一種基于Arduino 的簡易脈象信息采集系統

孟子寒，舒適龍，吳小林

（重慶郵電大學 通信與信息工程學院，重慶 400065）

0 引言

中醫學源自古代中國,在經歷長期的實踐與發展后,由我國一代代辛勤的勞動人民創造。 中醫在給患者看病時,主要通過望、聞、問、切的方式來診斷,脈搏也體現了辯證法和中醫的共同理念。 中醫切脈即中醫師用手按病人的動脈,根據脈象了解疾病內在變化的診斷方法。 脈象是中醫辨證的一個重要依據,對分辨疾病的原因,推斷疾病的變化,識別病情的真假,判斷疾病的預后等,都具有重要的臨床意義。 當前,利用人工智能相關技術,以實現中醫診脈的無人化和自動化是醫療健康器械市場的一個熱點需求［1-2］。 作為其先決條件,需要構建一套用于仿照中醫手法對病人脈象信息進行采集、存儲的軟硬件系統。 本文基于Arduino Uno 開發板,結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的快速實現。

1 脈象信號采集原理

脈搏壓力信號收集系統主要記錄的是橈動脈處隨時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。 以壓力傳感器為輸入的傳感器集成模塊是當前收集脈搏信號系統最常見的實現手段［3-4］,被廣泛使用。

1.1 壓電式傳感器

壓電特性的含義:當施加機械應力給某種材料,就會有電荷在其物理形態表面產生,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、復合壓電材料和壓電陶瓷傳感器。隨著科學家們對脈動研究的深入,人們逐漸發現,由聚偏氟乙烯制成的壓電傳感器應用于各種社會技術,如超聲波等。 這些壓電特性是1969 年在日本首次發現的。 壓電材料具有質量小、反彈性好、適合人體電阻并且具有良好的頻帶等優點。 因此,科學家們在脈搏采集傳感器的生產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,基于聚偏氟乙烯壓電膜傳感器的一種利用無線技術進行脈搏檢測的設備,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特性,不同介質的密度較小、簡單,可以和不同介質的阻抗匹和,這些獨特的優勢使其在醫學、傳感和其他領域得到廣泛應用。

1.2 壓磁式傳感器

這類傳感器是尚不成熟的傳感器,目前尚不具備進行研究的條件。 如果在物質表面上設定不均勻力矩,導磁率會發生變化。 然而,由于領域的限制,這些傳感器目前很少用于實際生產。 目前,國內使用的壓力傳感器最為廣泛。 尚有一些脈象儀可重復性好,研究使用氣動壓力、單片微調控制器、彈性脈動傳感器、顯示器、微打印機完成,特點是3 個位置有可以調節的彈性脈動傳感器,腕帶與橈動脈寸、關、尺脈位連接在一起,有助于提取標準的脈動信號。

2 系統的實現

2.1 Arduino 控制器

Arduino 是歐洲發展集團于2005 年冬季開發的一個強大的開放源碼軟件平臺,可以通過連接各種傳感器來感知周圍的環境以及通過照明和發動機等手段對環境產生影響,同時可以通過自身的編譯環境生成代碼和下載程序到Arduino 開發板,最終達到控制Arduino 開發板的目的。 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,這有助于開發商以不同的價格和不同的商標選擇商品。 此外,Arduino 可跨越平臺使用,Arduino IDE 可在包括微軟Windows,Linux,Mac OSX 在內的主要平臺上運行,并且該平臺提供的語言為封裝的C 語言,能為其他制造商創造一個完全可見的編程環境。 本項目選用Arduino Uno 開發板,如圖1所示。 其基于ATmega328P 微型電路,有14 條軌道的數字斑點的輸入/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 接口和復位按鈕。 它包含所有的微型控制器的結構,只需要通過一根USB 數據線連接到計算機。

圖1 Arduino Uno 開發板硬件組成

2.2 傳感器模塊

為了模擬中醫診脈的過程,需要在浮、中、沉3 種不同壓力下收集脈搏信號。 這要求所選擇的傳感器不僅需要收集脈搏信號,還應該便于與壓力控制模塊相結合。 脈搏信號的準確性和完整性是診斷輔助系統中脈搏識別結果準確性的關鍵,同時數據的可靠性和準確性影響著進一步的處理數據以及診斷分析結果,因此,正確選擇脈搏傳感器對研究脈搏采集模塊至關重要。 本項目選擇康威科技生產的Flexforce 系列FSR 型薄膜壓力感應器模塊,其基本硬件組成,如圖2 所示。其主要特點包括:(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 直接讀取；(4)模擬電壓輸出:0 ～5 V；(5)可以校準壓力值,使模塊讀取的壓力值更準確；(6)可設置壓力上下限報警并輸出數字電平0 V 或5 V (報警燈亮輸出5 V 電平,不亮輸出0 V)；(7)報警極性可設置:可設置為壓力上下限內或壓力上下限外報警；(8)采用AT 指令方式。

圖2 傳感器模塊硬件組成

2.3 系統搭建與軟件編寫

選定Uno 開發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,即可實現系統硬件的搭建,如圖3 所示。

圖3 采集系統硬件連接

軟件方面,本項目采用Arduino IDE 集成開發環境進行程序設計。 該IDE 包含程序控制所需的類庫,更便于程序員使用。 開發者只需要使用Arduino 語言編寫代碼,系統將自動編譯為二進制文件并將其寫入Arduino 開發板并執行操作,從而快速實現設定的功能。 此外,通過將每個循環的中的采集信號寫入上位機的文件,可以保存采集到的脈象信息。

3 采集結果

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脈處,即可利用IDE 端自帶的串口繪圖器實時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能夠給予較為精細的展示,并同時以文本文件的形式記錄到上位機硬盤中進行保存,如圖4(b)所示。

圖4 采集結果示例