一種野戰便攜式脈象檢測儀的研制

申林

聊城市第三人民醫院，山東 聊城252000

0 前言

脈象診斷起源于中國，發展歷史悠久[1]。健康人體的內外環境發生變化時，正常脈象也會產生生理性變化。通過診斷脈象可以判別疾病的發生部位及其性質，進而推斷病情的輕重[2-3]，但脈象診斷結果會因中醫的切脈程度不同而具有主觀性、抽象性。在工程學與醫學及計算機電子技術緊密結合的現代社會，中醫號脈發展比較緩慢，很難被下一代完全繼承。醫療儀器可輔助醫生更精確地診斷病情，協助護士更好地護理病人。現代的醫療儀器很多，體積和重量也很龐大，很難攜帶。在野戰環境下，使用普通的醫療儀器比較繁瑣，極為不便。

鑒于此，軍內需要一款攜帶方便并可適應野戰環境的脈象儀[4]。我們研制了一款野戰便攜式脈象檢測儀，主要用于野戰后勤保障部隊對傷員脈象圖譜的檢測，以提高后勤保障能力，加快野戰衛生裝備的信息化發展[5-6]。

1 硬件設計

本設計采用適合脈象信號特征的HK2000G傳感器，根據傳感器拾取的脈象信號的幅值、頻率等特點，選擇具有高輸入阻抗、高共模抑制比（CMRR）等特性的儀用放大器和數字電位器，實現脈象信號的增益自動調整；設計低頻和工頻干擾的濾波電路，完成脈象信號的濾波處理；根據信號頻率特點，采用8路12位的A/D轉換芯片，實現脈象信號的采集； 并設計防電擊電路，保證脈象儀的使用安全。

1.1 脈象傳感器的選擇

脈象信號屬于強背景噪聲下的微弱信號[7]，因此選擇用于拾取脈象信號的傳感器至關重要。脈象信號主要是脈搏波動，但醫生號脈時也會給脈搏一個較小的壓力。因此，實際采集到的脈象信號是號脈壓力與脈搏波動信號的疊加。基于此，本設計采用HK2000G傳感器。HK-2000G壓阻式傳感器可由電壓或電流驅動產生正比于輸入壓力的毫伏級的電壓輸出信號，具有優異的可重復性和時間穩定性，非常適用于中醫脈象診斷，具有集成度高、可靠性高、體積小巧、靈敏度高等特點，符合脈象信號采集的原則。

1.2 脈搏信號調理模塊

脈象信號在經A/D轉換之前需要經過信號調理。脈象傳感器獲取的信號非常微弱，需要采取相關措施對信號進行放大，但在放大有用信號的同時，也會放大噪聲信號，這就需要將采集到的信號經濾波電路濾除部分噪聲。信號放大濾波電路的設計需要滿足保留有用信號、濾除噪聲信號的要求，因此放大濾波電路要具有“三高二低”（高輸入阻抗、高CMRR、高安全性、低基線漂移、低雜音）的特點[8-9]。

圖1 軟件主程序流程圖

1.3 A/D轉換模塊

本設計采用基于MAX152CPP集成芯片的A/D轉換模塊。MAX152CPP是由兩級比較型A/D轉換器并行構成的，具有A/D轉換速度快的特點，其輸出端口采用的是三態鎖存緩沖電路，與8位微處理器的兼容性很好[10]，這些特點可極大地滿足經放大濾波后的有用信號對A/D轉換的要求。

1.4 主控模塊與顯示模塊

有許多研究采用數字信號處理器（DSP）作為脈象檢測儀的數據采集系統[11-14]，DSP確實有很多好處，但是價格也很高。為降低功耗和成本，本設計采用AT89C2051單片機作為主控核心。AT89C2051單片機支持發送與接受同時進行的串行接口[15]，使用RS232將單片機與PC機連接，以便后續將采集到的脈象信號傳遞到PC機上，實現脈象信號的自動分析和診斷的功能。同時，AT89C2051單片機與LCD顯示屏連接，可實現脈象信號的實時顯示功能。

1.5 電源模塊及聲光報警模塊

電源模塊為整個系統提供電源[16]，MAX152CPP芯片的參考電壓是3 V，主控芯片的電壓是5 V。電源模塊可以提供15 V電壓，可以滿足整個系統的正常工作。將數據傳到上位機后，如果時域參數超過正常值，聲光報警模塊就會發出報警。

2 軟件設計

2.1 功能設計

本設計的應用程序主要用于實現數據的采集、處理、顯示等功能，負責調度各應用程序模塊，并與其他設備及時交換信息，實現系統軟、硬件資源的整體管理。主程序流程圖，見圖1。

2.2 特征值提取

圖2 脈象信號的時域特征圖

本設計采用閾值法求得脈象信號的時域特征值t、h3/h1、h4/h1、K、c。

本設計采用功率譜的分析方法提取脈象信號的頻域特征值：① f0：基頻，功率譜中第一主峰所對應的頻率，可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，可反映測試者的呼吸頻率；③ x:功率譜諧波個數，代表頻率是基頻整數倍的波峰的個數，可在一定程度上反映脈搏的節律；④ 譜能比： SER10=E10/E，E10表示脈象信號在0～10 Hz的譜能量，E表示脈象信號在主頻率范圍0～40 Hz的總能量。

3 實驗分析

為驗證脈象檢測儀的性能，在本市野外環境中采集了280名受過野外訓練的人員的脈象信號，并且由老中醫為他們號脈診斷。其中8例樣本的特征值參數，見表1。

這些樣本中平脈、沉脈、細脈、數脈、緩脈和弦脈的數量比例是2:1:1:1:1:1。利用支持向量機[17]和BP神經網絡算法[14]，分別根據提取的所有特征值和其中的7個特征值t、h3/h1、h4/h1、K、f0、h0、x，對采集的脈象信號樣本進行分類識別。結果見表2～3。

表1 脈象信號的特征參數表

表2 脈象信號分類結果（支持向量機算法）（例）

表3 脈象信號分類結果（BP神經網絡算法）（例）

由表2可知，通過支持向量機對140例脈象信號的訓練樣本進行分類識別，其中誤判的脈象信號樣本數為7例，訓練樣本的正確識別率達95%；對140例脈象信號的測試樣本進行分類識別，其中誤判的脈象信號樣本數為12例，測試樣本的正確識別率達91.3%。由表3可知，通過對脈象樣本的識別，該脈象檢測儀對脈象信號測試樣本的平均識別率可達89.9%。由表2和表3相比可知，對于基于該脈象檢測儀的脈象信號測試樣本分類識別，支持向量機算法的識別率比BP神經網絡算法要高。

以上數據證明，對于相同的分類識別算法，并不是特征值的個數越多，分類識別率就越高；對于相同的特征值個數，采用不同的分類識別算法，其識別率也不相同。對于該脈象檢測儀，采用支持向量機算法優越于采用BP神經網絡算法。

4 結論

本研究通過遴選合適的信號采集傳感器，從信號的濾波放大、A/D轉換、信號處理、單片機及其外圍控制電路等方面研制了一種野戰便攜式脈象檢測儀，完成了脈象信號的采集、顯示和存儲。該脈象檢測儀具有體積小、結構簡單、穩定可靠、功耗低、可移動性強、價格低廉等特點，可通過增設的USB接口與上位機進行通信，提取脈象信號的時域和頻域的特征值，并可分別采用支持向量機算法和BP神經網絡算法實現對正常和異常脈象信號的分類識別，平均識別率可達89.9%。總之，該脈象檢測儀實現了脈象圖譜的客觀化、具體化檢測，可在野戰訓練中對訓練人員的生命體征進行檢測。

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