CN107440694A - 一种基于比例测量法的个性化智能脉诊仪系统和分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于保健仪器和现代医学诊断领域，具体为一种基于比例测量法的个性化智能脉诊仪系统和分析方法。该系统包括：由气路系统控制的充气式腕带；检测腕带放气时压力信号的压力传感器模块；对检测的压力信号进行信号处理并无线传输至智能终端的信号采集传输模块；实时显示脉搏信号并对数据进行显示、存储和分析的智能终端。将压力传感器的激励信号变换为合适的直流电压作为ADC的基准电压，可显著减小供电电压幅值波动在测量结果中引入的误差，提高脉搏波测量精度等和稳定性。本发明方法不仅能够计算血压，而且能够提取脉搏波的特征和分析波形变异性，将采集的脉搏波与脉象数据库中的数据进行智能化快速比对，为相关疾病的预防和诊断提供参考。

Description

一种基于比例测量法的个性化智能脉诊仪系统和分析方法

技术领域

本发明属于保健仪器和现代医学诊断领域，具体为一种基于比例测量法的个性化智能脉诊仪系统和分析方法。

背景技术

面对目前移动医疗发展的大好前景，中医学却始终处于一个相对滞后的位置。中医学在移动互联网医疗中的局限性来源于中医学自身的诊断特点，中医学以辨证论治为基础，在诊断时需要望、闻、问、切四诊合参，简便的诊断方式决定了中医可以不依赖于仪器诊断，可进行远程医疗。但是，在这四诊中切脉往往是中医看病定性时最重要的依据。随着现代新技术的不断涌现，目前，望、闻、问三诊均可通过移动互联网轻松的实现信息传输，脉诊由于其具有主观性、复杂性等特点，迄今未形成切实可行的客观化标准。患者的脉象无法进行有效的识别传输，从而造成了中医学无法广泛开展移动互联网医疗，制约了中医学在移动互联网医疗的发展。因此，研制一种“个性化智能脉诊仪系统”对中医学移动互联网医疗的发展意义重大，对中医学开展远程医疗具有重要价值。

临床脉诊是对于某脉象的认识，是以医生指下的感觉并结合该医生对脉象概念的领会来加以鉴别和区分的；由于其概念本身比较笼统，具体的判别标准又很模糊，而且其中还掺杂了医生的判别经验及指面感觉等许多主观因素，临床脉诊时分歧较多。因此，在脉象仪的客观化研制过程中针对临床医生的“个性化”设计则具有重要意义。

压力传感器作为脉诊仪系统的关键组成部分之一，为了保证系统精度，压力传感器的供电电压波动造成的误差，必须小于系统数据采集电路所用ADC的1个LSB，因此实现高精度的脉搏波测量系统需要更高精度的供电电源。为了对电源电压信号幅值波动引起的测量误差进行补偿，一种传统的方法是先用ADC进行待测信号转换，再进行激励信号转换，最后将两转换结果做数字信号除法运算。然而这种方法存在一定的局限性，包括需要所用ADC本身达要到较高的转换精度、ADC参考电压要达到较高精度等。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种基于比例测量法的个性化智能脉诊仪系统，解决现有技术中所用ADC本身达要到较高的转换精度、ADC参考电压要达到较高精度等问题。

本发明的技术方案是：

一种基于比例测量法的个性化智能脉诊仪系统，包括：

由气路系统控制的充气式腕带；

检测腕带放气时压力信号的压力传感器模块；

对检测的压力信号进行信号处理并无线传输至智能终端的信号采集传输模块；

实时显示脉搏信号并对数据进行显示、存储和分析的智能终端；

压力传感器的激励信号经由分压电路变换为合适的直流电压作为ADC的基准电压，压力传感器的驱动电路和ADC的基准电压源的设计基于比例测量法，利用ADC的传输特性获取待测信号与激励信号的比值，使得采样结果与激励信号的绝对值无关，以比例的方式对供电电压幅值波动进行补偿。

所述的基于比例测量法的个性化智能脉诊仪系统，该系统采用充气式腕带，通过气路系统：气泵、快速气阀和慢速气阀，控制腕带自动充放气，测量手腕部位放气时不同压力下的脉搏波。

所述的基于比例测量法的个性化智能脉诊仪系统，压力传感器为压阻式传感器。

所述的基于比例测量法的个性化智能脉诊仪系统，信号采集传输模块将采集的压力信号分为两路：一路通过放大、滤波电路得到袖带压力；另一路通过放大、滤波电路得到脉搏波；之后，将这两路信号送到AD转换模块进行AD转换；最后，经过无线模块将数据无线传输至智能终端进行后续处理；单片机实现气路系统的自动控制、AD转换和数据无线传输的控制功能，供电模块为气路系统、压力传感器和整个信号采集传输模块供电。

所述的基于比例测量法的个性化智能脉诊仪系统，智能终端包括客户端和医生端，基于智能终端的数据显示、存储和分析模块由数据显示模块、数据存储模块、数据回放模块和数据分析模块组成。

所述的基于比例测量法的个性化智能脉诊仪系统的分析方法，智能终端的客户端分析包括：

(1)放气时脉搏波波形包络的提取；

(2)脉搏波波形的分割；

(3)脉搏波特征波形的选取；

(4)脉搏波波形的变异性分析及特征提取。

所述的基于比例测量法的个性化智能脉诊仪系统的分析方法，其中，

(1)放气时脉搏波波形包络的提取包括：

放气时脉搏波波形峰值检测及峰值上包络的提取；

放气时脉搏波波形谷值检测及谷值下包络的提取；

利用变幅度系数法计算血压；

(2)脉搏波波形的分割：以主升支位置为参考，截取位置在主升支起始点，即以导数为零的起始点对脉搏波进行分割；

(3)脉搏波特征波形的选取条件为：

脉搏波峰值最大即上包络线极大值处对应的脉搏波；

下包络线最平、变化最缓慢，即导数最小处对应的脉搏波；

(4)脉搏波波形的变异性分析及特征提取方法为：

基于动态时间规整算法将所选取的脉搏波特征波形和参考波形在时间上进行对齐；

在时间对齐的基础上，提取特征波形的特征，包括标准偏差和变异系数。

所述的基于比例测量法的个性化智能脉诊仪系统的分析方法，智能终端的医生端分析包括：

客户端的分析模块功能；

建立储存脉诊仪脉象数据的个性化智能数据库及个性化脉象模板库；

基于动态时间规整的脉象智能比对，分析不同压力下波形的变异特性，自动判断脉搏波的脉象。

本发明的优点及有益效果是：

1、本发明的基于比例测量法的个性化智能脉诊仪系统，简单方便，将压力传感器的激励信号变换为合适的直流电压作为ADC的基准电压，可显著减小供电电压幅值波动在测量结果中引入的误差，提高脉搏波测量精度等和稳定性。对于那些非电阻型压力传感器，如：电容式传感器等，本发明方法都可以用于减小激励信号幅值波动所引起的测量误差，显著提高系统测量精度，消除激励源性能对提高系统精度的瓶颈作用，降低系统的成本和工艺要求，为包含直流或交流激励源的测量系统提高测量精度提供新的实现思路和更广阔的发展空间。

2、本发明构建以医生经验为主体的个性化智能脉诊仪系统，临床医生通过使用“个性化”脉诊仪对患者进行脉象诊断，逐渐积累并形成医生个人的中医脉象快速比对数据库。早期可用于为路途遥远、复诊困难的患者进行脉象诊断，待数据库中的数据达到一定数量后可将其用于远程诊疗平台，在一定程度上解决了老百姓“看病难”的问题。中医脉象实现数字化进行存储，构成未来医疗大数据的一部分，亦可为未来疾病防治和诊疗新模式的塑造奠定基础。

附图说明

图1为本发明基于比例测量法的个性化智能脉诊仪系统框图。

图2为本发明比例测量方法的实现框图。

图3为采用系统比例测量法的传感器驱动电路。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细说明。

如图1所示，本发明基于比例测量法的个性化智能脉诊仪系统，包括：充气式腕带、气路系统(气泵、快速气阀和慢速气阀)、压力传感器模块、信号放大滤波模块、充气控制和信号采集传输模块、供电模块、基于智能终端的数据显示、存储和分析模块。

充气控制模块(单片机)通过气路系统(气泵、快速气阀和慢速气阀)控制腕带自动充放气，测量放气时不同压力下的脉搏波，即同时检测袖带压力和提取袖带内脉搏震荡波。气压的采集采用压阻式压力传感器，压力传感器的输出分成两个不同的通路，一路通过放大、滤波电路得到袖带压力，另一路通过放大、滤波电路得到脉搏波。脉搏波的信号频率范围为：0.5～20Hz，主要频率集中在1～15Hz。因此，脉搏波滤波电路由0.1Hz高通滤波器和20Hz低通滤波器组成。

之后，将这两路信号送到AD转换模块进行AD转换；最后，经过无线模块将数据无线传输至智能终端进行后续处理；单片机实现气路系统的自动控制、AD转换和数据无线传输的控制功能，供电模块为气路系统、压力传感器和整个信号采集传输模块供电。其中，压力传感器的驱动电路和ADC的基准电压源的设计基于比例测量法，采用比例法测量可以降低传感器驱动电源波动和ADC基准电压幅值波动引入的测量误差，提高系统的测量精度。

具体的，可以将压力传感器的激励源激励信号E经过一定的变换电路后用来提供ADC的基准电压V_ref，如图2所示。变换电路为分压电路，T为变换电路的变换系数，当变换电路结构一定时，T可视为常数。则此时：

V_ref＝T·E

压力传感器在激励信号E作用下对被测压力信号做出响应，输出压力信号V₁，理想情况下V₁与E成比例关系。压力传感器输出压力信号经放大、滤波等线性信号处理电路后输出压力信号V₂。由图2可得如下关系：

V₁＝E·I·S

其中，I为被测压力的强度，S为压力传感器的灵敏度；

V₂＝V₁·P＝E·I·S·P

其中，P为信号处理电路的增益，电路结构一定时，P为常数。

ADC是将模拟信号数字化的输出器件，虽然各种ADC转换原理不同，但所有ADC都是将输入信号与基准电压进行比较，即用基准电压的满量程数分之一来度量输入信号，输出的数字量是输入模拟电压信号与基准电压的比值乘以满量程数。信号处理电路的输出压力信号由ADC采样量化后转换为数字输出D：

D＝(V₂/V_ref)·FS·R＝E·I·S·P·FS·R/E·T＝I·S·P·FS·R/T

其中，FS为ADC满量程数，V_ref为ADC基准电压，R为ADC的比例系数，描述了ADC内部的放大和变换过程，当ADC的内部结构一定时，R为常数。

可见，利用ADC的传输特性取到了待测信号与激励信号的比值，系统输出在理论上只与待测参量强度、传感器灵敏度及系统各部分线性变换系数有关，与激励信号的绝对值无关，因此这种方法以比例的方式在数模转换之前对激励信号幅值波动进行了补偿，可以有效减小激励源和基准电压幅值波动对系统精确测量的影响，减小激励源温度漂移和电源电压波动对测量的影响。与通过采样激励信号进行补偿的方法相比，比例测量的系统级应用方法降低了对所用ADC的性能要求，同时也降低了对其参考电压的精度和稳定度要求。

对于电阻性压力传感器可以直接采用图3所示的激励电路，即采用传感器与取样电阻分压供给ADC的基准电压源，不仅简单，而且精度很高。

本发明脉诊仪系统的测量过程如下：

(1)单片机控制快速放气阀关闭，气泵开始加压，采集经过放大滤波处理之后的袖带压力，直至袖带静压达到200mmHg；

(2)单片机控制气泵关闭，气路系统通过慢速放气阀放气，采集经过放大滤波处理之后的袖带内脉搏震荡波和袖带压力信号，直至袖带压力低于50mmHg；

(3)单片机控制开启快速放气阀，数据采集过程结束；

(4)单片机控制无线传输模块将采集得到的袖带压力信号与袖带内震荡波发送至智能终端。

(5)智能终端实现数据的无线接收、数据显示、存储、回放和分析功能。

本发明中，智能终端可为手机等移动终端和计算机，智能终端主要实现智能终端与脉搏波采集模块交互控制，并能进行脉搏波数据的实时接受、处理、显示、存储和分析。智能终端包括客户端和医生端，客户端为患者使用，基本功能包括：

(1)启动蓝牙，搜索外部传感器节点，建立蓝牙连接后发送采集数据命令。

(2)绘制并显示脉搏波波形。

(3)将实时采集的数据存储到指定文件夹，建立个人健康数据中心。

(4)文件夹中历史数据的传输、回放及删除。

(5)脉搏波信号的分析及特征提取。

智能终端的脉搏波数据分析包括以下方面：

(1)对脉搏波进行数字滤波。在数据采集过程中，采用比例测量法降低了电源噪声对测量精度的影响，但是其他外部干扰会不可避免的产生噪声，这些噪声会对脉搏波测量精度产生影响。除了外部电路上的模拟滤波器，加入一种简单的数字平均滤波器，使得袖带压力曲线和脉搏波变得更平滑。

(2)对放气时脉搏波数据进行包络线拟合，并利用变幅度系数法计算血压。首先将极大(小)值方法和阈值法相结合，从而提取脉搏波的波峰和波谷；再利用数字平均滤波器对峰值点和谷值点进行平滑处理，减小由身体移动、肌肉运动等运动伪迹；然后基于处理后的波峰和波谷实现峰值包络线和谷值包络线的拟合；最终利用变幅度系数法计算血压。

(3)脉搏波波形的分割。以脉搏波主升支位置为参考截取脉搏波波形，心截取位置在主升支起始点。以脉搏波波峰为标志，向前搜索导数为零的起始点(主升支起始点)对脉搏波进行分割，获得与心动周期等长的脉搏波数据段。考虑到不同个体间幅值差异，搜索之前先预检2s脉搏波，对脉搏波曲线主升支波动幅值的阈值及心动周期长度进行学习。

(4)脉搏波特征波形的选取。对脉搏波波形进行分割之后，选取一个心动周期的脉搏波作为特征波形进行后续的分析和特征提取。本发明选择特征波形的条件为：脉搏波峰值最大即上包络线极大值处；下包络线最平(变化最缓慢)即导数最小处对应的脉搏波。特征波形的选取需同时满足上述两个条件。

(5)特征波形的波形变异性分析和特征提取。首先基于动态时间规整算法用满足一定条件的时间规整函数描述所选取的脉搏波特征波形和参考波形的时间对应关系，求解两波形匹配时累计距离最小所对应的规整函数；然后在时间对齐的基础上，提取特征波形的特征，包括特征波形与参考波形(例如平脉)之间的标准偏差和变异系数，据此对波形进行智能分类。

医生端不仅具备以上功能，还有其他功能：

(1)建立储存脉诊仪的脉象数据的个性化智能数据库，数据库中包含不同中医脉象的子数据库，临床医生将不同的中医脉象数据存储在对应的子数据库。

(2)每个脉象子数据库中建立智能平均数据计算功能，即将多次每个子数据库中的脉象数据自动进行平均化计算得出脉象平均特征，作为模板存入模板库。

(3)将测量得到的脉搏波波形与模板库进行智能对比，自动判断脉象。首先提取脉搏波特征，然后采用动态时间规整算法和模板库中的每一个脉象模板进行匹配，计算距离，最后求出最短距离的脉象模板就是脉搏波的脉象。

结果表明，本发明方法不仅能够计算血压，而且能够提取脉搏波的特征和分析波形变异性，将采集的脉搏波与脉象数据库中的数据进行智能化快速比对，为相关疾病的预防和诊断提供参考。本发明系统不需要采集者进行专门训练，非常便利，可操作性强；测量血压的过程中就将脉搏波形采集全，采集过程简单，采集和分析时间短；而且重复性高，具有重要的家庭和临床试用前景。

Claims (8)

1.一种基于比例测量法的个性化智能脉诊仪系统，其特征在于，包括：

由气路系统控制的充气式腕带；

检测腕带放气时压力信号的压力传感器模块；

对检测的压力信号进行信号处理并无线传输至智能终端的信号采集传输模块；

实时显示脉搏信号并对数据进行显示、存储和分析的智能终端；

压力传感器的激励信号经由分压电路变换为合适的直流电压作为ADC的基准电压，压力传感器的驱动电路和ADC的基准电压源的设计基于比例测量法，利用ADC的传输特性获取待测信号与激励信号的比值，使得采样结果与激励信号的绝对值无关，以比例的方式对供电电压幅值波动进行补偿。

2.根据权利要求1所述的基于比例测量法的个性化智能脉诊仪系统，其特征在于，该系统采用充气式腕带，通过气路系统：气泵、快速气阀和慢速气阀，控制腕带自动充放气，测量手腕部位放气时不同压力下的脉搏波。

3.根据权利要求1所述的基于比例测量法的个性化智能脉诊仪系统，其特征在于，压力传感器为压阻式传感器。

4.根据权利要求1所述的基于比例测量法的个性化智能脉诊仪系统，其特征在于，信号采集传输模块将采集的压力信号分为两路：一路通过放大、滤波电路得到袖带压力；另一路通过放大、滤波电路得到脉搏波；之后，将这两路信号送到AD转换模块进行AD转换；最后，经过无线模块将数据无线传输至智能终端进行后续处理；单片机实现气路系统的自动控制、AD转换和数据无线传输的控制功能，供电模块为气路系统、压力传感器和整个信号采集传输模块供电。

5.根据权利要求1所述的基于比例测量法的个性化智能脉诊仪系统，其特征在于，智能终端包括客户端和医生端，基于智能终端的数据显示、存储和分析模块由数据显示模块、数据存储模块、数据回放模块和数据分析模块组成。

6.一种权利要求1至5所述的基于比例测量法的个性化智能脉诊仪系统的分析方法，其特征在于，智能终端的客户端分析包括：

(1)放气时脉搏波波形包络的提取；

(2)脉搏波波形的分割；

(3)脉搏波特征波形的选取；

(4)脉搏波波形的变异性分析及特征提取。

7.根据权利要求6所述的基于比例测量法的个性化智能脉诊仪系统的分析方法，其特征在于，

(1)放气时脉搏波波形包络的提取包括：

放气时脉搏波波形峰值检测及峰值上包络的提取；

放气时脉搏波波形谷值检测及谷值下包络的提取；

利用变幅度系数法计算血压；

(2)脉搏波波形的分割：以主升支位置为参考，截取位置在主升支起始点，即以导数为零的起始点对脉搏波进行分割；

(3)脉搏波特征波形的选取条件为：

脉搏波峰值最大即上包络线极大值处对应的脉搏波；

下包络线最平、变化最缓慢，即导数最小处对应的脉搏波；

(4)脉搏波波形的变异性分析及特征提取方法为：

基于动态时间规整算法将所选取的脉搏波特征波形和参考波形在时间上进行对齐；

在时间对齐的基础上，提取特征波形的特征，包括标准偏差和变异系数。

8.一种权利要求1至5所述的基于比例测量法的个性化智能脉诊仪系统的分析方法，其特征在于，智能终端的医生端分析包括：

客户端的分析模块功能；

建立储存脉诊仪脉象数据的个性化智能数据库及个性化脉象模板库；

基于动态时间规整的脉象智能比对，分析不同压力下波形的变异特性，自动判断脉搏波的脉象。