CN111110207A - 一种基于柔性压电传感器阵列的脉诊仪 - Google Patents

一种基于柔性压电传感器阵列的脉诊仪 Download PDF

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周云龙
袁琳琳
钱秋萍
李春花
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Abstract

一种基于柔性压电传感器阵列的脉诊仪，包括袖带充放气控制模块，袖带充放气控制模块与袖带装置连接，袖带与压电信号采集模块连接，压电信号采集模块与数据处理分析模块连接，数据处理分析模块与显示模块连接；带充放气控制模块，用于对袖带装置内的气囊进行充放气来实现加压的过程；压电信号采集模块用于采集处理电压信号；数据处理分析模块用于对电压信号数据进行特征提取，与数据库中的不同类型的脉搏信号特征进行对比分析，并将分析结果保存同时传输到显示模块进行显示。整个仪器的结构紧凑，体积小，重量轻，便于移动携带，可以用于日常生活中的健康监测，基于大数据的特征分析，也可以促进中医脉诊客观化的进展。

Description

一种基于柔性压电传感器阵列的脉诊仪
技术领域
本发明涉及测试仪器技术领域，特别是涉及一种基于柔性压电传感器阵列的脉诊仪。
背景技术
脉诊是中医四诊的重要构成部分，作为一种无创的诊断方法，在我国传统医学中极具特色。脉搏波中包含着丰富的人体生理信息，向来受到医家的重视。中医诊脉方法在脉学形成的过程中相继出现过多种，比较有代表性的有“三部九侯遍诊法”、“人迎寸口法”、“中景三部法”和“寸口脉法”等几种。其中寸口脉法是临床常用的方法，传统诊脉就是中医师用手指在患者桡动脉处施加不同的压力，感受患者浮、中、沉不同脉动形象的操作过程，因而脉诊结果都是依据中医师指腹感觉和经验得出的。现代中医不断学习传统知识，并继承了传统脉诊方法，但是弊端也逐渐显露出来，由于个人触觉的差异以及师承经验的差别，使得鉴别脉象时缺乏统一的标准。另外，由于各学派在脉象的表述方法上存在分歧，造成概念上的交叉和包含，因而出现脉同而名异，或脉异而名同的现象，增加中医师了辨脉的难度，同时也增加了脉诊的学习以及向后世传承的难度。所以脉诊的标准化、客观化对于中医脉诊未来的发展极其重要。
脉搏是表征人体心脏功能和血液循环系统的重要生物动力学信号，是伴随心脏周期性收缩的动脉血管波动的轨迹，综合了心脏泵血活动和压力波沿动脉树传输过程中携带的各种生理病理信息，经临床实验结果表明，脉搏波的波形特征与心血管疾病有着密切的关系。通过脉搏波传感器检测脉搏波信号，将脉搏波波形特征和血压信息相结合分析出各项心血管功能参数，且该方法操作简便、无创性、检测参数全面等特点在实际应用中得到广泛的使用。
目前，一些脉搏监测技术存在着体积大、精确度低、灵敏度不够、工作稳定性差等缺点，很难实现真正的商业应用，无法应用于日常健康监测方面。因此研究一款操作简便、价格低廉、功能多样、携带方便的脉诊仪，对于中医客观化的研究有着极为重要的促进作用，对于广大心血管疾病患者的预防和治疗也有着积极而深远的意义。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于柔性压电传感器阵列的脉诊仪，以解决上述现有技术存在的问题，该装置能够模拟中医摸脉的手法，实现对于中医脉诊“位、数、形、势”的属性测试，使用传感器阵列进行测试并实时分析以确定寸关尺各点对应的阵列单元，提取对应单元的脉搏信号进行分析。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种基于柔性压电传感器阵列的脉诊仪，包括袖带充放气控制模块，所述袖带充放气控制模块与袖带装置连接，所述袖带与压电信号采集模块连接，所述压电信号采集模块与数据处理分析模块连接，所述数据处理分析模块与显示模块连接；所述袖带装置包括袖带、气囊，所述袖带与所述气囊之间的夹层放置压电式压力传感器阵列，所述压力传感器阵列用于采集脉搏信号；
所述袖带充放气控制模块，用于对袖带装置内的气囊进行充放气来实现加压的过程；
所述压电信号采集模块，用于采集处理电压信号；
所述数据处理分析模块，用于对电压信号数据进行特征提取，与数据库中的不同类型的脉搏信号特征进行对比分析，并将分析结果保存同时传输到显示模块进行显示；
所述显示模块，用于显示数据分析处理模块的处理结果。
优选地，所述袖带充放气控制模块包括微型充气泵、微型电磁阀，微型充气泵对袖带中的气囊进行充气从而达到加压的目的，微型电磁阀控制对气囊的放气。
优选地，所述压电信号采集模块包括依次连接的电荷放大电路、带通滤波电路、50HZ陷波电路、电压抬升电路、电压跟随电路以及主控芯片；
主控芯片，用于控制整体电路的测量频率及数据传输；
电荷放大电路，用于将压力传感器阵列的电荷变化量转化为电压信号；
所述50HZ陷波电路除去脉搏信号中的工频干扰；
所述电压抬升电路，用于对整体电压信号进行抬升；
所述电压跟随电路，用于保证其输入电压与输出电压大小和相位一样，保证主控芯片采集到的电压信号无失真。
优选地，所述气囊边缘处设有接口，所述接口用于充、放气。
优选地，主控芯片的型号为NRF52840。
优选地，所述压力传感器阵列区域对应到人体的寸、关、尺区域。
优选地，还包括分组存储模块，用于将输入的使用者的基本信息以及该使用者的测量数据分析结果进行分组保存，方便数据的查看。
优选地，所述分组存储模块包括在测试前对使用者的测试，寻找最佳的取脉压力的过程，并将该使用者的最佳取脉压力进行记忆；最佳取脉压力的修改根据被测试者的需求进行设定。
优选地，所述取脉压力即为气囊加压所施加的压力，该压力直接从压电传感器的测试结果中分离出来，无需使用额外的压力传感器进行压力测量。
本发明公开了以下技术效果：本发明中的柔性压力传感器阵列，可以多点采集脉搏信号，且柔性好，灵敏度高，测量结果准确，与皮肤完全贴合。本发明还设计了一系列的信号采集、处理、显示及传输模块，组成一个整体的便携式脉诊仪，其中袖带加压部分可以模拟中医摸脉过程中的按压操作，且袖带加压压力可控可测。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为脉诊仪整体系统框图；
图2为脉诊仪正面外观图；
图3为脉诊仪袖带部分示意图；
图4为脉诊仪正面传感器区域示意图；
其中，1为脉诊仪，2为电源开关键，3为开始/停止测量按键，4为蓝牙开关按键，5为存储按键，6为信息输入按键，7为显示模块，71为显示器，72为被测人姓名，73为当前时间，74为蓝牙标志，75为剩余电量，11为夹层，12为柔性压力传感器阵列，13为魔术贴，14为充放气通气口。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
参照图1-4所示，本实施例提供一种基于柔性压电传感器阵列的脉诊仪1,包括袖带充放气控制模块，所述袖带充放气控制模块与袖带装置连接，所述袖带装置与压电信号采集模块连接，所述压电信号采集模块与数据处理分析模块连接，所述数据处理分析模块与显示模块7连接；所述袖带装置包括袖带、气囊；所述袖带装置由传统的血压计袖带改进而成，袖带尾部有魔术贴13区域，用于固定袖带，所述袖带装置还包括压力传感器阵列12，所述压力传感器阵列12放置袖带与气囊之间，所述压力传感器阵列12用于采集脉搏信号。
所述带充放气控制模块，用于对袖带装置内的气囊进行充放气来实现加压的过程；
所述压电信号采集模块，用于采集处理电压信号；
所述数据处理分析模块，用于将NRF52840AD采样端口采集到的脉搏信号进行特征提取和时域分析，并将提取到的信号特征与数据库中的不同类型脉象的特征进行对比，判断被测者的脉象，并于数据库中已知疾病的脉象特征进行比较，对被测者的健康状况给出结论。数据分析处理模块的处理结果一方面传输到显示模块7进行显示，另一方面，该结果和采集到的脉搏信号波形都可通过NRF52840中的蓝牙传输到手机端进行显示。手机端显示方便家人及时了解被测者的健康状况。
所述显示模块7，用于将测得的脉搏信号实时显示，对采集到的传感器阵列数据进行处理，通过将个点的压力值转换为整体的压力分布图，确定“寸、关、尺”三点对应的阵列单元，并将选出的阵列单元的值分别对应输出为“寸、关、尺”的脉搏信号，通过软件对“寸、关、尺”三点的数据进行特征提取，与数据库中的不同类型的脉搏信号特征进行对比分析，并将结果保存同时传输到显示模块7进行显示。
进一步优化方案，所述气囊边缘处设有接口，所述接口既可以作为进气口，也可作为出气口。
进一步优化方案，所述袖带充放气控制模块包括微型充气泵、微型电磁阀，微型充气泵可以对袖带中的气囊进行充气从而达到加压的目的，并且其具有结构简单、体积小的优点，可满足便携式仪器的设计需求，微型电磁阀可以控制对气囊的放气。
进一步优化方案，所述压电信号采集模块由电荷放大电路、带通滤波电路、50HZ陷波电路，电压抬升电路、电压跟随电路以及NRF52840作为主控芯片组成。其中电荷放大电路可以将压力传感器阵列12每个单元的电荷变化量转化为电压信号，由于人体脉搏信号集中在0-40HZ，所以用带通滤波电路滤除其中的干扰信号，压电式压力传感器的缺点之一就是易受到工频信号的干扰，所以选用50HZ陷波电路除去脉搏信号中的工频干扰，压电传感器的电荷积累转化为电压后存在负值，负值无法被NRF52840的AD采样端口采集，故采用电压抬升电路对整体电压信号进行抬升，确保所测得的所有数据都可以被采集到，电压跟随电路可以保证其输入电压与输出电压大小和相位一样，保证NRF52840的AD采样端口采集到的电压信号无失真。
进一步优化方案，显示模块7包括显示器71，所述显示器71实时显示所测得的脉搏信号波形，也可显示脉搏信号的分析结果，所述显示器71的上端有固定栏分别显示被测人姓名72、当前日期73、当前时间74、蓝牙标志75和剩余电量显示76。
进一步优化方案，所述显示模块7还包括信息输入按键6，可以通过该组按键输入被测者的基本信息，所述脉诊仪1可以对不同使用者的基本信息和测试数据进行分组保存，方便查看和调取。
进一步优化方案，所述显示模块7还包括电源开关键2、开始/停止测量按键3、蓝牙开关按键4、存储按键5，可以通过该按键以及设置键查看历史测试数据及分析结果。
进一步优化方案，参考图3，所述压电式压力传感器阵列12置于袖带1与加压气囊11的夹层11中，整个压力传感器阵列区域12位于脉诊仪1主体部分的右侧内如图4所示，该位置可以确保每次测试时，传感器区域都能够对应到“寸、关、尺”区域内，该压力传感器阵列12中的每个单元都能将微弱的脉搏搏动压力转化为内部电荷的变化，该变化由内部的测量模块测得并传输显示。
所述压力传感器阵列12可以对测试的每个阵列单元的数据整合为整个压力传感器对应区域的压力分布，通过压力分布确定对应“寸、关、尺”各点的阵列单元，提取相应数据进行脉搏信号的分析。这是所设计的脉诊仪1的显著优势之一，避免了传统脉诊仪1的寻找摸脉位置的确定。
进一步优化方案，还包括分组存储模块，用于将输入的使用者的基本信息以及该使用者的测量数据分析结果进行分组保存，方便数据的查看。
进一步优化方案，所述分组存储模块包括在测试前对使用者的测试，寻找最佳的取脉压力的过程，并将该使用者的最佳取脉压力进行记忆；最佳取脉压力的修改可以为每天一次、每周一次或每月一次，可以根据被测试者的需求进行设定。
进一步优化方案，所述取脉压力即为气囊加压所施加的压力，该压力直接从压电传感器的测试结果中分离出来，无需使用额外的压力传感器进行压力测量。
进一步优化方案，所述取脉压力的数据分离过程由数据处理分析模块完成，所述数据处理分析模块可以对测量到的压力数据进行预处理得到取脉压力。
工作过程：该脉诊仪1主要是通过对袖带内的气囊进行充放气来实现加压的过程，由NRF52840作为主控控制单片机微型气泵通过充放气的通气口14进行充气，NRF52840作为主控控制单片机控制微型电磁阀通过充放气的通气口14进行放气，袖带加压方式为常用的血压采集的加压方式，该种加压可以使柔性压力传感器阵列12的优势发挥出来，使其能完全贴合皮肤，可以测得更加准确的脉搏信号。使用压电传感器阵列采集到整个寸关尺区域的脉搏信号，通过实时成像获取该区域压力分布图，确定寸关尺各点对应的阵列单元，提取该单元的脉搏信号进行特征分析，其中袖带充放气部分控制在脉搏采集过程中对腕部的充气加压，并在测量完成后放气减压，袖带加压稳定后的静态压力也可由传感器阵列测得。该装置实现了中医脉珍“位、数、形、势”的属性测试，整个仪器的结构紧凑，体积小，重量轻，便于移动携带，可以用于日常生活中的健康监测，基于大数据的特征分析，也可以促进中医脉诊客观化的进展。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (9)

1.一种基于柔性压电传感器阵列的脉诊仪，其特征在于，包括袖带充放气控制模块，所述袖带充放气控制模块与袖带装置连接，所述袖带与压电信号采集模块连接，所述压电信号采集模块与数据处理分析模块连接，所述数据处理分析模块与显示模块连接；所述袖带装置包括袖带、气囊，所述袖带与所述气囊之间的夹层放置压电式压力传感器阵列，所述压力传感器阵列用于采集脉搏信号；
所述袖带充放气控制模块，用于对袖带装置内的气囊进行充放气来实现加压的过程；
所述压电信号采集模块，用于采集处理电压信号；
所述数据处理分析模块，用于对电压信号数据进行特征提取，与数据库中的不同类型的脉搏信号特征进行对比分析，并将分析结果保存同时传输到显示模块进行显示；
所述显示模块，用于显示数据分析处理模块的处理结果。
2.根据权利要求1所述的基于柔性压电传感器阵列的脉诊仪，其特征在于，所述袖带充放气控制模块包括微型充气泵、微型电磁阀，微型充气泵对袖带中的气囊进行充气从而达到加压的目的，微型电磁阀控制对气囊的放气。
3.根据权利要求1所述的基于柔性压电传感器阵列的脉诊仪，其特征在于，所述压电信号采集模块包括依次连接的电荷放大电路、带通滤波电路、50HZ陷波电路、电压抬升电路、电压跟随电路以及主控芯片；
主控芯片，用于控制整体电路的测量频率及数据传输；
电荷放大电路，用于将压力传感器阵列的电荷变化量转化为电压信号；
所述50HZ陷波电路除去脉搏信号中的工频干扰；
所述电压抬升电路，用于对整体电压信号进行抬升；
所述电压跟随电路，用于保证其输入电压与输出电压大小和相位一样，保证主控芯片采集到的电压信号无失真。
4.根据权利要求1所述的基于柔性压电传感器阵列的脉诊仪，其特征在于，所述气囊边缘处设有接口，所述接口用于充、放气。
5.根据权利要求1所述的基于柔性压电传感器阵列的脉诊仪，其特征在于，主控芯片的型号为NRF52840。
6.根据权利要求1所述的基于柔性压电传感器阵列的脉诊仪，其特征在于，所述压力传感器阵列区域对应到人体的寸、关、尺区域。
7.根据权利要求1所述的基于柔性压电传感器阵列的脉诊仪，其特征在于，还包括分组存储模块，用于将输入的使用者的基本信息以及该使用者的测量数据分析结果进行分组保存，方便数据的查看。
8.根据权利要求7所述的基于柔性压电传感器阵列的脉诊仪，其特征在于，所述分组存储模块包括在测试前对使用者的测试，寻找最佳的取脉压力的过程，并将该使用者的最佳取脉压力进行记忆；最佳取脉压力的修改根据被测试者的需求进行设定。
9.根据权利要求8所述的基于柔性压电传感器阵列的脉诊仪，其特征在于，所述取脉压力即为气囊加压所施加的压力，该压力直接从压电传感器的测试结果中分离出来，无需使用额外的压力传感器进行压力测量。
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