CN105030195A - 指感施压与微阵列传感的三部九候多信息获取识别装置 - Google Patents

Abstract

本发明为指感施压与微阵列传感的三部九候多信息获取识别装置。装置集成MEMS微阵列传感触点探头、微型气泵、标准II导心电传感器及检测电极、指容积脉搏波传感器及其仿生指压探头、气压指套、气压腕套、微型充气泵、无线传输装置、集成电路芯片、触控屏、以及纽扣锂电池等，运用MEMS技术，设计微阵列压力传感器模拟人指下触感信息，获取脉诊信息位、数、形、势属性，与能够体现机体生理状态的参数如脉搏波传导速度(PWV)、血压、血氧饱和度、心电、以及超声等信息形成动态同步数据集。根据中医四诊合参理论，将数据翻译为中医医师获取的视觉，触觉，温度觉等相关信息。从而实现用数字化量化的中医诊断，模拟中医四诊合参过程。

Description

指感施压与微阵列传感的三部九候多信息获取识别装置

技术领域

本专利涉及的领域有：中医类医疗设备，多属性诊断信息检测，MEMS技术，穿戴式设备等领域。

背景技术

医疗设备领域中占主导地位的大型影像技术研发耗资巨大，价格昂贵，检测属性单一，无法自动识别疾病，仍然需要医师的辨认，才能够从形态学上对疾病的状态有所了解，即使获取的清晰的影像学结论，对相当一部分疾病类型，仍旧无法对疾病的属性有全面的了解，在治疗方案的提供上，仍旧需要再次评估。有时一个明确的优化治疗方案需要几周甚至更长时间，整个过程消耗的资源成本与时间成本相对巨大，普通家庭基本承受不起。

目前可穿戴式产品处于加速发展阶段，诸多智能传感器的嵌入使得移动通讯工具具有了可检测部分人体生理信息的功能。但是其检测信息作为单独的数字化特征信息，虽然能够显示身体体征的状态与变化，却不能对获取的信息进行有机的综合，无法实现对机体的整体评估，而仅仅是一系列的数据集，需要使用者具备大量的生理学医学知识才能够理解，否则会导致使用者对数据的片面理解，甚至引起不必要的焦虑与恐慌。

四诊合参，辨证论治是中医诊断与处方用药的精髓。几千年来，靠着一根银针，一把草药，解决了几亿华夏民族的健康需求问题。其无可比拟的优点在于诊疗结合，运用四诊合参辨识疾病之后，便能够得出治疗方案。但中医获取的信息为合参信息，需要众多单一属性信息的有机结合，因此，如何将现代可获取的量化诊断信息进行合参，纳入中医的疾病辨识体系中。是形成中医类诊疗设备的关键所在。

人体是一个较为复杂而且多变的生命系统，体内许多种生理信号源产生的生物信号十分微弱，采集时很容易受到各种干扰源的干扰，要检测这些生物信号也必须符合无创性的要求，所以要想了解患者体内这众多生物信号的产生、传递和作用过程非常困难，这给信号的检测、分析及处理带来了挑战。随着科技的进步和社会的发展，近代传感器测量技术也得到了飞速发展，其在众多领域得到了广泛应用，所以运用现代传感器来检测临床诊断及实验研究中的多种生理参数，不管是对中医的研究与发展，还是对提高临床诊断的准确性和医学监护的实时性，都具重要意义。

目前使用的脉搏传感器种类繁多，例如：压阻性传感器、压磁型传感器、光电式脉搏传感器、传声器、超声多普勒技术。但是这些传感器都存有弊端。目前，探头组合形式主要有点式和部位式两类，点式的只能测量点处的脉搏信息，而部位式测量的是某个部位整体的脉搏信息，所测结果为被测部位整体的一个脉搏波，忽略了各部位具体的细节信息。在部位式中，单探头是目前脉搏传感器中最常用的探头形式。研究发现，单探头脉搏传感器所采集的信息有一定的局限性，会丢失其他部位的相关信息。越来越多的学者在原来单探头传感器的基础上进行复合式脉搏传感器的研究，解决脉诊信息量不足的缺点。

发明内容

本发明为指感施压三部九候多参数信息集成采样装置。发明为指感施压与微阵列传感的三部九候多信息获取识别装置。装置集成MEMS微阵列传感触点探头、微型气泵、标准II导心电传感器及检测电极、指容积脉搏波传感器及其仿生指压探头、气压指套、气压腕套、微型充气泵、无线传输装置、集成电路芯片、触控屏、以及纽扣锂电池等，运用MEMS技术，设计微阵列压力传感器模拟人指下触感信息，获取脉诊信息位、数、形、势属性，与能够体现机体生理状态的参数如脉搏波传导速度(PWV)、血压、血氧饱和度、心电、以及超声等信息形成动态同步数据集。根据中医四诊合参理论，将数据翻译为中医医师获取的视觉，触觉，温度觉等相关信息。从而实现用数字化量化的中医诊断，模拟中医四诊合参过程。

这种推测功能的优势在于易于分辨，使用者能够通过直接获取的主观感受推测信息，主动对可能出现的问题加以预防。比如检测到脉率快，血压升高，则提示可能会出现心悸、眩晕，胸闷等症状，并同步给予健康预警。如果使用者出现了上诉症状之一或更多，便会进一步获取应对的策略与方法，如安静休息，服用硝酸甘油，通络救脑口服液等措施，

另一优势在于，能够自动筛选诊断信息，提高自动辨识的精度与可靠性。

如测得血氧饱和度值低，可能原因有指端温度过低，局部循环不良，血瘀，或者局部肌肉紧张。无法就这样一个数值去直接辨证或判断机体的整体状态。但是如果配合其他信息如PWV值较高，脉搏波分析得到弦紧度值高，则可能提示可能出现了肝郁血虚的中医证候，末梢血氧饱和度低值体现在爪甲青紫，根据超声获取的血流速度与流动模式推算血液黏度与血循环量，并间接获取血脂含量，血循环量降低则指端温度低，通过对指端温度信息比对，实现对单诊数据推测信息的证实，在匹配的情况下，进一步进行程度的划分。如果不匹配，则提示环境中有其他干扰因素，如检测环境温度等。

同时，主观化的信息输出策略也能够方便使用者，尤其是亚健康群体与患病群体更加快捷并具体的了解自己出现各种主观症状的原因。在使用者遇到个人的健康问题，并且最渴望得到对自身健康状态的认识的时候，提供科学，客观的数字化多元诊断信息，帮助使用者尽快建立健康档案的同时，提供针对性的健康说明，快速提高使用者对自身身体状况的认识，更加客观的评估自身状态，实现将亲身感受到的主观信息与测量获取的数字化信息相互关联的学习机会。避免不具备相关知识的亚健康群体以及患病群体因无知而陷入对自身健康状态的猜疑与恐惧中。

装置的信息输出为配合中医医师辩证而设计为中医类的信息指标，将脉搏波压力信息翻译为位数形势属性信息，并同步显示该脉搏属于传统28脉中的哪一类脉象，和计算输出的量化的信息属性，给中医医师提供充分的诊断评估精度。同时借助心电、血压、血氧以及可视化超声等同步检测装置，同步获取多属性信息。

装置的外观设计为佩戴在手腕与脚腕的可穿戴式中医类诊断设备。设计主要包含前端仿生探头、传感器组，控制终端和与手机PAD，IPHONE等兼容的信息识别翻译软件。其设计结构如图1所示。

手腕式集成检测装置的脉诊部分由穿戴式充气调压微阵列传感器组成的脉诊信息传导系统组成，整个装置的脉诊部分压力信号模式模拟手指触觉与温度觉，如附图2所示。

设计特点在于：

(1)指感传感系统的封装

微阵列传感器的仿生式封装，将传感器置于类似食指指腹大小的弧形刚性材料中，再进行MEMS封装，以达到仿真手指中压感和温度感觉神经末梢分布的目的，从而模拟指感传感。形成仿生指感触压探头。

(2)位数形势属性信息的获取

其MEMS微阵列传感器微压触点嵌合在仿手指指肚设计柔性指压式探头的外表面，形成一系列纵向与横向的阵列分布，其十字形分布排列结构用于检测脉宽与脉长信息。

微气泵对柔性可充气气压腕套内部进行可调压充气，同步调节脉诊传感器探头压力，实现浮中沉三部取脉。并通过比较寻找最适取脉压，实现对脉位的测量。

通过对脉搏波节律进行分析，获取脉数信息。

传感器输出脉搏波曲线，运用波形分析结合FFT分析获取脉势信息。对上四类信息进行分析整合，即得到传统中医师诊脉获得的脉诊“位、数、形、势”属性信息，能够根据这四种特征属性，复现28种脉形以及相兼脉。

(3)由脉搏波、压力变化曲线获取血压信息

为气压腕套提供气体压力的微型气泵同样能够为指端的气压指套进行压力调节，通过加压，引起对应手指根部的动脉血流受阻，通过观察指端脉搏波的波幅变化特征，进行末梢血压的精确判断。同时推测主动脉处的血压的压力值。

压力泵的压力输出可达最高300Kpa，加压过程通过持续观测脉搏波波形变化，进行血压测定。如图3所示。脉诊充气式气压腕套不仅为脉诊的浮中沉取脉取定值加压，还能够继续增加压力至最高300kpa，加压过程持续观测脉搏波波形变化，通过阻断血流，进行血压测定。如图3所示。

检测过程中分别将指容积脉搏波探头与气压指套放于同一根手指上，工作时，指容积脉搏波探头测出血液正常流动时的脉搏信号，利用气泵给气袖充气，使其压力达到200mmHg，记录压力对应的数值F。这时气压指套紧压血管，使血液不流动，缓缓放气，整个过程密切观察脉搏信号变化情况。当压力大于收缩压时，因血管受压迫而停止流动，指容积脉搏波探头检测不到脉搏；压力继续下降，当达到收缩压时，血液开始断续流动，指容积脉搏波探头测出脉搏信号，此信号由计算机检测到并显示，记录此时压力对应的数值A，即为收缩压；压力继续下降，达到舒张压，由于血管不受压迫，血流均匀，恢复到血液正常流动时的指容积脉搏波信号，计算机检测到此状态，记录此时压力对应的数值B，即为舒张压。

简化的计算公式为：F/200＝A/收缩压＝B/舒张压。

(4)脉搏波结合心电信息分析脉搏波传导速度PWV

运用标准导联法，设计心电采集模块，并嵌入到系统芯片中。心电信号同脉搏波压力信号相互结合，获取脉搏波传导速度(PWV)。PWV的影响因素主要是与脉管硬度相关，其次还与血流粘度，血液流速以及血管管径有关。因此，准确获取PWV的值，需要同时获取心电触发心泵的初试时间与脉搏波产生的初试时间，而且需要主动脉的动脉瓣与被测部位的血管长度。通过对其差值提取，计算出PWV的值。

PWV值的获取并不能够了解是什么原因导致了这样的一个速度，因此运用超声图像采集获取脉管直径，血流速度，通过血氧饱和度信息获取血液中的血红蛋白含量，间接推测血液粘度信息。在心电、脉搏波、超声、血氧信息的共同参与下，获取PWV的大小与产生原因。

由此可知，多数与中医诊断相关的信息都需要几个生理参数的共同参与，才可以实现由单纯的生理检测信号到有诊断意义的中医类诊断信息的结合。

(5)脉诊采集兼容超声，增加可视化信息量

可视化脉诊的临床意义在于评估动脉血流的血流动力学参数。如血流流速，血流量，血管横截面积等，并综合脉诊信息，获取脉诊可视化的视觉信息与指下诊脉的触觉感受信息之间的关联，甚至能够帮助有悟性的医师或者使用者形成信息关联，即在评脉获取指下感受的同时，在脑中能够浮现视觉图像，形成更加清晰的指下感受视觉化信息关联。提高医生对脉诊信息的理解，进一步提高医疗水平。

通过将可视化信息的特征信息进行提取，并结合中医四诊合参的理念，得到合参的结论与报告。运用指下感觉对应的可视化脉搏动态信息，为中医师提供不同脉搏波类型对应的直观的血管三维运动与血液流动状态信息，强化中医医师对获取信息的辨识能力，提高诊断的精度与证型的图像化认识。

(6)通过对具有中医辨证价值的信息的提取与合参，实现现代医疗诊断设备无法实现的功能，即实现对个体信息的提取与中医诊断结论，处方用药的交互融合。应用与家庭，实现掌上医疗，掌上健康评估功能。

①脉诊兼容血氧饱和度信息分辨部分脉形对应的病理特征：

指下感受相似的脉象往往包含多种成因。如濡脉常常被认为是气血不足的脉象，应指无力，来去疲软。产生这种脉诊特征可以是心脏供血无力，也可能是因为血液粘度过高，中医医师需要通过望诊，闻诊和问诊，进一步获取信息，断定出产生濡脉的原因，通过光电容积传感器获取的信息，血氧饱和度信息的获取，能够在一定程度上补充脉搏波属性的信息，提供量化的数值，对形成脉的所有因素中血流因素引起的变化进行获取，从而断定濡脉的形成原因，如图5所示。

②诊断信息的合参功能

由上文论述可知，以多信息合参的方式，能够对使用者的生理信息以及外在表观形态进行判断与辨识。采集到的信息尽管并不是中医医师诊断所获取的信息，但是却包含了产生中医师望、闻、问、切获取信息的原因。如面色，爪甲的色泽便与血红蛋白含量，血液的流速、流量相关。仅仅通过观察，往往无法判断究竟是具体的哪一方面导致了这样的表现类型，而通过多信息同步检测的方法，可以告知使用者究竟是血红蛋白减少，还是血容量降低，流速下降引起的色泽变化，而且能够量化的输出具体指标。补充了传统中医师无法直接获取的信息，有助于提高中医医师的诊断精度，促进中医与现代医学的结合。因此可以说，这样的诊断装置不仅能够实现家庭诊疗，实现掌上医院的功能，还能够帮助中医医师提高合参的能力，提升医学知识的全盘把握能力，从而提升自己的诊疗水平。

附图说明

图1.设计原理与结构

图2.脉诊属性获取探头设计与微阵列传感器分布

图3.结合血氧波形输出信号与腕带气体压力信号的血压检测法

图4.实物设计框图模型

图5.指感施压三部九候多参数信息集成采样装置信息

图6.信号处理模块结构图

其中图2的数字标识分别是

1.超声探头

2.超声接口部位

3.气压腕套

4.仿生指感触压探头

5.MEMS微阵列传感器

图4的数字标识分别表示

1.指端容积脉搏波探头

2.气压指套

3.仿生手指

4.气压腕套

5.集成控制端(包括微气泵，触控屏、无线发送模块与纽扣电池)

6.移动信息接收终端

7.心电贴片

8.气压腕套内侧面示意图

9.气压腕套横切面结构图

具体实施方式

1.脉诊传感器设计

设计尺寸，微压探头采用创新式的光学反射原理衡量压力信号，获取高于手指触觉感知精度与的压力大小，变化以及分布。

压力传感器设计成微电容阵列结构，各微电容之间为并联分立接口，电容的总值为每个微电容的电容值的总和；由于电容尺寸半径为0.5毫米，薄膜设计，厚度小于0.5mm贴附在仿生手指外表面，由于采用阵列结构，上下电极阵列点间的连接相互垂直错开，降低寄生电容。

运用惠更斯电桥，在一侧桥臂上嵌入硅晶圆电容式压力探头阵列，稳压电路与温度检测相互耦合，实现温度漂移的优化，稳压电路调节基线水平，然后运用放大器，将获取的压力信号放大到可识别特征数值的状态。获取的信息通过信号接收与分析电路转化为数字信号并最终进入数字处理过程。

2.血压模块设计

血压前端传感器可采用新一代压力传感器XFGN-6025KPGSR，净重0.35g，适用于便携式电子血压计，采用精密厚膜陶瓷芯片和尼龙塑料封装，内部含有放大、温度补偿及预校正失调电压和量程，将血压转换为0～4.5V的电信号，对应的血压值为0～25kPa，即0～187.5mmHg。

电路由滤波和放大两部分组成。运用MAX267集成滤波器，构造低通、带通、高通、等多种方式，使用灵活，性能远远优于采用集成运放组成的滤波电路。

MAX4471为低功耗的放大器。MAX9028为低功耗的比较器。滤波电路采用MAX267构成带通滤波器(允许0.8～38Hz的信号通过)，滤掉信号中的直流成分和电源以及皮肤与袖带摩擦的高频噪声和工频干扰，然后经过MAX4471进行进一步放大，得到单片机匹配的电压信号，进入ADC2，监视血压的交流分量。同时该信号通过低功耗比较器MAX9028转换成脉冲信号，触发ADC1工作。

3.指容积脉搏波探头设计

指容积脉搏波探头是由两个不同波长(红光660nm、红外光940nm)的发光二极管、一个光电接收器组成。C8051F020单片机产生时序控制信号，交替驱动红光和红外光二极管作为测量信号。红光和红外光是分时驱动，测量信号共用同一信号通道进行放大和滤波，避免相互产生干扰与双通道传输中由于通道特性不相同而引起的误差。

系统硬件设计芯片基于C8051F020单片机。该系统的基本工作过程是由单片机产生的时序控制信号，交替驱动两个光二极管分时照射手指，将光电接收器输出的信号通过放大滤波处理后送入单片机进行数据处理并计算出血氧饱和度。

指容积脉搏波信号通常带有不同程度的高频干扰，需要进行低通滤波进一步滤出检测过程中产生的高频噪声。考虑到使用二阶滤波电路结构简单，并且具有良好的频率特性，因此采用了巴特沃斯低通滤波器进行低通滤波，滤波电路的截止频率为23Hz。用于提高信噪比，抑制噪声。

4.信号处理平台设计

可优选的TMS320C6000系列DSP作为相比较而言业界最高性能的通用可编程DSP，TMS320C6701属于较好的性能浮点处理器。该款DSP完全满足设计的通用计算平台对信号处理单元性能的要求，因此选择TMS320C6701作为信号处理模块的处理单元，设计过程如图6所示。

DSP元件作为处理单信道的输入数据，实现特征信息的提取，不同采样的诊断信息之间通过FIFO实现横向比较，将数据之间的延时差进行精确测量，获取信号间的关键点时差信息。同时，结合数据库，每一信道的数据结果与数据库中存储的标准值进行比较，获取单诊结论，然后通过合参辨识，获取综合的诊断结论，单诊结论与综合诊断结论相互比较，如果出现个别不匹配现象，则根据权重进行取舍，保留权重最大的部分。作为对患者的主要问题的辨识。

5.电源管理方法：采用无线通信的电源管理

无线技术采用现代医用手机设计支持的通用标准：低功率蓝牙和频带范围为400MHz至2.5GHz。选择单节锂离子电池作为可充电的电源，使用DC/DC降压转换器使电池供电轨(Vbatt)保持稳定，输出固定为1.0V到1.8V其中一项设计可设计为如下所示结构，以满足其动态功率需求。

Claims (10)

1.基于指感施压与微阵列传感的三部九候多信息获取识别装置，其特征在于：其包括MEMS微气泵、阵列压力传感器及仿生指感触压探头、标准II导心电传感器及其检测电极、指容积脉搏波传感器及其探头、气压指套、气压腕套、微型充气泵、无线传输装置、集成电路芯片、触控屏在内的可穿戴式脉诊信息采集装置；能够同时实时测量寸关尺三部脉搏波信息，指端血氧饱和度、脉率、动态血压值、脉搏波传导速度及心电信息。

2.根据权利要求1所述指感施压与微阵列传感的三部九候多信息获取识别装置，其特征在于，以微型气泵驱动微型气囊充气和放气来拟取脉时手指的施压过程，从而实现稳定的接触。仿真施压系统还具有维持压力的作用，当受试者手部运动导致取脉压力改变时，施压系统能通过向气囊充气来增加取脉压力或者放气来减小取脉压力，进而维持一定的取脉压力，解决取脉时的脉位(浮、中、沉)信息的动态采集。

3.根据权利要求1所述指感施压与微阵列传感的三部九候多信息获取识别装置，其特征在于，微阵列传感器的仿生式封装，将传感器置于类似食指指腹大小的弧形刚性材料中，再进行MEMS封装，以达到仿真手指中压感和温度感觉神经末梢分布的目的，从而模拟指感传感。

4.根据权利要求2所述的步进马达液压传感装置，其特征在于，为气压腕套与气压指套充气，并调节压力。气压指套与光电指容积探头的获取信号配合，测量局部血压值。局部血压值与脉搏波传导速度，血管硬度以及血流信息配合精确计算全身血压值。

5.根据权利要求3所述的气压腕套与气压指套，其特征在于：它由任意密闭并具有弹性的材料制成，由微型气泵充气产生可控气压，腕套内部仿生指感触压探头与皮肤直接接触，选用仿生柔性材料制成，并且有较高的超声透过率。腕套上表面与超声探头接触部位采用密闭性设计。保证贴附在脉搏表面的装置部分没有气体空腔。在进行脉诊检测同时获取超声动态血流图像以及血液流速，血管三维运动、血管直径、血流量等特征信息。

6.根据权利要求1所述指感施压与微阵列传感的三部九候多信息获取识别装置，其特征在于：仿生指感触压探头的桡动脉切向位置延长设计的微阵列传感器能够在一定的固定位置误差下，计算出三部脉的脉宽信息，增加了佩戴使用的自由度。

7.根据权利要求1所述指感施压与微阵列传感的三部九候多参数信息获取识别装置，其特征在于：采用无线发射方式，将获取的信息发送至附近的通讯终端。电源为纽扣锂电池，支持低功率蓝牙(Bluetooth)和ZigBee等与手机通讯兼容的无线通讯方式。

8.根据权利要求1所述指感施压与微阵列传感的三部九候多信息获取识别装置，其集成电路芯片采用MEMS技术，微型化设备以便于穿戴，内部健康管理数据库能够根据获取的数据进行实时分析，对于长期超标的部分检测指标，触发健康预警信号，并提供相关方面的保护措施。用于家庭医疗的未病防控。

9.根据权利要求1所述指感施压与微阵列传感的三部九候多信息获取识别装置，其特征在于，能够对获取信息合参，并对获取的二次信息进行聚类，寻找共性特征，增加诊断结论的准确率与稳定性。如：结合脉诊信息与血压，积累同一使用者不同血压状态下的脉搏波波形特征。结合脉诊信息与心电图，计算脉搏波传导速度PWV。脉诊结合超声获取桡动脉血流量。通过对在使用的过程中不断积累的个性化诊断信息进行自动分类并回归分析，得出脉诊波形特征C1与血压C2、脉搏波传导速度C3、血流量C4等的函数关系。

C1＝f(C2，C3，C4)

实现脉诊信息的主观指下感受与检测的数字化量化生理指标等信息的相互关联，在临床医师有针对性的使用过程中，不断积累健康数据库信息的同时，训练使用者的自我诊断能力。

10.根据权利要求1所述指感施压与微阵列传感的三部九候多信息获取识别装置，其特征在于，采用基于中医理论的四诊合参辨识方法，运用主客观联合辨证方法获取脉诊信息。获取的信息量能够进行远程传输，远程传输的脉诊信息以及其他辅助信息能够被中医师直接拿来用于疾病的辨识，实现中医的远程诊断。