脉诊仪机构的开发与计算机辅助设计(编辑修改稿)

脉诊仪机构的开发与计算机辅助设计(编辑修改稿)内容摘要：

搏波形的不同变化， II 型传感器用于测量脉搏波沿血管横截面方向各个点的不同，以得到脉图沿血管横向的变化规律。 系统软件可显示各种脉图，实现多点动态实时测量，并能对脉图进行频谱分析和数字滤波。 上海中医药大学汤伟昌在单探头ZMH1 工型中医脉象传感器基础上又研究设计了一种双探头复合式脉象传感器 (其物理模型如图 16 所示 )。 该传感器有别于单探头脉象传感器，它能测取 中医脉象信号中有关力学参数指标。 传感器的灵敏度定为 50mV/N。 线性范围为 03N：固有谐振频率大于 1kHa。 选用被青铜作为弹性梁材料 (弹性模量 E= 103 kg/mm)。 应变一电压转换元件选用美国 Entran 公司生产的半导体应变计，报道其性能稳定、灵敏 [2]。 哈尔滨理工大学学士学位论文 6 图 15 光纤脉象传感器机构示意图 图 16 双探头脉象检测系统物理模型 1 传光光纤 2 反射膜片 3 上压膜 1 外围传感器 2 中心传感器 4 传输连杆 5 下支撑膜 6 外壳 3 皮肤软组织 4 血管 2020 年信息产业部电子第四十九研究所的张东青报道在传统传感器基础上研制出一种新型自检脉搏传感器，其采用弧面接触圆形敏感头仿人手指探触状态，可尽量减少周边支撑所带来的干扰，确保准确测量到脉搏波。 传感器性能指标为：灵敏度 lmv/KPe；频响： 300Hz；线性度： 0. 0596FS。 所谓自检功能就是整形驱动显示电路将输入脉搏波波形整形后驱动发光二极管闪亮与 挠动脉博波同步。 当发光二极管与脉搏波同步时，是正确位置；否则不是正确位置。 随着电子计算机在脉诊客观化研究中的应用，脉象仪的研究得到了充足的发展。 徐黎明等运用现代压力电压转换原理和电子计算机相联体，经五单元传感探头对脉象进行三维认证，以脉搏波峰的有无、峰距的远近、波峰的高低、峰底的宽窄准确地实现了中医脉象研究中的客观化量化。 张镜人等应用脉象计算机增龄变化测报系统自动诊断中医脉象 106 例，并进行分析，认为切诊定脉和图诊定脉两者应结合进行，并认为计算机定脉与换能器有关。 1991 年 9 月始，北京中医药大学的 李宇航等人创意研制适用于中医临床及辅助教学的计算机模拟系统。 他们在深入探求脉诊位数形势形成机理及其内在规律的基础上进行应用性研究，完成了“脉诊客观诊断系统”的研制。 该系统压力信号探头芯片采用新微压晶体，触头设计模拟指形与小型阻抗血流探头以及心电电极合为一体。 配有时钟信号。 集成多路探头置于腕部寸口处，一次打压即可采集四路信号。 软件部分采用时域分析、频域分析以及二次信号处理，其结果可多图像输出显示，打印。 也可按位数形势四属性归类后参与 TCMCADS 的自动辨证。 在前人工作的基础上，本文提出一种集传感技术、模拟电 子技术、数字电子技术、单片机技术及计算机技术于一身的脉象仪。 该脉象仪不但可检测脉象信息，还可以存储、打印、再现脉象波形。 并可对临床检测到的信息进行综合分析处理，体积小，便于携带。 哈尔滨理工大学学士学位论文 7 关于脉象检测技术中存在的问题 中医脉诊的客观化是历数代人为之努力的目标，迄今虽然能用仪器描述多种脉象，然而仍然难以被中医临床所接受。 其主要原因是： 1．在中医脉象研究领域中，由于探头种类很多，仪器不统一，各种脉象仪所记录的脉搏波之间只在低频部分存在可比性，预计在不远的将来，为了便于学术交流，统一探头的工作将会提到议事 日程上。 2．脉象研究中另一个引人注目的问题，即可重复性，其涉及原因很多，例如探头的灵敏度、测量位置、所加的压力、周围环境、被测者的饮食、精神状态等均可影响测试的重复性。 实践证明只要在脉象检测过程中，注意了上述问题，可重复性是容易达到的。 3．现代科学中的鉴别与诊断是建筑在定量的基础上的，用脉象仪记录下来的有关浮沉、虚实、迟数、洪细、长短、弦滑等的脉象信息是一种连续信号，而中医脉诊的一个很重要的特点是定性分析，把这些信息转变为中医脉诊的定性概念，即离散信息，这中间存在着许多模糊的边界。 为了确立多种因素影响下 的模糊边界的闭值限，应建立有经验的医生的脉诊信息的数据库。 中医脉象研究必须进入从定量到定性，进而结合四诊合参，与中医辨证挂钩的轨道，否则无法跳出心血管系统的圈子。 4．为避免因操作探头的位置差异而造成所采集的脉象信息间的误差，必须研制一种能自动调节最佳脉象信息采集位置的探头。 总之随着仪器研制、临床实验、参数分析等工作的深入，现代科学技术不断地渗入，预计不久的将来，中医脉诊客观化、现代化问题必将获得解决，对中医脉象的形成机理，也将获得一个令人满意的解释 [3]。 本章小结 在本章中，主要论述了脉诊客观 化的重要意义以及国内外脉诊仪研制的进展情况，从中我们知道国内外对脉搏图的研究经历了从示意图到波示图，再从波示图到声像图的阶段。 在仪器研制方面，己将计算机引入，促进了脉诊客观化。 在此基础上，本文提出一种集传感技术、模拟电子技术、数字电子技术、单片机技术及计算机技术于一身的脉象检测系统。 哈尔滨理工大学学士学位论文 8 第 2 章 系统整体方案设计 在设计系统之前，必须要对解决的问题进行调查研究和分析论证，在此基础上，根据实际应用中的问题提出具体的要求。 另外，还要注意在满足性能指标的前提下，尽可能地降低价格。 系统的总体 结构设计 脉搏检测系统不仅是一种医用辅助诊疗设备，同时也是以微型计算机为核心的应用电子仪器，它的最终 目 的是面向市场和面向用户。 因此在系统设计、研发的各个阶段必须要考虑兼顾各方面应用的特点和技术要求，在系统设计的整个过程中始终要遵循以下几条原则： 1．安全性原则设计和制作要完全依据 《医用电气设备安全通用要求》规定的内容进行，保证系统的电气性能安全； 2．准确性原则人体的生物信号都是极其微弱的信号，非常容易受到人体静电和环境感应电的 干 扰，因此在设计、制作中要采取一切手段保证信号的不失真 ； 3．可靠性原则必须保证能够长时间稳定的工作，性能可靠不出故障； 4．通用性和可移植性原则要求通用性尽可能好，能灵活的进行功能扩充，尽可能采用通用的系统总线结构，以便在需要时进行扩充； 5．先进性和可发展性原则考虑到计算机技术的迅速发展，设计必须要为以后系统的升级、改造留有手段，同时在技术上要做到适度超前。 国内外已有的设计方案简介 三部脉象检测系统的研究设计 传感器核心部分的结构设计借鉴于 ZMH1型单探头脉象换能器中带副梁的复式悬臂梁结构，较好地解决了换能器的重复性、稳定性等技术难 点。 为了仿真模拟中医寸、关、尺三部手指灵活的按脉手法，三部脉象传感器整体结构在 X, Y, Z 方向二维可调的基础上，还增加了寸、关、尺探头相对距离和寸、关、尺探头整体沿血管轴向任意移动的调节机构。 图 21 是用数码相机拍摄的传感器实物图片。 哈尔滨理工大学学士学位论文 9 图 21 三部脉象传感器整体结构实物示意图 由图 21 可以看出，三部脉象传感器可以通过各个不同部位的旋钮，不但在 X， Y， Z 三维方向进行枯体的自由调节，还可以通过侧面的旋钮对寸、关、尺三个传感器之间相对位置进行调节。 三部脉象传感器采用测力法的基本原理。 三部脉象传感器由 三个独立的、设计参数相同的压力传感器组成，每个传感器的物理模型如图 22 所示[4]。 图 22 传感器物理模型 1 固定架 2 应变片 3 弹性梁 4 触头 5 皮肤 6 血管 ZN1H1 型中医脉象传感器的研究设计 中医手指切脉是在浮、中、沉不同的取脉压力下细心探测其脉象特征。 在脉象客观化研究工作中，我们所面临的任务是把中医指下的感觉运用特定的 测 试手段记录下来，然后进行定性、定量分析。 测脉象的所有信息是有一定困难的。 我们研制的脉象传感器主要反映二个方面的内容，其一是检测脉象 指感的主要成分 (即脉的搏动力 )，所测得的信息 是脉搏各种力的综合作用，其中包括血管内压、血管张力，以及 血 管总体 位移运动而产生的力等。 其二是检测中医切脉时手指对脉道施加的压力。 这是脉象传感器设计制作的最基本的三个要术。 据此，我们可作出如图 23 所示的传感器检测系统物理模型和图 24 传感器整体结构示意图。 哈尔滨理工大学学士学位论文 10 图 23 传感器检测系统物理模型 1复式悬臂梁 2,3半导体应变计 4刚体探 头 5皮肤及软组织 6毛细动脉血管 图 24 传感器整体结构示意图 1旋帽 2精密轴承 3外壳 4螺杆 5传感器核心 6表架 无创脉搏血氧饱和度测量仪设计 无创脉搏血氧饱和度测量仪采用 ATMEL 公司生产的 AT89C55WD 型号单片机作为控制和数据处理与传输的核心。 整个系统主要包括血氧探头驱动模块、脉搏波检测模块、 A/D 转换模块、电源管理模块、存储模块、时钟模块、串口通讯模块、液晶显示模块和按键控制模块。 硬件系统框图如图 25 所示。 哈尔滨理工大学学士学位论文 11 图 25 硬件系统框图 图 26 透射式血氧探头 图 27 血 氧探头驱动电路 AT89C55WD 单片机 时钟模块 存储模块 液晶显示 键盘 串口通信 光电传感器 血氧探头驱动 电源管理 脉 搏 波 检 测 A/D 转 换 器 哈尔滨理工大学学士学位论文 12 图 28 脉搏波检测模块系统框图 BioME 中医脉诊仪 产品特色 :整合现代科学结晶 ,BioME 中医脉诊计算机辅助系统是中医脉学理论与现代科学技术 成功整合的结晶，使脉诊能运用科学化的方法深入五脏六腑，了解病情，让中医辨证更客观、数据化。 克服传统把脉的困难 :高敏度的取脉感测装置，排除传统中医把脉时经验及主观判断的困扰，使诊断更准确。 客观模拟中医师 “ 举按寻 ” 运指手法和脉搏回馈信息 :使用先进的传感技术，同步获取中医师指下的运力（ “ 举按寻 ” 运指手法）和患者脉力回馈信息。 动态反馈式模拟指感施力技术准确获取脉搏 “ 浮、中、沉 ” 属性。 三维可调、方便快捷、高精度、实时监控的脉诊调节系统 :在垂直方向运用两级调控系统，在快速调节的基础上进行精细调节，保证脉诊仪的施力 精度；同时可以在水平平面上自由调控，便于准确寻找不同患者的桡动脉位置。 调节结果同步反映到脉诊系统中，动态指示医师操作。 多路信号复合采集，综合分析 动压力信号 反映中医脉动信息； 光 电 传 感 器 前 置 放 大 第 二 级 放 大 二阶 巴特 沃兹 低通 滤波 第 三 级 放 大 陷 波 器 电 压 抬 高 多 路 开 关 脉 搏 波 信 号 高 通 滤 波 哈尔滨理工大学学士学位论文 13 静压力信号 反映中医师 “ 举按寻 ” 运指手法； 心电图 反映心脏运动，间接计算出脉搏波的传导速度，表征血管信息； 光电脉图 反映微循环和反射脉搏波。 脉波与心电图讯号、光电脉图实时侦测，侦测精确度高，同步侦测、记录完整的脉波图形与心电图讯号。 结合心脏健康状况，提供相关图形与参数，作进一步诊断辨证，是中西医结合的一大创新。 采集时实时自动分析和采集后人机交互辅助分析相结合 :BioME 中医脉诊计算机辅助系统一边采集一边自动分析和自动切分脉搏周期，计算中医经典脉学所称之 “ 数脉 ” 、 “ 迟脉 ” 、 “ 平脉 ” 、 “ 结促代脉 ” 的脉搏信号属性，及时反馈到人机界面中。 采集后的数据通过人机交互辅助分析，提供更多的中医经典脉学资讯。 通过对心电图、压力脉图、光电脉图、患者基本信息的综合分析，得出 “ 浮沉 ” 、 “ 迟数 ” 、 “ 滑涩 ” 、 “ 弦紧 ” 、“ 虚实 ” 等多种脉象信息。 仿生柔性压力传感器 :仔细分析中医师的诊脉过程：人的手指指面是触觉最敏感的部位之一，切脉是采用柔性传感器（医生的手指）通过阻尼系统（病人的表皮及皮下组织）提取弹性管路（桡动脉）中脉动流体（血流）的复杂动力学与流变学状态信息。 BioME 中医脉诊计算机辅助系统模拟人类触觉小体的柔性压力传感哈尔滨理工大学学士学位论文 14 器，用于实现指感下多维脉诊触觉信息的提取， 较之硬性、刚性脉波擷取系统有本质的不同，极大地提高本系统的仿生性和可靠性。 广适性系统 :使用目前最广泛的 USB 接口，无须外接电源。 只要您的计算机提供标准的 USB 接口，安装驱动即可使用。 方便携带，使用便捷，是现代科学中医师必备之辅助诊断工具。 本系统总体设计方案 基于单片机作为控制和数据处理与传输的核心的脉搏检测系统用于。