CN103943018A - 一种桡动脉脉搏搏动模拟装置及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种桡动脉脉搏搏动模拟装置及控制方法，装置包括：上位机将脉搏搏动数据信息源传送到主控单片机模块，驱动控制脉搏搏动发生器在仿生手臂的桡动脉人造脉管产生脉搏搏动；第一压力检测反馈部件检测管道内的液体压力，第二压力检测反馈部件检测使用者的手感压力，位置检测反馈部件检测步进电机的运行位置，并分别将检测数据反馈至主控单片机模块，并传送到上位机。控制方法包括：根据波纹管的直径、步进电机在t时间内的行走步数及丝杠的螺距获取波纹管的体积流量；根据人造脉管膨胀时直径变化量、波纹管体积流量获取受力面积下的人造脉管内平均压强变化；根据平均压强变化获取人造脉管对手指肚的压力与步进电机的行走步数之间的关系。

Description

一种桡动脉脉搏搏动模拟装置及控制方法

技术领域

本发明涉及中医脉象采集领域，尤其涉及一种桡动脉脉搏搏动模拟装置及控制方法。

背景技术

中医四诊中的“切”即为脉诊，是指中医师通过手指指腹按压患者腕部桡动脉，感知桡动脉脉搏搏动的频率、形状、强弱、节律及深浅等变化来诊断疾病。由于桡动脉脉搏波在一定程度上能反映人体的各种生理和病理情况，是观察体内功能变化的一个重要窗口，因而脉诊对识别病症、判断病情、分辨病机和推断预后，都具有重要意义。

然而几千年来，中医师一直依靠手指感觉和经验来体会患者桡动脉脉搏搏动时所提供的生理信息，缺乏客观标准；课堂教学大多只详其理未见其形，脉搏搏动表现与病理特征全靠教师“黑板+粉笔”口头形容和书本文字描述，学习者仅凭教师讲授，个人对语言文字的理解，在实践中摸索，缺乏对桡动脉脉搏搏动指感直观、感性的认识，因此中医脉诊在教学中困难较大，临床诊脉时分歧较多，更使诊脉经验无法交流，阻碍了中医脉象诊断技术和理论发展。

桡动脉脉搏搏动模拟装置为解决上述问题带了诸多便利。但现有脉搏搏动模拟装置多采用液压系统来模拟血液循环，利用电机或油泵控制液路的循环运行，利用电磁阀控制脉管内的液压及流量以实现脉搏搏动的模拟。模拟过程较为复杂，影响脉象效果的因素较多，如电机运转、油泵运行产生的噪音和震动、电磁阀及各种阀门机械加工产生的精度误差、液体的物理特性对液路循环的影响等，由此产生的性能问题，如一致性差、设备运行不稳定、漏油、噪音、震动、爆管等，严重影响了脉搏搏动模拟装置的使用效果。如何减少模拟装置的影响因素、提高装置的实用性和稳定性已成为目前亟待解决的问题。

发明内容

本发明提供了一种桡动脉脉搏搏动模拟装置及控制方法，本发明实现了模拟出人体28种临床桡动脉脉搏搏动，且模拟准确度高、一致性好，模拟装置实用性强、运行稳定可靠，详见下文描述：

一种桡动脉脉搏搏动模拟装置，包括：上位机和电源，所述桡动脉脉搏搏动模拟装置还包括：主控单片机模块、第一压力检测反馈部件、脉搏搏动发生器、仿生手臂、第二压力检测反馈部件和位置检测反馈部件，

所述上位机将脉搏搏动数据信息源传送到所述主控单片机模块，所述主控单片机模块驱动控制所述脉搏搏动发生器在所述仿生手臂的桡动脉人造脉管产生脉搏搏动；所述第一压力检测反馈部件用于检测管道内的液体压力，所述第二压力检测反馈部件用于检测使用者的手感压力，所述位置检测反馈部件用于检测步进电机的运行位置，三个检测反馈组件分别将检测数据反馈至所述主控单片机模块，并传送到所述上位机。

所述电源由市网电压、医用隔离变压器和电源模块组成，所述市网电压经所述医用隔离变压器隔离后，由所述电源模块分别转换成220V交流电压、48V和5V直流电压，分别给所述上位机、所述脉搏搏动发生器和所述主控单片机模块供电。

所述脉搏搏动发生器包括：波纹管、机架、丝杠、步进电机和减震螺栓，所述波纹管的一端固定在所述机架上，并通过管道及联接部件与所述仿生手臂连通，所述波纹管的另一端连接在所述丝杠的螺母上，所述丝杠连接在所述步进电机上，所述减震螺栓一端连接在所述机架上，另一端连接到固定部件上。

所述仿生手臂包括：分油器、人造骨架、人造脉管、弹性硅胶块和仿生手皮，所述人造骨架注塑而成；所述仿生手皮套在所述人造骨架上，由硅胶制；所述人造脉管安装在所述分油器上；所述弹性硅胶块放置在所述人造脉管与所述第二压力检测反馈部件之间。

所述弹性硅胶块包括：位置控制块，

在所述位置控制块的顶部开设有分油器铜管固定槽和人造脉管槽，分别用于固定所述分油器和所述人造脉管，在所述位置控制块的底部还设置有圆形突起，使得使用者手指压力直接作用于所述第二压力检测反馈部件。

所述分油器由定位孔、人造血液进端口、流量调节端口、人造血液注入端口、第一铜管和第二铜管组成，所述第一铜管和所述第二铜管之间接入人造脉管，所述第一铜管和所述第二铜管焊接在由所述定位孔、所述人造血液进端口、所述流量调节端口和所述人造血液注入端口组成的金属块上。

一种桡动脉脉搏搏动模拟装置的控制方法，所述控制方法包括：

（1）根据波纹管的直径、步进电机在t时间内的行走步数以及丝杠15的螺距获取波纹管的体积流量；

（2）根据人造脉管膨胀时直径变化量、波纹管的体积流量获取受力面积S下的人造脉管内平均压强变化P；

（3）根据平均压强变化P获取人造脉管21对手指肚的压力与步进电机的行走步数之间的关系。

本发明提供的技术方案的有益效果是：

1、采用波纹管、人造脉管和连接管道及联接部件形成封闭液路，步进电机带动丝杠运动，使波纹管拉伸或压缩，将其内人造血液压出和吸入，在封闭液路中形成不断变化的压力搏动，导致人造脉管内人造血液压力跟随变化，从而在人造脉管上形成脉搏搏动，模拟脉搏搏动的形成过程简单，影响因素少，设备运行稳定、可靠，为临床脉搏搏动的模拟提供了一种完善设备；

2、采用仿生手皮、人造骨架、人造脉管、弹性硅胶块、分油器组成仿生手臂，形态、大小、质感与成年人真实手臂相当，分油器提高了桡动脉脉搏搏动模拟装置运行的稳定性和可靠性；

3、上位机采用多传感信息融合技术将第一压力检测反馈部件、第二压力检测反馈部件、位置检测反馈部件采集的信息进行特征级融合，智能判断取脉位置、取脉压力和步进电机运行状态，保证了模拟桡动脉脉搏搏动的准确度高、一致性好；

4、通过本发明能使中医学生方便地进行中医脉诊的反复实践练习，熟练掌握各种病脉特征特点，从而克服因没有稳定病脉源进行练习而导致把脉不熟、对病脉特征区分不清等不利影响，也减少了在临床过程中的误诊，为提高中医脉诊教学质量、中医学生脉诊技能水平及脉象研究提供了可靠的技术保障；

5、通过本发明克服了现有技术中远程脉诊的困难，可真实再现患者桡动脉脉搏搏动，使远程中医师可以真真切切摸到患者“脉搏”。

附图说明

图1为桡动脉脉搏搏动模拟装置的电路原理图；

图2为桡动脉脉搏搏动模拟装置的机械结构图；

图3为弹性硅胶块的结构示意图；

图4为分油器的结构示意图；

图5为封闭管路的结构简图；

图6分别为变量n（步进电机行走步数）与理论力F的波形图。

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

1：上位机；            2：市网电压；

3：医用隔离变压器；    4：电源模块；

5：主控单片机模块；    6、25：第一压力检测反馈部件

7：脉搏搏动发生器；               8：仿生手臂；

9、26：位置检测反馈部件；         10、23：第二压力检测反馈部件；

11、18：管道；                    12：波纹管；

13：机架；                        14：连接部件；

15：丝杠；                        16：步进电机；

17：减震螺栓；                    19：分油器；

20：人造骨架；                    21：人造脉管；

22：弹性硅胶块；                  24：仿生手皮；

27：分油器铜管固定槽；28：人造脉管槽；

29：位置控制块；30：圆形突起；

31：定位孔；32：人造血液进端口；

33：流量调节端口；34：人造血液注入端口；

35：第一铜管；36：第二铜管。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施方式作进一步地详细描述。

为了提高模拟搏动的准确度、增强模拟装置的实用性强和稳定性，本发明实施例提供了一种桡动脉脉搏搏动模拟装置及控制方法，参见图1和图2，详见下文描述：

该桡动脉脉搏搏动模拟装置包括：上位机1、电源、主控单片机模块5、第一压力检测反馈部件6、脉搏搏动发生器7、仿生手臂8、第二压力检测反馈部件10和位置检测反馈部件9，即由机械结构部分和硬件电路控制部分组合成一个整体的系统装置。

本发明实施例由上位机1将脉搏搏动数据信息源传送到主控单片机模块5，主控单片机模块5驱动控制脉搏搏动发生器7在仿生手臂8的桡动脉人造脉管21产生脉搏搏动。第一压力检测反馈部件6用于检测管道内的液体压力，第二压力检测反馈部件10用于检测使用者的手感压力，位置检测反馈部件9用于检测步进电机16运行位置，三个检测反馈组件分别将检测数据反馈至主控单片机模块5，并传送到上位机1。

参见图1，电源由市网电压2、医用隔离变压器3和电源模块4组成，市网电压2经医用隔离变压器3隔离后，由电源模块4分别转换成220V交流电压、48V和5V直流电压，分别给上位机1、脉搏搏动发生器7和主控单片机模块5供电。

参见图2，该脉搏搏动发生器7包括：波纹管12、机架13、丝杠15、步进电机16和减震螺栓17，波纹管12的一端固定在机架13上，并通过管道11及联接部件14与仿生手臂8连通，波纹管12的另一端连接在丝杠15的螺母上，丝杠15连接在步进电机16上，减震螺栓17一端连接在机架13上，另一端连接到固定部件上。

参见图2，仿生手臂8包括：分油器19、、人造骨架20、人造脉管21、弹性硅胶块22和仿生手皮24，分油器19可以使人造血液从两端液路流动，避免了单向流通液路被阻断后压力超出范围导致人造脉管爆管的危险；人造骨架20注塑而成，形态、大小与成年人手臂相当；仿生手皮24套在人造骨架20上，由硅胶制成，质感与真人手皮相当；人造脉管21安装在分油器19上，由特殊材料做成，柔韧度与脉管相当，且弹性好、防渗透性强；弹性硅胶块22放置在人造脉管21与第二压力检测反馈部件10（在图2中用23表示）之间，管道11及联接部件14将波纹管12、分油器19、人造脉管21连接形成封闭液路。

参见图3，弹性硅胶块22包括：位置控制块29，在位置控制块29的顶部开设有分油器铜管固定槽27和人造脉管槽28，分别用于固定分油器19和人造脉管21，在位置控制块29的底部还设置有圆形突起30，使得使用者手指压力直接作用于第二压力检测反馈部件10。第二压力检测反馈部件10的传感器是一个平面，圆形突起30能使使用者的手指压力直接作用于传感器，同时能定位寸、关、尺的位置。位置控制块29的形状与第二压力检测反馈部件10的形状相匹配。

参见图4，分油器19由定位孔31、人造血液进端口32、流量调节端口33、人造血液注入端口34、第一铜管35和第二铜管36组成，第一铜管35和第二铜管36之间接入人造脉管21，第一铜管35和第二铜管36焊接在由定位孔31、人造血液进端口32、流量调节端口33和人造血液注入端口34组成的金属块上。

该动脉脉搏搏动模拟装置的工作原理是：

步进电机16是动力源，丝杠15是传动部件，步进电机16驱动传动部件丝杠15转动，丝杠15将步进电机16的旋转运动变为直线往复移动，带动与丝杠15联接的波纹管12产生相应压缩和拉伸，波纹管12是可变容积的液体容器，通过拉伸和压缩改变其容积，将其内液体压出和吸入，在封闭液路中形成不断变化的压力搏动，导致人造脉管21内液体压力跟随变化，从而在仿生手臂8的桡动脉人造脉管21上形成脉搏搏动。

上位机1将数据信息源传送到主控单片机模块5，主控单片机模块5驱动脉搏搏动发生器7工作，形成脉搏搏动；第一压力检测反馈部件6设置在仿生手臂8的弹性硅胶块22的下面，第二压力检测反馈部件10设置在管道11上，位置检测反馈部件9（在图2中用26表示）设置在新型脉象发生器上，第一压力检测反馈部件6（在图2中用25表示）、第二压力检测反馈部件10、位置检测反馈部件9分别将检测到的数据反馈至主控单片机模块5，反馈数据经主控单片机模块5传送到上位机1上。

参照附图5本发明专利的控制方法及理论依据是：

（1）根据波纹管12的直径、步进电机16在t时间内的行走步数以及丝杠15的螺距获取波纹管12的体积流量；

设波纹管12的直径为D，长度为L₁，自然状态下人造脉管21直径为r，长度为L₂。已知脉搏搏动发生器7中丝杠15的螺距为d，步进电机16需要N步旋转一周，设t时间内步进电机16行走步数为n，则波纹管12的长度变化△x为：

$\mathrm{\Δx}=\frac{n}{N}\·d---\left(1\right)$

波纹管12的体积流量Q为：

$Q=A\·v=\frac{1}{4}\mathrm{\π}{D}^2\frac{n\·d}{N\·t}---\left(2\right)$

其中，A为波纹管12的横截面积，v为波纹管12内的人造血液流速

（2）根据人造脉管21膨胀时直径变化量、波纹管12的体积流量获取受力面积S下的人造脉管21内平均压强变化P；

设人造脉管21膨胀时直径变化量为△r，假设人造血液不可压缩，由波纹管12中排出的人造血液体积与人造脉管21处人造血液体积增量相等可知：

$\mathrm{\Δx}\·\mathrm{\π}{\left(\frac{D}{2}\right)}^2=L_2\·\mathrm{\π}{\left(\frac{r+\mathrm{\Δr}}{2}\right)}^2-L_2\·\mathrm{\π}{\left(\frac{r}{2}\right)}^2---\left(3\right)$

可得

$r+\mathrm{\Δr}=\sqrt{D^2\·\frac{\mathrm{\Δx}}{L_2}+r^2}---\left(4\right)$

$\mathrm{\Δr}=\sqrt{D^2\·\frac{\mathrm{\Δx}}{L_2}+r^2}-r---\left(5\right)$

由Poiseuille定律可知

$\mathrm{\Δp}=\frac{Q\·8\mathrm{\η}{l}^{\′}}{\mathrm{\π}{\left(\frac{r+\mathrm{\Δr}}{2}\right)}^4}---\left(6\right)$

其中，Δp为长度为l′（人造脉管的一部分）的人造脉管内压力降，η为人造血液粘度，为。

假设手指受力部位为直径为R的圆，设手指肚受力面积为S，受力面积S下的人造脉管21内平均压强变化为P，则：

$S\≈R\·2\sqrt{{\left(\frac{r+\mathrm{\Δr}}{2}\right)}^2-{\left(\frac{r}{2}\right)}^2}---\left(7\right)$

l′=R    (8)

$P=\mathrm{\Δp}=\frac{Q\·8\mathrm{\ηR}}{\mathrm{\π}{\left(\frac{r+\mathrm{\Δr}}{2}\right)}^4}=\frac{128\mathrm{Q\ηR}}{\mathrm{\π}{(r+\mathrm{\Δr})}^4}---\left(9\right)$

（3）根据平均压强变化P获取人造脉管21对手指肚的压力与步进电机的行走步数之间的关系。

由杨氏模量可知，人造脉管21膨胀时应力F_E为：

$F_E=\frac{E\·S\·\mathrm{\Δr}}{r}---\left(10\right)$

则：人造脉管21对手指肚的F为：

$F=P\·S-\frac{E\·S\·\mathrm{\Δr}}{r}---\left(11\right)$

则：

$F=[\frac{32\mathrm{\ηRnd}{D}^2}{\mathrm{Nt}{(D^2\frac{\mathrm{nd}}{{\mathrm{NL}}_2}+r^2)}^2}+E-E\sqrt{\frac{D^2}{r^2}\·\frac{\mathrm{nd}}{{\mathrm{NL}}_2}+1}]\·\mathrm{RD}\sqrt{\frac{\mathrm{nd}}{{\mathrm{NL}}_2}}---\left(12\right)$

公式(12)中，已知R=8mm，E=0.8MPa，r=4mm，η=100MPa·s，L₂=80mm，D=30mm，d=2mm，N=2000，n是时间t时步进电机16行走步数，Δt=0.02s。利用Matlab计算出F与n的对应关系，当变量n的波形分别为三角波、正弦半波、脉象数据库中平脉、采集被试者脉象时，计算得到的力F的波形附图6所示。

由此可知，只需要改变步进电机16的行走步数就可以模拟出脉搏搏动。

综上所述，本发明实施例解决了在不采用油泵、电磁阀及各种阀门的前提下，设计一套新的桡动脉脉搏搏动模拟装置的问题；解决了如何实现模拟方法的问题；解决了如何实现中医诊脉浮、中、沉取三种物理状态下的脉搏搏动模拟的问题；解决了如何充分利用上位机（PC机）的数据存储、数据处理功能实现上下位机通信、控制的问题。即该桡动脉脉搏波模拟装置可以应用于中医脉诊教学、训练、考核、科研及远程中医脉象诊断；具有模拟搏动准确度高、一致性好、实用性强、稳定可靠等特点，同时人机界面友好，操作简洁便利。

本发明实施例对各器件的型号除做特殊说明的以外，其他器件的型号不做限制，只要能完成上述功能的器件均可。

本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种桡动脉脉搏搏动模拟装置，包括：上位机和电源，其特征在于，所述桡动脉脉搏搏动模拟装置还包括：主控单片机模块、第一压力检测反馈部件、脉搏搏动发生器、仿生手臂、第二压力检测反馈部件和位置检测反馈部件，

所述上位机将脉搏搏动数据信息源传送到所述主控单片机模块，所述主控单片机模块驱动控制所述脉搏搏动发生器在所述仿生手臂的桡动脉人造脉管产生脉搏搏动；所述第一压力检测反馈部件用于检测管道内的液体压力，所述第二压力检测反馈部件用于检测使用者的手感压力，所述位置检测反馈部件用于检测步进电机的运行位置，三个检测反馈组件分别将检测数据反馈至所述主控单片机模块，并传送到所述上位机。

2.根据权利要求1所述的一种桡动脉脉搏搏动模拟装置，其特征在于，所述电源由市网电压、医用隔离变压器和电源模块组成，

所述市网电压经所述医用隔离变压器隔离后，由所述电源模块分别转换成220V交流电压、48V和5V直流电压，分别给所述上位机、所述脉搏搏动发生器和所述主控单片机模块供电。

3.根据权利要求1所述的一种桡动脉脉搏搏动模拟装置，其特征在于，所述脉搏搏动发生器包括：波纹管、机架、丝杠、步进电机和减震螺栓，

所述波纹管的一端固定在所述机架上，并通过管道及联接部件与所述仿生手臂连通，所述波纹管的另一端连接在所述丝杠的螺母上，所述丝杠连接在所述步进电机上，所述减震螺栓一端连接在所述机架上，另一端连接到固定部件上。

4.根据权利要求3所述的一种桡动脉脉搏搏动模拟装置，其特征在于，所述仿生手臂包括：分油器、人造骨架、人造脉管、弹性硅胶块和仿生手皮，

所述人造骨架注塑而成；所述仿生手皮套在所述人造骨架上，由硅胶制；所述人造脉管安装在所述分油器上；所述弹性硅胶块放置在所述人造脉管与所述第二压力检测反馈部件之间。

5.根据权利要求4所述的一种桡动脉脉搏搏动模拟装置，其特征在于，所述弹性硅胶块包括：位置控制块，

在所述位置控制块的顶部开设有分油器铜管固定槽和人造脉管槽，分别用于固定所述分油器和所述人造脉管，在所述位置控制块的底部还设置有圆形突起，使得使用者手指压力直接作用于所述第二压力检测反馈部件。

6.根据权利要求4所述的一种桡动脉脉搏搏动模拟装置，其特征在于，所述分油器由定位孔、人造血液进端口、流量调节端口、人造血液注入端口、第一铜管和第二铜管组成，所述第一铜管和所述第二铜管之间接入人造脉管，所述第一铜管和所述第二铜管焊接在由所述定位孔、所述人造血液进端口、所述流量调节端口和所述人造血液注入端口组成的金属块上。

7.一种用于权利要求1-6中任一权利要求所述的桡动脉脉搏搏动模拟装置的控制方法，其特征在于，所述控制方法包括：

（1）根据波纹管的直径、步进电机在t时间内的行走步数以及丝杠15的螺距获取波纹管的体积流量；

（2）根据人造脉管膨胀时直径变化量、波纹管的体积流量获取受力面积S下的人造脉管内平均压强变化P；

（3）根据平均压强变化P获取人造脉管21对手指肚的压力与步进电机的行走步数之间的关系。