（测试计量技术及仪器专业论文）中医脉象信息多维采集研究.pdf

沈阳工业大学硕士学位论文 摘要 本课题利用传感器技术、信息处理技术、虚拟仪器技术和计算机图像处理技术，实现 脉象信息的三维描述，将现代科技手段和传统中医学有机的结合起来。运用现代电子设备 对脉象进行客观检测和研究。 文中从信号处理的角度出发，用快速傅立叶变换分析某些脉象，对脉象信号的数学描 述进行确认，认为短时问内人体脉象信号满足狄义赫利( d i i i c h 慨) 条件，可以用傅里叶 级数去描述。以此为依据，将脉象信号分解为直流分量和谐波分量。提出以直流分量和谐 波分量作为脉象描述的重要参数，采用时间、取脉压力和谐波幅值为坐标，利用三维图像 描述脉象特征及变化趋势的非实时性脉象描述方法。基于此种方法，我们设计脉象信息采 集系统。系统包括信号处理电路、传感器电桥、采集控制模块和采集平台。文中详细论述 了系统各个部分的设计思路和构成。在试验的基础上，结合传统中医分析方法对一些脉象 进行了三维的分析。在文中三维脉象图与其生理现象部分，通过两种脉象三维脉象图的生 成过程，详细叙述了两种三维脉象图的特征，分析了这些特征与生理现象间的联系。实验 证明系统着重体现脉象的宏观变化趋势，可以有效判别脉象的生理特征。 课题的主要工作是从信号处理的角度分析某些脉象；设计脉象采集方法；完成脉象信 息采集系统各个部分的设计和调试；利用此系统进行实验，初步探索了脉象的三维分析方 法及三维脉象图的特征与生理现象的联系。 课题的创新点在于提出了脉象三维描述方法。设计了与这种新方法相配套的脉象信息 采集系统。 关键词：脉诊、脉象采集，数学描述，虚拟仪器 中医脉象信息多维采集研究 ar e s e a r c h0 nm u l t i d i l l l e n s i o n a lc o l l e c t i o no f p u l s eh 怕咖a t i o n hl l l i s 群驴e r 饥m s d u o 盯t c c b n o l o g y ，i n 如m 硼p f o c e 豁t e c b i l o l o g y ，v i 删i n 曲m m e n t t e c h n o i o 影a n dc o m p m 盯掣印1 1 i c sa r cu s e dt 0 出椒矧b ep i l l i n f o m 谢0 i li 1 1n l e - d i m 伽i s i 伽l a l m o d e m o d 锄t e c h l o 盱i sc o m b i n e dw i l h 劬i d i 6 伽l a lc h i n e m 娥i h 1n 】i sw a yp u l s e d i a 罂l o s 舒i s r r i 。db yd 嗽m i c s 剐p l i 瑚捃 h l l l l i s p a p e r s e v 耐k j n d so f p i l l 辩黜唰b y f f r 啾f o l 妇胁删a l l d 叫辩 m a l k 舡删缸d 硎p d o l i 触s i 朗a ip id l c e 鲻脚o f v i e i sa n a l y z c d h lm y 删o i l ，p i i l 面鄹i a l i s 印t 0 d i r i c l l l e t i l l l 蜘e 血1 e n 锄b e d 鼯c r i b c d b yf o i | r i 盯s e r i 嚣o nb a o f t l l i sm i ) u 班p i l l s e s i 酬i s 删岫d c a n da c d c 觚a c 骶u s e d 嬲咖脚黜吣t 0d e 鲥b ep i l l 啦砸i an e wm 劬砌璐i n gt i e e 商麟嬲i g r a 枷i se x p l o r i 。dt 0d e s c i i b ep i l l c b 越吼懿t l l i s m e m o di sn o tr e a l - 劬cm e t h o d ，卸du s e dt od e s c f i b et 1 1 e 吐g eo f p t l l s e h lt h i sm 删p i l l c o u 缸ls ，s t e j mi sd e s i g n e d t h ew t k o l e 毋r s t e mi r l c l u d 嚣s i g 【l a lp i “玲鼹b r d ，位m s d u o e r s ， c o n 硎o n & c 0 毗lm o d u l e 雒dc o l l o 田o np l a l f o m l h lt i l i s 群i p 盯t l l e 蛐m c t l l r e 锄dd e s i g nm m h o d o fe v e r yp a r t sa r ed i s c o 删e x p e 而n e m sa 托训e d b yl l l i ss y s 嘲_ r i ，卸ds o n 圮p u l 粤a p t l sa 锄a l y z e di 1 1 位i d i 6 0 n a lc h i n 髓em e d i c i l l c 觚a l y s i sm e m o d 1 w op i l l s e 掣a p h sa 糟讲o d u c e dt 0 e ) 【p l a i l it l l ew a yo fc o l l e c d i 培粤a p i l s 锄dt 0c o n c l l l d ep h y s i o l 晒c a lc k 瞄i c t e r so f 也。辩罂a p l l s b y 懿p e r i l n c n 坞t h cc o n c h j s i o nc o l l l db em a d e t l l i s $ s t e m 锄d e s 面b ec h 柚g eo f p u l s cs i 割l a l ，a i l d c o n c l u d e1 h e h y s i o l 晒c a ld 团铷：t e r s o i | r j o bi n c i u d 嚣p i l i 锄a l y s i si i lt h ev j e wo fs i g l l a l ) c c s s ；柚a l y s i st i l em e l 量l o do f c o i l e c 啦0 1 1 ；d e s i 弘锄dd e b u 鹊i n g0 f e v e f yp 椭o f $ 咖m ；锄d m ec o n n 酬b c 嗍础a i l d p h y s i o l 晒c a l 吐团抽c t c 勰 h 1 1 a s 刚e 豫l 幽v 觚o n p o i nm e 粥a 删o f u s i l l g 衄圮删0 n 鼬t o 出! s c 棚) et h cd 恤m c t e 稻o f 叫s cs i 础i sb i d u g h t 如删眦u s h l gt h i sm 烈h o dai 踟锣s 觚i s d e s i g r l e d k e yw o r d s ：p u i s ed i a 扣。凼，p u l s ec o e c 劬n ，m a 协e 呦血d e s c 啷伽n ， v i n 1 a l i n s t i n i e n t i i 独创性说明 本人郑重声明：所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得 沈阳工业大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同 工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表 示了谢意。 签名：邀日期：鱼丑三：堑 关于论文使甩授权的说明 本人完全了解沈阳工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公 布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论 文。 ( 保密的论文在解密后应遵循此规定) 签名：蔓虹导师签名： 日期：2 “，7 ；岁 沈阳工业大学硕士学位论文 l 绪论 1 1 脉象研究的意义 中医学以整体观和平衡观为核心，建立了独具特色的生命理论和诊疗体系。中医诊断 学的基本原理被概括为“司外揣内、知长达变、见微知著”，认为人体表象信息( 四诊信息) 与疾病的本质( 证候) 之间存在着必然的联系i ”。脉诊是中医在诊断疾病时望、闻、问、切四 诊中切诊的重要步骤和手段。由脉诊所得的脉象反映人体各种生理和病理状况，是观察体 内功能变化的一个重要窗口，对识别病症，判断病情都具有重要的意义。 脉象的变化极为繁多，讯号微小变化丰富，加上中医相授多以口诀和感觉，若无多年 训练，也很难正确的辨别。传统脉诊的缺陷主要是不同人的手指感觉存在差异，对脉象的 体会和描述不能够统一；脉象的记录采用文字和语言描述，造成脉象描述比较抽象模糊， 初学者难以理解和掌握；脉诊的过程也不能具体记录和保存，影响了对脉象实质的探讨和 对脉象机理的研究田。借助现代科学方法和先进电子仪器，进行脉诊客观检测的研究，是 继承和发展中医脉诊的重要工作。 1 2 脉象仪采集部分的研究现状 我国对脉象仪的研究始于2 0 世纪5 0 年代，多年来，脉象仪的研究主要集中在脉象信 息采集传感器和信息分析处理这两个方面。当前脉象仪的结构总的来说有以下几个部分 【3 】。如图1 1 图1 1 脉象仪基本结构 f i 9 1 1b 商cs 血u c n 聪o f p i | l i l l ! 加m e i i t 最早脉象仪采集传感器采用机械式传感器，之后逐渐开发了压电式传感器，光电式传 感器等多种传感器。信号的传导方式有固体、气压、液压等方式，采用压电晶体，、半导体 中医脉象信息多维采集研究 应变片、高分子压电薄膜和液态可变电阻等多种材料。超声检测可不接触动脉，能在无压 力的情况下检测脉搏，近些年来得到一定发展1 3 1 。 应变式压力传感器和液态传感器是国内脉象仪广泛采用的传感器嘲。应变式力传感器 通过应变片受力后，产生变形，使应变片阻值发生变化。应变片于电桥相连，通过桥路输 出电压的变化反映脉搏搏动情况。当今应用较广的是采用钢性触头的悬臂梁式测力传感器 的b y s 1 4 型心电脉象仪。b y s 1 4 型心电脉象仪的传感器材料是半导体应变片，其灵敏系 数大( 1 0 0 ) ，谐振频率高( 5 0 0 h z ) ，应变桥是选用弹性好、性能稳定、重复性好，固有振荡 频率高的铍青铜，经定性处理，在结构上对半导体应变电阻片的温度系数进行了补偿。这 种传感器灵敏度高，谐振频率大，受环境温度影响较小f 4 】。 液态传感器是由薄膜制成的感压面受压后变形，使容器内部的导电液柱发生升降，由 此使电阻发生改变，将脉搏压力信号转换为电信号。江西的m x - 8 1 1 型脉象仪采用的就是 这类传感器。m x 一8 1 1 型脉象仪采用银稀盐水和乳胶膜组成传感器，所测电阻的信号变化 与水银的多少、盐水的浓度、乳胶膜的厚薄等均有关。临床应用中水银的多少，膜的厚 薄、松紧，环境温度的变化等均能对被测信号产生影响，这样就对被测信号的真实程度带 来影响。由于液态传感器本身结构特点的限制，测量过程不十分方便【4 】。 2 0 世纪9 0 年代末，出现了一些新型传感器，如p ) f ( 压电薄膜) 传感器、传声器 等。p v d f ( 压电薄膜) 传感器使用新型压电薄膜，利用其压电效应将压力信号转化为电 信号，其特点是频响宽( 0 1 1 0 h 任哟，材料薄( 几 m 到几百m ) 而柔软，有很好的时间和温 度稳定性嘲。p ) f 与水及人体软组织的声阻抗匹配良好，比较适合采集脉搏信号嘲。传声 器是利用声学原理，拾取由脉搏引起的振动，即所谓的听信号。它是一种非接触式的脉搏 信号采集方式。以电容传声器作为提取脉搏信号的传感器，在传声器的前端紧套一个圆柱 型声耦合腔，使传声器不与皮肤直接接触。在传声器与皮肤之间形成了一段空气柱，脉搏 声波经空气腔耦合后传到传声器振膜上被拾取【7 i 。 为了采集更全面、丰富的脉象信息，人们在传感器信息采集方式上作了一些改进。天 津医疗器械研究所制造出7 个探头的脉象采集传感器，它能均匀地对脉道进行加压，获得 脉道粗细的图像。郑行一等研制的多维脉象采集传感器，利用压电薄膜材料作为传感元 件，在寸关尺的三部不同位点，同时描记出6 道压力脉图以检测各部脉的不同变化，给脉 沈阳工业大学硕士学位论文 象分析以空间的概念，对脉象进行空间上的多维分析，将脉象从平面图形发展成立体脉 图，用来消除由单点测量而带来的偶然误差嘲。为了得到脉象信息采集过程中软组织变形 程度及软组织固有的弹性、硬度等力学参数对切脉压力的影响程度，汤伟昌在原来单探头 传感器基础上，设计了双探头复合式脉象传感器研。即由外围传感器和中心传感器组成双 探头传感器，中心传感器测得单纯垂直方向的力，外围传感器测得脉搏搏动力、皮肤切向 张力等的综合力。对两路信号进行运算，能区分血管径向搏动力、轴向张力、血管等效硬 度等力学指标。 1 3 脉象仪脉象信号分析部分的研究现状 我国对脉象信号分析研究始于2 0 世纪6 0 年代初，经过多年研究现有脉象仪已经实现 寸关尺三部取脉压力的任意调节和脉象谐波的测量，采用脉波图来描述脉象特征【埘。脉波 图以时间为横坐标，指感为纵坐标，同时标明取脉压力。 随着人们对脉象认识的愈加深入，魏韧在前人的基础上提出多因素脉图识别法，将切 脉时医师的应指感觉分解为八种成分，用其不同组合构成各种脉象，在传统的脉波图分析 的基础上增加了各种取脉压力下的脉搏幅度趋势图及脉管粗细图【l “。李景唐对这种多因 素脉图识脉法作进一步论证，在以上三种图之外，增加了脉率趋势图，利用这四种图 分析脉象信号1 1 2 】。 近年来出现用信号分析的方法，从时域、频域、样本训练与聚类等几类方法分析脉象 【1 3 】。样本训练与聚类是近期出现的，比较典型的是神经网络分类器方法。它以人工神经网 络为手段，由临床采样数据形成神经网络训练输入特征向量库，经训练得到脉象分类器。 例如浮沉类分类器采用不同压力下脉象幅值作为特征向量；迟数类脉象分类器采用平均心 率作为训练的输入特征向量。分类器网络建立后，就可以对输入的脉象特征进行分类了 【1 4 1 。该方法将信息处理技术中的模式识别理论应用到脉象分类中是脉象分析的一种有利尝 试。 中医脉象信息多维采集研究 1 4 课题的前期研究工作 本课题是在前期脉象仪研制应用的基础上发展而来。第一台脉象仪于2 0 0 3 年经过沈 阳市经贸委鉴定【1 5 1 。该脉象仪已经在实际的医疗中应用取得了一定的效果。此系统采用脉 象二维分析显示方法，它初步解决了脉象谐波部分的显示与采集问题。 2 0 0 5 年第一台脉象仪在东港市中心医院中医科进行为期两个月的临床实践，共观察病 历2 8 5 例。在进行脉诊的观察中，发现病、症、脉三者相符者可达百分之九十以上。 2 0 0 5 年3 月何永杰的硕士论文“虚拟仪器技术在中医脉象仪中的应用”通过答辩，论 文对脉象的检测、仪器的构成进行分析和研究。 在获得的大量数据基础上，于2 0 0 5 年在国际电子测量与仪器学术会议上发表论文“中 医脉象的获取与描述，提出了采用傅立叶级数描述脉象特征的新方法。 在此基础上研制了脉象再现系统【l6 】。于2 0 0 6 年3 月张中祥硕士论文冲医脉象的再现 研究通过答辩。论文初步研究了中医脉象再现的方法。 在此方法的基础上，车新生于2 0 0 5 年3 月1 1 日申请实用新型专利：“磁电式脉象发生 器，专利号：z l 2 0 0 5 2 0 0 8 9 6 1 7 1 。 1 5 课题研究内容及创新点 在本课题的前期研究中，通过大量资料的收集和研究，并与中医医师和仪器使用者进 行了反复沟通和交流，听取了他们的意见和建议。开始阶段我们采用l a b v m w 软件初步 制作了一套二维脉象采集系统。这套采集系统在前期脉象仪的基础上，完善了原有脉象采 集方式。在此套系统的设计使用中暴露了一些问题。由于i a b 、偶w 功能的局限，此系统 不能很好完成一些对脉象采集具有重要意义的功能。数据库的连接和特殊效果打印等功 能，利用l a b v m w 很难达到用户要求。在二维图像的显示过程中，资源耗费严重，运行 时间过长，这些都不符合实际应用要求。u 山v 也w 三维显示功能有限，限制了脉象迸一 步的研究。经过功能分析和工作量估计，我们重新设计了系统，采用v b 作为编程工具完 成系统设计。 本课题借助虚拟仪器技术、计算机图像处理技术，用三维图像来描述脉象特征，从另 外一个角度描述脉象。 沈阳t 业人学硕士学位论文 本文主要内容概括如下： 1 ) 从信号处理的角度分析某些脉象。 2 ) 提出了采用三维图像描述脉象特征的方法。 3 ) 完成脉象信息采集系统各个部分的设计和调试。 4 ) 探索三维脉象分析方法和脉象三维图像与生理现象间的联系 本课题最主要的创新点在于提出了用三维图像来描绘脉象特征，通过比较脉象图的特 征和变化趋势判别其与生理现象间联系的思路。 此方法从一个全新的角度描绘和分析脉象特征，使脉象的描述及分析方法由二维空间 拓展到三维空间，把脉象信息的分析研究从平面提升到立体。 经实验验证，脉象信息三维描述方法在一定场合下可以有效地描述脉象特征，可以作 为分析人体生理特征的有效手段。 中医脉象信息多维采集研究 2 中医脉象的研究 2 1 脉象的描述 中医所指的脉象应当由以下几个不同的参数组成，脉位、脉搏的应指程度、脉搏的搏 动范围、脉搏的跳动频度、脉搏跳动的节律、脉搏的形状、脉搏的走势等用。人体脉搏信 号从时域上看，是一个周期性较强的准周期信号。脉搏波动频率为6 0 8 0 次分 其频率 成分主要分布于o 2 0 h z 之间，属次声波，最高频率不超过4 0 h 一研。在短时间观测中， 可以认为是周期信号，满足狄义赫利( d i r i c m e t ) 条件，可以用傅里叶级数去描述并从信号的 角度给出脉象特征直接描述。这为脉象信息采集系统的设计，脉象特征的提取和脉象信号 存取提供了依据【1 6 l 。其数学描述式是： 厂( f ) = 或+ d 。s i n ( 疗h 吃) ( 2 1 ) h 1 1 式中， _ ，( f ) 一脉象信号， 巩一信号的直流分量， 一特定正整数， 嘞一角频率， 以一信号的各谐波分量幅度， 万一谐波次数， f 一时间。 如公式2 1 所示，脉象信号可以分解为直流分量磊和谐波分量以s i n ( 月，+ 已) ，或 i t 为信号的直流分量，应该是切脉压力( 沉、中、浮取脉) 的反作用力。它是脉象信号的 重要指标之一，它与取脉压力的方向相反，大小相等。取脉压力与谐波分量是脉象分析 的重要参数。 实际测量发现当取脉压力小于4 吨或大于2 0 0 9 时，谐波分量的幅值接近为o ，谐波 图接近于直线。将谐波分量幅值大于o 时的取脉压力的变化范围作为取脉压力范围，然 一6 一 沈阳工业大学硕士学位论文 后把取脉压力范围内取脉压力的变化与玩的改变相对应，得到它们的近似对应关系。为 了叙述方便在以后的叙述中将取脉压力代表玩作为脉象分析参数加以讨论。在本课题实 验中磊由脉象的取脉压力通道获得，以s m ( 胛f + 以) 是脉象信号的谐波分量由脉象 t l 谐波采集通道获得。 我们选取脉象信号a 研究它的脉象信号频率范围。脉象信号a 的时域图如图2 1 。图 中t 轴为时间轴单位为秒，p 轴为脉象信号的幅值，由于是实验阶段，我们无需对真实脉 搏搏动力的具体数值进行定标，图中各时间点p 轴坐标值为该时间真实脉搏搏动力经过传 感器、信号处理电路放大和采集控制模块a d 转化所得的数字电压值( 采样频率 2 5 6 s p s ，a d 位数1 2 ，当采集控制模块电压范围为1 0 v + l o v 时，采样分辨率 2 0 4 0 9 6 ) ，图2 1 只显示其中一部分。 s 图2 1 脉象信号a 的时域图 f 螗2 1p i l l s c s i g n a j a i i l t i i md 【胁a i l l 将脉象信号a 作傅立叶变换得图2 2 ，图中f 轴为频率轴单位为i k ，p 轴为脉象信号的幅 值，单位同图2 1 中p 轴相同，为数字电压值。 f 图2 2 脉象信号a 的频域图 f 谵2 2p i l l s e s i g n a l a m f r e q u c yd c 帅a i l l 硼抛 脚 姗 瑚 。 中医脉象信息多维采集研究 观察此图，脉象信号范围主要集中在o h z 3 h z 之间。信号在0 h 2 附近的幅值很大，表 明脉象信号中含有大量直流成分，在o 1 h z 0 2 h 匠之间脉象信号幅值接近o ，表明脉象 信号不含有此频率成分。 2 2 脉象三维描述 传统中医用手指感觉调节指力，中医对切脉有着一整套指法，包括举、按、寻、循和 推等来确定浮、中、沉切脉方式，经过长时间大量练习，切脉者凭感觉总结了一套行之有 效的切脉方法保证中医切脉的准确性i 嘲。中医诊脉的实质在于比较，传统中医医师通过三 根手指在患者不同的部位取样，反复比较各个部位在不同指压下的指感，最后得出结论 刚。 b y s 1 4 型心电脉象仪和m x 8 1 1 型脉象仪是当前应用较广的脉象仪，它们都靠脉波图 还有指压指感趋势图进行脉象的诊断研究【4 】。采用这种方法的脉象仪可以对脉象进行分析 比较，但难以形象描述脉象特征和变化趋势。 三维脉象图把脉波图和指压指感趋势图结合起来，形象描述脉象特征和变化趋势。此 种方法形成的三维图像体现脉象信号整体变化规律，减少个体特性的干扰，能更清楚地展 现脉象特征。 三维脉象描述方法为非实时性脉象描述方法。三维脉象图是由在不同时间段采集的脉 象谐波分量截取后插值而得，不是同一时间不同取脉压力下的谐波分量构成。脉象采集过 程中，无法在同一时间对相同取脉部位施加不同取脉压力，三维脉象图无法做到实时显 示。 一8 一 沈阳工业大学硕士学位论文 3 脉象信息采集系统的构成 如图3 1 所示，系统主要包括传感器部分、信号处理电路、采集控制模块和计算机部 分。系统通过寸关尺三部脉的脉象采集传感器采集脉象信号，把采集到的寸关尺三部脉的 脉象信号送入信号处理电路分别进行放大，把放大后的信号分为两路：一路送入滤波器进 行滤波，滤掉直流部分保留谐波部分作为脉象谐波分量；另外一路经过处理后作为取脉压 力信号。实际上取脉压力信号中包含谐波成分，在实际检测中发现取脉压力信号中直流成 分的幅值远远大于谐波成分的幅值。我们将其衰减，直流成分已经将谐波部分淹没，所得 取脉压力近乎直流。取脉压力送入选通开关，在采集控制模块控制下分时送入计算机，供 采集描述平台使用。 盥 寸部脉象信号 变 输 _ 一滤波器l 寸部谐波分置 r 通道1 传 入 计采 感 葵 j 衰减i 算集 器 器 i关部谐波分量 - 通道2 电 挢 机显 通道3 示 謦 关部脉象信号 j己部谐波分量- r u 平 变 输 选 通道4 式 入j 滤波器i 通 s 传 放 开 - 台 b 感 大 关 选 一 数字i o 器 器 研 输 通一 电 i j 出 开 桥 取 关 通道 脉控 咏象信号 压 制 力 p m d 譬 输部_ 叫滤波器i 一t 1 2 0 8 l s 薹 入ii寸部取朋 选 葵 关部取脉压力 通 蒺 器 开 _ j 衰减i尺部取脉压力 关 传感器及电桥： 信号处理电路! 采集控制模块i 计算机 图3 1 系统结构示意图 f i 昏3 1s y s 咖1i l l ! ；虮j c t i o ns k e t c hm 印 中医脉象信息多维采集研究 3 1 传感器电桥 3 1 1 传感器 本课题传感器采用应变式力传感器，传感器以钢片作为悬臂梁，在其上下两面均粘贴 应变片如图3 2 所示。在课题开始阶段，传感器采用半导体应变片，半导体应变片对压力 变化敏感程度较高，可以有效感知脉搏的变化。半导体应变片对温度变化也比较敏感。在 实际使用中，外界温度变化对传感器产生了一定程度的影响，造成系统稳定性不高。本课 题中传感器采用金属应变片，金属应变片受外界温度变化影响较小，可以提高系统稳定 性。应变片受力后，产生弯曲应变，使阻值发生变化。这样应变式力传感器将脉象的力信 号转化为电阻阻值变化。 图3 2 传感器结构示意图 f 皓3 2t r s d u c e ri i l 觚蜘s k e t c hm a p 当悬臂梁受力f 使其弯曲，金属应变片弯曲应变占为 6 用 弘i 而 式中： 而一悬臂梁的高度m ； 6 一悬臂梁的宽度m ； ，一力n ； ，一悬臂梁的长度m ； e 一材料的弹性模量。 ( 3 1 ) 沈阳工业大学硕士学位论文 金属应变片原始电阻阻值为r ，电阻变化为冠，变化率等。 竺。胎 ( 3 2 ) 式中： r 金属应变片原始电阻阻值q ； a r 金属应变片电阻阻值变化q 。 等金属应变片电阻变化率； 置金属应变片的灵敏系数； 由式3 1 和式3 2 ，金属应变片电阻变化率可得： 竺。x 婴 ( 3 3 ) 此种传感器结构简单，受环境温度影响较小，稳定性较好。此种传感器经过广泛的临床应 用，是目前脉象仪广泛采用的传感器1 2 ”。 3 1 2 电桥 电桥将电阻阻值的变化转变为电压信号，本课题采用半桥结构，目的是减小温度变化 所带来的影响。电桥激励电源为u ，半导体应变片电阻r ，受到外力f 时电阻阻值改变 a r ，电桥输出端电压玑为 砜= 扣等 3 1 3 传感器电桥部分总体传递函数 传感器部分将脉象的压力信号转变为电压信号，把式3 3 代入转换式3 4 得： 卟扣焘， ( 3 ，) 中医脉象信息多维采集研究 3 2 信号女睫电路 信号处理电路主要包括输入放大器和滤波器。传感器电桥部分送入的电压信号幅值较 小需要进一步放大。输入放大器把传感器电桥送出的电信号放大一定倍数，放大后所得的 信号包含直流成分和谐波成分，用压控电压源二阶高通滤波器滤掉直流成分保留谐波成 分，将其作为脉象的谐波分量送入采集控制模块。把未经滤波的信号处理后作为取脉压力 在计算机控制下分时送入采集模块。 3 2 1 输入放大器 输入放大器分2 级放大，第一级采用l f 4 1 2 双运放仪表放大器，放大传感器电桥输出 电压。第二级放大器采用运算放大器o p 0 7 搭建反相放大器，把第一级放大器的输出信号 继续放大。 第一级采用u 1 4 1 2 双运放仪表放大器，采用此种仪表放大器可以有效的放大输入端微 弱的脉象信号，抑制输入端共模电压。电路如图3 3 。 图3 3 双运放仪表放大器电路 f 培3 1 3a2 卸a m ph 卜a m pc i 彻j i t 电路中r 1 0 7 = r 11 0 ，r 1 0 8 = r 1 0 9 = ：“1 ) ( 1 + 器 代入实际电阻值，由式3 7 可知，第一级放大电路将传感器电桥输出信号放大1 0 1 倍。 ( 3 6 ) v o 地( 1 + 器) _ u o ( 1 + 等) i l 。l u 。 乃 沈阳工业大学硕士学位论文 经过第一级输入放大器放大后，所得信号幅值仍然不能满足要求，需要进一步放大。 我们采用运算放大器o p 0 7 搭建反相放大器。反相放大器放大电路如图3 4 。 = 器v 鲫= 等。= 3 0 v 刚 g 8 将式3 5 和式3 7 代入式3 8 得输入放大器输出端电压信号与传感器电桥端力信号间的转换 式3 7 。 u = v o 【1 2 = 3 0 3 0 u 。= 1 5 1 5 u 。k 盏f ( 3 9 ) 以寸部脉采集通道，通道1 为例，电路图如图3 4 所示。输出放大器输出信号需要被分解 分别作为取脉压力信号和谐波信号送入选通开关和滤波器。取脉压力信号送入选通开关之 前，需要对它进行处理。 在脉象信号中取脉压力幅值要远远大于谐波分量的幅值，通过电阻r 1 1 5 和r 11 6 衰 减信号。考虑到下一级的滤波电路和选通开关，增强驱动能力加入电压跟随器u 1 0 2 和 ，1 0 3 r 1 1 4 坚j 竺蹑甘搿_ f = = ) _ 叫、。 1 0 詹画 ll u k r 1 1 5 幸 3 0 0 k 。 ，u 坚1 2 v 1 0 0 kt r 书矧| |惭1 2 、jl 器 u 1 0 3 一一1 2 v + 1 2 图3 4 反相放大器电路原理图 f 培3 4 a n h n 毗a m p u 6 盯c i r a i i i td i a 鲫n 逸 通 羹 中医脉象信息多维采集研究 3 2 2 滤波器 基于式2 1 ，脉象信号中包含直流分量和谐波分量，输出放大器同时放大直流分量和 谐波分量，需采用高通滤波器滤除直流分量得到谐波分量。脉象信号的下限频率也很低， 要求设计的滤波器的通带幅度平坦、截止频率要非常低、过渡带尽量窄。采用二阶压控有 源巴特沃斯高通滤波器。电路如图3 5 所示，取c = c ：= c 根据电路推导此滤波器的传 递函数： 型! ! 堕二旦丛! 1 2 1 一旦丛! 坐二旦q ! 竺一旦丛! 生二旦! ! 墅：o l r 1 2 0 l s cs c u 。( 。) ? 业i 一：u + ( s ) 二+ r 1 1 9 s c 中等 将式3 1 1 和式3 1 2 代入式3 1 0 得式3 1 3 。 ( 3 1 0 ) ( 3 1 1 ) ( 3 1 2 ) 删= 等= 丽面而篆躲焉丽u 3 1 3 根据章节2 1 中“脉象的描述“所述，取滤波器的截止频率丘2o 1h z ，通带放大倍数 如= 1 。设定c 1 0 1 = c 1 0 2 = 1 0 uf ，根据仿真试验得r ，c 较好的组合，r 1 2 0 - 3 k r 1 1 9 = 4 0 0 k 。此时通带的截止频率约为o 1 4 3 k 。 图3 5 滤波器原理图 f 嘻3 5f i i 衙c i 删nd i a g r a m 1 4 一 沈阳工业大学硕士学位论文 3 2 3 选通开关 ， 如图3 1 系统结构示意图所示，p m d 1 2 0 8 l s 利用4 个模拟通道和2 个数字通道与信号 处理电路部分相连，通道1 、通道2 和通道3 分别采集寸关尺三部脉的谐波分量，通道4 用来 分时采集取脉压力，数字i ，o 通道控制选通开关。采集过程中当软件平台需要采集寸关尺三 部脉的取脉压力时，计算机控制p m 阻1 2 0 8 l s 通过选通开关来分时选通各部脉压力通道， 采集取脉压力。 3 2 4 电源 采集控制模块p m 胁1 2 0 8 l s 采用u s b 接口供电，电桥、运放和c d 4 0 5 2 需要设计电源供 电，信号处理电路中设置了电源电路。整个转换电路分为两部分，一部分是器件电源电 压，另一部分是电桥供电电源。基准电压源7 8 1 2 和7 9 1 2 转换得士1 2 v 直流电压，电压送入基 准电压源7 8 0 5 后得+ 5 v 直流电压。基准电压源所得电压作为器件电源电压和集成稳压块的 输入电压。 传感器应变片电阻值变化很小，这对电桥供电电源要求较高。采用集成稳压块l m 3 3 7 和u 1 7 ，它们的温度稳定性较高( 当温度从o 变化到+ 1 2 5 时输出电压变化o 6 ) ， 可以得到较稳定的电桥供电电源。集成稳压块l m 3 1 7 把7 8 1 2 输出的+ 1 2 v 直流电压作为输入 电压，得到较稳定的电桥供电电源。l m 3 1 7 用电阻来控制输出电压，输出电压 1 2 5 v ( 1 + r 4 0 0 且4 0 1 ) = 5 0 4 v 。实际制作电路板时，调整电阻阻值使电桥供电电压稳定 在+ 5 v 。n b 3 7 同理得5 v 电压。原理图如图3 6 所示： u 4 0 1 u 4 0 4 图3 6 电桥供电电源电路原理图 f 晷3 6 b r i d 酾p b 哪c j 彻j i td i a 时n - 1 5 - 中医脉象信息多维采集研究 3 3 采集控制模块 p m 阻1 2 0 8 l s 采用u s b l 1 接口与计算机连接，发送控制命令和接收数据。它的模拟输 入通道通过软件设定，可以设定为4 个1 2 位精度差模输入通道，也可以设定为8 个l l 位精度 单端输入通道圈。 在课题开始阶段的设计中，为了保存实时的取脉压力信号，采用p m 阻1 2 0 8 l s 的8 通道 1 l 位精度的单端输入方式。p m 阻1 2 0 8 l s 采集数据和发送命令两种动作无法同时进行，这 就要求使用6 个通道采集数据。6 通道总的采样率需控制在l k s p s 以内。p m d - 1 2 0 8 l s 初始 化采集方式要求：6 个通道需采用相同的采样率同时采集数据；p m d l 2 0 8 l s 采集模块内 部的寄存器以2 的幂次方为单位存取数据。以上要求限制了每个通道的采样率，使每个通 道的采样率为1 2 8 s p s 。 脉搏波动频率为6 0 一8 0 次分，其频率成分主要分布于o - 2 0 之间。当采样率为1 2 8 s p s 时，满足抽样定理频率不发生混叠，可以从抽样信号中恢复原连续信号。 采用8 通道l l 位精度单端输入方式，p m 队1 2 0 8 l s 的电压范围只能为1 0 v + l o v ，无 法更改。在实际应用中脉象信号的幅值变化很大，需要调整基准电压。 为了能调整基准电压，需采用4 通道1 2 位精度差模输入方式，采样率为2 5 6 s p s 。通道 l 、通道2 和通道3 分别采集寸关尺三都脉的谐波分量，通道4 采集取脉压力信号，数字i o 通 道用来控制选通开关。此种输入方式可以调整基准电压，但造成了取脉压力和谐波分量不 能同时采集。在实验中发现，采集过程中取脉压力信号无需实时采集显示。 p m d 1 2 0 8 l s 通过u s b 接口与计算机连接，在计算机控制下发送命令和接收数据。 p m d 1 2 0 8 l s 提供了一系列函数。设定：p m d 1 2 0 8 l s 工作在四通道输入方式，采样率 2 5 6 s p s ，采样数据精度1 2 位。考虑到启动采集函数时间( 需要1 3 1 5 m s ) ，关闭采集函数 时间( 需要8 1 0 m s ) ，我们在计算机中开辟了一块内存用来存储采集的1 2 8 个1 2 位精度数 据。采集过程采用查询方式，采集过程中p m d - 1 2 0 8 l s 模块一直处于采集状态如图3 7 a 所 示。计算机一直查询采集标志，每当p 缸) - 1 2 0 8 l s 模块采集满1 2 8 个数据时就改变采集标 志，计算机发现标志改变，取出数据送入内存，恢复采集标志。这个过程时间极短，然后 p m 阻1 2 0 8 l s 继续采集。此时显示程序从内存中读取数据，如图3 7 b 所示。读取1 2 8 个数据 沈阳j 二业大学硕士学位论文 绘图需要2 0 2 7 姗的时间。此时p m 阱1 2 0 8 l s 正在采集数据，这样就使采集部分和显示部 分分开，运行时不会造成过大的延时。 p m d 1 2 0 8 l s 只有4 个输入端口而寸关尺三部脉的谐波分量需要连续输入，三部脉的取 脉压力需要分时传送。p m 阻1 2 0 8 l s 无法在收集数据的同时发送命令，当采集取脉压力时 需要停止谐波分量采集，也就是说取脉压力的触发和采集谐波分量的停止是同时进行的。 3 4 系统对计算机的要求 采集描述平台搭建在计算机上，利用计算机强大的处理功能完成脉象信号的采集、处 理和描述等功能。系统要求计算机主频8 0 0 z 以上，内存5 1 2 m 以上，显示器分辨率 1 优弭7 6 8 。 中医脉象信息多维采集研究 ( a ) 查询程序 图3 7 采集控制模块程序流程图 f i 吕3 7 c 0 n e c t i & c o n 叻lm o d i n ep i o g r a mf l o wc h a r t 1 8 沈阳f 业大学硕士学位论文 4 脉象信息采集平台搭建 脉象信息采集平台采用v b 作为编程语言搭建而成。平台主要由四部分组成。包括脉 象的采集和保存，二维脉象显示部分，脉象三维描述部分以及患者信息保存和查询部分， 功能框图如图4 1 所示。 图4 1 采集显示平台功能框图 f i 酣1c o l l c c i i & d i 咄yp l 舳瑚f 眦c 6 0 n c h a r t 4 1 编程语言的选择 在课题的开始阶段我们采用了“姬v w 作为编程工具进行了脉象采集平台的搭建。 l a b w 是美国国家仪器公司州删h l s 协蚰砷) 推出的虚拟仪器开发工具。 l a b v w 的程序由前面板( 缸m tp a m l ) 和流程图啷o c kd i a g 跚) 两部分组成，整个程序基于 多线程的设计，前面板和流程图各占用一个线程。前面板是u 姬v m w 程序的图形用户接 口，此接口集成了用户输入显示程序的输出。前面板包括旋钮、按钮、图形和其它的控制 跞一一一一 一一一一一一一 黻黻脒黻谐虬的羹靴艨艨槠脂脂 一 一黼 一 一一 厂ilii、lll 中医脉象信息多维采集研究 h 衄) k ) 与显示对象( i i l d i 删i o n s ) 。流程图包含虚拟仪器程序的图形化源代码。在流程i 羽中 对进行编程，以控制操纵定义在前面板上的输入和输出功能。流程图包括内置于 l a b v w 库中的函数( 缸k 舡0 n s ) 和结构( s t r u c n 聪s ) ，还包括与前面板上的控制对象、显 示对象对应的连线端子佃蛳i n a l s ) 【咎凋。 l 墟v m w 以作为编程对象，u 心v m w 库中包含了多种常用功能的，调用 这些，只需少量编程就可以获得完整的程序。以l a b v m w 作为编程工具，编程方便 简单，软件界面美观。 l a b v w 库中的有限，当需要实现库中未包含功能时，也必须调用其 库中现有组合实现功能，这就使得编程工作变得困难。编程过程中由于部分功能实现 困难而不得不放弃一些功能。在本课题中寸关尺三部脉的脉象谐波图和其对应的取脉压力 显示图，需要按照彼此对应的顺序共同打印在一张病历单上。u 姬v i e w 不支持如此复杂 的打印功能，它只能将这些图像分开打印于不同纸上。实际诊断过程中需要让患者和医师 清楚脉象图像和患者资料是完全对应的，分开打印容易造成患者和医师对脉象数据和患者 信息准确性的误导，这是不允许的。l a b v m w 对三维图像的支持程度有限，其只能 实现一些基础功能，对三维脉象的建立和操作以及后续程序的扩展会造成困难。实际诊断 中需要存取查询大量患者信息和脉象数据，l a b w 对数据库的建立和管理支持程度有 限。以上诸多问题的制约，我们无法采用l a b w 作为编程软件的。经过功能分析和工 作量估计，最终选择v b 作为编程软件。 采用v b 作为编程工具有许多好处，v b 作为流行的编程语言经过多年的发展，无论 从它所能实现的功能还是它与其它软硬件的配合程度上来说优势都是明显的。可以调 用a p i ( a p p l i c 娟o nn o g 吼n m i i ，gh i t e 血c e ) ，a p i 是w i n d o 哪的3 2 位应用程序编程接 口，是操作系统提供的一系列底层函数用来进入操作系统核心阎。通过调用a p i 可以进行 高级编程。可以完成数据库的建立和管理，特殊效果的打印等复杂功能，把v b 和 o p e n g l 图形库配合使用可以完成本课题所需的三维图像建立和处理等功能。 v b 作为编程工具也有其不足之处。采用v b 编程，一些功能如二维图像的实时显示 与保存，特征点的标定，图像的回显以及编写模拟液柱的压力显示控件都需要编程者独立 编写代码，编程比较复杂。在v b 中调用o p e n g l 图像库，进行三维坐标系的搭建以及用 2 0 沈阳一i i 业大学硕士学位论文 三维图像描述脉象数据等都需要对a p i 函数的调用、计算机图形学和、b 本身的编程环境 有着较为深入的了解。 4 2 = 维脉象显示 二维脉象显示包括谐波显示和取脉压力显示两部分，是整个平台的关键。本平台完善 了二维脉象的采集显示功能，增加了取脉压力显示部分，用来显示采集到的取脉压力数 据。采集过程中要通过观察二维脉象图来调节取脉位置和取脉压力，选择脉象特征明显的 部分保存。这些脉象数据既可以单独用来分析脉象，经过处理后也可以用于三维脉象描 述。 4 2 1 脉象谐波的显示 二维脉象谐波显示窗口以时间t 为x 轴，谐波幅值l l 为y 轴，采用p i c t u r eb o x 绘图方式。 v b 有两种显示方式一种是把喇p ( 缇，v b 显示单位) 作为显示单位显示图像，另一种是 把p 船l ( 像素) 作为显示单位显示图像。n 邱显示是的精细显示方式，1 p j ) 【e l 根据显示器 分辨率的不同等于大约十几个n 咖嗍。采用t 耐p 显示方式会得到很精细的图像。 当采样频率2 5 6 s p s 时，一个显示窗口能容纳7 秒左右的波形，此时图像刷新频率适 中。一般脉象谐波分量采集需要保存大约6 0 秒左右的连续图像用来回显时分析脉象。以采 样频率2 5 弛计算，需要于近十倍于显示窗口长度的谐波图像。为了能完整的显示整个谐 波图像，需要为p i c t u r | eb o x 设定滚动条。滚动条长度值系统预先设定为m 型，无法更 改。叮型数据最大值只有6 5 5 3 5 ，这导致v b 滚动条长度最大不超过6 5 5 3 5 个单位。这样就 不足以显示完整的图像，回显时需采用胀d 方式显示图像。要求整个窗口的单位保持一 致，实时显示和回显时显示单位不同是不被允