一种脉象检测装置及其使用方法 【技术领域】
本发明涉及中医领域中的脉象检测，特别涉及一种脉象检测装置及其使用方法。
背景技术
中华医学在世界医学体系中占有着重要的地位，中医脉诊学在医学领域独树一帜，自成体系，有两千多年的历史。诊脉是中医诊断的常用手段，并且积累了丰富的经验，成为中医中有代表性的极为珍贵的遗产。
脉象是指医生按脉时，脉搏跳动应指的形象。它综合反映了脉位的深浅、至数的快慢、节律的均匀、形状的大小与长短、力量的强弱，以及脉搏的来势是否流利等等。脉诊的任务就是通过诊察脉搏的位、数、形、势与其性质的变化，以达到辨识病证的部位、性质和机体正邪盛衰的情况。
人们进行中医脉象客观检测的研究已有几十年的历史，20世纪50年代我国学者朱颜首次将杠杆式脉搏描记器引入中医脉诊的研究，自20世纪70年代至今，研究人员已研制出种类繁多的传感器来采集并记录脉搏信号，它们的基本原理都是利用传感器代替中医手指切脉以提取中医脉象的部分特征信息，并将其转换成电信号，然后进行采集和处理。
在众多传感器中，主要存在以下几类：
1、光电式传感器
光电容积描记法用于测量脉搏波(包括在示波法血压测量中的脉搏波)，其原理是利用光电信号来测量脉搏容积的变化。当血管内血容量变化时，组织对光的吸收程度相应发生变化，利用光电式传感器可测出这种变化，该变化反映出血液脉动的基本参数情况(包括频率、幅度、脉搏波形状的改变)。
采用光电式传感器进行脉象检测时，将发光二极管和光敏晶体管分别放在组织的两边(透射法)，或同一侧(反射法)，当被测处血管中的血液流动改变时，此处组织的透光率和反射率随之变化，光敏晶体管就可将此时引起的光线变化转换成相应的电信号。
光电式传感器的一种典型应用如专利号为92113134.8，名称为“脉象仪”的中国专利。该专利使用复合式取压探头，通过光电式传感器取得脉象信息，但其具有较大的机械结构设计。
2、固态压阻传感器
固态压阻传感器有多种实现方式，采用聚偏二氟乙烯(PVDF)材料的固态压阻传感器是现今较为流行的一种固态压阻传感器。与PZT压电陶瓷相比，聚偏二氟乙烯材料的压电常数比PZT压电陶瓷高10～20倍，而密度只有它的1/4。聚偏二氟乙烯具有很高的强度与很宽的频率响应(0.1～10Mhz)，材料薄而柔软，并且有很好的时间和温度稳定性。
采用固态压阻传感器制成的半导体压阻传感器是一个极薄的多层膜片状结构的复合传感器，呈薄膜片形或指套形，指诊时将手指放在其上，能同时提供脉动和静压力讯号，传感器中的信号处理放大装置可分别放大脉象和静压力浮中沉讯号。这种传感器的固定部分可采取护腕方式，或手套、指套方式。
固态压阻传感器的一种典型应用如专利号为86107766，名称为“中医脉象检测装置”的中国专利，该专利中就使用到了PVDF压阻型传感器，但是其仍具有很复杂的测量机构和庞大的体积。
3，其他类型传感器
在实际应用中还出现了例如光线探头传感器，超声式传感器等其他类型的传感器。
在上述众多的传感器中，利用PVDF材料制成的固态压阻式传感器具有体积小巧、方便集成、灵敏度高等优点，其检测方法和特点与中医手指切脉的技术特点更为相近，其显示、记录的图谱更易为中医理解和接受，因此其更为人们所关注，用途更为广泛。但是这种传感器也存在零点漂移电压等问题，这些都影响到了电路设计和测试的可重复性和准确性，如何解决传感器的差异性直接决定采集装置的性能。
此外，按照中医的传统习惯，应当在病患者手腕寸、关、尺三个部位上同时检测中医脉象，才能得到更加全面的脉象信息。因此，就需要用寸部、关部和尺部三个脉象传感器同时进行检测的中医脉象检测装置，这样的检测装置称为三道中医脉象检测装置，有时简化为一个传感器依次在寸、关、尺三个部位上进行检测，称为单道中医脉象检测装置。
在进行脉诊时常使用举按法来寻找，诊断脉象。举按法是诊脉时经常使用的三种不同的指力和挪动手指，以探索脉象的一种手法。用轻指力按在皮肤上叫举，又叫浮取或轻取；用重指力按在筋骨间，叫按，又叫沉取或重取；指力不轻不重，还可亦轻亦重，以委曲求之叫寻。有种诊脉过程描述为“触脉时用力要由轻渐重，采用浮取、中取、沉取的三种方式，先别其脉的深度，再察其脉的速度，知其脉的强度，最后定其脉的属性。”，可见脉象诊断时，切脉压力的重要性。但目前的脉象采集装置中，大多数对切脉压力没有进行监控和定量的控制，这样就没有很好的体现出脉象采集时，浮取、中取、沉取的各自特点，同时也给在判断脉象幅度上带来了一定困难。
目前的众多脉象检测装置都具有很复杂的机械结构，体积很庞大，移动起来很笨重。数据传输方式局限在有线传输或是通过存储介质拷贝，因而给使用上带来了不便，同时这些装置的使用都是针对单次测量，无法做到实时监测。并且有些装置的人机交互信息很局限，界面很不友好，有些只能在上传至电脑后才能了解到相关测试状态，这样给脉象测量带来很大不便。在专利号为92113134.8的中国专利“脉象仪”中，采用复合式传感器，通过光电传感器进行脉象检测，压力传感器对切脉压力进行检测，但其结构采用了台架式结构，因而结构复杂而且笨重，没有良好的人机接口，数据传输不便。而在专利申请号为200610009639.1的中国发明专利“自动调节切脉压力的脉象检测装置及脉象特征提取方法”中提供了一种自动调节切脉压力的装置结构，实现了切脉压力的自动调节，可实现中医脉诊时浮取、中取、沉取手法，为分析脉象“位、形、势、数”等方面提供更准确的信息。但该装置通过光电传感器检测脉象信息，通过压力传感器来检测切脉压力，控制步进电机来实现切脉压力自动控制的功能，因而要求具有极其复杂的机械结构和笨重的体积，非常不便于测量，并且在装置中采用了三路的传感器调理电路，结构过于复杂。
【发明内容】
因此，本发明的目的是克服现有的脉象检测装置结构复杂、体积庞大、使用不便的缺陷，从而提供了一种检测性能全面、结构简单、重复性好的脉象检测装置。
为了实现上述目的，本发明提供了一种脉象检测装置，包括传感器输入模块、数据采集处理模块和辅助功能模块；还包括模拟信号调理模块，所述的模拟信号调理模块用于将从所述传感器输入模块得到的模拟信号进行调理，使其转换为适合模数转换的信号，并从所述模拟信号中提取用于检测切脉压力的直流成分；其中，
所述的传感器输入模块与所述的模拟信号调理模块连接；所述的数据采集处理模块与所述的模拟信号调理模块、辅助功能模块连接。
上述技术方案中，还包括数据传输模块，所述的数据传输模块用于传输所接收到的脉象数据。
上述技术方案中，所述的传感器输入模块包括三个脉象传感器和一个传感器输入接口，所述传感器输入接口用于对所述三个脉象传感器所输入的脉象信息做通道选择，以实现对所述脉象信息的分时采集。
所述的脉象传感器为PVDF压阻式脉象传感器。
上述技术方案中，模拟信号调理模块从所述的传感器输入模块得到关于脉象信息的模拟信号后，首先对所述的模拟信号做初级差分放大，然后从初级差分放大的结果中提取直流成分，接着根据所述初级差分放大的结果以及所述的直流成分做次级差分放大，最后对次级差分放大的结果和所述直流成分分别进行电压调整。
上述技术方案中，所述的数据采集处理模块用于对所述模拟信号做模数转换。
上述技术方案中，所述的数据采集处理模块还对经过模数转换后的数字信号做数字滤波和/或数据压缩操作。
上述技术方案中，所述的辅助功能模块包括人机交互接口、切脉压力检测及控制单元以及环境温湿度测量单元。
所述的人机交互接口包括键盘输入单元、液晶显示单元和蜂鸣器控制单元。
上述技术方案中，所述的数据传输模块采用无线传输方式或有线传输方式或存储介质拷贝的方式。
一种脉象检测装置使用方法，包括以下步骤：
步骤1)、对脉象检测装置做初始化操作；
步骤2)、从脉象检测装置的传感器接收包含有脉象信息的模拟信号，并对所述模拟信号进行调理；
步骤3)、对经过调理的模拟信号做模数转换，并实时采集处理数字信号中的脉象数据；
步骤4)、对所采集的数据做实时数据处理，并通过有线网络或无线网络或存储介质进行传输。
上述技术方案中，所述的初始化操作包括：
步骤1-1)、为所述的脉象检测装置设定与脉象检测相关的环境参数；
步骤1-2)、为所述的脉象检测装置设定系统功能；
步骤1-3)、初始化脉象检测装置的检测环境。
上述技术方案中，所述的实时数据处理包括数字滤波和数据压缩。
本发明的优点在于：
1、本发明的脉象检测装置通过多个传感器实现了对寸、关、尺三个不同部位脉象信息的同步采集，可以更好的描述待测脉象特征，以供后端分析。
2、本发明通过模拟信号调理模块对传感器输出的信号进行有效的提取、放大，同时将信号调整到适合AD转换器采集的范围内，可以最有效地对脉象信号进行采集，消除传感器零点漂移的影响。
3、本发明提取传感器输出信号中的直流成分，通过对其分析可以判断出当前切脉压力的大小，因此可以对切脉压力大小进行相应控制，以得到一个稳定的测量压力，从而得到一个特定的测量环境。
4、本发明通过多个按键组合以及液晶屏的显示，构成了人机交互接口，通过人机界面可以实现对测量参数的设置以及功能的选择，同时可以从液晶屏幕上了解到系统当前的状态。
5、本发明中采用了无线网络作为通讯方式，可以使终端具有独立、轻便、小巧、可以随身携带等优点，适用于各种不同的测量需求。
6、本发明的脉象检测装置采用了诸如使用模拟开关控制电源供给，将多路复用器的一个通道设置为零输入等低功耗设计，使得本发明具有功耗低的优点。
7、本发明从脉象信号中提取出切脉压力的信息，与现有技术相比简化了电路结构，而且通过电路多路复用的方法实现了多路传感器共用一套调理电路，精简了本发明的系统电路。
【附图说明】
以下，结合附图来详细说明本发明的实施例，其中：
图1为本发明的脉象检测装置的系统框图；
图2为传感器输入模块的电路原理图；
图3为信号调理过程的示意图；
图4为模拟信号调理电路的原理图；
图5为数据采集与处理示意框图；
图6为无线网络结构示意图；
图7为电源供给模块的电路原理图；
图8为辅助功能模块功能框图；
图9为脉象检测装置的使用方法的流程图。
【具体实施方式】
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。
图1是本发明的脉象检测装置的一种最佳实施方式，它包括传感器输入模块101、模拟信号调理模块102、数据采集处理模块103、数据传输模块104、电源供给模块105以及辅助功能模块106。其中，电源供给模块105分别与传感器输入模块101、模拟信号调理模块102、数据采集处理模块103、数据传输模块104、辅助功能模块106连接；传感器输入模块101还与模拟信号调理模块102连接；数据采集处理模块103还与模拟信号调理模块102、数据传输模块104、辅助功能模块106连接。
传感器输入模块101的作用是采集人体脉象数据，该模块由三个脉象传感器和一个传感器输入接口组成。三个脉象传感器分别用于采集寸、关、尺三个部位的脉象数据，它们与传感器输入接口连接。图2是传感器输入模块101的电路原理图，从图中可以看出，传感器输入模块可通过三个脉象传感器201和一个多路复用器202实现。脉象传感器所接收到的三路信号进入多路复用器202后，由多路复用器202对三路信号实现通道切换，以利于后端的数据采集处理模块103对三路脉象信号的分时采集。上述多路复用器202的最后一个通道可设置成零输入状态，这样在使用中可通过将通道切换到最后一个通道来降低模拟部分的功耗。本模块中所采用的脉象传感器可以有多种实现方式，在本实施例中可采用PVDF压阻式脉象传感器，固定在附有切脉压力控制机构的脉象采集装置上，组成脉象信息采集前端。该脉象信息采集前端一般还具有对脉象采集时的切脉压力进行控制的相关装置。在一个实施例中，脉象信息采集前端包括一个充气护腕，在该充气护腕的内侧安装有PVDF压阻式脉象传感器，在充气护腕上还安装有电磁阀和气泵，在电磁阀和气泵的控制下，可实现对充气护腕的充气和放气动作，从而完成对切脉压力的控制。本领域的技术人员应当明白，脉象信息采集前端的实现方式并不局限于上述实施例中所描述的实现方式，而对于脉象信息采集前端的实现也不是本申请所要说明的内容，因此，此处只做介绍性的简要说明。
模拟信号调理模块102的作用是对传感器输入的模拟信号进行调理，使其转换成适合于后段AD转换的信号，同时从信号中提取出直流成分，用于切脉压力的检测。
在前文中已经提到，在本实施例中，所采用的传感器为PVDF压阻式脉象传感器，该传感器可由电压或电流驱动产生正比于输入压力的毫伏等级电压输出信号，但同时也会存在一个-25mV到+25mV之间的一个零漂电压。采集脉象信息时，由脉象传感器输出的模拟信号可以看成一个直流成分和一个弱小时变信号的叠加，其中的弱小时变信号就是待测的脉象信息，因此必须对其进行放大处理，同时还要消除直流成分的影响，所以进行信号调理就成为必须要做的工作，同时调理的好坏直接影响整体效果。
图3对本实施例中的模拟信号调理的过程做了说明，从图中可以看出，当从传感器输入模块101得到模拟信号后，模拟信号首先进行初级的差分放大301，从初级差分放大结果中提取直流成分302，然后根据直流成分和初级差分放大结果做次级差分放大303，最后将次级差分放大结果和直流成分分别进行电压调整304。
根据上述的模拟信号调理过程，模拟信号调理模块102在本实施例中可通过一个模拟信号调理电路实现。如图4所示，模拟信号调理电路由两个仪表放大器、一个反向放大器、一个加法器、三路积分器以及一个多路复用器和一个稳压基准组成，实现了差分信号的输入、放大、去直流，以及对信号中的直流成分进行提取的功能。下面结合图4，对模拟信号的调理过程中模拟信号调理电路各个部分所要完成的操作做详细说明。
由前端的传感器输入模块101输入模拟差分信号后，通过图4中最左端的第一仪表放大器401实现对模拟差分信号的放大，然后将放大后的信号分成两路分别进行处理，其中一路通过一个1:1的反向放大器402，输入第二仪表放大器403，另一路则通过多路复用器404和积分器405实现对三路不同模拟信号的分别积分，积分后所得到的结果为信号中的直流成分，所得到的直流成分分别被传送到第二仪表放大器和加法器406上；经过1:1反向放大器所得到的脉象的模拟差分信号与积分所得的直流成分通过第二仪表放大器做差分放大处理，从而实现脉象的模拟差分信号的放大，同时去除其中直流成分的影响，以得到较好的脉象波形；稳压基准407分别与第二仪表放大器和加法器连接，稳压基准与第二仪表放大器连接的目的是为去直流后的脉象的模拟差分信号叠加了一个已知的直流成分，用于确保输出的信号处于后端AD采集的电压范围内，稳压基准与加法器连接的目的是使得积分得到的直流成分通过加法器时，可叠加一个已知的直流成分，以确保处理后的信号处于后端AD采集电压范围内。
数据采集处理模块103的作用是对调理后的模拟信号进行模数(AD)转换，并进行一定数字处理。如图5所示，在本实施例中，数据采集处理模块103主要完成了包括AD转换501、数字滤波502以及数据压缩503在内的功能。数据采集处理模块103可通过一个多点控制单元(MCU，Micro Controller Unit)实现，多点控制单元在本领域中也被称为单片微型计算机，它是将计算机的CPU、RAM、ROM、定时数器和多种I/O接口集成在一片芯片上，形成芯片级的计算机，为不同的应用场合做不同组合控制。
AD转换是通过MCU内部的AD转换器实现，MCU内部含有一个10位的逐次比较的AD转换器。通过对脉象信息的分析知道，MCU内的AD转换器可满足系统数据采集的要求。
数字滤波以及数据压缩都可通过对MCU做软件编程实现。数字滤波对AD转换后的数据进行初步处理，用于消除明显误差的影响，其中，所要完成的初步处理包括平滑滤波(去异浮动平均窗)等。
对数据进行数据压缩主要是通过压缩数据的体积来减小后端数据传输时对带宽的占用量。数据压缩有多种实现方式，经过对脉象数据的分析以及对多种压缩算法的分析、实践比较，在本实施例中选择了数据挤压算法来实现脉象数据的无损压缩。但本领域的普通技术人员都应当理解，采用其他的数据压缩算法也可应用于本发明中。
上文中，作为一种最佳实施方式，数据采集处理模块103包括了AD转换、数字滤波以及数据压缩在内的多项功能，但在其他实施方式中，根据实际需要，也可省去除AD转换外的其他一项或两项功能。
数据传输模块104用于实现对数据的传输，在本实施例中，数据传输模块104就是无线传输模块，它通过无线网络对经过压缩后的数据进行数据传输。无线传输部分包括射频发射、接收、PLL合成、FSK调制解调、可编程控制等多种功能。
图6是无线网络的示意图，从图中可以看出，通过无线传输，本发明的脉象检测装置可以把数据上传至PC机上，进而在以太网络上实现数据共享，以供深度挖掘使用。同时还可以由多个终端以及路由组成无线传感器网络，以进行数据融合、自组织网络、协同工作等处理，实现特定监控等应用。
在本实施例中，以无线传输方式作为最佳实现方式，但同样的，也可以采用传统的有线传输或是通过存储介质拷贝的方式，或是将上述多种传输方式组合在一起使用。
电源供给模块105的作用是控制对整个系统各模块的电源供给，同时尽量降低系统的功耗。图7是电源供给模块105在一个实施例中的电路原理图，从图中可以看出，电源供给模块105可提供以下种类的模块电源：LcdVCC(液晶显示屏的电源)、TemHumVCC(温湿度传感器的电源)、PumpVCC(气泵的电源)、AnalogVCC(模拟电路部分电源)、SensorVCC(脉象传感器电源)。电源供给模块105通过电源控制信号控制多路模拟开关701以实现到各个模块电源的通断。其中，对于模块电源AnalogVCC(模拟电路部分电源)需要通过电压转换芯片702实现电压转换，对于模块电源SensorVCC(脉象传感器电源)除了需要通过电压转换芯片实现电压转换外，还需要通过稳压芯片703进行稳压处理。电源供给模块105中所采用的多路模拟开关701可用于控制电源的供给，当系统不工作时，可通过多路模拟开关701关闭相关模块的电源供给，以达到降低功耗的目的。
辅助功能模块106的作用是完善系统功能，为系统的使用与控制提供帮助。图8是对辅助功能模块106的功能框图，由图可知，辅助功能模块106包括人机交互接口801、切脉压力检测及控制单元802、环境温湿度测量单元803三个部分。
人机交互接口主要包括了键盘输入单元8011、液晶显示单元8012和蜂鸣器控制单元8013三个部分。键盘输入使得用户可以选择系统的具体功能以及输入具体的测量参数，方便用户设定相关设置。系统会通过液晶显示系统的相关状态，以及脉象波形的概括显示，使用户更好的掌握系统状态，方便用户进行测量。通过蜂鸣器，可以实现一些特定的警示作用。
切脉压力检测及控制单元802的作用是对传感器输入模块101端的脉象数据采集装置进行切脉压力的检测以及切脉压力大小的控制。图8表示了切脉压力检测及控制单元的一种实施方式，该实施方式与本实施例中所列举的脉象信息采集前端的实施方式具有相关性，它包括切脉压力检测模块8021、气泵控制模块8022、电磁阀控制模块8023。切脉压力检测模块将模拟信号调理模块102中所提取出的信号直流成分做AD转换，所得到的结果就是所要检测的切脉压力，切脉压力检测模块与气泵控制模块、电磁阀控制模块组成闭环控制，可以实现切脉压力的自动控制功能。气泵控制模块可以对传感器输入模块101中的直流气泵进行开关控制，通过给一个充气护腕进行充气动作，从而给脉象信息的测量提供了一个恒定的测量压力，这样通过改变恒定压力的数值，就可以实现脉象测量上的浮取、中取、沉取三种不同的采集方式。电磁阀控制模块可以对电磁阀的开关进行控制，以此实现充气护腕的充气和放气动作。切脉压力检测与控制单元1062配合一定的软件算法，可以实现测量时护腕自动充气、放气，达到一定测量压力，并在测量过程中维持恒定，使测量更为方便。切脉压力的自动判断，以及切脉压力检测通道的自动选择可以使系统具有更方便的使用性、更好的重复性以及准确性。
环境温湿度测量803可由系统的温湿度一体化传感器来实现，能对系统所在的环境进行温度、湿度的采集，并通过人机交互接口告知用户，使用户对环境有更好的了解。
在对本发明的脉象检测装置进行说明的基础上，参考图9，对该装置的使用方法做相关说明：
步骤00)、对脉象检测装置进行初始化操作，该初始化过程主要用于设定测量环境，包括设定切脉压力的采集通道、切脉压力大小、终端工作模式等。在背景技术部分已经提到，在脉象采集时根据切脉压力的大小可分为浮取、中取、沉取，因此，根据实际需要应当为脉象检测装置设定不同的切脉压力大小。此外，在切脉时需要在手腕寸、关、尺三个部位进行，因此还需要在初始化时设定切脉压力的采集通道。
初始化操作具体包括以下步骤：
步骤01)、设定与测量相关的环境参数，所述的环境参数包括切脉压力的大小及采集通道；
本步骤通过对参数的设置，可以实现切脉压力的自动控制等功能，为脉象信息的测量提供一个最适宜的环境。
步骤02)、设定脉象检测装置的系统功能；
从对脉象检测装置的前述说明可以知道，该装置具有多种功能，其中的部分功能之间不具有兼容性，例如，对脉象信息的单通道测量以及脉象信息的多通道同步测量间就不具有兼容性，而某些功能也可由用户决定是否采用，例如用户可选择是否采用同步显示功能，因此，在本步骤中，就要对这些可选择的系统功能进行设定。
步骤03)、初时化检测环境，包括程序初始化以及对脉象信息采集前端中的气泵和电磁阀进行控制相关装置的启动，使系统达到预设的测量环境。其中，电磁阀用于控制脉象信息采集前端的充放气开关操作，而直流气泵则可以实现脉象信息采集前端的充气动作。
步骤10)、收集脉象信号，对所收到的脉象信号进行调理；
在本步骤中，所收集的脉象信号为从传感器得到的模拟信号，对模拟脉象信号进行调理的过程已经在对模拟信号调理模块102的说明中做了详细说明，此处不再做重复性说明。脉象信号经过调理后变成适合模数转换的模拟信号。
步骤20)、对经过调理的脉象信号做模数转换，并根据初始化过程中对脉象检测装置的设定，实时采集处理脉象信息；
在初始化过程中已经提到，在脉象检测装置的功能设定时，用户可以选择对脉象信息做单通道测量或多通道同步测量，因此，在本步骤中，根据用户的设定，单通道或多通道同步采集脉象信息。在本步骤中，将经过调理的信号通过AD转换器转换成为数字信号后，再采集到MCU的微处理器中。
步骤30)、对所采集的数据做实时数据处理，并通过无线网络进行传输，具体实现步骤如下：
步骤31)、对采集的数据进行数字滤波；
由于采集到的数据难免会存在一定的误差，其中也会还有一些很明显的误差，因此需要通过数字滤波取出某些十分明显的测量误差。对错误数据的去除操作，有利于后续的无线传输及服务器端的数据处理。
步骤32)、进行数据压缩；
由于系统需要对脉象数据实时的采集，并且还要通过无线网络传输数据，因此很好的进行数据压缩就变的非常必要。
步骤33)、进行数据的无线传输。
最后就是将处理好的数据通过人机交互接口进行简略显示，同时把数据通过无线网络上传至服务器，以供进一步处理。