CN105725984B - 一种三维可调的中医脉象采集装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种三维可调的中医脉象采集装置及方法，包括机架、底座、取压探头、X向移动模块和Y向移动模块，所述底座在竖直方向上升降可调，X向移动模块和Y向移动模块设置在机架顶端内侧，取压探头连接X向移动模块和Y向移动模块，在X向和Y向的位置水平可调。本发明提供的取压探头，弹性元件系统结构简单、易于实施，经解析法得到，通过温度和压差的激励，分离出温度和压力的响应结果。
Description
技术领域
本发明属于医疗设备技术领域，涉及一种中医脉搏检测装置，具体涉及一种三维可调的中医脉象采集装置及方法。
背景技术
脉诊是医生利用感觉器官获得关键诊断信息的重要手段,中医的诊疗经验和诊断理论主要建立在医生个体的观察与分析、归纳的基础上。感觉器官敏感性的差异和主观因素的不同,严重影响了诊断信息的客观性。近代诊脉研究者利用现代电子技术、传感器技术和计算机技术进行了各种脉诊研究工作,描绘了脉搏波形,分析了常见中医脉象的基本特征,取得了一定的进展，使得数据的获取方式更加客观，但是也存在一定的问题。
中医脉诊装置传感器多为刚性探头,刚性探头对脉搏触压时,探头本身会对皮肤皮下组织血管造成一种不良刺激,造成血管变性等,不能完全反映脉管运动的真实状况,而且较为刚硬的触感造成患者的不良体验，压力过小又不能完全贴合皮肤；一些专利或者论文中通过使用柔性材料或者通过液体传导的方式来实现脉搏压力测量，柔性材料受到本身重力因素，影响测量的精确性，液体材料的惯性也会影响测量精度，而且必须保证液体容器竖直没有倾斜时才能消除侧向取压时重力的影响，但是，由于探头的移动，惯性对压力传感器的冲击需要一段时间后才会减弱，具有一定的时滞性，影响测量精度和诊脉者的工作效率。
发明内容
根据以上现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题是提出一种三维可调的中医脉象采集装置及方法，通过使用空气传导的方式，解决了柔性材料及液体传导力误差较大的问题，具有采样精度高的优点。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种三维可调的中医脉象采集装置，包括机架、底座、取压探头、X向移动模块和Y向移动模块，所述底座在竖直方向上升降可调，X向移动模块和Y向移动模块设置在机架顶端内侧，取压探头连接X向移动模块和Y向移动模块，在X向和Y向位置水平可调。所述X向移动模块包括X向移动滑块、X向运动主动件、X向运动导向支撑件，Y向移动模块包括Y向移动滑块、Y向运动主动件和Y向运动导向支撑件，X向移动滑块在X向运动主动件的驱动下，沿X向运动导向支撑件在X方向移动；Y向运动导向支撑件末端安装在X向移动滑块上，X向运动主动件驱动X向移动滑块时，安装在X向移动滑块上的Y向运动导向支撑件共同沿着X向水平移动；底座下底面连接有升价支架和液压装置。所述取压探头包括半导体检测单元、二次转换单元和信号处理单元，半导体检测单元包括两个半导体应变片Rε1和Rε2，半导体应变片Rε1和Rε2设在半径为r0的圆形膜片上，圆形膜片设在取压探头的内部，将取压探头隔成两个封闭的空腔，空腔内为干燥的气体，两个半导体应变片受到膜片内外两侧的压力差，在压力差和温度激励作用下输出电阻响应，二次转换单元将电阻响应信号转换为脉宽信号，信号处理单元通过数据解耦分离出温度和内外压力差和相对湿度。所述的半导体应变片Rε1设置在圆心位置，Rε2设置在膜片0.89r0的圆上，两个电阻应变片的变化量相同，正负相反。所述二次转换单元包括两个相同的脉冲信号转换电路，一个半导体应变片对应连接一个脉冲信号转换电路，脉冲信号转换电路包括555定时器、电阻R和电容C，电阻R连接在555定时器的2号引脚和3号引脚之间，电容C连接在555定时器的2号引脚上，2号引脚和6号引脚短接，3号引脚和7号引脚短接，555定时器的7号引脚输出脉宽信号到信号处理单元。所述脉冲信号转换电路的脉宽转换公式为τ＝ln2·C·R，式中τ为输出脉宽，R是电路接收的半导体应变片的电阻响应值，C为云母标准电容，脉宽输出τ与各自所接电阻R成正比。所述圆形膜片根据半导体检测单元中的两个半导体应变片的应变变化分为正应变片区和负应变片区，以半径0.63r0的同心圆为界。
一种三维可调的中医脉象采集装置的采集方法，包括如下步骤：
S01、使取压探头向下运动至桡动脉一定距离处，医护人员目测桡动脉寸、关、尺三部位的位置，粗调取压探头的位置，寸、关、尺三部位各对应一组取压探头；
S02、向下调节取压探头的位置，使取压探头以一定的力压在皮肤上；
S03、读取取压探头的压力值，然后分别对寸、关、尺三部位对应的取压探头进行细调，每组取压探头中的中间取压探头数值最大，两侧数值比中间的数值小；
S04、记录各个取压探头的数值，并进行脉象分析。
本发明有益效果是:1.本发明提供的取压探头，弹性元件系统结构简单、易于实施。
2.经解析法得到：通过温度和压差的激励，分离出温度和压力的响应结果。
附图说明
下面对本说明书附图所表达的内容及图中的标记作简要说明：
图1是本发明的具体实施方式的传感器中应变片的安装示意图。
图2是本发明的具体实施方式的传感器的结构示意图。
图3是本发明的具体实施方式的应变片的应变分布图。
图4是本发明的具体实施方式的传感器工作原理结构框图。
图5是本发明的具体实施方式的传感器的信号流程框图。
图6是本发明的具体实施方式的脉宽信号转换电路图。
图7是本发明的具体实施方式的脉象采集装置结构图。
图8是本发明的具体实施方式的底座结构图。
图9是本发明的具体实施方式的取压探头导轨图。
图10是本发明的具体实施方式的取压探头结构图。
其中，1、U型支座，2、空腔，3、膜片，4、半导体应变片Rε1，5、半导体应变片Rε2，6、机架、7、取压探头、8、液压装置，9、X向运动导向支撑件，10、Y向运动导向支撑件。
具体实施方式
下面对照附图，通过对实施例的描述，本发明的具体实施方式如所涉及的各构件的形状、构造、各部分之间的相互位置及连接关系、各部分的作用及工作原理、制造工艺及操作使用方法等，作进一步详细的说明，以帮助本领域技术人员对本发明的发明构思、技术方案有更完整、准确和深入的理解。
本发明的主要思路是：借助三维可调的取压探头7的机架6调节施力大小，模拟传统脉诊的举、按、寻手法，调整取脉部位,可分别获取寸、关、尺的脉动信息，本发明的脉象采集装置包括底座、机架6、X向移动模块、Y向移动模块以及取压探头7组成，可在三个方向上(桡动脉纵向、横向和垂直方向上)灵活方便地进行粗调、细调定位。由于人体“寸口”桡动脉位置存在个体差异,且同一个体桡动脉的位置、搏动力范围也会因人体机能状态的变化而改变,从而导致脉搏图描记的可重复性不高。标准化传感器定位装置三维可调,且操作方便、灵活,可充分适应个体的差异,满足将采脉探头准确定位于取脉位置的需要和中医脉诊的指法要求。
如图7所示，为本发明的脉象采集装置的结构图，机架6为侧立的U型结构，机架6底端设置可上下移动的底座，机架6的顶端内侧设置有X向移动模块和Y向移动模块，取压探头7分别于X向移动模块和Y向移动模块连接，上下可调的底座、X向移动模块、Y向移动模块实现了桡动脉纵向、横向和垂直方向上的三维调节。
X向移动模块包括X向移动滑块、X向运动主动件、X向运动导向支撑件9，Y向移动模块包括Y向移动滑块、Y向运动主动件和Y向运动导向支撑件10，X向移动滑块在X向运动主动件的驱动下，沿X向运动导向支撑件9在X方向移动。Y向运动导向支撑件10末端安装在X向移动滑块上，X向运动主动件驱动X向移动滑块时，安装在X向移动滑块上的Y向运动导向支撑件10共同沿着X向水平移动。
X向移动模块包括X向移动滑块、X向运动主动件、X向运动导向支撑件9、传动杆、导轮、丝杠螺母，当传动杆将力传动至X向运动主动件丝杠时，丝杠螺母在X向运动主动件丝杠上做X向平移，由于重力作用，压在丝杆螺母上的X向移动滑块随之上下平移，X向移动滑块两侧设有可在X向运动导向支撑件9中沿运动的导轮，X向运动导向支撑件9为槽型升降导向支撑件。
Y向移动模块包括Y向移动滑块、Y向运动导向支撑件10，Y向丝杠、主动锥齿轮、主动锥齿轮轴端、槽口盖板。当传动杆将力传递至主动锥齿轮轴端时，主动锥齿轮带动从动锥齿轮转动，从动锥齿轮与水平丝杆无螺纹部分花键联接，水平丝杆转动，使得Y向移动滑块Y向水平移动。
如图8所示，为本发明的脉象采集装置底座结构示意图，底座采用液压装置8进行高度调节，如图9所示，为取压探头7的导轨图，取压探头7可在X方向和Y方向进行移动。具体的，采用九路取压探头7来测量寸、关、尺三部位血管的搏动信息，每个取压探头7就是一个压力传感器，每三个传感器测量一个部位，三个传感器沿血管径向排列，中心传感器测得单纯垂直方向的力,而两侧传感器测得脉搏搏动力、皮肤切向张力等的综合力。对两路信号进行运算,能区分血管径向搏动力、轴向张力血管等效硬度等力学指标。三个压力传感器中，中心传感器的压力最大，因此，可以通过三个传感器的数值反应，来实现脉搏精准定位。在实际的使用过程中，首先由医护人员大致定位脉搏的位置，将患者的脉搏位置大致放在取压探头7的正下方，然后控制取压探头7向下运动至皮肤表面0.5-1.5cm的位置，医护人员再对探头的位置进行微调，由于年龄、性别及个体的差异，寸、关、尺三部位的取压位置都有些许差别，通过医护人员对脉搏位置的判断实现粗调。取压探头7加压在皮肤上时，通过传感器的反馈值，三个传感器中，中心传感器的压力值应该最大，再来实现取压探头7的细调。
本发明提供的取压探头7使用解析法从多种激励因素中分离出相应的转换响应，如图10所示，取压探头7为圆柱状结构，取压探头7的内部设有一片弹性膜片3，弹性膜片3将取压探头7分为两部分，形成两个密封的空腔2，空腔2内为干燥的空气，两侧存在压力差。取压探头7的一侧为类似的U型支座1结构，弹性膜片3和U型支座1间形成一个干燥的空气密封腔。取压探头7与脉搏接触的一端为一个端部带半球结构的圆柱体封闭结构，与膜片3间为干燥的空气密封腔。在膜片3外表面的圆心和靠周边的适当位置上配置两个半导体应变片，以此装置接收来自手腕的多种激励信息，再经过二次变换和信号处理后，分离出脉搏跳动的压力信息，两个密封腔之间存在气压差ΔP，上述圆形膜片3选用黄铜膜片3。
压力传感器还包括半导体检测单元、二次转换单元和信号处理单元，半导体检测单元中设有两个半导体应变片Rε1和Rε2安装在半径为r0的圆形膜片3上，半导体应变片受压电阻发生变化输出电阻响应，二次转换单元将电阻响应信号转换为脉宽信号，信号处理单元解耦分析出二次转换单元输出的压力信息。
半导体检测单元中，两个半导体应变片受气压激励产生的电阻增量相等，正负相反，其中一个半导体应变片安装在圆心位置，另一个半导体应变片安装在半径0.89r0的同心圆的位置上。二次转换单元包括两个相同的脉冲信号转换电路，一个半导体应变片对应连接一个脉冲信号转换电路，脉冲信号转换电路包括555定时器、电阻R和电容C，电阻R连接在555定时器的2号引脚和3号引脚之间，电容C连接在555定时器的2号引脚上，2号引脚和6号引脚短接，3号引脚和7号引脚短接，555定时器的7号引脚输出脉宽信号连接到信号处理单元。脉冲信号转换电路的脉宽转换公式为τ＝ln2·C·R，式中τ为输出脉宽，R是电路中的电阻，C为云母标准电容，脉宽输出τ与各自所接电阻R成正比。圆形膜片3根据半导体检测单元中的两个半导体应变片的应变变化分为正应变片区和负应变片区，以半径0.63r0的同心圆为界。
信号处理单元将膜片3两侧的压力差，转化为半导体应变片的输出电阻响应，经二次变换后的脉宽及其对始终频率的计数之差成正比，计算出应变片所受差压值。然后根据差压值计算出取压探头7与皮肤之间的压力。在保持皮肤与取压探头7之间压力不变的情况下，脉搏每跳动一次，都会对取压探头7内的空气压力施加一定的压力，通过对取压皮肤与取压探头7之间的压力进行持续性分析，就可以分离出脉搏跳动的相关压力等数据信息。
本发明的取压探头7测量压力的具体检测方法如下：步骤一、连接安装取压探头7电路；步骤二、调整两个半导体应变片的安装位置，使两个半导体应变片受气压激励产生的电阻增量相等，正负相反；步骤三、半导体应变片的电阻变化量输入到二次转换单元进行脉宽转换，输出脉宽信号；步骤四、信号处理单元接收二次转换单元输出的脉宽信号，利用道尔顿定律、应变片原理和解析法分析半导体应变片的变化量、膜片3两侧的压力差。
所述信号处理单元利用取压探头7和U型支座1之间的压力差，经二次变换后的脉宽及其对始终频率的计数之差成正比，环境温度与敏感电阻的计数之和的对数成反比关系，计算出应变片所受差压值ΔP、取压探头7压力PM和温度值t。下文通过公式推导详述本发明的取压探头7测量压力PM的具体过程。
一、应变片及其转换特性
取压探头7中应变片的安装示意图如图1所示，取压探头7的结构示意图如图2所示，应变片的转换特性及应变分布如图3所示。取压探头6为圆柱状结构，取压探头6的内部设有一片弹性膜片，弹性膜片将取压探头6分为两部分，形成两个密封的空腔，空腔内为干燥的空气，两侧存在压力差，通过测量半导体应变片的电阻变化计算出膜片3两侧的压力差。
取压探头7的压力PM均匀作用于弹性膜片3的外表面，于是膜片3两侧的差压为：
ΔP＝PM–Pre(Pa) (1)
式中Pre＝4·104(Pa)为密封腔中设定的参照压力，在差压ΔP作用下，膜片3表面上应力和应变的分布如下式所示：
径向应力：
径向应变：
式(2)和(3)中，本发明选用弹性较好的黄铜膜片3，E(Pa)为膜片3弹性模量，约为7*1010Pa，μ为泊松比，约为0.33，r0为圆形膜片3的外半径40(mm)，h为圆形膜片3的膜片3厚度0.1(mm)，b为U型支座1的厚度5(mm)，U型支座1的高度为10(mm)，ΔP为作用在膜片3两侧的差压(Pa)，r(mm)为应变片位置的半径。
若将已知常数代入(2)式，可得圆心应力σr＝0＝8*104*ΔP(Pa) (4)。
应变片的灵敏系数Kε和转换特性如公式(5)所示：
式中R0为t＝0℃和εr＝0时应变片电阻(Ω)，Kε约为125，ΔRε则为应变片在εr激励下电阻的变化量(Ω)，将(4)式代入(5)可得：
若将E＝7*1010Pa代入式(6)可知，应变片所能输出的相对电阻变化，在最大量程下也只有10-2量级，故需在装置中加入二次变换和信号处理电路，以获取所需的灵敏度和分辨力。
二、二次变换和信号传送流程
工作原理结构框图如图4所示，取压探头包括半导体检测单元、二次转换单元、信号处理单元，半导体检测单元中设有两个半导体应变片，半导体应变片受压电阻发生变化输出电阻响应，半导体检测单元的输出端连接二次转换单元，二次转换单元接收半导体检测单元的输出信号，二次转换单元将电阻响应信号转换为脉宽信号，二次转换单元的输出端连接信号处理单元，信号处理单元解耦分析二次转换单元的输出信号，分离出压力信息。
信号流程框图如图5所示，二次转换单元包括两个相同的脉冲信号转换电路，脉冲信号转换电路由555定时器C1和C2组成，二次转换单元和信号处理单元还设有选通开关，选用C3开关，信号处理单元主要组成为C4单片机。图5中Rε1和Rε2在PW和t激励下，各自产生不同的R1和R2响应，它们经两个相同的脉冲信号转换电路的C1、C2芯片555变换后，各自产生τ1和τ2(S)脉宽输出，该脉宽信号经C3开关选通后再送至C4单片机进行信号处理。脉冲信号转换电路如图6所示，电阻R连接在C定时器555的2号引脚和3号引脚之间，电容C连接在555定时器的2号引脚上，2号引脚和6号引脚短接，3号引脚和7号引脚短接，555定时器的7号引脚输出脉宽信号连接到信号处理单元。由于应变片的不同，两个脉冲电路中的电阻和输出脉宽可以用R1和R2、τ1和τ2表示。
脉宽转换公式：τ＝ln2·C·R(S)对应到两个脉冲信号转换电路即为：
τ1＝ln2·C0·R1(S) (7)
τ2＝ln2·C0·R2(S) (8)
式中τ1和τ2为两个半导体应变片对应的两路脉宽输出信号，R1和R2为半导体应变片的电阻变化值计量单位为Ω，C0(F)为云母标准电容，约为0.72×10-6F，上式表明脉宽输出与各自所接电阻R1和R2成正比。
三、在多因素输入时，合成响应的解耦处理
在τ1和τ2中隐含有取压探头7与皮肤之间的压力和温度t两种信息，如何能让其在后续的数据处理中分离，需通过数据解耦技术来实现信息分离和复原。
R1和R2电阻变化公式为：
式中R0＝1000Ω为基准电阻；B＝4850(K)为半导体应变片的阻温系数；T0＝273(K)为参照温度；T(K)为输入温度；ΔRε1和ΔRε2分别为R1和R2在皮肤与取压探头7之间压力的激励下各自产生的电阻增量。由以上两式可知，如能让ΔRε1和ΔRε2数值相同，但正负相反，即(9)和(10)式可变成：
将以上两式相减或相加，就可分离出PM和t两种输入信息，即相加时R1+R2＝ft(T)，和相减时R1-R2＝fε(PW)，即和与差的结果只与单一输入信息一一对应，ΔRε1＝-ΔRε2＝ΔRε。
参见图2，整个膜片3外表面在差压ΔP作用下，以半径r＝0.63r0为界，区分为正负两个应变区。靠圆心部分内圆为正ε区，而靠周边外圆部分则为负ε区，在此两个区域的合适位置上，可以找到ε数值相等但极性相反的两个点，其一在圆心处，r1＝0，而另一点经(3)式计算为r2＝0.89r0处。在此两点上配置两片性能相同的半导体应变片，并让其中心与膜片3上参照点重合，于是就实现了式(11)和(11)的定量关系。
将式(11)加式(12)得
上式中已消除了ε信息对(R1+R2)数量上的干扰，然而R1和R2分别联接到555芯片的充放电电路中，故已无法将R1和R2直接相加，此时就需经过数据运算处理来实现。若让脉宽τ1和τ2在单片机中对时钟频率f0计数，则有计数值N1和N2为：
N1＝τ1·f0 (14)
N2＝τ2·f0 (15)
τ1+τ2＝(N1+N2)/f0(S) (16)
联立以上公式，并经过整理可得：
摄氏温度：t＝T-273(℃) (18)
式中各常系数是在R0＝1000Ω，C0＝7.2*10-6F和f0＝10MHZ条件下算出的。从R1和R2的二次转换信息中分离出应变和取压探头7的压力PM等信息，将(11)式减去(12)式，可得
R1-R2＝2ΔRε＝2R0Kε·ε(Ω) (19)
再利用τ1-τ2＝(N1-N2)/f0和(3)、(7)、(8)式等联立，经整理可得，
ΔP＝10·(N1-N2)(Pa) (20)
公式(17)和(20)即为取压探头7的两种输入-输出特性方程，均有足够的灵敏度和分辨力。通过公式(1)可以求取皮肤与取压探头7之间的压力，保持取压探头7与皮肤之间的接触力度不变，由于脉搏间歇的跳动，脉搏跳动使皮肤与取压探头7之间的压力增量激励使弹性膜片3上的应变片产生相应的响应，弹性膜片3两侧的压力差ΔP增加，通过对取压探头7压力PM的持续性观察，很容易得出取压探头PM的增量信息，这也即脉搏跳动激励的响应结果。
上面结合附图对本发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围应该以权利要求书所限定的保护范围为准。
Claims (2)
1.一种三维可调的中医脉象采集装置，其特征在于,包括机架(6)、底座、取压探头组、X向移动模块和Y向移动模块，所述底座在竖直方向上升降可调，X向移动模块和Y向移动模块设置在机架(6)顶端内侧，取压探头组连接X向移动模块和Y向移动模块，在X向和Y向的位置水平可调；
所述X向移动模块包括X向移动滑块、X向运动主动件、X向运动导向支撑件(9)，Y向移动模块包括Y向移动滑块、Y向运动主动件和Y向运动导向支撑件(10)，X向移动滑块在X向运动主动件的驱动下，沿X向运动导向支撑件(9)在X方向移动；Y向运动导向支撑件(10)末端安装在X向移动滑块上，X向运动主动件驱动X向移动滑块时，安装在X向移动滑块上的Y向运动导向支撑件(10)共同沿着X向水平移动；底座下底面连接有升降支架和液压装置(8)；
所述采集装置上设有三组取压探头(7)，分别对应采集桡动脉寸、关、尺三个部位的脉搏信息，所述三组取压探头(7)分别设置在对应的Y向移动模块上，Y向移动模块的两端设置在X向移动滑块上，每组所述取压探头(7)分别包括三个取压探头(7)，三个取压探头(7)沿Y向运动导向支撑件(10)方向并列排列；
所述取压探头(7)包括半导体检测单元、二次转换单元和信号处理单元，半导体检测单元包括两个半导体应变片Rε1(4)和Rε2(5)，半导体应变片Rε1(4)和Rε2(5)设在半径为r0的圆形膜片(3)上，圆形膜片(3)设在取压探头(7)的内部，将取压探头(7)隔成两个封闭的空腔，空腔内为干燥的气体，两个半导体应变片受到膜片(3)内外两侧的压力差，在压力差和温度激励下输出电阻响应，二次转换单元将电阻响应信号转换为脉宽信号，信号处理单元通过数据解耦分离出温度和内外压力差；
所述的半导体应变片Rε1(4)设置在圆心位置，Rε2(5)设置在膜片(3)0.89r0的圆上，半导体应变片Rε1(4)和Rε2(5)在气压激励下各自产生的电阻增量数值相等，正负相反，r0为圆形膜片(3)的半径；
所述二次转换单元包括两个相同的脉冲信号转换电路，一个半导体应变片对应连接一个脉冲信号转换电路，脉冲信号转换电路包括555定时器、电阻R和电容C，电阻R连接在555定时器的2号引脚和3号引脚之间，电容C连接在555定时器的2号引脚上，2号引脚和6号引脚短接，3号引脚和7号引脚短接，555定时器的7号引脚输出脉宽信号到信号处理单元；
所述圆形膜片(3)根据半导体检测单元中的两个半导体应变片的应变变化分为正应变片区和负应变片区，以半径为0.63r0的同心圆为界。
2.根据权利要求1所述的三维可调的中医脉象采集装置，其特征在于，所述脉冲信号转换电路的脉宽转换公式为τ＝ln2·C·R，式中τ为输出脉宽，R是电路接收的半导体应变片的电阻响应值，C为云母标准电容，脉宽输出τ与各自所接电阻R成正比。
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