孟子寒，舒適龍，吳小林

（重慶郵電大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院，重慶 400065）

0 引言

中醫(yī)學(xué)源自古代中國,在經(jīng)歷長期的實(shí)踐與發(fā)展后,由我國一代代辛勤的勞動(dòng)人民創(chuàng)造。 中醫(yī)在給患者看病時(shí),主要通過望、聞、問、切的方式來診斷,脈搏也體現(xiàn)了辯證法和中醫(yī)的共同理念。 中醫(yī)切脈即中醫(yī)師用手按病人的動(dòng)脈,根據(jù)脈象了解疾病內(nèi)在變化的診斷方法。 脈象是中醫(yī)辨證的一個(gè)重要依據(jù),對(duì)分辨疾病的原因,推斷疾病的變化,識(shí)別病情的真假,判斷疾病的預(yù)后等,都具有重要的臨床意義。 當(dāng)前,利用人工智能相關(guān)技術(shù),以實(shí)現(xiàn)中醫(yī)診脈的無人化和自動(dòng)化是醫(yī)療健康器械市場的一個(gè)熱點(diǎn)需求［1-2］。 作為其先決條件,需要構(gòu)建一套用于仿照中醫(yī)手法對(duì)病人脈象信息進(jìn)行采集、存儲(chǔ)的軟硬件系統(tǒng)。 本文基于Arduino Uno 開發(fā)板,結(jié)合一種特定的薄膜壓力傳感器,給出一種脈象信息采集系統(tǒng)的快速實(shí)現(xiàn)。

1 脈象信號(hào)采集原理

脈搏壓力信號(hào)收集系統(tǒng)主要記錄的是橈動(dòng)脈處隨時(shí)間推移而變化的壓力,也就是收集從左心室射出的血液所造成的壓力信號(hào)。 以壓力傳感器為輸入的傳感器集成模塊是當(dāng)前收集脈搏信號(hào)系統(tǒng)最常見的實(shí)現(xiàn)手段［3-4］,被廣泛使用。

1.1 壓電式傳感器

壓電特性的含義:當(dāng)施加機(jī)械應(yīng)力給某種材料,就會(huì)有電荷在其物理形態(tài)表面產(chǎn)生,這種電荷與壓力成正比。 壓電傳感器分為以下4 類:壓電晶體傳感器、壓電聚合物傳感器、復(fù)合壓電材料和壓電陶瓷傳感器。隨著科學(xué)家們對(duì)脈動(dòng)研究的深入,人們逐漸發(fā)現(xiàn),由聚偏氟乙烯制成的壓電傳感器應(yīng)用于各種社會(huì)技術(shù),如超聲波等。 這些壓電特性是1969 年在日本首次發(fā)現(xiàn)的。 壓電材料具有質(zhì)量小、反彈性好、適合人體電阻并且具有良好的頻帶等優(yōu)點(diǎn)。 因此,科學(xué)家們在脈搏采集傳感器的生產(chǎn)中慢慢地使用聚偏氟乙烯壓電材料,例如一種基于壓電晶體的脈象收集系統(tǒng),基于聚偏氟乙烯壓電膜傳感器的一種利用無線技術(shù)進(jìn)行脈搏檢測的設(shè)備,可以形成良好的波形。 聚合物和陶瓷這兩種常見的組合具有良好的靈活性和良好的工業(yè)特性,不同介質(zhì)的密度較小、簡單,可以和不同介質(zhì)的阻抗匹和,這些獨(dú)特的優(yōu)勢使其在醫(yī)學(xué)、傳感和其他領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

1.2 壓磁式傳感器

這類傳感器是尚不成熟的傳感器,目前尚不具備進(jìn)行研究的條件。 如果在物質(zhì)表面上設(shè)定不均勻力矩,導(dǎo)磁率會(huì)發(fā)生變化。 然而,由于領(lǐng)域的限制,這些傳感器目前很少用于實(shí)際生產(chǎn)。 目前,國內(nèi)使用的壓力傳感器最為廣泛。 尚有一些脈象儀可重復(fù)性好,研究使用氣動(dòng)壓力、單片微調(diào)控制器、彈性脈動(dòng)傳感器、顯示器、微打印機(jī)完成,特點(diǎn)是3 個(gè)位置有可以調(diào)節(jié)的彈性脈動(dòng)傳感器,腕帶與橈動(dòng)脈寸、關(guān)、尺脈位連接在一起,有助于提取標(biāo)準(zhǔn)的脈動(dòng)信號(hào)。

2 系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

2.1 Arduino 控制器

Arduino 是歐洲發(fā)展集團(tuán)于2005 年冬季開發(fā)的一個(gè)強(qiáng)大的開放源碼軟件平臺(tái),可以通過連接各種傳感器來感知周圍的環(huán)境以及通過照明和發(fā)動(dòng)機(jī)等手段對(duì)環(huán)境產(chǎn)生影響,同時(shí)可以通過自身的編譯環(huán)境生成代碼和下載程序到Arduino 開發(fā)板,最終達(dá)到控制Arduino 開發(fā)板的目的。 其配備簡單的硬件和軟件,靈活和易于使用。 Arduino 開發(fā)板的接口支持與不同的控制器和傳感器相連接,這有助于開發(fā)商以不同的價(jià)格和不同的商標(biāo)選擇商品。 此外,Arduino 可跨越平臺(tái)使用,Arduino IDE 可在包括微軟Windows,Linux,Mac OSX 在內(nèi)的主要平臺(tái)上運(yùn)行,并且該平臺(tái)提供的語言為封裝的C 語言,能為其他制造商創(chuàng)造一個(gè)完全可見的編程環(huán)境。 本項(xiàng)目選用Arduino Uno 開發(fā)板,如圖1所示。 其基于ATmega328P 微型電路,有14 條軌道的數(shù)字斑點(diǎn)的輸入/輸出(其中6 條可用于PWM 的輸出),6 條通道模擬輸入、16mHZ 陶瓷諧振器、USB 接口、插座、ICSP 接口和復(fù)位按鈕。 它包含所有的微型控制器的結(jié)構(gòu),只需要通過一根USB 數(shù)據(jù)線連接到計(jì)算機(jī)。

圖1 Arduino Uno 開發(fā)板硬件組成

2.2 傳感器模塊

為了模擬中醫(yī)診脈的過程,需要在浮、中、沉3 種不同壓力下收集脈搏信號(hào)。 這要求所選擇的傳感器不僅需要收集脈搏信號(hào),還應(yīng)該便于與壓力控制模塊相結(jié)合。 脈搏信號(hào)的準(zhǔn)確性和完整性是診斷輔助系統(tǒng)中脈搏識(shí)別結(jié)果準(zhǔn)確性的關(guān)鍵,同時(shí)數(shù)據(jù)的可靠性和準(zhǔn)確性影響著進(jìn)一步的處理數(shù)據(jù)以及診斷分析結(jié)果,因此,正確選擇脈搏傳感器對(duì)研究脈搏采集模塊至關(guān)重要。 本項(xiàng)目選擇康威科技生產(chǎn)的Flexforce 系列FSR 型薄膜壓力感應(yīng)器模塊,其基本硬件組成,如圖2 所示。其主要特點(diǎn)包括:(1)采用STM8 芯片；(2)可以檢測薄膜壓力傳感器的壓力(0 ～20 N)；(3)壓力值可通過TTL 直接讀??；(4)模擬電壓輸出:0 ～5 V；(5)可以校準(zhǔn)壓力值,使模塊讀取的壓力值更準(zhǔn)確；(6)可設(shè)置壓力上下限報(bào)警并輸出數(shù)字電平0 V 或5 V (報(bào)警燈亮輸出5 V 電平,不亮輸出0 V)；(7)報(bào)警極性可設(shè)置:可設(shè)置為壓力上下限內(nèi)或壓力上下限外報(bào)警；(8)采用AT 指令方式。

圖2 傳感器模塊硬件組成

2.3 系統(tǒng)搭建與軟件編寫

選定Uno 開發(fā)板上任一模擬輸入引腳連接FSR 傳感器模塊的模擬輸出引腳,即可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)硬件的搭建,如圖3 所示。

圖3 采集系統(tǒng)硬件連接

軟件方面,本項(xiàng)目采用Arduino IDE 集成開發(fā)環(huán)境進(jìn)行程序設(shè)計(jì)。 該IDE 包含程序控制所需的類庫,更便于程序員使用。 開發(fā)者只需要使用Arduino 語言編寫代碼,系統(tǒng)將自動(dòng)編譯為二進(jìn)制文件并將其寫入Arduino 開發(fā)板并執(zhí)行操作,從而快速實(shí)現(xiàn)設(shè)定的功能。 此外,通過將每個(gè)循環(huán)的中的采集信號(hào)寫入上位機(jī)的文件,可以保存采集到的脈象信息。

3 采集結(jié)果

在一定的壓力下將薄膜傳感器的輸入端固定在被采集人員的橈動(dòng)脈處,即可利用IDE 端自帶的串口繪圖器實(shí)時(shí)展示所采集到的脈壓波形圖,如圖4(a)所示。某位被采集人員的左手脈象信號(hào)能夠給予較為精細(xì)的展示,并同時(shí)以文本文件的形式記錄到上位機(jī)硬盤中進(jìn)行保存,如圖4(b)所示。

圖4 采集結(jié)果示例