（检测技术与自动化装置专业论文）脉搏图像采集与脉搏信息表征方法研究.pdf

硕士学位论文 摘要 中医是我国传统瑰宝，中医脉诊在对疾病的早期诊断和非器质性病变诊疗等 方面有广阔的应用空间。中医脉诊客观化和科学化研究将古老的中医脉诊与现代 科学方法联系起来，可增强我国传统医学在现代社会中的理论地位和实践地位。 研制脉象传感器是这项研究的第一步，把过去靠医生手指拾取的信号转变为 可由现代工具采集、运用现代方法进行分析的信号。第二步则是依据不断改进的 脉象传感器，进行深入的脉象信息分析，并寻求临床应用途径。 本文首先对图像化脉搏信息采集装置的设计、工作原理及结构进行了说明， 根据实际工作中存在的不足，对传感器进行了改进，改进了支架系统，增加了原 装置不具备的功能，更换了性能更高的工业级相机和专业镜头，改进了薄膜网格 的加工方式，使整个系统更加方便、实用。 从动态图像中提取脉搏波形是脉象信息分析的第一部分。本文深入分析了基 于图像灰度变化的方法一区域重心法、相关法、差分法，从脉搏动态图像中定 性的提取了脉搏波形，并对部分方法进行了改进。基于透镜成像原理的一些处理 方法能够定量描述脉搏运动，这个优势是基于图像灰度变化的方法不具备的。 为使采集装置能够提取尽可能精确和清晰的脉搏波形，提出了一套适合本装 置的传感器定位规则。 最后，综合运用前述的各种方法提取多点脉搏信息，对两名受测者进行了测 试，并对脉搏波进行时域指标分析。充分发挥脉搏图像信息量大的优点，提取了 中医工作者总结出的可表征脉搏运动状态的多种脉象指感信息特征。 研究表明，脉搏图像传感器较现有的脉搏传感器，能够获得更加全面的脉象 信息，为脉诊客观化研究提供了新的思路和方法。 关键词：图像化脉搏信息采集装置；脉搏动态图像；脉搏波；透镜成像；定位规 则；脉象指感信息特征 本文由国家自然科学基金( 3 0 6 7 0 5 2 9 ) ：兰州理工大学博士基金( s b 0 3 2 0 0 7 0 2 ) 资助 目承搏图像采集勺睬搏信窟、表征方法研究 a b s t r a c t t m d i t i o n a lc 扯n e s em e d i c m e ( t c m ) i sat r e a s u r eo fo u rn a t i o n t c mp u l s e d i a g n o s i sh a sm u c hp o t e n t i a li nd i s e a s ep r e d i a g n o s i s ， n o n - o r g a i l i cp a m o l o g i c a l d i a g n o s i sa n dt r ea _ t m e n t t h er e s e a r c ho fo b j e c t i v ea n ds c i e n t i f i cp u l s ed i a g n o s i sw i l l i n t e j f a t em o d e ms c i e n c em e t h o d si n t ot c ms p h y g m o l o g y ，a n d 妇p r o v et h es o c i a l s t a t u sa n dp r a c t i c ei n l p o n a i l c eo ft c mt o d a y t h e6 r s ts t e po ft l l er e s e a r c hi sd e v e l o p i n gp u l s es e n s o r s ，t h a tc a i la c q u i r em e s i g n a l sw i t hm o d e mt o o l sa n da n a l y s et h o s e 晰mm o d e m s c i e n c em e t h o d s ，j u s tl i k et h e c h i n e s ed o c t o r sd i di nt h ep a s t t h es e c o n ds t e po fm er e s e a r c hi sa n a l y z i n gt h ep u l s e i n 】o m a t i o na c q u i r i e db yd e v e l o p i n gp u l s es e n s o r s ，a i l dt h e nf i n d i l l gt h ew a yt oc l 诚c a l a p p l i c a t i o n f i r s t l y ，t h ep u l s ei m a g e s e n s o r 、v a si n t r o d u c e d ，i i l c l u d i n gi t ss 仇l c m l e ，d e s i g na 1 1 d o p e r a t i n gm e c h a j l i s m t h em g h e rp e r f o m a n c ei n d u s t r i a lc 锄e ma i l ds p e c i a l i z e dl e n s 、e r ea d o p t e da 1 1 dt h ed e v i c es e a lp r o b l e m 粥s o l v e d s o m en e w 向n c t i o n sw e r ea d d e d t h ep r o c e s s i n gm e t h o do ff i l m s g r i d sw 雒i m p r o v e d s o ，t h es e n s o ri sm o r ee f f e c t i v e a n dc o n v e n i e n c et h a nb e f i o r e h o wt oa c q u i r ep u l s ew a v ef b md y n 砌ci m a g e si st h ef i r s ts t e po fp u l s e i n f o 肌a t i o na n a l y s i s f i r s t l y ，t l l ep u l s ew a v ew a sa c q u i r e df i r o mp u l s ed y n a m i c a l i m a g e sb y 印p l y i n ga r e ac e n t r el a w ，c o r r e l a t i o nl a wa n dd i f f e r e n t i a l l a w ，s o m eo ft l l o s e m e t h o d sb a s e do ng r a y s c a l ea n a l y s i sw e r ei m p r o v e di nt 挝sp a p e r 加l o t h e rm e t l l o d s b a s e do nl e n si r n a g i n g 两n c i p l ec a na c q u i r ep u l s ew a v eq u a n t i t a t i v e l y ，t h e r e f o r et h e s e m e t h o d sg e tt h ea d v a n 魄e0 v e rt h o s eb a s e d0 ng r a y s c a l ea n a l y s i s t 0t l l ea h i lo fg e t t i l l gt 1 1 ep r e c i s e s ta i l dc l e a r e s tp u l s ew a v eb yt h j sp u l s ei i m g e s e n s o r ，ac o m p a r a t i v e l yr e a s o n a b l ea n dc o n v e i l i e n tp o s i t i o n - s e t t i n gp r i n c i p l eo ft h e s e n s o rw a sp r e s e n t e di nt l l i sp a p e r f i n a l l y ，d y n a m i ci m a g e so ft 、v os u 场e c t s 、e r ea n a l y z e db yu s i n gt i m e d o m a i n i i l d e xo fp u l s ew a v e s 谢t l lt h em e t h o d sm e n t i o n e da b o v e b e n e f i t 行o mt l l em a s sd a _ t a o fp u l s ei i i l a g ei 1 1 f o m a t i o n ，m a i l y 丘e q u e n t l y u s e dc h a r a c t e r i s t i cs i g n a l so fp u l s e d i a g n o s i si nc l l i n e s em e d i c i n ea b s t r a c t e db yt c mp r a c t i t i o n e r s 、e r eg e ta tl a s t t h er e s u l t ss h o wt 1 1 a tm o r ep u l s ei o 肌a t i o nc a nb ea c q u i r e db yu s i n gp u l s e i m a g es e n s o rt h a l lo t l l e rp u l s es e n s o r s m o r e o v e r ，i tp r o v i d e sa n e wi d e aa i l d 印p r o a c h s u p p o r t e db yt h en a t i o n a ln a t u r a ls c i e n c ef o u n d a t i o no fc h i n a ( n o 3 0 6 7 0 5 2 9 ) a n dd r f u n do fl a n z h o uu n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g y( s b 0 3 2 0 0 7 0 2 ) l i 硕士学1 = 奇：论文 f o rm e o 功e c t i v es t u d y o np u l s ed i 耀皿o s i s k e yw o r d s ：p u l s ei l l l a g ei n f o n n a t i o na c q u i s i t i o nd e v i c e ；p u l s ed y n a 血ci m a g e ；p u l s e w a v e ；l e n si m a g i n g ；p o s i t i o n s e t t i i l gp r i n c i p l e ；p u l s ec h a 】a c t e s t i cs i g n a l s i 睬撑图像采囊与睁永搏信窟、孝征方洗研究 插图索引 图1 1 中医切脉示意一l 图2 1 传感器结构原理图一9 图2 2 间接法测量切脉压力1 1 图2 3 指针指示切脉压力1 l 图2 4 改进后的采集装置实物图1 3 图2 5 实验方案流程图l4 图3 1 两段视频处理对象15 图3 2 灰度重心法处理结果17 图3 3 最大标准差帧与最小标准差帧1 8 图3 4 图像相关法处理结果：18 图3 5 图像差分法处理结果2 0 图3 6 薄膜运动情况2 0 图3 7 全局标准差与局部标准差2 1 图3 8 改进的相关法2 l 图3 9 简单散焦法处理结果2 3 图3 10 物一像尺度关系2 4 图3 11h a rris 角点检测法2 6 图3 12 点状网格确定考察点2 7 图3 13 通过物一像尺度关系获取脉搏曲线2 8 图3 1 4 从图像中截取一块区域2 9 图3 15 条型码法获取脉搏曲线2 9 图4 1 中医切脉示意图31 图4 2 “最佳取脉压力 示意图3 2 图4 3 平面最佳取脉位置示意图3 3 图4 4 某人在不同切脉压力下的脉搏波形3 4 图4 5 离面位移3 4 硕士学位论文 图4 6 所选的6 个微小网格平面3 5 图4 7 所选的6 个微小网格的离面位移3 5 图4 8 重心的叠加3 6 图4 9 另一种方法确定平面取脉位置3 7 图4 1 0 定位规则确定后的系统工作流程3 8 图5 1 脉图的幅值和时值3 9 图5 2 受测者甲、乙的脉搏波形4 1 图5 3 受测者甲在不同切脉压力下的脉波形态曲线4 3 图5 4 六个网格的脉搏波形4 4 图5 5 脉宽插值拟合4 5 v 兰州理工大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体。均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 作者签名：葡么久 日期咖7 年6 月7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许 论文被查阅和借阅。本人授权兰州理工大学可以将本学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存和汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文 收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名： 导师签名： 日期：力卯7 年6 月1 7 r 日 日期：砷年石月d 日 第一章绪论 1 1 脉诊客观化研究的意义 脉搏是人体活动最重要、最灵敏和最町靠的信息源之一。动脉搏动情况是人 体循环系统动忐过程个可检测的生物t i t 呼，将该讯号按叫序记录下水的图形， 就是脉目。 我压| 的传统c p 医学中，脉诊是重要诊断方法之。早在2 0 0 0 多年前，我们祖 先就以切脉诊治疾病，以手指作为拾取脉搏巾的循环动力信息的传感器“。如图 11 所示。 图11 中医切脖示意 我们的祖先对于脉诊有悠久的实践历史，电形成了很多极具临床价值的理论 成果，比如内经、难经、脉经、索刚脉要精微论、灏湖脉学、察 病指南等等。此外，古今无数传统中医实践者记录的详实的脉诊实例、病理分 析和自己的心得可谓浩如烟海。 但是，受科技发展的限制，跃期以米医者直依靠感觉来体会患者脉搏搏 动时的脉蒙信息对脉象的描述也都足采用取象比类的方法。这就造成了脉象概 念较笼统，具体的判别标准模糊不清，其中还掺杂了医生的个人判别经验及个体 感觉差异等很多主观因素，因此中医l 临床脉诊时分歧较多。加上传统中医相授多 以口诀和感觉，主观性颇大，难以j 侈成统一的标准。总之，今天的中医脉诊仍然 处于经验医学的范畴之中，无法形成明确的辨证结果“，正如晋代脉经作者 扭和所言“在心易r ，指下难明”。甚至在一些被奉为经典的脉诊著作叶l ，也有 不少彼此不完全相符的地方。 这种情况阻碍了中医脉诊学的发展3 “，要打破这个瓶颈，使古老的中医脉诊 能够与现代科学分析方法联系起来，充分利用现有科学知识充实和丰富我国传统 医学的内涵，增强我国传统医学在现代社会中的理论地位和实践地位，就必须实 现中医脉诊的客观化和科学化。 中医脉诊客观化和科学化按研究特点，可以分为仪器研制、脉搏信号分析、 脉搏图像聚第卜_ 咏搏信廖、旁征方法研究 临床应用等三个方面。 仪器的设计与研制是首要的，它是脉象信息获取的途径，是临床脉诊客观化 的基础。它把过去靠医生手指拾取的信号转变为可由现代工具采集、运用现代方 法进行分析的信号。 脉搏信号分析则是依据不断改进的、可用现代科学概念表述其过程与结果的 脉搏信息获取方法和处理方法，进行深入的脉象信息分析，与传统中医理论结合， 寻求临床应用途径，并反馈到脉搏信息获取和处理方法的进一步研究中去。 临床应用则是以上所有工作的最终目的和检验标准。 这三个方面相辅相成，共同决定了中医脉诊客观化和科学化研究的水平，而 能够在其中的某些方面做出一些努力和尝试，对于推动现代中医脉诊的发展有重 要意义。 1 2 国内外脉诊客观化研究的现状 长期以来，人们希望研制的脉象仪可以更好地模拟中医手指切脉方式，但是， 通过中医专家用“双盲法”鉴别脉象，对脉象仪进行效果检验的结果表明，现有 脉象仪的脉象符合度并不高，中医的2 8 种典型脉象，只有几种可以在现有脉象仪 上得到很好的对应。其主要原因在于脉象传感器的设计和脉象信息分析方法两方 面关键技术尚未实现突破性的进步畸1 。这两方面的发展状况制约着临床应用工作 的进展和成绩。 1 2 1 脉象仪研究 一个好的脉象传感器应能尽可能多地、准确地采集脉搏变化的信息，为进一 步用计算机软件实现脉搏信息处理与脉象分类提供详实可靠的数据。 为了揭开脉搏信号的科学本质和产生机理以便更准确地反映人体的生理、病 理状况，国内外学者经过长期不断的探索，做了大量工作，尝试了许多种脉象检 测方法并据此研制各种类型的脉象检测传感器。1 8 6 0 年v i e r o r d t 创建了第一台 杠杆式脉搏描记仪，国内2 0 世纪5 0 年代初朱颜将脉搏仪引用到中医脉诊的客观 化研究方面。此后随着机械及电子技术的发展，国内外在研制中医脉象仪方面进 展很快。近2 0 年来，业界出现了更多的脉象仪 1 5 1 。按传感器的工作原理，可以 做如表l 所示的简单分类旧。按探头形式分类，目前研究的脉象传感器探头有单 探头、双探头、三探头、点阵式、p v d f 多点等多种形式。按探头选用的材料又分 为刚性和软接触式脉象换能器，前者在研究初期使用较多，但由于与脉诊实际应 用相差较远，目前的研究都主要集中在软性材料传感器的研制上。 以上的这些传感器都存在一定的缺陷。应用最广的压力传感器虽然有信号采 2 硕士学位论文 集方便、分析便捷的优势，但信号采集的手段非常单一。虽然传感器的设计已经 从最初的单点采集，发展到阵列式多点采集，但距离准确贴合实际脉象仍然很遥 远。而脉象的形成极为复杂，其本身包含血管结构与特性、管外肌肉与皮肤组织、 血液及其循环系统特性等丰富信息n 6 1 刀，也不可能仅仅用压力脉搏信息来表征晦1 。 其他类型的传感器也存在着采集信号有限、与中医切脉实践不相符合等若干缺点。 比如，中医切脉需要施加不同强度的指压，从脉搏的反搏动力中提取信息，而非 接触式的传感器则根本不具备这方面的能力。 表1 1 按工作原理分类的脉象传感器 压力传感器 压电型传感器 压电晶体式传感器 压电陶瓷式传感器 压电聚合物传感器( p v d f ) 复合压电材料传感器 f 固态压阻传感器1 压阻型传感器 液压传感器 ( 应用最广泛) i 气导式传感器i 压磁性传感器( 不成熟) 光电式脉搏传感器 光电容积式脉搏计 光阀式桡动脉脉搏传感器 红外光电传感器 光纤位移传感器 墨；霎普勒技术 c 非接触式，与中医指压切脉的特点不符) 本课题从仿生学角度出发，结合中医切脉时“最佳取脉压力”原理和薄膜网 格受力变形时的空间位移测量原理，提出新的基于图像化的脉象采集方法，研制 了一种新型支架式脉象采集装置n 引，利用高分辨率、高速摄像头在照明环境下采 集表征桡动脉搏动的网格化薄膜运动，该装置初步达到了采集多维、动态信息的 目的，为后期脉象识别和病理分类提供更多依据。 1 2 2 脉搏信息分析方法研究 脉象信息分析的工作可以大致分为两个方面：一是脉象形成机理的研究，二 是对脉象信息的处理、分析和客观化描述。 1 脉象形成机理 脉象形成机理方面的研究主要是通过对人体解剖学、血液循环动力学的研究， 脉搏图像采集与咏搏信，窟、表衙方法研究 从脉搏运动形成的原理出发，建立脉搏运动的动力学模型。自1 7 7 5 年瑞士著名数 学家欧拉( l e o n h a r de u l e r ) 首次定量地从流体力学角度研究人体脉搏波的传播规 律以来，对人体脉搏系统的信息检测和建立人体心血管系统的动力学模型，一直是 生物力学和生物医学界所关注的重要问题之一。该研究经过多年的发展，已经演 变成一个涉及生物医学、数学、生物力学、生物物理学、计算机技术等多学科知 识的相对独立的研究领域n 钔。目前主要的建模方向有力学模型、电路模型、基于 系统分析与信号处理的模型等n 9 2 引。王柄和等国内研究者认为，力学模型最大的 缺陷是：一，最初由西方人建立，并且主要研究成果中没有融入更多中医知识； 二，着重局部分析，失去整体把握，使得理论分析与实际应用出现偏差。而电路 模型的提出是为了方便计算和分析力学模型，用电路系统模拟力学系统，本质与 力学系统是一样的。基于系统分析与信号处理的模型则与现在蓬勃发展的信号处 理学科结合紧密，且符合中医传统切脉的“黑箱 模式，把更多地注意力放在输 入、输出、系统参数的关系等方面，利于对系统的整体把握和对规律的认识。 2 脉象信息的处理、分析和客观化描述 脉搏信号的特点是：变异性、随机性、微弱性( 相对于强干扰) 、信号源不可 触及性、低频性等等 2 引，这给脉搏信号的后期分析带来困难，所以必须先进行 处理。一些文献已经论述了脉搏波的一些处理方法乜7 川引，其中有模拟的、数字的、 或者是二者混和的。 目前的脉象信息分析方法主要有时域法、频域法、脉图面积法等啪3 3 3 。其 中，时域法是运用最广泛的，因为它较容易为不了解信息处理知识的临床医学工 作者接受和理解，但它有一些缺陷，比如对经验的依赖性大，随机误差大，会丢 失一些信息等。而频域法弥补了时域法的这些缺陷，但不容易被医学工作者接受 和理解。 中医脉象客观化描述方法的研究则不能脱离中医两千多年的脉诊实践和脉学 理论。检测结果及其表达描述形式应当能为广大中医师理解和接受，只有这样， 才能利用两千多年来中医脉诊实践的宝贵经验。研究者们认为，中医脉象可以分 解成若干种脉象指感信息特征，所有的脉象都可以由这些特征中的几种组合得来。 从事中医脉诊研究4 0 余年的李景唐先生提出，以明代李时珍的濒湖脉学 为蓝本，按其对中医2 0 余种基本脉象的定义及文字描述，分析归纳出9 种中医脉 象指感信息特征，即脉位、脉幅、脉力、脉波的形态、脉势的虚实、脉道的形态、 脉搏频率、脉搏节律、脉体的长短，同时，他也给出了各种脉象由这9 个参数计 算的数学表达式汹，。 另一些研究者也有类似的成果，费兆馥将这些脉象分为指感信息特征8 个啪1 ， 对于个别特征的定义也与李景唐略有不同，但整体思路是一致的。 4 硕士学位论文 1 2 3 临床应用研究 在临床脉诊客观化方面，2 0 世纪7 0 年代对正常人作了大量的测试，并将脉 搏波的参数按年龄段进行统计分析，结果证实不同的年龄段的脉波参数特征与应 用生物力学原理推断的脉象参数变化的特征是一致的。另外，山东、贵州、上海 等地对正常人四季脉象及昼夜脉象进行跟踪测试及分析，发现脉象随昼夜阴阳消 长、四季气候的变化而变化，其结论基本与古人对中医脉象的论述相一致。通过 这一阶段的工作，对正常人不同年龄、不同季节的脉波特征有了一个基本的认识， 这为进一步探索中医脉象打下了基础。 在探索中医典型脉象的脉波特征方面，国内环绕弦脉与滑脉所做的工作为最 多，例如对妊娠、经期、湿热等情况下，滑脉脉波的分析，对肝郁气滞、阴虚阳 亢、肝阳上亢等情况下弦脉脉波的分析，其次是对外感表证的浮脉、气虚病人的 虚脉与弱脉、心阳不振、心血瘀阻及心气亏损等病人的涩、促、结、代等脉象的 分析。在临床疾病方面运用脉象仪描记得较多的疾病，有肝病( 包括急慢性肝炎、 肝硬化、肝癌等) 、高血压、冠心病、风心病、慢性肾炎、慢性胃炎等疾病。在探 索传统的寸关尺三部候脉方面，上海、广州、美国加州的m i c h a l lb r o f f m a n ，加 拿大滑铁卢大学l y w e i 等作了不少工作，通过临床测试发现寸口脉分配脏腑有 一定的临床意义。另外值得一提的是中国台湾的江叔游，他经过近二十年的努力， 创导了一套独特的脉波辨证方法，并首次提出“类虚里脉”的概念。从现有的资 料来看，虽然国内外在中医脉象客观化研究方面已做了大量的二i ：作，不过在中医 脉象辨识方面，目前认识比较一致的并不多，只有浮沉、迟数、促结代、弦滑涩、 虚实等十多种。 1 3 图像化脉搏信号检测与脉象信息分析研究 图像化的脉搏信号检测与脉象信息分析是本课题的创举。人类获取的信息 7 0 以上来自视觉m 3 ，和其他一维信息相比较，图像信息更全面和更完整地反映和 描述了客观事物的特征和其相互间的关系，因此促进基于脉象信息图像化的脉搏 传感器的研制发展意义重大。且该装置的传感器采用软性薄膜结构，尽可能模拟 脉诊实际，信息损失小，较之硬性、刚性传感器脉搏采集系统有本质的不同，极 大地提高了系统的仿生性和可靠性。 前期的工作中，已经取得的成果和依然存在的问题如下： 1 设计、制造了一部可以顺利采集脉搏图像数据的采集装置，但该装置比较 粗略，不能方便地改变切脉压力的大小n 豇4 。成果 4 2 对该装置进行了一定改进， 5 隙搏图像采隼卜了咏搏信，鬯、爱征方涉研究 但仍然难以方便地改变和测量切脉压力，且装置依然存在一些其他问题，如网格 制作、相机选型等。 2 在该装置的基础上，运用了一些方法，提取了脉搏波形，并证明了该装置 可以采集多维、动态脉搏数据，完成了脉搏波形的三维重构h 2 “引。但对其中基于 灰度分析的处理方法的研究还不够深入，没有涉及该方法在特殊情况下处理效果 变差的根本原因；其中基于透镜成像原理的处理方法的计算量偏大，不利于实时 处理；也没有提出寻找最佳采集位置的方法。 3 利用该装置采集到的脉搏波形，进行了初步的脉搏信息分析，提取出了脉 率、脉宽、脉长等脉象指感信息特征，进行了初步的脉象病理分析。但由于无法 方便地获得切脉压力等参数，导致提取的脉象指感信息特征数量很有限h 羽。 4 利用该装置完成了对一些人群的初步病理学分类。主要是精神疲劳与否、 亚健康与否的两类别划分。 1 4 本文的主要研究内容 基于图像化的脉象采集研究领域是一个全新的领域，是集传感器设计、计算 机视觉及动态图像处理、生物信号检测等多方面内容于一体的研究课题，具有很 大的挑战性。本文的设计以现有脉搏图像采集装置为基础，从结构、选材上重新 设计制作传感器及其支架，增加原装置不具备的功能，同时对以前使用到的一些 方法进行整理、深化、改进，最后通过分析、处理新装置采集的脉搏动态图像信 息，进行更深一步的脉搏信息分析，以期推进该项研究工作的进一步发展。 全文共分5 章。第一章为绪论；第二章对现有采集装置进行分析、说明，并 对其行了改进设计，使其结构更合理，更方便易用，提高了采集装置的可靠性和 仿生性；第三章从基于灰度分析、基于透镜成像原理两种途径出发，从几个方面 分析对比了几种脉搏图像信息处理方法的优劣，及其在工程实现和产品化方面的 前景；第四章基于新装置增加的功能，提出了原装置不能完成的一些工作的解决 方法，主要是传感头定位规则的确立；第五章基于脉搏图像传感器采集的脉搏动 态图像信息，综合运用前几章提到的分析方法，对脉搏波形进行了时域分析，通 过对比获取了相应的生理病理信息，并且充分利用图像信息量大的优势，提取相 应的脉象信息特征；最后对全文的工作进行总结并对进一步工作进行展望。 6 硕士学位论文 第二章图像化脉象信号采集装置的改进 2 1 引言 基于图像化的脉象采集研究领域是一个全新的领域，是集传感器设计、计算 机视觉及动态图像处理、生物信号检测等多方面内容于一体的研究课题，具有很 大的挑战性。 应用脉搏图像传感器采集人体桡动脉处脉搏信息，进行脉诊客观化研究，传 感器的设计至关重要。设计完善的传感器不但要能正确的采集脉搏信息，还要易 于使用。对于一些不属于脉搏波形信息，但对脉象信息分析至关重要的参数( 比 如切脉压力) ，也必须具备采集的能力。 本章将先简述图像化脉象传感器的设计原理与结构原理，然后说明原有传感 器及支架系统的不足，最后针对其不足提出解决办法，介绍重新设计制作的图像 化脉搏信号采集装置的情况。 2 2 图像化脉象传感器原理 传感器采用软性薄膜加压装置，尽可能模拟脉诊实际；使用c c d 摄像头直接 采集桡动脉脉搏图像信息，将中医脉诊的触觉信息图像化。 2 2 1 传感器的设计原理 中医切脉时，医者的手指对患者桡动脉管施加不同幅度的压力，依靠指端触 觉、压觉、振动觉来感受患者的脉象信息。 中医切脉过程有三个明显的特征： 一是医生指面对脉管施加一个大小不同的静压力( 切脉压力，或称取脉压力) 。 二是医生指面又同时感受到反映脉搏特点的微细反搏力。 三是要根据具体情况定位布指，在“寸、关、尺等位置总按与单按相结合， 不断调节指力，以辨证分析各部脉象情况。 脉象传感器的设计必须要围绕这三个特征展开。以下一一说明： 切脉压力： 一 。 中医切脉时，有“最佳取脉压力 之说，在此取脉压力下可得到幅度最大和 形态最清晰的脉搏波啪1 ，脉象的许多重要特征正是在这种状态下检测的。取脉压 力大于或小于最佳取脉压力值时，感受到的脉搏振幅或强度都要减小，形态特征 也会变的模糊，因此取脉压力常通过调整，根据不同的人的脉搏搏动状况来确定。 7 咏搏图像聚簪与脉搏侍，皂、旁征方法研究 因此，设计的传感器必须具备对人体手腕桡动脉持续变化加压的能力，以期 模拟中医切脉时寻找“最佳取脉压力 的过程。这个由传感器施加在桡动脉处的 压力要尽可能满足以下几点条件：可以被定量检测到、由换能器单独作用在桡动 脉处而不引入其他干扰、可以连续变化。 换能器： 医者切脉时，自己的手指对患者桡动脉施加切脉压力，同时手指感受到微细 反搏力，医者所得到的患者脉象信息就包含在这反搏力中。手指同时完成施加压 力和接收信息双重任务。 对应到传感器的设计上，就是换能器既要能接收到表征脉搏运动的信息，又 要能够对人体桡动脉施加一个可变+ 可测的压力。 辨证取脉： 中医切脉时，要根据具体情况定位布指，在“寸、关、尺 等位置总按与单 按相结合，不断调节指力，在整个诊断过程中，是辨证推理与取脉结合进行的。 现有所有脉搏采集手段都暂时无法达到这种自适应的调整能力1 。而这个问题的 解决，有待于辨证推理与取脉结合的理论的成熟，当该理论成熟时，才可以指导 硬件进行白适应调整，实现“分片、分点 不同加压。从硬件实现上来讲，不论 是传统的压力传感器，还是本课题的图像化传感器，都可以通过阵列化传感单元 来实现这一点。但就目前而言，其指导理论未成熟，也非本课题研究内容，因此 在本文的硬件、软件方面都未有涉及，硬件方面依然是由一定面积的换能器对桡 动脉处统一施加切脉压力。 通过对上述切脉过程及指法特征进行模拟，从仿生学角度出发，设计软性探 测触头网格化充气薄膜，并以一定压力作用在人体手腕桡动脉处。触头后是 一个密封的空气腔，空气腔内压力接近恒定。参考“最佳取脉压力”的采集原理， 通过设计加压装置来施加切脉压力。 这样的设计将传统脉象传感器采用的刚性触头改变为“皮肤一软组织 接触 模式：探测触头上的薄膜模拟手指的表皮，并与受测者手腕桡动脉处皮肤表面贴 紧；网格化薄膜在脉搏运动时产生形变，由网格记录了脉搏运动的状态；用摄像 头在均匀的光照下采集薄膜三维运动图像，通过对动态图像的分析获取脉搏信息。 该设计思路不但提高了仿生性，而且从后面章节可以看到，不同纹理的网格可以 引出不同的信号处理思路和方式，相比于传统的纯力学传感器，灵活度和发展空 间都更大了。 2 2 2 传感器的结构原理 传感器结构原理如图2 1 所示，主要由内含可调压力密封腔的软性传感头、 c c d 摄像头、传感器支架、切脉压力调节机构、手动气泵、气压缓冲腔、压力检 8 硕士学位论文 测与指示、气路、光路、计算机等部分组成。 传感头与皮肤接触一面为理化性较好的乳胶薄膜制成，薄膜上有一定图案的 网格。因为压力缓冲腔的存在，压力密封腔内的压力非常稳定，引起薄膜形变的 主要因素是脉搏的搏动，在脉搏搏动时乳胶薄膜的形变较小，不用进行限制。 传感头由一根悬臂梁固定在支架整体上，其位置可以调整，以改变传感头薄 膜施加在皮肤上的压力。传感头中密封腔内压缩空气的压力可以模拟指内压力， 其压强可以连续调节并利用气压表进行显示。密封腔与气压缓冲腔相通，气压缓 冲腔空间较大，这样可以有效降低由于压力密封腔轻微的空气泄漏导致压力变化 带来的影响。 c c d 摄像头在传感头正上方。在采集脉搏图像前，要进行焦距的调整，调至 有效焦距后才能得到清晰的图像。摄像头采集不同切脉压力下传感头薄膜随脉搏 搏动的动态图像信息，经接口直接与计算机通讯，进行数据转换与图像处理，获 取脉象信息。 j 彳4 、 j 氇 l i i i 岁i、| 。 由7 l_ 厂 生藿蠹( n 一卜广：lj 、弘 】 匪爨叠 1 限一岁 蔑 广。 、 l 2 7 li 庀冉k 翻 i f l 顿，裂 图2 1 传感器结构原理图 1 高速摄像头；2 计算机；3 网格化薄膜；4 加压调节机构； 5 手腕；6 密封腔；7 照明；8 充气装置；9 储气袋：1 0 气压表 整个采集装置工作流程为：先向腔体内充入一定压强的空气，再把整个探头 与人体手腕桡动脉接触，调整手腕与探头之间的距离，使薄膜对桡动脉一定的压 力。此时，网格薄膜会在人体脉搏的跳动作用下，产生形变。c c d 摄像头记录这 种形变，并送入计算机做数据处理。 9 睬搏图像采囊与脓搏信息袭征方沈研究 2 3 原采集装置的不足 原采集装置的不足都是在实验过程中被逐渐发现的，现分述如下： 支架结构： 支架结构可以调整悬臂梁的位置，以保持一定刚度和弹性的悬臂梁带动传感 头对皮肤施加某一恒定的切脉压力。但无法作到定量化加压，也没有办法指示出 切脉压力的大小。没有这个重要参数，仅靠得到的脉搏曲线，后期的脉象分析中 很多脉象指感信息特征都无从考察。 薄膜网格： 过去的网格都是依靠人工手绘，费时费力、纹理质量差、统一度不高，一旦 发生破损更换，实验的重复性就受到了影响。 摄像头： 原摄像头为p h i l i p s 公司生产的彩色摄像头p c v c 8 4 0 k 。作为一款民用级摄像 头，p c v c 8 4 0 k 的表现已经很优越，像素、采集速率、分辨率等表面指标都不错。 但是囿于成本，该产品牺牲了一些表面之下的性能：由于是定位为搭配p c 的高级 民用摄像头，其狭小的内部空间整合了一些基于娱乐化视频应用的功能，比如声 控电路，而忽略了对画面质量的提高；接口为u s b 2 o ，最大的数据传输速率有限， 当采集速率提高时，只能用内建插值的方式保持每秒钟采集帧数，进一步牺牲了 画面细节；速度不稳定，采集过程中存在丢帧的危险，一些停顿现象甚至肉眼可 见；镜头为集成镜头，畸变系数大。 光源： 稳定性不足，外置则影响观测，内置则影响密封。 2 4 对采集装置的改进 2 4 1 支架结构的改进 支架结构的改进主要解决的问题是对切脉压力参数的获取。 切脉压力是医生手指施加于受诊者手腕桡动脉处的，对于该信息采集装置来 讲，是充气薄膜施加在受诊者手腕桡动脉的，这个压力是无法直接获取的。 虽然我们可以在手腕与充气薄膜之间安放薄膜式压力传感器，但这会影响到 充气薄膜与手腕桡动脉的紧密贴合，而且压力传感器本身的刚度会影响充气薄膜 随脉搏跳动的形变。我们也可以通过计算密闭腔体内压强的变化来得到薄膜受密 闭腔体内气体的作用力，这个力与薄膜、手腕之间的作用力有一定关系，但不具 同一性。而且由于腔体内压强随脉搏跳动而改变的幅度是非常微弱的，外界干扰 1 0 硕+ 学位论文 相对于这种变化还要大得多，所以并不可行。这样做还将增加整个系统的成本、 硬件复杂程度和计算量。 对力学参数的间接测量方法是一个可行的方案。图2 2 是间接法测量切脉压力 的原理。 图2 2 间接法测量切脉压力 只要针对薄膜所受的不同膜外压力( 由测力计获得) ，记录应变片的相应输出 信号，建立起经验曲线，则当把测力计换成手腕时，可以用经验曲线获得此刻的 切脉压力h 4 删。 也可以用更加简单的杠杆原理来获得切脉压力，方法依然是间接法。如图2 3 所示，当悬臂梁具有一定弹性时，薄膜受到的压力传到悬臂梁，悬臂梁的一端抬 起，带动指针，切脉压力可由指针读出。本文采用这种简化方式。 2 l j ， 一 i 3 i e e e 一1 3 9 4 a 接口，自动同步，保证数据通讯流畅 黑白或彩色c c d 可选，本文选用黑白c c d 白带色彩处理和白平衡 能存储和恢复相机的设定和图像的参数 自动光圈 可分离遥接头单元与母板单元，减轻使用端重量 镜头接口为标准c c s ，方便镜头更换 分辨率及采集率软件可调，最高为1 0 3 2 x 7 6 6 ( 3 0 f p s ) 画面流畅精细，像元达到4 6 5 um c o m p u t a r 公司的m 5 0 1 8 一m p 镜头是一款专门为百万像素级别工业相机设计的 镜头，最大的优点是轻便( 9 0 9 ) 、畸变系数小( 一0 3 ) 。 2 4 4 光源的选择 光源的设计与传感头密封腔体的材质和结构是有密切关系的。由于传感头尺 寸较小，内置光源不易安装，且其电源线的存在必然给腔体的整体密封带来困难。 而外置的光源又不易保证腔体内光线均匀。 最后确定的方案为：用轻便的有机玻璃材料加工密封腔体，腔体呈中空的透 光圆柱体形，上端用透光镜片粘盖，下端为印制好一定网格图样的软性薄膜。 1 2 245 改进后的采集系统 图24 改进后的采集装置实物图 25 脉搏图像信息的采集实验 避行脉搏动态图像采集实验时，要求受测者处于平静放松状态。首先，通过 手动气泉调宵压力密封腔内的压力，调至接近指内压力。将手腕放置在柔软的手 腕挚衬j ：而的手腕放臀区域，凋肯软性探测触头的位霄，使其诈对桡动脉处，与 皮肤紧密接触。c c d 摄像头垂卣放置在探测触头上方。通过调整压力调竹装置施 加小旧的取脉n 三山，观察获取的脉搏动态引像，脉搏搏动最明显叫的收脉址力为 最佳取脉压力。在嚷取脉压力下，进行脉搏动态图像的采集。研究结果表明：利 用高分辨率摄像头聚集的脉搏动态图像，其相邻帧的数摒差异能够反映出受测者 的脉搏信息，这将在以后各章进行叙述。 整个实验的方案如图25 所示。 脉搏图像采集与脉搏信息表征方法研究 图2 5 实验方案流程图 1 4 第三章动态多点脉搏图像信息获取方法 3 1 引言 动态图像也被称为视频图像，它提供了比单图像更丰富的信息。功态图像 分析的摹本任务足从幽像序列叫1 榆删山运动信息，识别和趴踪运动目标和估汁= 维运动及结构参数。它是图像处理与汁算机砚觉领域中的一个非常活跃的分支， 由于在国民经济和军事领域的许多方面有着广泛的应用，对它的研究受剑各国利 学家的普遍咒7 “。 本章k 要分析嘲格薄膜，j 相机之i i j j 寸h 埘运动形成的动态罔像，通过动念图像 序列中小h 时刻薄膜网格面的图像灰度变化来估计脉搏的运动。 32 处理对象 d r 20 8 s 2 mj xc s 相机输m 的苴接就是a v l 格式的灰度视频，h 单帧罔像为 出度吲像。当删格薄膜随脉搏跳动而发生形变时，各个像素点的灰度会发生变化， 捕捉、记录并分析这种蹙化，就可以提取m 脉搏波形。 不同图案的删格薄膜，适用的分析片法也小叫，图： i 是分别从两段各3 0 0 帧( 3 0 帧秒) 的视频提取的州岐罔像两段视频所使用的网格【斟案不同，分辨 率也小同，甲为： 5 2 2 8 8 ，己为6 4 ) 4 8 0 。 掣 图31 两段视频处理对象 木章r 卜t 如果不做特殊酏岍，将用提及的并种处删方法分别处胛这两段视捌 井做比较。 脉搏图像采集与脉搏信息表征方法研究 3 3 基于灰度的图像处理方法 灰度是衡量图像表面特征常用的指标。由于脉搏跳动强度大小不同引起软性 薄膜形变强弱不同，从而使各帧图像灰度分布发生相应的变化，捕捉并分析这种 变化，就可以得出这种变化表征的脉搏运动。 3 3 1 灰度重心法 脉搏跳动强度大小不同会引起薄膜形变