基于DSP的脈象儀的設計與實現

焦琪玉，龐春穎

長春理工大學生命科學技術學院，長春市，130022

0 前言

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

近年來，國內外學者先后研發了多種類型的中醫脈象儀，不同程度地實現了脈象信號的檢測、分析處理和診斷描述。如上海中醫藥大學的ZM-III型中醫脈象儀，北京清華科技園的APCP-Ⅳ中醫脈象儀和北京華宇脈象診斷儀等，對脈象信號進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，而且多數需要PC機的配合使用，距離脈診技術的智能化、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[2]提出了多點三維動態壓力脈搏波的采集方法，文獻[3]分析了高血壓病人的脈象信號的時域特征，文獻[4]對冠心病患者和健康人分別研究了其EMD分解后的模態特征，但都僅限于方法學的研究。國外的Womersley、Cox等一批學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上討論了管內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，通過數據采集、人機接口模塊、存儲器模塊的設計，實現了脈象信號的采集、分析處理和結果顯示。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，并通過這些參數對脈象信號進行分類識別，為疾病診斷提供了重要的生理信息。通過USB接口設計實現了與PC機的數據通信，既可以進行信號的上位機分析，也為遠程監控提供了條件。實驗證明，儀器具有體積小巧，信號處理功能強，易于操作和使用的特點。

1 系統設計

1.1 系統硬件結構

本中醫脈象儀采用HKG-07B紅外脈象傳感器提取脈象信號，并對脈象信號進行濾波放大等模擬調理，保證脈象信號的質量及幅度，以便進行A/D轉換；以 TI公司的TMS320VC5402芯片作為控制核心；通過CM320240-3EBLWA-5N液晶屏和觸摸板進行脈象信號的實時顯示和人機交互的接口設計。系統擴展了RAM和FLASH，用于多用戶的脈象信號的數據存儲。還通過CY7C68013A芯片擴展了USB接口，可方便地與PC機或者其他帶有USB接口的外設相連。其硬件框圖如圖1所示，儀器實物如圖2所示。

圖1 脈象儀硬件系統總體結構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 系統軟件設計

1.2.1 主程序結構

系統軟件實現的功能包括系統設置，有LCD設置、AD設置和其他參數設置（如時間設置、信號增益設置等）；有脈象信號采集和實時顯示，時域特征參數和頻域特征參數的提取，脈象信號的數據存儲。整體軟件的流程圖如圖3所示，其中特征參數的提取是軟件處理的關鍵。

圖3 系統軟件流程圖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，它出現在主動脈瓣關閉的瞬間，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重搏前波，又稱潮波。緊接降中峽出現的重搏波又稱降中波，以上的波和峽是構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分析中，一般取各波和峽的對比值進行研究。如h2/hl、h3/hl、(hl-h3)/hl、tl/t和t2/t等。

數學核心素養是基于數學知識和計算、測量、推理、分析、建模和統計等基本數學知識和技能形成的數學思維方法和態度.它也反映了學生在現實社會和生活中的數學，了解角色和價值. 數學核心素養與數學知識和技能，數學探究能力和問題解決能力密切相關，構成了學生的數學素養.

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

進行時域分析的關鍵是對一個周期的脈象信號進行準確定位，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。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行功率譜分析，并計算相應的特征參數。采用多個周期進行譜分析，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參數中設定了N=1024，將預處理后的數字信號x(n)分為L段，每一段數據長度為M，則有L=N/M，第i段數據記為xi(n)=x[n+(i-1)M]，其中0≤n≤M-1，1≤i≤L。

用式(2)計算每一段數據的功率譜[11]，

把PiPER對應相加，再取平均值可得平均功率譜為：

其中0≤k≤M-1。

頻域特征參數的選取和計算如下：

(1)f0：基頻，功率譜中第一主峰所對應的頻率。該參數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。該參數反映了信號能量隨頻率的分布。

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

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，在長春理工大學醫院和前衛醫院進行了臨床使用試驗，圖8和圖9是儀器觸摸屏顯示的試驗結果。

由臨床經驗豐富的醫生通過“雙盲法”診斷，確診了平脈、沉脈、滑脈、細脈、弦脈、數脈、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下休息15 min，然后用本系統進行脈象信號的提取、特征參數的計算以及結果顯示。有10例樣本的特征參數如表1所示。對所計算的參數進行了統計學的分析，具有明顯的統計意義（p＜0.05）。

從樣本中隨機抽取100例作為訓練樣本，剩下100例作為測試樣本。根據提取的脈象信號的特征參數，采用9-5-3型BP網絡，用Sigmoid作為輸入函數，基于梯度下降法進行學習，以“最大值準則”作為分類依據[12]，具體識別率如表2所示。

圖8 時域分析試驗結果Fig.8 Time domain analyze experimental results

圖9 頻域分析試驗結果Fig.9 Frequency domain analyze experimental results

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

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

2.2 結果分析和討論

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

理論上講，脈象中蘊含了豐富的人體信息，而且對同一個人，不同的狀態、不同時間、左右手寸關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，并將這些工程技術和臨床醫生的經驗相結合。

3 結論

基于DSP的脈象儀可實現脈象信號的采集、處理、形態分析和脈象識別。同時，觸摸屏的運用使操作更加簡單，使USB的接口可方便地與PC機通信。通過對200位受試者的脈象信號的采集和分類試驗，平均識別率達到了87.4%，適用于醫院和家庭的臨床診斷和健康情況的監護，對于實現中醫脈診的客觀化、標準化有重要的意義。

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[4]李福鳳,王憶勤,孫仁,等.基于Hilbert-Huang變換時域方法的冠心病患者脈圖波形特征研究[J].中國心血管病研究,2008,6(4):244-246.

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