CN111588357A - 一种脉象远程复现系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种脉象远程复现系统，脉象采集装置用于采集人体的脉象信息，并将采集到的所述脉象信息通过网络发送至数字滤波器；数字滤波器用于对脉象信息进行滤波，并将滤波后的脉象信息发送至数模转换电路；数模转换电路用于将滤波后的脉象信息转换成模拟信号，并将模拟信号发送至信号选择放大电路；信号选择放大电路用于将模拟信号中的脉象信号进行放大，并将放大脉象信号发送至功率放大电路；功率放大电路用于将输入的放大脉象信号的功率进行放大，并输出放大功率脉象信号，放大功率脉象信号作为脉跳仿生机构的驱动信号，利用脉跳仿生机构将人体的脉象进行复现。通过本发明的上述系统真实还原人体脉象，实现远程实时的诊断。

Description

一种脉象远程复现系统
技术领域
本发明涉及医疗辅助技术领域，特别是涉及一种脉象远程复现系统。
背景技术
随着互联网技术的快速发展，中医的望闻问切通过视频技术非常容易实现，但是远程脉诊，没有很好的解决，其主要原因是脉象复现难度大。如何利用现代科学技术真实的复现脉象信息是远程脉诊的关键技术，远程脉诊可以减少患者的就医时间，对中医的发展具有很大意义。
近些年对于脉诊的研究主要集中在对脉象信号的提取与图形化分析，企图通过对脉象信号数字图像的分析得到与中医脉诊一致的结果。中医脉诊是我国医务工作人员长期实践的历史积累，需要医务人员长期的临床经验才能判断出准确的脉诊结果。然而图形化的脉诊信号分析并不能让传统中医直接地参与到对被把脉者的脉象诊断过程中。因此，本领域亟需一种脉象远程复现系统，以实现使用人员和远端诊断人员的远程脉诊。
发明内容
本发明的目的是提供一种脉象远程复现系统，真实还原人体脉象，能够远程实现实时的切脉与诊断。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种脉象远程复现系统，包括：
依次连接的脉象采集装置、数字滤波器、数模转换电路、信号选择放大电路、功率放大电路和脉跳仿生机构；
所述脉象采集装置用于采集人体的脉象信息，并将采集到的所述脉象信息通过网络发送至所述数字滤波器；所述数字滤波器用于对所述脉象信息进行滤波，并将滤波后的脉象信息发送至所述数模转换电路；所述数模转换电路用于将所述滤波后的脉象信息转换成模拟信号，并将所述模拟信号发送至所述信号选择放大电路；所述信号选择放大电路用于将所述模拟信号中的脉象信号进行放大，并将放大脉象信号发送至所述功率放大电路；所述功率放大电路用于将输入的放大脉象信号的功率进行放大，并输出放大功率脉象信号，所述放大功率脉象信号作为所述脉跳仿生机构的驱动信号，利用所述脉跳仿生机构将人体的脉象进行复现。
可选的，所述脉跳仿生机构包括：音圈电机、仿生动脉和仿生皮肤；所述仿生动脉放置于所述音圈电机的动子上；所述仿生皮肤覆盖于所述仿生动脉上；
所述放大功率脉象信号作为所述音圈电机的驱动信号，驱动所述音圈电机中动子的运动，使所述仿生动脉跳动，带动所述仿生皮肤的振动，从而使人体的脉象复现。
可选的，所述脉象远程复现系统还包括：输出功率调节和电机保护电路；所述输出功率调节和电机保护电路与所述音圈电机连接，所述输出功率调节和电机保护电路用于对所述音圈电机的功率进行调节，并对所述音圈电机进行限流保护。
可选的，所述脉跳仿生机构还包括：音圈电机固定底座和音圈电机固定支架；所述音圈电机固定支架的一端固定于所述音圈电机固定底座上，所述音圈电机固定支架的另一端用于将所述音圈电机固定于所述音圈电机固定底座上。
可选的，所述数字滤波器为IIR数字滤波器。
可选的，所述信号选择放大电路包括依次连接的无源RC低通滤波器、无源RC高通滤波器和双运算放大器；所述无源RC低通滤波器和所述无源RC高通滤波器构成带通滤波器，用于对输入的所述模拟信号进行滤波输出脉象信号，所述双运算放大器用于对所述脉象信号进行放大。
可选的，所述功率放大电路包括运算放大器和NMOS管。
可选的，所述音圈电机为圆柱型音圈电机。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明将采集的人体脉象信息通过网络发送到数字滤波器，经过数字滤波器、数模转换电路、信号选择放大电路、功率放大电路和脉跳仿生机构将人体的脉象信号反演和复现，真实还原人体脉象，能够实现远程实时脉诊，不受时间、空间、距离的限制，更加方便、高效与安全。
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为本发明所提供的一种脉象远程复现系统的结构示意图；
图2为本发明所提供的低通滤波器仿真结果示意图；
图3为本发明所提供的单片机的程序流程图；
图4为本发明所提供的数模转换电路原理图；
图5为本发明所提供的信号选择放大电路图；
图6为本发明所提供的功率放大电路图；
图7为本发明所提供的输出功率调节和电机保护电路图；
图8为本发明所提供的音圈电机连接图；
图9为本发明所提供的音圈电机原理图；
图10为本发明所提供的支架示意图；
图11为本发明所提供的脉跳仿生机构示意图。
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。
本发明的目的是提供一种脉象远程复现系统，真实还原人体脉象，能够实现远程实时的诊断。
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。
图1为本发明所提供的一种脉象远程复现系统的结构示意图，如图1所示，本发明一种脉象远程复现系统，包括：依次连接的脉象采集装置、数字滤波器、数模转换电路、信号选择放大电路、功率放大电路和脉跳仿生机构。
所述脉象采集装置用于采集人体的脉象信息，并将采集到的所述脉象信息通过网络发送至所述数字滤波器；所述数字滤波器用于对所述脉象信息进行滤波，并将滤波后的脉象信息发送至所述数模转换电路；所述数模转换电路用于将所述滤波后的脉象信息转换成模拟信号，并将所述模拟信号发送至所述信号选择放大电路；所述信号选择放大电路用于将所述模拟信号中的脉象信号进行放大，并将放大脉象信号发送至所述功率放大电路；所述功率放大电路用于将输入的放大脉象信号的功率进行放大，并输出放大功率脉象信号，所述放大功率脉象信号作为所述脉跳仿生机构的驱动信号，利用所述脉跳仿生机构将人体的脉象进行复现。
所述脉跳仿生机构包括：音圈电机、仿生动脉和仿生皮肤；所述仿生动脉放置于所述音圈电机的动子上；所述仿生皮肤覆盖于所述仿生动脉上；所述放大功率脉象信号作为所述音圈电机的驱动信号，驱动所述音圈电机中动子的运动，使所述仿生动脉跳动，带动所述仿生皮肤的振动，从而使人体的脉象复现。
所述脉跳仿生机构还包括：音圈电机固定底座和音圈电机固定支架；所述音圈电机固定支架的一端固定于所述音圈电机固定底座上，所述音圈电机固定支架的另一端用于将所述音圈电机固定于所述音圈电机固定底座上。
所述脉象远程复现系统还包括：输出功率调节和电机保护电路；所述输出功率调节和电机保护电路与所述音圈电机连接，所述输出功率调节和电机保护电路用于对所述音圈电机的功率进行调节，并对所述音圈电机进行限流保护。
所述数字滤波器为IIR数字滤波器。
所述信号选择放大电路包括依次连接的无源RC低通滤波器、无源RC高通滤波器和双运算放大器；所述无源RC低通滤波器和所述无源RC高通滤波器构成带通滤波器，用于对输入的所述模拟信号进行滤波输出脉象信号，所述双运算放大器用于对所述脉象信号进行放大。
所述功率放大电路包括运算放大器和NMOS管。
所述音圈电机为圆柱型音圈电机。
下面对系统中的各部件进行详细论述：
(1)数字滤波器
在已有脉象采集装置的基础上，采集到的脉象信息通过网络传输到脉象远程复现系统的控制器，再由控制器设计数字滤波器，去除脉象信息中的呼吸波以消除由此带来的基线漂移。本发明借助MATLAB工具，得到了数字滤波器的具体参数，最后由C语言实现。
数字滤波器的功能实质是将一组输入序列通过一定的算法后转变为另外一组输出数字序列。IIR数字滤波器是一类递归型的线性时不变因果系统，其二阶差分方程可以写为：
y(n)＝b0x(n)+b1x(n-1)+b2x(n-2)-a1y(n-1)-a2y(n-2)
其中，n是该滤波器的级数，本发明采用IIR数字滤波器，其阶数为2，即n＝2。y(n)是滤波器n时刻的输出序列，x(n)是滤波器n时刻的输入数据，x(n-1)是滤波器n-1时刻的输入数据，y(n-1)是滤波器n-1时刻的输出序列，x(n-2)是滤波器n-2时刻的输入数据，y(n-2)是滤波器n-2时刻的输出序列，b0,b1,b2,a1,a2是该滤波器的系数，滤波器系数决定了每个输入和输出对该系统的贡献大小。
呼吸波频率集中在0.5Hz，MATLAB的fdatool工具，设置其采样频率Fs＝250Hz，截止频率Fc＝0.5Hz。参数设置好后即可自动生成所要求的滤波器，并可查看生成滤波器的系数为，b0＝1,b1＝-2,b2＝1,a1＝-1.9822,a2＝0.9824，增益G＝1。
按照以上参数，滤波器的差分方程变为：
y(n)＝x(n)-2x(n-1)+x(n-2)+1.9822y(n-1)-0.9824y(n-2)。
通过该差分方程，得到低通滤波器的具体结构，在Simulink中搭建好仿真模型，继而得到仿真结果，仿真结果如图2所示。由仿真结果可知该数字滤波器可以有效地滤除人体呼吸波带来的基线漂移问题，根据该数字滤波器的差分方程可以进一步得到该数字滤波器的传递函数。为了能够在单片机上实现数字滤波功能，本发明根据得到的相关函数关系，采用C语言编写相关程序，最后移植到STM32的MCU中，单片机的程序流程图如图3所示。
(2)数模转换电路
本发明中经过单片机输出的数字信号无法直接驱动脉跳仿生机构，需要先把数字信号转换为模拟信号。本发明采用的DAC芯片是DAC8554，具体的数模转换电路(DAC电路)原理图如图4所示。
(3)信号选择放大电路
信号选择放大电路如图5所示，由DAC电路输出的是脉象模拟电压信号，由于信号在传输中还容易引入其它噪声，而人体脉象信号主要集中在0.1-40Hz之间的信号，信号选择放大电路的作用是针对此部分信号进行放大外，还将滤除此信号频带宽度以外的噪声信号，该信号选择放大电路利用无源RC滤波网络组成带通滤波器进行信号的选择，其原理是通过串联无源RC低通滤波器和无源RC高通滤波器组成带通滤波器，只允许特定频段的信号通过，而衰减该频段以外的所有信号。
假设无源RC低通滤波器的截止频率为fH，无源RC高通滤波器的截止频率为fL，则带通滤波器允许频段为(fH-fL)，本发明采用的二阶无源RC低通滤波器能获得更好的低通滤波效果，其截止频率fH由以下公式得到：
Figure BDA0002521508780000061
其中，R＝R1＝R2,C＝C1＝C2。
无源RC高通滤波器的截止频率由以下公式确定：
Figure BDA0002521508780000062
本发明的信号放大电路采用双运放LM358来实现，一个作射极跟随器，提高信号信噪比，一个作同相比例运算，其放大倍数可根据以下公式获得：
Figure BDA0002521508780000063
(4)功率放大电路
由于信号选择放大电路输出的模拟信号输出功率不够，不能直接驱动音圈电机，而音圈电机是电流控制的器件，因此需要对信号选择放大电路输出信号的功率进行放大。为了满足驱动功率需求，音圈电机的功率放大电路(驱动电路)如图6所示。本发明的驱动电路的设计是采用运算放大器和NMOS管组成的电压源转电流源电路。过电流大小为I＝InPut2/R6，InPut2为电压源转电流源电路中放大器的同向输入端电压，R10为功率采样电阻。
(5)输出功率调节和电机保护电路
脉象信号通过音圈电机的输出响应得以复现，如果前端采集系统得到的脉象信号幅值过大或过小，都将影响后端脉象复现系统的准确性。本发明采用可调节音圈电机输出功率的设计，方便后期使用者调节音圈电机的响应力度。输出功率调节和电机保护电路如图7所示，采用LM2596-ADJ芯片作为可调输出功率电路的核心，最大输出电压12V，最大输出电流3A，输出电压由以下关系确定：
Figure BDA0002521508780000071
其中，R11为可调电阻，通过调节R11的阻值可以改变输出到音圈电机正极的电压大小，继而调节音圈电机的响应强度。
F1为电流保险丝，主要是起过载保护作用。保险丝会在电流异常升高到一定的高度和热度的时候，自身熔断切断电流，保护了电路安全运行，继而保护了音圈电机不会因为过大电流而烧毁。音圈电机驱动的电路的输出端与音圈电机的负极相连，如图8所示。
(6)脉跳仿生机构
常见脉象分为浮、沉、迟、数、滑、涩、虚、实、长、短、洪、微、紧、缓、弦、芤、革、牢、濡、弱、散、细、伏、动、促、结、代、大二十八种，各种脉象区分细致，差别较小。因此，要模拟人体脉象，必须能够精确区分各种脉象的不同，这就要求脉象的动作器的动作精度足够高。同时，为满足用户使用需求，动作器应小巧、轻便，体积不宜过大，本发明采用音圈电机作为脉跳信号发生器。音圈电机的结构类似于扬声器，作为一种反应频率最快的直驱式直线电机，它具有结构简单、高频响、高精度、高分辨率、高加速度、无接触、无磨损、零磁滞、低噪声和体积小等优点，具体的选择圆柱型音圈电机，其原理图如图9所示，音圈电机主要包括电线圈，永久磁铁，固定底座，线圈座。
由此种结构，可以得出音圈电机的动子推力公式：
F＝Bli＝kfi
其中，F为动子推力，B为磁钢产生磁场的磁感应强度，l为线圈在磁场中的有效总长度，i为线圈中通过的电流，kf为电机的力电转换系数。人体脉搏所处动脉为桡动脉，其直径在4mm左右，其搏动幅度大约在1mm左右，搏动强度一般小于0.5N。
由音圈电机的动子推力公式可知，音圈电机中电线圈的电流i发生变化时，电线圈周围产生相应变化的磁场。线圈的磁场与环形磁钢的磁场相互作用就能驱动动子的运动，继而改变音圈电机动子的推力F。因此可以通过控制电线圈电流的大小来控制音圈电机的动子运动。
音圈电机作为脉象动作的发生器拥有响应速度快，精度高等特点，为了模拟出中医脉诊过程，需要将脉跳动作器固定在支架上，支架的设计如图10所示。传统中医的把脉过程是对人体的寸脉、关脉和尺脉进行把脉分析，而现有的脉象信号采集装置采集的脉象信号也是采集寸脉、关脉和尺脉的脉象信息。因此脉跳信号发生器复现的也是寸脉、关脉和尺脉的脉象信息。
脉跳信号发生器由音圈电机组成，只能还原振动位移信号，并不能客观真实的还原中医把脉实际手感，因此需要在音圈电机的顶端设计一个仿生结构，以实现脉象信号的还原。具体的做法是在脉跳信号顶端放置一根类人体血管材料，然后在材料的顶端放置一层仿生皮肤，其中脉跳仿生机构示意图如图11所示，利用音圈电机、仿生血管和仿生皮肤组成的假体手臂，模拟中医脉诊的手感，实现中医脉诊的远端复现。
本发明结合中医脉诊方式，提出了一种可以在远端复现人体脉诊信息的装置系统。通过本发明可以让医生诊断更加方便、高效与安全，不受时间、空间、距离的限制，能实现远程实时的诊断；不仅能完成脉诊的核心诊断功能，还能充分利用各种时间进行诊断和病人复诊。因此，中医远程脉诊系统应运而生。
本发明针对目前国内外中医脉诊信息化研究现状和发展动态，提出了一种对中医数字化研究的另一途径，即一种脉象远程复现系统。相比于脉诊图像化的数字分析，本发明能够让中医直接参与到对被把脉者的实际脉诊过程中，且远端脉诊不受限于时间和空间的限制，使用人员可以随时随地的通过脉象远程复现系统灵活的安排使用时间和地点。本发明有利于中医远程系统的临床应用和中医的数字化发展。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (8)

1.一种脉象远程复现系统，其特征在于，包括：
依次连接的脉象采集装置、数字滤波器、数模转换电路、信号选择放大电路、功率放大电路和脉跳仿生机构；
所述脉象采集装置用于采集人体的脉象信息，并将采集到的所述脉象信息通过网络发送至所述数字滤波器；所述数字滤波器用于对所述脉象信息进行滤波，并将滤波后的脉象信息发送至所述数模转换电路；所述数模转换电路用于将所述滤波后的脉象信息转换成模拟信号，并将所述模拟信号发送至所述信号选择放大电路；所述信号选择放大电路用于将所述模拟信号中的脉象信号进行放大，并将放大脉象信号发送至所述功率放大电路；所述功率放大电路用于将输入的放大脉象信号的功率进行放大，并输出放大功率脉象信号，所述放大功率脉象信号作为所述脉跳仿生机构的驱动信号，利用所述脉跳仿生机构将人体的脉象进行复现。
2.根据权利要求1所述的脉象远程复现系统，其特征在于，所述脉跳仿生机构包括：音圈电机、仿生动脉和仿生皮肤；所述仿生动脉放置于所述音圈电机的动子上；所述仿生皮肤覆盖于所述仿生动脉上；
所述放大功率脉象信号作为所述音圈电机的驱动信号，驱动所述音圈电机中动子的运动，使所述仿生动脉跳动，带动所述仿生皮肤的振动，从而使人体的脉象复现。
3.根据权利要求2所述的脉象远程复现系统，其特征在于，所述脉象远程复现系统还包括：输出功率调节和电机保护电路；所述输出功率调节和电机保护电路与所述音圈电机连接，所述输出功率调节和电机保护电路用于对所述音圈电机的功率进行调节，并对所述音圈电机进行限流保护。
4.根据权利要求2所述的脉象远程复现系统，其特征在于，所述脉跳仿生机构还包括：音圈电机固定底座和音圈电机固定支架；所述音圈电机固定支架的一端固定于所述音圈电机固定底座上，所述音圈电机固定支架的另一端用于将述所音圈电机固定于所述音圈电机固定底座上。
5.根据权利要求1所述的脉象远程复现系统，其特征在于，所述数字滤波器为IIR数字滤波器。
6.根据权利要求1所述的脉象远程复现系统，其特征在于，所述信号选择放大电路包括依次连接的无源RC低通滤波器、无源RC高通滤波器和双运算放大器；所述无源RC低通滤波器和所述无源RC高通滤波器构成带通滤波器，用于对输入的所述模拟信号进行滤波输出脉象信号，所述双运算放大器用于对所述脉象信号进行放大。
7.根据权利要求1所述的脉象远程复现系统，其特征在于，所述功率放大电路包括运算放大器和NMOS管。
8.根据权利要求2所述的脉象远程复现系统，其特征在于，所述音圈电机为圆柱型音圈电机。
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