基于DSP的脈象儀的設(shè)計與實現(xiàn)

焦琪玉，龐春穎

長春理工大學(xué)生命科學(xué)技術(shù)學(xué)院，長春市，130022

0 前言

在中醫(yī)理論中，對疾病的診斷與治療絕大部分是以脈診為依據(jù)的。對于這項“在心易了，指下難明”的技術(shù)，現(xiàn)代人早就渴望能有一種客觀的中醫(yī)脈象檢測和描述方法，以系統(tǒng)地解釋中醫(yī)脈診的奧秘[1]。

近年來，國內(nèi)外學(xué)者先后研發(fā)了多種類型的中醫(yī)脈象儀，不同程度地實現(xiàn)了脈象信號的檢測、分析處理和診斷描述。如上海中醫(yī)藥大學(xué)的ZM-III型中醫(yī)脈象儀，北京清華科技園的APCP-Ⅳ中醫(yī)脈象儀和北京華宇脈象診斷儀等，對脈象信號進(jìn)行了不同程度的描述和分析。但是它們在信號采集和分析處理功能上有不足之處，而且多數(shù)需要PC機(jī)的配合使用，距離脈診技術(shù)的智能化、客觀化和定量化的要求還有一段差距。在脈象信號的采集和臨床分析方面，文獻(xiàn)[2]提出了多點三維動態(tài)壓力脈搏波的采集方法，文獻(xiàn)[3]分析了高血壓病人的脈象信號的時域特征，文獻(xiàn)[4]對冠心病患者和健康人分別研究了其EMD分解后的模態(tài)特征，但都僅限于方法學(xué)的研究。國外的Womersley、Cox等一批學(xué)者建立了動脈管中脈搏波的傳播模型，麥克唐納在考慮組織對血管約束作用的基礎(chǔ)上討論了管內(nèi)脈動流與波的傳播問題[5-8]，還有德國、俄羅斯、意大利、印度、日本和韓國也開發(fā)了基于不同檢測原理的脈象檢測儀器。

本文研制的基于DSP的脈象儀，充分利用DSP芯片的控制能力和信號處理能力，通過數(shù)據(jù)采集、人機(jī)接口模塊、存儲器模塊的設(shè)計，實現(xiàn)了脈象信號的采集、分析處理和結(jié)果顯示。該儀器可測量具有臨床診斷意義的9個脈象信號的時域和頻域參數(shù)，并通過這些參數(shù)對脈象信號進(jìn)行分類識別，為疾病診斷提供了重要的生理信息。通過USB接口設(shè)計實現(xiàn)了與PC機(jī)的數(shù)據(jù)通信，既可以進(jìn)行信號的上位機(jī)分析，也為遠(yuǎn)程監(jiān)控提供了條件。實驗證明，儀器具有體積小巧，信號處理功能強(qiáng)，易于操作和使用的特點。

1 系統(tǒng)設(shè)計

1.1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

本中醫(yī)脈象儀采用HKG-07B紅外脈象傳感器提取脈象信號，并對脈象信號進(jìn)行濾波放大等模擬調(diào)理，保證脈象信號的質(zhì)量及幅度，以便進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換；以 TI公司的TMS320VC5402芯片作為控制核心；通過CM320240-3EBLWA-5N液晶屏和觸摸板進(jìn)行脈象信號的實時顯示和人機(jī)交互的接口設(shè)計。系統(tǒng)擴(kuò)展了RAM和FLASH，用于多用戶的脈象信號的數(shù)據(jù)存儲。還通過CY7C68013A芯片擴(kuò)展了USB接口，可方便地與PC機(jī)或者其他帶有USB接口的外設(shè)相連。其硬件框圖如圖1所示，儀器實物如圖2所示。

圖1 脈象儀硬件系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)Fig.1 Block diagram of hardware system of pulse instrument

圖2 脈象儀實物圖Fig.2 Picture of pulse instrument

1.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

1.2.1 主程序結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)軟件實現(xiàn)的功能包括系統(tǒng)設(shè)置，有LCD設(shè)置、AD設(shè)置和其他參數(shù)設(shè)置（如時間設(shè)置、信號增益設(shè)置等）；有脈象信號采集和實時顯示，時域特征參數(shù)和頻域特征參數(shù)的提取，脈象信號的數(shù)據(jù)存儲。整體軟件的流程圖如圖3所示，其中特征參數(shù)的提取是軟件處理的關(guān)鍵。

圖3 系統(tǒng)軟件流程圖Fig.3 System software flowchart

1.2.2 脈象信號時域分析

脈象圖大多由三個峰兩個谷組成，其中升支和降支組成主波，降支上有一切跡稱為降中峽，它出現(xiàn)在主動脈瓣關(guān)閉的瞬間，反映心臟舒張期起點的主動脈壓力。主波和降中峽之間往往出現(xiàn)重搏前波，又稱潮波。緊接降中峽出現(xiàn)的重搏波又稱降中波，以上的波和峽是構(gòu)成脈象圖的主要成分。圖4為典型的脈象時域波形[9]。在實際脈象信號的形態(tài)分析中，一般取各波和峽的對比值進(jìn)行研究。如h2/hl、h3/hl、(hl-h3)/hl、tl/t和t2/t等。

數(shù)學(xué)核心素養(yǎng)是基于數(shù)學(xué)知識和計算、測量、推理、分析、建模和統(tǒng)計等基本數(shù)學(xué)知識和技能形成的數(shù)學(xué)思維方法和態(tài)度.它也反映了學(xué)生在現(xiàn)實社會和生活中的數(shù)學(xué)，了解角色和價值. 數(shù)學(xué)核心素養(yǎng)與數(shù)學(xué)知識和技能，數(shù)學(xué)探究能力和問題解決能力密切相關(guān)，構(gòu)成了學(xué)生的數(shù)學(xué)素養(yǎng).

圖4 脈圖的時域特征Fig.4 The pulse figure time domain features

進(jìn)行時域分析的關(guān)鍵是對一個周期的脈象信號進(jìn)行準(zhǔn)確定位，本研究采用閾值定位法。脈象信號定位后，計算信號的幅值比h2/hl、h3/hl、脈動周期t和波形特征量k，這幾個特征參數(shù)。其中幅值比h2/hl、h3/hl能客觀反映血管阻力和血管壁彈性。定義K[10]為

圖5 脈搏波波形特征量K值的提取Fig.5 The characteristic parameter K value of the pulse waveform

時域分析步驟如圖6所示。其中設(shè)x(t) 為脈象信號，m為閾值，一般在3～5之間選取，圖4中的D點以下。

圖6 時域算法流程圖Fig.6 Time domain algorithm flowchart

1.2.3 頻域分析模塊

本儀器選擇對脈象信號進(jìn)行功率譜分析，并計算相應(yīng)的特征參數(shù)。采用多個周期進(jìn)行譜分析，然后求取平均值的方法。其計算流程如圖7所示。

圖7 頻域算法流程圖Fig.7 Frequency domain algorithm flowchart

FFT參數(shù)中設(shè)定了N=1024，將預(yù)處理后的數(shù)字信號x(n)分為L段，每一段數(shù)據(jù)長度為M，則有L=N/M，第i段數(shù)據(jù)記為xi(n)=x[n+(i-1)M]，其中0≤n≤M-1，1≤i≤L。

用式(2)計算每一段數(shù)據(jù)的功率譜[11]，

把PiPER對應(yīng)相加，再取平均值可得平均功率譜為：

其中0≤k≤M-1。

頻域特征參數(shù)的選取和計算如下：

(1)f0：基頻，功率譜中第一主峰所對應(yīng)的頻率。該參數(shù)反映心臟搏動的基本頻率，即心臟跳動的快慢。

(2)h0：前次峰值，功率譜第一主峰前的一個峰值，該參數(shù)反映測試者的呼吸頻率。

(3) 譜能比：SER10。由于脈象信號的頻率主要集中在0～40 Hz，所以設(shè)信號的總能量值為

則0～10 Hz能量值表示為

式中F為頻譜分辨率。

則譜能比定義為SER10=E10/E，代表0～10 Hz的譜能量占總能量的百分比。該參數(shù)反映了信號能量隨頻率的分布。

(4)x：功率譜諧波個數(shù)，它代表了頻率是基頻整數(shù)倍的波峰的個數(shù)。該參數(shù)在一定程度上反映了脈搏的節(jié)律。

2 儀器性能測試實驗與討論

2.1 儀器性能測試實驗

為了驗證儀器的性能，在長春理工大學(xué)醫(yī)院和前衛(wèi)醫(yī)院進(jìn)行了臨床使用試驗，圖8和圖9是儀器觸摸屏顯示的試驗結(jié)果。

由臨床經(jīng)驗豐富的醫(yī)生通過“雙盲法”診斷，確診了平脈、沉脈、滑脈、細(xì)脈、弦脈、數(shù)脈、緩脈等共200例樣本。其中男性82例，女性118例。在儀器使用試驗過程中要求測試者在安靜狀態(tài)下休息15 min，然后用本系統(tǒng)進(jìn)行脈象信號的提取、特征參數(shù)的計算以及結(jié)果顯示。有10例樣本的特征參數(shù)如表1所示。對所計算的參數(shù)進(jìn)行了統(tǒng)計學(xué)的分析，具有明顯的統(tǒng)計意義（p＜0.05）。

從樣本中隨機(jī)抽取100例作為訓(xùn)練樣本，剩下100例作為測試樣本。根據(jù)提取的脈象信號的特征參數(shù)，采用9-5-3型BP網(wǎng)絡(luò)，用Sigmoid作為輸入函數(shù)，基于梯度下降法進(jìn)行學(xué)習(xí)，以“最大值準(zhǔn)則”作為分類依據(jù)[12]，具體識別率如表2所示。

圖8 時域分析試驗結(jié)果Fig.8 Time domain analyze experimental results

圖9 頻域分析試驗結(jié)果Fig.9 Frequency domain analyze experimental results

表1 脈象信號特征參數(shù)Tab.1 Pulse signal characteristic parameters

表2 脈象信號識別結(jié)果對照表Tab.2 Pulse signal identification results comparison

2.2 結(jié)果分析和討論

通過對200例受試者脈象的識別結(jié)果的比較，該中醫(yī)脈象儀系統(tǒng)對脈象信號的平均識別率可達(dá)87.4%，其中對弦脈的識別率最高，而對于緩脈的識別率最低。產(chǎn)生這個結(jié)果的原因在于，某些脈象信號本身的形態(tài)就比較容易識別，另外與所選擇的特征參數(shù)也有很大的關(guān)系。因此，可考慮從脈象的“位、數(shù)、形、勢”的整體上選擇更有代表意義的參數(shù)。另外，在建立預(yù)測模型時，可以考慮參數(shù)的自適應(yīng)選取，以此提高分類識別方法的自適應(yīng)性。

理論上講，脈象中蘊(yùn)含了豐富的人體信息，而且對同一個人，不同的狀態(tài)、不同時間、左右手寸關(guān)尺不同部位采集的脈搏波都會有差異。因此，對于脈象儀，還需要進(jìn)一步開展多傳感器融合、時頻域信號處理等方面的研究，并將這些工程技術(shù)和臨床醫(yī)生的經(jīng)驗相結(jié)合。

3 結(jié)論

基于DSP的脈象儀可實現(xiàn)脈象信號的采集、處理、形態(tài)分析和脈象識別。同時，觸摸屏的運(yùn)用使操作更加簡單，使USB的接口可方便地與PC機(jī)通信。通過對200位受試者的脈象信號的采集和分類試驗，平均識別率達(dá)到了87.4%，適用于醫(yī)院和家庭的臨床診斷和健康情況的監(jiān)護(hù)，對于實現(xiàn)中醫(yī)脈診的客觀化、標(biāo)準(zhǔn)化有重要的意義。

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