基于脈象頻譜分析的無線脈診儀系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)*

宣利峰，熊繼平，孫張明，趙 健

（浙江師范大學(xué) 數(shù)理與信息工程學(xué)院，浙江 金華 321004）

脈診是中醫(yī)學(xué)中最具特色的診斷方法之一。在傳統(tǒng)脈診中，中醫(yī)常常以大量診斷經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ)來辨別脈象指征，憑感覺描述脈搏的表現(xiàn)，沒有從理論上形成一個(gè)客觀化、標(biāo)準(zhǔn)化的統(tǒng)一量化分析診斷方法。對(duì)患者的診斷準(zhǔn)確程度受個(gè)人的經(jīng)驗(yàn)和主觀感覺影響很大，不同的中醫(yī)可能診斷出不一樣的結(jié)果。自上世紀(jì)50年代開始，隨著電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，很多國內(nèi)外專家就設(shè)想通過利用現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)，開發(fā)出能用于中醫(yī)脈診的更精確、客觀化和智能化的儀器。中醫(yī)脈診儀PDI（Pulse Diagnosis Implement）的概念也由此提出。英國人Marey最早設(shè)計(jì)了以彈簧為動(dòng)力的杠桿式脈搏傳感器，并記錄了橈動(dòng)脈脈搏波[1]。

脈診儀是一種能對(duì)中醫(yī)脈象信息進(jìn)行自動(dòng)采集、分析和處理，最后得出中醫(yī)脈診結(jié)果的脈診設(shè)備[2]。國內(nèi)外已出現(xiàn)多種中醫(yī)脈診儀設(shè)計(jì)方案，并組裝了多種樣機(jī)，如湯偉昌等人的 ZMH-I型脈象儀[3]、王貽俊等人的MXY-1型中醫(yī)脈診儀[4]、唐金元等人的T-2A型中醫(yī)脈診儀[5]、周鵬等人的基于虛擬儀器技術(shù)的中醫(yī)脈診儀[6]、日本Colin公司研制生產(chǎn)的CMB-3000/2000型橈動(dòng)脈脈波檢測儀[7]。但上述脈診儀往往有價(jià)格昂貴、體積較大且受制于距離限制等弊端，因此不能為廣大家庭所接受。本文以延續(xù)了幾千年的中醫(yī)脈診理論為依托，以近年來發(fā)展的脈象頻譜分析理論為指導(dǎo)，結(jié)合現(xiàn)代電子技術(shù)，提出一種基于脈象頻譜分析的無線型脈診儀設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方法，為脈診儀的簡單化、方便化和客觀化研究奠定基礎(chǔ)。

1 脈象頻譜分析理論

脈象信號(hào)的分析主要是指通過計(jì)算機(jī)進(jìn)行各類算法分析。時(shí)域分析方法是一種較為傳統(tǒng)且在前期研究中應(yīng)用較廣泛的方法。它直接通過脈圖的形態(tài)分析，用以闡明脈動(dòng)頻率和節(jié)律、脈力的強(qiáng)弱、脈勢(shì)的虛實(shí)和脈象形態(tài)特征等。

現(xiàn)代中醫(yī)理論認(rèn)為：人體血液循環(huán)系統(tǒng)工作的過程就是一個(gè)共振的過程，不同臟腑，其振動(dòng)頻率也會(huì)不同[8]。由臟到腑，共振的頻率逐漸增加，由人體12條經(jīng)絡(luò)，共有12個(gè)諧波。這為對(duì)脈搏信號(hào)進(jìn)行頻譜分析提供了理論上的可行性。脈象頻譜分析主要是通過離散快速傅里葉變換，將時(shí)域的脈搏信號(hào)變換到頻域，得到相應(yīng)的脈搏頻譜曲線，通過對(duì)頻譜曲線的特征分析，從中提取與人體生理病理相應(yīng)的信息，為脈象分類提供各種頻域特征參數(shù)[9]。脈象頻譜分析中使用較多的方法包括：基本幅值/相位譜分析、功率譜分析、倒譜分析、雙譜估計(jì)等。

2 系統(tǒng)的總體架構(gòu)和工作原理

2.1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

本系統(tǒng)主要可以分為4個(gè)部分：脈搏傳感器、信號(hào)采集處理模塊、信號(hào)接收模塊和上位機(jī)顯示處理模塊，其總體架構(gòu)如圖1所示。其中，脈搏傳感器采集人體寸關(guān)尺部位脈搏波形，信號(hào)通過放大電路和A/D轉(zhuǎn)換后，以無線的方式傳輸給接收模塊，經(jīng)過USB轉(zhuǎn)串口模塊后，在上位機(jī)中進(jìn)行頻譜分析和顯示波形。

圖1 無線脈診儀系統(tǒng)的架構(gòu)

2.2 脈搏信號(hào)采集

人體脈搏信號(hào)有如下特點(diǎn)[10]：

（1）強(qiáng)干擾下的微弱信號(hào)。脈搏信號(hào)幅度很小，極容易引入干擾，主要有50 Hz的工頻干擾和肌體抖動(dòng)、精神緊張帶來的假象信號(hào)等。

（2）頻率低但能量相對(duì)集中的信號(hào)。人體的脈搏頻率非常低，約為 0.5～4 Hz，脈搏信號(hào)可看成一個(gè)準(zhǔn)直流信號(hào)或者一個(gè)低頻交變信號(hào)。

（3）復(fù)雜且易變的隨機(jī)信號(hào)。脈搏信號(hào)因人體生理、病理、心理的不同而不同，又受環(huán)境、時(shí)間、氣候的影響。

本文采用SC0073微型動(dòng)態(tài)微壓脈搏傳感器，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 SC0073脈搏傳感器結(jié)構(gòu)

該傳感器采用壓電復(fù)合材料作為換能元件，信號(hào)通過特殊的匹配層傳遞到換能元件上變成電荷量，再經(jīng)傳感器內(nèi)部放大電路轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)輸出。該傳感器是一種高性能低成本的振動(dòng)傳感器，具有靈敏度高、頻率響應(yīng)范圍寬、抗過載及沖擊能力強(qiáng)、抗干擾性好、操作簡便等特點(diǎn)。因此能夠滿足本文設(shè)計(jì)上的要求。

2.3 無線通信的實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)采用無線的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，能夠減少空間的約束，大大提高了脈診儀的方便性。

采用nRF24L01無線新型單片射頻收發(fā)模塊，工作于2.4 GHz～2.5 GHz ISM頻段。相比較于PTR8000，nRF24L01采用隱式天線，模塊體積更小，使用更加方便；多種低功率工作模式更加節(jié)能。其封裝及引腳排列如圖3所示。

圖3 nRF24L01無線模塊封裝及引腳排列

通過配置寄存器可將nRF241L01配置為發(fā)射、接收、空閑及掉電四種工作模式，如表1所示。

表1 無線發(fā)送模塊工作模式

2.4 單片機(jī)處理模塊

本文采用C8051F340單片機(jī)進(jìn)行信號(hào)的處理和存儲(chǔ)。脈搏信號(hào)傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)模塊，進(jìn)行A/D采樣并保存，控制無線發(fā)送和接收模塊實(shí)現(xiàn)通信，經(jīng)過數(shù)據(jù)緩存后輸出。單片機(jī)工作流程如圖4所示。

圖4 單片機(jī)工作流程

2.5 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)電路

系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)電路主要包括單片機(jī)控制無線模塊傳遞數(shù)據(jù)和脈搏傳感器采集脈象信號(hào)電路。其主要電路如圖5所示。

3 實(shí)驗(yàn)和仿真結(jié)果

本文中脈搏信號(hào)在上位機(jī)上的顯示界面采用Visual Basic6.0創(chuàng)建，并利用其中的MSComm通信控件實(shí)現(xiàn)串行通信[11]，所有的控制均通過人機(jī)交互界面直接操作。通過脈象信號(hào)采集、傳輸電路，得到脈搏波形顯示界面如圖6所示。

將波形型號(hào)用MATLAB7.0軟件進(jìn)行離散快速傅里葉變換（DFFT）處理，可以得到人體12個(gè)諧波的幅度值。本文通過選取20個(gè)健康測試對(duì)象，其幅值如圖7所示。

本文介紹了無線脈診儀系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程，信號(hào)由傳感器采集，通過無線的方式傳輸，以USB轉(zhuǎn)串口通信形式傳輸?shù)缴衔粰C(jī)，通過基于MATLAB的DFFT處理和基于VB編程的界面顯示獲得各個(gè)諧波幅值。仿真結(jié)果表明，采集的波形清晰平穩(wěn)、噪聲基本濾除，測得幅值基本與標(biāo)準(zhǔn)相符合，脈診儀能夠較好地應(yīng)用于實(shí)踐。今后的工作主要是將測得的幅值進(jìn)行更精確化的描述。

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