CN100391402C - 中医用多通道脉形传感装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种中医用多通道脉形传感装置。该装置包括至少一个多通道触觉传感单元，一个信号处理单元和一个信息处理计算机系统。多通道触觉传感单元包括反射式光纤测距传感阵列、不透光柔性密封膜盖和刚性壳体。反射式光纤测距传感阵列由密封材料固定在刚性壳体内，壳体的一端由不透光柔性密封膜盖封闭。反射式光纤测距传感阵列由输入光纤、输出光纤、光源器件和光敏器件构成，将脉形相关参数转换为电信号。该电信号传递给信号处理单元进行处理。本装置对桡动脉特征的变化反映敏锐快捷，测量结果准确性高，并且还能够将脉形变化以三维或二维图像形式重现，为中医师提供直观可靠的脉象诊断依据。

Description

中医用多通道脉形传感装置

技术领域

本发明涉及一种医用传感装置，特别涉及一种基于光纤的中医用多通道脉形传感装置，属于医疗仪器技术领域。

背景技术

脉诊是中医诊断的重要步骤和方法，在中医诊断学中占有极为重要的地位。正确的脉象诊断结合其它诊断结果，为中医师做出客观、准确和全面的辨证施治提供可靠依据。

脉诊通常的做法是中医师用手指触压患者寸口处桡动脉，通过变换手指压力和小范围手指移动来感知桡动脉的各种静态和动态特征，并根据这些特征推断出相关脉象。与脉诊有关的桡动脉特征可大致归为四类：位、数、形、势。“位”指脉位的深浅，可由变化指压确定。“数”指脉速或频率。“形”反映脉的几何特征，粗细、长短是其主要指标。“势”表征脉搏的动态特性，譬如脉博动强度和脉道紧张度或弹性。以传统中医的分类而言，共有二十八种脉象，微妙复杂，不仅难学，也难用三指精确测量。因此，到目前为止，脉诊还是主要凭借把脉者的经验，掌握脉诊技术需要长期的专业训练。这种状况长期延续下去，对中医的现代化十分不利。

近二十年来，国内外已经开发出了多种类型的脉象诊断辅助设备。其中典型的有中国发明专利89107657.3所涉及到的“医用脉诊传感装置”。该装置以感囊作为切脉的媒介，利用感囊及压力传感器，把触摸脉的感受转换成电信号传出。感囊由囊、传感体和导管所组成，囊由柔软且薄而韧、与人皮肤相近的材质制成，传感体经导管与压力传感器相通，感囊接触人体脉位，获取脉象信号传至压力传感器，在压力传感器中将压力信号转换成电信号。该装置的不足之处在于：采用普通的压力传感器，所采集的脉形信号仅能为少数简单的脉象诊断提供依据，无法提取足够详尽的脉形信号，从而不能支持比较复杂的脉象诊断。

中国发明专利86107766提出了一种“中医脉象检测装置”。该装置包括：中医脉象换能器组，中医脉象信号处理单元和中医脉象显示纪录单元。其中脉象换能器的主体为刚性测力敏感元件。由于测力敏感元件的刚性表面与柔软的人指表面的差异，如该专利的发明者所述：“测力式脉象换能器…不能兼顾浮脉与中、沉脉的检测和诊断”。中国发明专利申请00119603.0对专利86107766的方案进行一定改进，利用串连复合式脉象换能器改善浮脉检测能力。由于在中、沉脉检测时使用单通道测力敏感元件，该方案无法为复杂脉象诊断提供被测脉的详细描述。另外，专利申请02271478.2为00119603.0的部分改进，也存在同样弱点。

中国发明专利申请00103922.9提出一种脉压潜象探测装置。该装置采用多象素阵列式压力传感器检测脉搏压力的变化，经电脑处理后，在屏幕上显示中医脉象的光学图象，以视觉代替触觉，实现中医脉象的探查和测定。由于实践经验已证明此类单纯脉搏压力检测方法对浮脉诊断的结果难以与中医切脉的指感差别甚大，因此千百年来积累起来的中医脉诊经验不能直接应用于对该装置输出结果的解读和脉象判断。

发明内容

鉴于上述问题的存在，本发明的目的在于提供一种新型的脉形传感装置。该装置创造性地采用反射式光纤测距技术并配合数字信号处理技术，对与脉诊有关的桡动脉特征进行精确测量，并将检测结果以三维动态脉形图或二维脉参数图的形式实时或非实时显示，为中医师提供直观可靠的脉象诊断依据。上述检测结果还可以被方便地存储、复制和远距离传输，以供病历存档、在线或离线远程专家会诊、教学观摩等使用。

为实现上述的发明目的，本发明采用下述的技术方案：

一种中医用多通道脉形传感装置，包括一或多个多通道触觉传感单元、一个信号处理单元和一个计算机系统，其特征在于：

所述多通道触觉传感单元包括反射式光纤测距传感阵列、不透光柔性密封膜盖和刚性壳体，所述反射式光纤测距传感阵列由密封材料固定在所述刚性壳体内，壳体的一端由所述不透光柔性密封膜盖封闭；

所述反射式光纤测距传感阵列由多组反射式光纤测距单元构成，所述反射式光纤测距单元由一路输入光纤和至少一路输出光纤构成，输出光纤位于输入光纤周围；

每一路输入光纤与一个光源器件相连接，将接收的光投射到所述不透光柔性密封膜盖内表面；

所述输出光纤接收由所述不透光柔性密封膜盖内表面反射的光信号，并与一个光敏器件连接，将所述光信号转换为电信号并传递给所述信号处理单元。

所述信号处理单元以微型控制器为核心，包括模拟开关、信号放大电路、模数转换电路、解码电路、功率放大电路；

来自所述反射式光纤测距传感阵列的电信号通过模拟开关进入所述信号放大电路，再经所述模数转换电路之后进入所述微型控制器中进行处理；

所述微型控制器通过操作所述解码电路控制所述模拟开关和所述功率放大电路。所述功率放大电路驱动所述光源器件。

所述计算机系统接收由信号处理单元采集的脉形数据，经再处理后，利用三维动态脉形图技术实时或非实时地显示被测脉的搏动过程，为中医脉象诊断提供依据。

本发明所述中医用多通道脉形传感装置的优点在于：该装置对浮、中、沉脉均可取得与中医切脉指感一致或更加精确可靠的结果。利用现代数字信号处理技术可以将测量结果以二维或者三维形式重现出来，直观生动，不仅有效辅助中医师准确判断脉象，而且还可以作为病历材料存储，为以后开展教学研究提供方便。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的说明。

图1为最基本的反射式光纤测距单元的结构示意图。

图2图示出反射式光纤测距技术的基本工作原理。

图3和图4分别说明反射式光纤测距单元增加检测距离和扩大量程的方法。

图5说明如何对反光面与光纤间夹角的变化进行补偿。

图6给出了一种简单的反射式光纤测距单元阵列的实施例。

图7和图8给出了两个经改进的反射式光纤测距单元阵列的实施例。该实施例可以在保持或提高分辨率的前提下，减少所需的光源和光敏器件的数量。

图9为在图7实施例的基础上利用光纤分组的方法进一步减少光源、光敏器件数量的实施例。

图10为经黏结固定后的光纤束示意图。

图11为本中医用多通道脉形传感装置中多通道触觉传感单元的剖视图。

图12为本发明所述中医用多通道脉形传感装置中多通道触觉传感单元的工作原理示意图。

图13为应用本多通道脉形传感装置实施脉诊时的示意图。

图14为本多通道脉形传感装置中电路部分的原理框图。

图15为通过本多通道脉形传感装置获得的一帧动态三维脉形图的样例。

具体实施方式

本发明所述的中医用多通道脉形传感装置包括三个部分：一个或多个多通道触觉传感单元，一个用于脉形信号的采集、转换和处理的信号处理单元，一个实现数据存储、图形显示和远程通讯的信息处理计算机系统。

上述多通道触觉传感单元包括反射式光纤测距传感阵列、不透光柔性密封膜盖和刚性壳体。反射式光纤测距传感阵列由密封材料固定在刚性壳体内，壳体的一端由一个厚度均匀的不透光柔性密封膜盖封闭。该不透光柔性密封膜盖的内壁与光纤阵列断面之间的空间可利用气体、液体或高黏弹性透光介质填充。反射式光纤测距传感阵列由多组反射式光纤测距单元构成。该测距单元由一路输入光纤和至少一路输出光纤构成，输出光纤对称排列在输入光纤周围。每一路输入光纤与一个光源器件相结合，并将接收的光能传递并投射到不透光柔性密封膜盖内表面。输出光纤接收和传递所接收到的由上述不透光柔性密封膜盖内表面反射的光信号并射入与之连接的光敏器件。光敏器件将接收到的光信号转换为电信号。上述信号处理单元以微型控制器为中心，包括模拟开关电路、信号放大电路，模数转换电路，解码电路等，对接受到的电信号进行模数转换和处理，并将脉形数据传输给所述的信息处理计算机系统。信息处理计算机系统对脉形数据存储和再处理后利用三维图形技术实时或非实时地显示动态脉形图，以辅助中医师作出脉象诊断。

本发明的主要发明点体现在多通道触觉传感单元上。它是基于反射式光纤测距的原理设计的。图1给出了一个最基本的反射光纤测距传感单元。部分由光源1发出的光线2经输入光导纤维3投射到反光面4。部分由反光面反射的光线进入输出光纤5并最终导入光敏器件6，在光敏器件6中被转换成电信号7。输出光纤接收的光强度与光纤端面到反射表面的距离相关。当光纤端面到反射表面的距离、光纤本身的完全反射角以及光纤直径以一定关系存在时，光强度正变于该距离。如图2所示，距离较大时部分能够进入输出光纤5的光线在距离较小时没能进入输出光纤5。应该说明，这里忽略不计因微小传输距离的差异导致地光强度的不同。鉴于上述反射式光纤测距原理已为公开技术文献(例如H.Nicholls所著《Advanced Tactile For Robotics》，WorldScientific Publishing Ltd.出版)详细记述，本文不拟展开讨论。为减少因光纤端面反射造成的光强度损耗和精确控制光线的传导方向，与大多数光纤应用场合一样，输入、输出光纤的端面都需要经过适当地研磨处理。

如图3所示，适当地增加输入光纤3和输出光纤5的间距可以加大光纤端面到反光面的有效检测距离。如图4所示，采用更多的输出光纤可有效增加检测的量程。

除去光纤端面与反光面之间的距离变化外，光纤端间与反光面间的夹角变化也会导致输出光强度改变。如图5所示，可以使用对称排列的输出光纤组对上述影响进行适当补偿。

图6给出一种反射式光纤测距传感阵列的实施例。标有“+”号的输入光纤3(光线射入纸面)和标有“.”号的输出光纤5(光线射出纸面)被间隔排列。每一输入光纤和围绕其周围的输出光纤构成一个测距单元8。此种排列方式最显著的优点是其高分辨率，即在单位面积上可以安排尽量多的测距单元。以采用直径为0.25mm的光纤为例，该种反射式光纤测距传感阵列可在桡动脉9的径向和轴向提供每毫米2.8点左右的分辨率。

考虑到桡动脉相对细长的几何特征，图7给出了另一种反射式测距传感阵列的实施例。该反射式光纤测距传感阵列的特点是在桡动脉9的径向(上下方向)上密度高，而在轴向(左右方向)上密度低。本实施例可以提供较图7的实施例更高的径向测距单元密度。以采用0.25mm直径光纤为例，该反射式光纤测距传感阵列可达到径向每毫米四点左右的分辨率。显而易见，本实施例的另一显著优点是有效地减少测距单元的使用量，从而减少光纤以及光源和光敏器件的消耗。

图8给出另一种光纤排列的实施例，与图7的实施例相比，其桡动脉径向测距单元密度得到进一步提高。如采用相同直径光纤，本传感阵列可实现比图8的实施例高出一倍的分辨率。

适当地将输入、输出光纤结合成组，并将同组光纤连接到同一个光源或光敏器件，可以进一步减少所需光源和光敏器件的数量。图9给出一个光纤成组的实施例。如果不进行分组简化，实现图示的阵列需要二十七个光源和最少三十个光敏器件。采用分组简化后，该实施例将所有的输入光纤分为九组，图中分别标记为1-9，输出光纤分为十组，图中分别标记为1-10。同一组光纤连接到对应的光源或光敏器件。输出光纤安排顺序完全一致，而输入光纤的顺序交错安排以求每个检测点有其唯一的光源器件和光敏器件的组合。例如，图中的三个灰色标记的区域10、11、12都是以第2组输入光纤为中心的测距单元。由于其中包含的输出光纤各不相同，所以各测距单元的检测结果都是独立的，不受其它单元的影响。

采用集光源和光敏功能于一体的器件可进一步地减少光纤的使用量。连接到上述器件的光纤既能完成输入光纤的功能也能实现输出光纤的功能。为满足前述反射式光纤测距技术的基本要求，上述光纤仅可以交替地实现输入或输出功能，而不能在同一时刻兼具两者。

图11给出了一个基于反射式光纤测距传感阵列的多通道触觉传感单元实施例。首先如图10所示，利用黏结材料13将按图6或图7所示方式排列的光纤束14固定成束。成束后的光纤束被固定在刚性壳体15内并用密封填充材料16封闭。该壳体下端为一不透光柔性密封膜盖21。该密封膜盖由一紧固件18固定在壳体下端。光纤的另一端经研磨处理后通过连接件与光源或光敏器件连接。

不透光柔性密封膜盖21的主体为一厚度均匀的与常人指腹大小相仿的不透光柔性薄膜。该不透光柔性薄膜朝向光纤的内表面具有均匀一致的、良好的反光特性。为控制该内表面的反光率，可在不透光柔性薄膜的内表面镀一层反光率均匀的反光膜17。密封膜盖的外表面光滑以方便清理消毒。

密封膜盖21与光纤之间形成一密闭空间20，预留的通道19是该空间与外界的仅有连接。将洁净空气压缩后经上述通道19送入密封膜盖与光纤之间的密闭空间20，可以在柔性密封膜盖的内壁上形成均匀的压力。

上述的压力控制也可采用液压方案实现。所用的液体除应具备良好的透光性外，其折光系数应与所用光纤的折光系数接近，以减少因介质界面上的反射造成的光强度损失和因折射引起的有效测量距离的减少。

除气体或液体外，也可采用透光性好的高黏弹性材料，例如硅胶，填充密封膜盖与光纤之间的空间20。使用上述高黏弹性材料后，前述的预留通道19就没有必要了。

无论采用气压或液压或透光高黏弹性材料的方案，每一脉形传感装置都需要经过至少一次的标定操作。标定操作的目的是建立密封膜盖内表面到光纤端面的间距与输出电信号之间的对应关系。考虑到标定机构本身并非本专利发明内容，其细节在此不予展开讨论。标定操作的结果可以是一个对照表。对每一测距单元，该对照表记录一组不同的光纤端面到密封膜盖的间距和与之对应的电信号输出值。给定一个电信号输出值即可利用上述对照表和适当的插值算法精确地计算出密封膜盖的对应位置。为反复使用上述对照表，与其它系统参数一样，该对照表应保存在信号处理单元内的非易失性存储器如闪存中。

如图12所示，本装置在应用时，在内部压力的驱动下多通道触觉传感单元密封膜盖21的外表面紧贴被测点的皮肤22，并对寸口处桡动脉9及其周围组织产生与中医脉诊的指压相似的压迫作用。光纤测距传感阵列通过检测压力膜内表面几何形状的变化实时地获取脉形数据。图13为本脉形传感装置在实际使用中的操作示意图。就医者的手腕23平放在脉枕24上，多通道触觉传感单元25以手持方式放置到就医者桡动脉上的检测部位上以获取脉形数据。

为简化多通道触觉传感单元的定位操作，提高定位精度，并有效地加快脉诊速度，采用复杂的机械结构和控制机理可使定位操作部分地或全部地实现自动化。考虑到操作自动化并非本发明的发明目的所在，其细节在此不予展开讨论。

脉形信号的采集过程是在信号处理单元中的微型控制器的监控下进行。如图14所示，除微型控制器外，信号处理单元海包括模拟开关、信号放大电路、模数转换电路、解码电路、功率放大电路等。光纤传感阵列将脉形信息转换为电信号，通过模拟开关进入信号放大电路，再经模数转换之后进入微型控制器中进行处理。所述微型控制器通过控制所述解码电路切换所述模拟开关和所述功率放大电路。所述功率放大电路驱动所述光源器件。微型控制器依照预先设定的顺序对所有测距单元进行巡回检测。为实现巡回检测，每一光源器件都可以由微型控制器独立开启和关闭。在任意时刻仅有一个或少数光源器件处于开启状态，而其它则处于关闭状态。光线经输入光纤投射到膜盖内壁的反光膜上并形成光斑。部分反射光经输出光纤进入光敏器件并产生测距模拟电信号。微型控制器利用模拟多路开关将模拟电信号切换到信号放大电路。放大后的模拟信号经模数转换器转换为数字信号。对于含有两路或更多的输出光纤的测距单元，微型控制器则需要对所有相关测距模拟信号顺序地进行切换和模数转换。综合各路模数转换结果，结合由前述标定操作产生的对照表和采用适当的插补算法，即可求得与该测距单元对应的距离数据。一组顺序采集的包括所有测距单元对应的距离数据构成一帧距离数据。每帧距离信号精确地记录着对应时刻的脉形。

除恒定输出光源外，还可采用调制光输出光源为光纤测距传感阵列提供光信号。最简单的调制光源实施例是单频率恒功率输出的光信号源。利用滤波技术，与测距直接相关的信号分量可以被方便地从含有噪声的检测信号中剥离出来。采用调制输出光源的优点在于能有效地避免由环境可见光和红外光信号引起的测距精度的损失。

如果上述压力控制采用气压或液压方案，在本脉形传感装置中还需要配置一个压力控制部件，以精确检测和控制施加在不透光柔性密封膜盖21内壁上的压力，从而精确控制在被检测脉位上所施加的压力。微型控制器通过指令压力控制部件调节密闭空间20内的气体或液体压强，以控制脉诊指压，以实现脉“位”信息的检测。如果密闭空间20内填充的是高黏弹性材料，脉诊指压的调节则需要由手动或自动的多通道触觉传感单元定位机构完成。

成帧后的距离数据通过通讯接口，如UART、USB或局域网接口，实时地输入信息处理计算机系统并存储。经进一步处理(如滤波和插补)后输入的数据被用于构造、显示三维脉形图。按照信号采集的速率更新三维脉形图即可实现动态三维脉形显示。利用系统的慢放、定格、重放、视角变换、缩放等图形处理功能可使得对脉形变化观察更为方便。图15显示了一帧动态三维脉形(网格)图实际例子。

任何具有适当数据处理、存储、通讯能力以及三维图形显示功能的计算机系统都可以用于实现上述信息处理计算机系统。

除上述的动态三维脉形图外，多种脉形参数也可直接或间接地用于脉象诊断，对于某些脉象情况，这些脉形参数可以为中医师提供更直接的诊断依据。最常用的参数包括脉位、脉速、脉幅、脉宽、脉长、变化律、各脉形变化的频谱分布等等。除为中医师提供脉象诊断依据外，上述脉形参数也可作为人工智能脉象诊断系统的输入，以实现自动或半自动脉象诊断。

上述脉形参数可以通过数据网络传送到一或多个远程系统。远程系统用户如中医师除能通过在线或离线方式观察动态三维脉形图和各种脉形参数的变化并做出脉象诊断外，还可以利用网络提供的多媒体功能实现两地或多地专家会诊。

除上述单多通道触觉传感单元结构外，为更直接地模拟中医脉诊的三指操作，脉形传感装置可以同时装备三个或多个多通道触觉传感单元。毋庸质疑，为实现复杂的传感单元的定位操作，复杂和精确的定位、控制机构成为必需。

需要特别指出的是，本多通道脉形传感装置并不限于使用在中医脉诊的领域。从它的工作原理可以看出，它适合监控生物体的细微动态变化。因此，对于本领域的技术人员来说，在不背离本发明的精神和范围的情况下对它进行的各种显而易见的改变都在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种中医用多通道脉形传感装置，包括至少一个多通道触觉传感单元，一个信号处理单元和一个信息处理计算机系统，其特征在于：

所述多通道触觉传感单元包括反射式光纤测距传感阵列、不透光柔性密封膜盖和刚性壳体，所述反射式光纤测距传感阵列至少包括一个反射式光纤测距单元，所述反射式光纤测距单元包括一路输入光纤和至少一路位于所述输入光纤周围的输出光纤；

所述反射式光纤测距传感阵列由密封材料固定在所述刚性壳体内；

所述壳体的一端由所述不透光柔性密封膜盖封闭；

所述输入光纤与光源器件相连接，将接收的光信号传递并投射到所述不透光柔性密封膜盖内表面；

所述输出光纤接收由所述不透光柔性密封膜盖内表面反射的光信号，并投射到与之连接的光敏器件，所述光敏器件与所述信号处理单元相连接，所述信号处理单元通过通讯接口与所述信息处理计算机系统连接。

2.如权利要求1所述的中医用多通道脉形传感装置，其特征在于：

所述信号处理单元以微型控制器为中心，包括模拟开关、信号放大电路、模数转换电路、解码电路、功率放大电路；来自所述反射式光纤测距传感阵列的电信号通过模拟开关输入所述信号放大电路，由所述模数转换电路转换为数字信号后进入所述微型控制器中进行处理。

3.如权利要求2所述的中医用多通道脉形传感装置，其特征在于：

所述微型控制器通过控制所述解码电路选通所述功率放大电路以开通对应光源器件，每一个所述光源器件可以单独被开通；

所述微型控制器通过控制所述解码电路选通所述模拟开关以将对应模拟电信号输入所述信号放大电路，每一个所述模拟开关可以被单独选通。

4.如权利要求1所述的中医用多通道脉形传感装置，其特征在于：

所述不透光柔性密封膜盖的内壁与所述光纤阵列的端面之间的空间由气体、液体或高黏弹性透光介质之一填充。

5.如权利要求4所述的中医用多通道脉形传感装置，其特征在于：

所述不透光柔性密封膜盖的内壁与所述光纤阵列的端面之间的空间由气体或液体之一填充时，填充用的压力气体或液体经预留通道进入该空间。

6.如权利要求1所述的中医用多通道脉形传感装置，其特征在于：

所述不透光柔性密封膜盖的主体为一厚度均匀的不透光柔性薄膜，所述不透光柔性薄膜朝向光纤的表面具有均匀一致的良好反光特性。

7.如权利要求1所述的中医用多通道脉形传感装置，其特征在于：

当一个反射式光纤测距单元包括多对输出光纤时，所述输出光纤对称排列在所述输入光纤周围，所述输出光纤可以属于两个或多个的相邻的测距单元。

8.如权利要求1所述的中医用多通道脉形传感装置，其特征在于：

所述输入光纤和所述输出光纤分别被分为若干组，同一组输入光纤连接到同一个光源器件，同一组输出光纤连接到同一个光敏器件；

所述输出光纤和所述输入光纤按顺序交错排列以使每个测距单元有其唯一的光源器件和光敏器件组合。

9.如权利要求1所述的中医用多通道脉形传感装置，其特征在于：

所述光源采用调制光输出光源。

10.如权利要求1所述的中医用多通道脉形传感装置，其特征在于：

所述反射式光纤测距传感阵列中的反射式光纤测距单元在桡动脉径向上的排列密度等于或高于在桡动脉轴向上的排列密度。

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