供與所施壓力成正比的高輸出模擬信號(hào),氣壓傳感器實(shí)物圖如圖9所示,壓力傳感器性能參數(shù)如表3所示。
圖9 氣壓傳感器實(shí)物圖
表3 氣壓傳感器技術(shù)指標(biāo)
采集儀工作時(shí),腕帶氣囊以及脈搏傳感單元與腕部皮膚為緊貼狀態(tài),脈搏傳感單元所受壓力F與腕帶氣囊對(duì)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(nèi)的壓強(qiáng),由主控獲取壓力傳感器輸出信號(hào)計(jì)算得出,S為內(nèi)側(cè)氣囊面積。采集儀工作過(guò)程中通過(guò)設(shè)定壓力閾值實(shí)現(xiàn)固定壓力控制,具體壓力控制以及數(shù)據(jù)采集流程如圖10所示。
圖10 壓力控制和數(shù)據(jù)采集流程圖
在脈搏信號(hào)采集系統(tǒng)工作的過(guò)程中,主控制器通過(guò)程序指令控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)在不同時(shí)間段完成多種不同的任務(wù),如信號(hào)采集、氣泵氣閥控制、數(shù)據(jù)傳輸、上位機(jī)交互等,共同維持系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)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
脈象采集儀云端存儲(chǔ)采用中國(guó)移動(dòng)OneNET云平臺(tái)實(shí)現(xiàn)終端設(shè)備接入,創(chuàng)建多協(xié)議接入產(chǎn)品,設(shè)備接入?yún)f(xié)議選擇EDP協(xié)議,添加終端設(shè)備,設(shè)備建立數(shù)據(jù)流。終端設(shè)備配網(wǎng)完成后,通過(guò)服務(wù)器固定IP地址,以及設(shè)備ID與云服務(wù)器建立連接,實(shí)現(xiàn)下位機(jī)數(shù)據(jù)上傳。云端產(chǎn)品應(yīng)用對(duì)接OneNET數(shù)據(jù)源完成數(shù)據(jù)可視化應(yīng)用開(kāi)發(fā)。產(chǎn)品應(yīng)用如圖12所示
圖12 可視化應(yīng)用
脈象采集儀的整體結(jié)構(gòu)如圖13所示,脈象儀上電,配網(wǎng)連接本地路由器,脈象采集系統(tǒng)控制施壓傳感裝置分別對(duì)50 mmHg、80 mmHg、100 mmHg壓力下的脈象數(shù)據(jù)進(jìn)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(hào)整體形態(tài)完整清晰,達(dá)到預(yù)期效果,能夠較好地反映脈搏形態(tài)特征。
圖13 脈象儀結(jié)構(gòu)圖
圖14 80 mmHg脈象圖
本研究設(shè)計(jì)了新型的穿戴式自動(dòng)加壓脈象采集系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了線下終端用戶脈象數(shù)據(jù)的施壓采集、回傳、存儲(chǔ)。該系統(tǒng)結(jié)合新型傳感與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù),具有輕量、便攜、操作簡(jiǎn)單等特點(diǎn),為中醫(yī)脈象數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)庫(kù)的構(gòu)建與脈診客觀化提供了新的硬件實(shí)現(xiàn)方案,進(jìn)而為脈象輔助診斷研究與中醫(yī)智能化發(fā)展提供技術(shù)基礎(chǔ)。但系統(tǒng)依舊存在不足,未來(lái)將通過(guò)改進(jìn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu),對(duì)單個(gè)診脈部位不同壓力下的脈象數(shù)據(jù)獲取實(shí)現(xiàn)方法進(jìn)行深入研究。