CN102579018A - 一种脉象采集触头装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种脉象采集触头装置，包括仿生手(1)、支撑仿生手(1)的仿生手支架(2)以及固定仿生手支架(2)和患者手臂的脉诊平台(3)。其中，仿生手(1)包括柔性手指(11)和位于柔性手指(11)前端的阵列式压力传感器(12)。每个柔性手指(11)的内腔都沿圆周分为多个气室，各个气室连通着气动系统的各个气路。阵列式压力传感器(12)连接到控制系统上，控制系统根据从阵列式传感器(12)收到的脉压信息来带动气动系统的各个气路向气室注入的气压。柔性手指采用一体式设计，消除了关节之间的铰接，由高压气体控制手指运动，减少气动过程中的能量损失，提高了可靠性和使用寿命；同时采用三腔结构，可以多自由度运动。

Description

一种脉象采集触头装置

技术领域

本发明涉及一种以中医理论为基础的医疗设备，尤其涉及一种脉象采集触头装置。

背景技术

脉诊测试触头装置是中医脉诊系统设计中的重要部分，也是关键的难点，脉诊触头部分的性能直接决定了脉诊的精度和可靠性。传统的脉诊触头都是由刚体的立式压力传感器组成，比如公开号为CN201624647U、名称为寸、关、尺三部脉象信号采集分析仪的实用新型专利和公开号为CN102258367A、名称为双感测脉诊仪的发明专利申请，都是采用纯机械结构，利用电机或者液压驱动机械部件的上下左右移动，缺点是结构复杂，柔顺性能差，只能做直线运动，和传统中医手指不符，不能主动适应患者手腕的外形，影响实施效果。也有一些进一步改进的脉诊机械手采用三段连接的结构，增加了手指的灵活度，可以完成较复杂的运动，例如手指的弯曲，但由于其本质上还是机械结构，与人体手指的柔性还不一样，其采集的脉象信号难以保证真实性。

发明内容

为了克服现有技术中脉诊触头装置自由度少、工作范围狭窄、只能完成简单动作的不足，本发明提供了一种通过柔性手指末端的阵列式压力传感器和与手指内腔连通的气动系统来模拟人类手指随机任意的加压、按寻脉象的过程的脉象采集触头装置。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种脉象采集触头装置，包括仿生手、支撑仿生手的仿生手支架以及固定仿生手支架和患者手臂的脉诊平台。其中，仿生手包括柔性手指和位于柔性手指执行端的阵列式压力传感器。每个柔性手指的内腔都沿圆周分为多个气室，各个气室连通着气动系统的各个气路。阵列式压力传感器连接到控制系统上，控制系统根据从阵列式传感器收到的脉压信息来带动气动系统的各个气路向气室注入的气压。

对于上述脉象采集触头装置，仿生手包括三个柔性手指，三个柔性手指水平排列安装在仿生手支架上。

对于上述脉象采集触头装置，柔性手指的内腔分隔成三个互成120°的扇形气室。

对于上述脉象采集触头装置，柔性手指包括橡胶管和螺旋状镶嵌在橡胶管圆周内的起加强作用的纤维线。

对于上述脉象采集触头装置，橡胶管两端分别由前端盖和后端盖密封。其中，前端盖采用指尖形状，由聚酯材料制成，表面附着阵列式压力传感器；后端盖通过平键和螺钉固定在仿生手支架上，后端盖上装有进气管，用于向各气室输入不同压力的气体。

对于上述脉象采集触头装置，气动系统包括气源部分以及连通气源部分和每个柔性手指内各个气室的各个气路。

对于上述脉象采集触头装置，气源部分包括空气压缩机、气罐、压力表和流量指示器。

对于上述脉象采集触头装置，每条气路上均设有电磁阀组，每个电磁阀组中，二位三通电磁阀一路接气源部分，一路接流量控制阀，一路接二位二通电磁阀，二位二通电磁阀的另一端连通大气。

对于上述脉象采集触头装置，阵列式压力传感器包括PVDF压电薄膜、电极和导线。

对于上述脉象采集触头装置，阵列式压力传感器是整体上三层的结构，上下层是通过导电相连的电极阵列，中间是PVDF压电薄膜。

对于上述脉象采集触头装置，上层电极的阵列通过导线连接横向排列，下层电极的阵列通过导线连接纵向排列。

对于上述脉象采集触头装置，上层电极的阵列为3×4矩阵，下层电极的阵列为4×5矩阵。

对于上述脉象采集触头装置，在脉诊平台上面设有患者手臂定位框。

与现有技术相比，本发明技术方案主要的优点如下：

(1)柔性手指采用了一体式设计，不同于传统的三段式手指，结构上消除了关节之间的铰接，完全由高压气体控制手指的运动，减少了气动过程中的能量损失，提高了可靠性和使用寿命；

(2)同时，柔性手指采用三腔式结构，可以根据需要设计多自由度的运动，可以完成更加复杂的动作；

(3)基于气动技术的设计，柔顺性好，对患者手腕的适应能力更强，使脉诊更符合中医手指诊脉的实际情况。

附图说明

图1示出本发明一个实施例所述的脉象采集触头装置的组成结构；

图2a和2b分别是柔性手指的一个实施例的横截面示意图和结构简图；

图3是柔性手指的气动系统一个实施例的结构示意图；

图4是对柔性手指弯曲特性进行分析的空间坐标图。

具体实施方式

本发明一个实施例所述的脉象采集触头装置的结构如图1所示。该脉象采集触头装置包括仿生手1、支撑仿生手1的仿生手支架2以及固定仿生手支架2和患者手臂的脉诊平台3。其中，仿生手1包括柔性手指11和位于柔性手指11前端的阵列式压力传感器12，仿生手1优选包括三个柔性手指11，三个柔性手指11水平排列安装在仿生手支架2上。每个柔性手指11的内腔都沿圆周分为多个气室，与各个气室连通的气动系统的各个气路控制柔性手指11中的气室压力。阵列式压力传感器12连接到控制系统上，脉搏信息经阵列式压力传感器12传到控制系统，控制系统分析阵列式压力传感器12发来的不同通道的信息后，发出指令控制气路施加不同压力给柔性手指11，从而调节仿生手1在患者手臂上的取脉位置和取脉压力。在脉诊平台3上面设有患者手臂定位框4。

图2a和2b是柔性手指的一个实施例的横截面示意图和结构简图。在该实施例中，柔性手指11的内腔分隔成三个互成120°的扇形气室111。柔性手指11包括橡胶管112和螺旋状镶嵌在橡胶管112圆周内的起加强作用的纤维线113。橡胶管112优选为由硅橡胶制成，纤维线113优选为尼龙制成的细纤维。纤维线113用来在通气时限制橡胶管112径向增大，使柔性手指11沿轴线方向伸长。橡胶管112两端分别由前端盖114和后端盖115密封，优选为通过强力胶密封。其中，前端盖114采用指尖形状，优选为由聚酯材料制成，表面附着一个或多个阵列式压力传感器12，获得脉搏波的原始压力数据，通过前端盖114上的导线传到控制系统用于脉象特征提取分析。由于阵列式压力传感器12内各个压力传感器之间存在关联性，某个压力传感器下的脉搏波在贡献给它本身压力信息的同时，也影响着其他各个压力传感器，利用这些相互影响的信息，则可以较为准确地实现类似中医大夫手指的压力信息采集过程。后端盖115通过平键和螺钉固定在仿生手支架2上，后端盖115上装有进气管36，可向各扇形气室111内输入不同压力的气体改变柔性手指11的运动。

柔性手指11的气动系统用于控制和维持柔性手指11运动所需要的压力，一个实施例的具体结构如图3所示，气动系统包括气源部分31以及连通气源部分31和每个柔性手指11内各个气室111的各个气路。气源部分31包括空气压缩机311、气罐312、压力表3213和流量指示器314，向柔性手指11提供所需的高压气体。每个柔性手指11内腔中的气室优选为三个，三条气路分别连通柔性手指11的三个气室，每条气路上均设有电磁阀组。每个电磁阀组中，二位三通电磁阀34一路接气源部分31，一路接流量控制阀35，一路接二位二通电磁阀32，二位二通电磁阀32的另一端通过排气管33连通大气。每个电磁阀组控制气动系统实现三种状态：加压，保持和减压。当二位三通电磁阀34接通气源、二位二通电磁阀32断开时，实现对柔性手指11内腔的加压；当二位三通电磁阀34和二位二通电磁阀32都断开时就可以实现柔性手指11的压力保持；当二位三通电磁阀34断开、二位二通电磁阀32接通时可释放高压气体到外界，可降低柔性手指的压力。气动系统采用整体式设计，封装在气动箱内，通过进气管36与仿生手1连接。

阵列式压力传感器12用于检测脉搏并将检测到的信号转化成电信号输出。在优选实施例中，阵列式压力传感器12由PVDF压电薄膜、电极、导线和聚酯基座压合在一起构成。阵列式压力传感器12的尺寸优选为10mm×10mm×50μm。在保证精度和足够信息量的基础上，阵列式压力传感器12采用整体三层的结构，上层电极通过导线连接横向排列，下层电极通过导线连接纵向排列，上层的电极定为感应力点，上层阵列为3×4矩阵，下层阵列为4×5矩阵，这样设计保证传感器不但可以检测法向力，而且可以检测切向力和斜向力。上下层是通过导电相连的电极阵列，采用PB塑料薄板通过化学方法镀上银浆制作，中间是PVDF压电薄膜，上下层电极可以通过导电胶与PVDF压电薄膜粘合。阵列式压力传感器12可以用502强力胶粘贴固定在仿生手1的前端盖114上，阵列式压力传感器12受力面用橡胶指套包裹。PVDF是一种有机高分子敏感材料，名称为聚偏二氟乙烯，具有耐磨、量轻、灵敏度高、声学阻抗低、容易固定在复杂表面、价廉、频带宽、且有很好的时间和温度稳定性的特点。

在进行诊脉时，首先患者的手臂放在脉诊平台3的定位框4内，以进行脉诊位置的初始定位。气动系统驱动柔性手指11运动到患者手臂上的寸关尺三个位置，获得的脉搏信息通过阵列式压力传感器12转换成电信号传到控制系统。控制系统对脉搏波形进行分析后，向驱动电路发出微调信号，驱动电路给出电磁阀32和34的输入电压，电磁阀32和34控制气源输入到柔性手指11三个气室111的气体压力，进而调整指尖位置和取脉压力。周而复始地进行这个过程直到得到最佳取脉位置和最佳取脉压力为止。控制系统用来控制手指压触位置的调整、压力的计算以及脉象信息分析。

当三个气室111同时加相等的压力时，仿生手1沿轴线方向伸长，改变取脉压力。假设无能量损失和能量储存，仿生手1执行端面受力如下：

$F=P({\mathrm{\πr}}_0^2-A_r)-F_a-P_{\mathrm{atm}}{\mathrm{\πr}}_0^2$

其中，橡胶管112截面面积

r₀为仿生手初始平均半径，T_k为橡胶管的厚度，T_r为管内分室橡胶内壁厚，P和P_atm分别是内腔气体压力和大气压，F为仿生手输出力。

橡胶壳体弹性力为

F_a＝σA_r

橡胶管应力为

σ＝Eε

其中，E为橡胶管弹性模量。

橡胶管应变为

$\mathrm{\ϵ}=\frac{L-L_0}{L_0}$

其中，L₀和L分别为柔性手指11的原长和变化后的长度。

当只有某一气室111加压时，或压力与另两气室111压力不同时，柔性手指11将发生弯曲，如图4所示，实现转向驱动，达到脉诊接触位置的调整。通过调整三个气室空气的压力，使该柔性手指实现空间方向的驱动。假设弯曲运动发生的形变很小且有一定的弧度，则形变可用三个参数θ、R、λ来描述。θ表示弯曲的方向，是x轴和ξ轴的夹角，坐标系O-xyz固定于柔性手指11底端，ξ轴是仿生手指中心轴线在x-y平面的投影，R为中心轴线的曲率半径，λ是z轴和仿生手指末端弯曲方向的夹角。通过应用无限小形变原理，及根据仿生手1在平面弯曲的运动矢量对等性可以得出参数θ、R、λ与各气室111压力的关系：

$\tan \mathrm{\θ}=\frac{2P_1-P_2-P_3}{\sqrt{3}(P_2-P_3)}$

$R=\frac{3E_{T}I}{A_p\mathrm{\δ}}\underset{i=1}{\overset{3}{\mathrm{\Σ}}}{P}_i\sin {\mathrm{\θ}}_i$

$L=\frac{A_p{L}_0}{3A_r{E}_T}\underset{i=1}{\overset{3}{\mathrm{\Σ}}}{P}_i+L_0$

$\mathrm{\λ}=\frac{L}{R}$

式中P_i分别是气室111内的压力；E_T是附有纤维线113的橡胶管112杨氏模量；I为柔性手指11转动惯量；A_p为三个气室111的受压面积；A_r为橡胶管112的截面积；δ为柔性手指11中心到每个气室111扇形区中心的距离。

通过柱面坐标转换公式将柔性手指11执行端位置用笛卡尔坐标表示：

$\left\{\begin{array}{c}x=\frac{L}{\mathrm{\λ}}(1-\cos \mathrm{\λ})\cos \mathrm{\θ}\\ y=\frac{L}{\mathrm{\λ}}(1-\cos \mathrm{\λ})\sin \mathrm{\θ}\\ z=\frac{L}{\mathrm{\λ}}\sin \mathrm{\λ}\end{array}\right.$

Claims (13)

1.一种脉象采集触头装置，包括仿生手(1)、支撑仿生手(1)的仿生手支架(2)以及固定仿生手支架(2)和患者手臂的脉诊平台(3)，其中，仿生手(1)包括柔性手指(11)和位于柔性手指(11)执行端的阵列式压力传感器(12)，其特征在于，每个柔性手指(11)的内腔都沿圆周分为多个气室，各个气室连通着气动系统的各个气路，阵列式压力传感器(12)连接到控制系统上，控制系统根据从阵列式传感器(12)收到的脉压信息来带动气动系统的各个气路向气室注入的气压。

2.如权利要求1所述的脉象采集触头装置，其特征在于，仿生手(1)包括三个柔性手指(12)，三个柔性手指(12)水平排列安装在仿生手支架(2)上。

3.如权利要求1所述的脉象采集触头装置，其特征在于，柔性手指(11)的内腔分隔成三个互成120°的扇形气室。

4.如权利要求1所述的脉象采集触头装置，其特征在于，柔性手指(11)包括橡胶管(112)和螺旋状镶嵌在橡胶管(112)圆周内的起加强作用的纤维线(113)。

5.如权利要求4所述的脉象采集触头装置，其特征在于，橡胶管(112)两端分别由前端盖(114)和后端盖(115)密封，其中，前端盖(114)采用指尖形状，由聚酯材料制成，表面附着阵列式压力传感器(12)；后端盖(114)通过平键和螺钉固定在仿生手支架(2)上，后端盖(114)上装有进气管(36)，用于向各气室输入不同压力的气体。

6.如权利要求1所述的脉象采集触头装置，其特征在于，气动系统包括气源部分(31)以及连通气源部分(31)和每个柔性手指(11)内各个气室的各个气路。

7.如权利要求6所述的脉象采集触头装置，其特征在于，气源部分(31)包括空气压缩机(311)、气罐(312)、压力表(313)和流量指示器(314)。

8.如权利要求6所述的脉象采集触头装置，其特征在于，每条气路上均设有电磁阀组，每个电磁阀组中，二位三通电磁阀(34)一路接气源部分(31)，一路接流量控制阀(35)，一路接二位二通电磁阀(32)，二位二通电磁阀(32)的另一端连通大气。

9.如权利要求1所述的脉象采集触头装置，其特征在于，阵列式压力传感器(12)包括PVDF压电薄膜、电极和导线。

10.如权利要求9所述的脉象采集触头装置，其特征在于，阵列式压力传感器是整体上三层的结构，上下层是通过导电相连的电极阵列，中间是PVDF压电薄膜。

11.如权利要求10所述的脉象采集触头装置，其特征在于，上层电极的阵列通过导线连接横向排列，下层电极的阵列通过导线连接纵向排列。

12.如权利要求10所述的脉象采集触头装置，其特征在于，上层电极的阵列为3×4矩阵，下层电极的阵列为4×5矩阵。

13.如权利要求1所述的脉象采集触头装置，其特征在于，在脉诊平台(3)上面设有患者手臂定位框(4)。

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