一种可分离式中医三部脉象采集组合手环装置的制作方法

本发明涉及中医脉象信号采集技术，尤其是涉及一种可分离式中医三部脉象采集组合手环装置。

背景技术：

中医四诊“望闻问切”是中国古代人民在寻求治病方法过程中积累的智慧结晶，脉诊是其中“切”所代表的内容，是传统中医学不可分割的重要组成部分。近年来，中医脉诊作为一种无创无痛检测手段，受到国内外人士的赞赏与欢迎。但中医脉诊也存在一些局限性，如在诊脉时仅凭指下感觉来判断脉象，主观性较强，容易与实际脉象情况存在偏差。此外，在中医诊脉方面的人才培养需要花费大量的人力物力，需要长期的实践经验，诊脉技巧难以得到言传和继承，不利于中医的发展和推广。因此，近年来国内外各种研究机构和学者展开了脉诊客观化研究，主要包括了脉搏信号的采集、信号处理和分析、脉象信号分类这三个方面的内容，逐步推进脉诊标准化、信息化和智能化的发展。

在脉诊客观化研究中，最重要的是脉诊装置的研制。传统中医在诊脉过程中，一般在病人手腕桡动脉处的寸口区域“寸关尺”三部进行三指搭脉，由于不同人的三部位置有差异，在搭脉过程中，中医需要调整手指位置，以找到正确的三部，然后通过“举、按、寻”即在三部施加不同的压力来感受脉搏的跳动，以达到辨别病症的目的。因此，在脉诊装置研制过程中，应当基于中医脉象理论和诊断方式，设计装置以满足功能需求。综上所述，关于脉诊装置的研究主要包括以下几个方面的内容：传感器的选择、传感器位置调整机构的设计、传感器加压机构的设计、装置整体机械结构及相关电路的设计。

在传感器选择方面，现有的脉诊装置使用较多的是压力传感器、光电传感器等。光电传感器在采集脉搏信号时，无法获得取脉压力信息，此外光电传感器测量的脉象信息主要是血管内血流容积的变化，这与传统中医手指感受到的脉搏振动强弱存在一定差异，两者之间的转换关系有待深入研究，因此脉象信息的缺失及脉象原理之间的差异使得光电传感器的发展存在一定局限性。在传感器位置调整方面，现有脉象压力采集装置中，测量单部脉象的较多，而用于测量三部脉象的装置，由于压力传感器尺寸较大，位置调整范围有限，难以准确找到寸关尺三部的位置。在脉象加压方面，主要有机械加压、气动加压、液体加压三种方式。目前采用气动加压或液体加压的脉象采集装置，均对手腕寸口区采用整体加压方式，即不能对三部分开进行压力调整，无法模拟传统中医三指搭脉寻脉手法。在采用机械加压方式时，需要电机、轴等零部件，制作而成的台式或腕带式装置，其体积尺寸和重量都比较大，不方便携带，此外，在寻找三部位置和进行加减压力时，测量前期的准备和调整时间较长，且操作不够简便，需要专业人员进行指导和完成采集工作，不利于脉诊智能化的发展，不适用于家居医疗。

技术实现要素：

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种可分离式中医三部脉象采集组合手环装置。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种可分离式中医三部脉象采集组合手环装置，该装置包括：

分离式组合手环：包括三个结构相同的脉象采集手环，每个脉象采集手环均包括腕带、粘扣带、设置在腕带上部用以相互连接并调整位置的位置调整机构、贴设在腕带内表面的气袋、设置在腕带内侧的脉象传感器以及设置在腕带内部电路板卡槽内的柔性电路板；

外围设备箱：包括箱体以及设置在箱体内的三个微型蠕动泵和单片机，所述的单片机通过微型蠕动泵控制气袋的充放气速度，并且通过柔性电路板获取脉象传感器采集到的压力信号。

所述的位置调整机构的正面开设有导向滑槽，背面设有导向片顶部设有用以固定导向片位置的定位螺钉。

所述的柔性电路板为信号处理电路板，其上依次设有一级放大电路、二阶无源带通滤波器、交流放大电路、直流放大电路、信号叠加电路和电压抬升电路，所述的一级放大电路与脉象传感器的输出端连接，所述的电压抬升电路的输出端通过杜邦线与单片机连接。

所述的一级放大电路通过ad620芯片进行放大，所述的单片机型号为stm32f103vet6，其内核为cortex-m3。

所述的微型蠕动泵通过泵安装固定件固定在箱体内，所述的单片机通过控制微型蠕动泵的无刷电机占空比和转向，调整微型蠕动泵的进出气速度以及转换进出气方向。

所述的脉象传感器为honeywell微型触力传感器，其型号为fss-smt系列fss005wngb。

该装置包括单个手环测试脉象模式和三个手环组合装配测试两种使用模式。

所述的单个手环测试脉象模式具体为：

11)装置穿戴：将手腕置于腕带上，传感器区域对准手腕寸口区，扣上粘扣带，使手环内圈贴合手腕一圈；

12)传感器位置调整：移动和旋转手环，使得传感器的探头对准手腕寸关尺的部位；

13)缓慢连续加压：上位机发送串口指令给单片机，控制气泵开始充气缓慢加压，脉象传感器将连续增大压力下的脉象信号发送给柔性电路板；

14)信号处理与发送：传感器信号经电路差分放大、滤波、交流放大、直流放大、叠加和电压抬升处理后，分别从电压抬升电路输出端获取脉象压力信号，从直流放大电路输出端获取取脉压力信号，将脉象压力信号和取脉压力信号经串口发送给上位机；

15)最佳取脉压力搜索：上位机根据接收到的信号，实时显示脉象信号曲线和取脉压力值，根据脉象信号曲线获取脉象信号峰峰值，即单周期脉象信号的最高点到该周期信号的底部基线之间的距离，选取峰峰值最大时对应的取脉压力为最佳取脉压力，所述的取脉压力大小f的计算式为；

其中，upulse为取脉压力信号电压值，u0为脉象传感器空载时，上位机测得的输出信号电压值，as为脉象传感器在5v供电下的灵敏度，au为电路取脉压力信号的放大倍数；

16)获取不同压力下的单部脉象数据：上位机根据最佳取脉压力，设定加压范围和划分压力段后，执行步骤13)和14)，其中，每一段压力下保持10s的测试时间，从而获取该压力下的稳定脉象数据，上位机根据稳定脉象数据得到单部脉象信号在不同压力下的数据。

所述的三个手环组合装配脉象模式具体为：

21)装置穿戴：将手腕置于拼接组合好的三部采脉手环装置的腕带上，手环传感器区域对准手腕寸口区，扣上关部的粘扣带，使手环内圈贴合手腕一圈；

22)传感器位置调整；移动和旋转手环，使得关位手环的传感器探头对准手腕关部，松开手环上的定位螺钉，移动寸位手环，使得寸位手环的传感器探头对准手腕寸部，扣上寸位手环粘扣带，并以同样方式调整尺位手环至手腕尺部；

23)缓慢连续加压：上位机发送串口指令给单片机，关位气泵开始充气缓慢加压，脉象传感器将连续增大压力下的脉象信号发送给柔性电路板；

24)信号处理与发送；关位传感器信号经电路差分放大、滤波、交流放大、直流放大、叠加和电压抬升处理后，分别从电压抬升电路输出端获取脉象压力信号，从直流放大电路输出端获取取脉压力信号，将脉象压力信号和取脉压力信号经串口发送给上位机；

25)最佳取脉压力搜索：上位机根据接收到的信号，实时显示脉象信号曲线和取脉压力值，选取峰峰值最大时对应的取脉压力作为关部最佳取脉压力；

26)获取不同压力下的三部脉象数据：上位机根据关位最佳取脉压力，设定加压范围和划分压力段，三部同时开始加压，将信号处理后发送给上位机，每一段压力下保持10s的测试时间，从而得到该压力下的稳定脉象数据，上位机根据所得数据得到三部脉象信号在不同压力下的数据。

在三个手环组合装配脉象模式下，通过定位螺钉和导向片调整手环之间的相对位置，用以确认寸关尺的位置，手环之间的相对位置在沿脉长方向和沿脉宽方向上可调，每个脉象采集手环沿脉长方向的调整范围为0-5.5mm，沿脉宽方向的调整范围为0-10mm。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

一、支持单部和三部采集：3个脉象采集手环完全相同，可使用单个手环，采集手腕寸口区单部脉象，也可组合使用，采集寸关尺三部脉象，满足家居医疗、实验研究等多种不同需求。

二、三部位置可进行调整：3个采集手环组合使用时，可通过螺钉和手环导向片调整手环之间的相对位置，找到正确的寸关尺位置。其中，手环之间的相对位置在两个方向上可调，一是沿着脉长方向，每一只手环调整范围0-5.5mm；二是沿着脉宽方向，每一只手环调整范围0-10mm。

三、三部压力独立可调，稳定可靠：采用三条气袋分别给三部的传感器进行加压，三部压力独立可调。与采用机械加压方式的台式采脉仪相比，本发明采用气动加压，手环腕带将气袋绑在手腕上，手部动作对气袋给传感器加减压力的影响减小。

四、佩戴方便舒适，便于携带：采集手环腕带的材料为覆膜软胶，信号处理板采用柔性电路板制作而成，气袋使用的材料为tpu。手环各零部件采用的材料柔软有一定弹性，佩戴在手腕上，操作简单，且可与皮肤很好地贴合。装置总体尺寸小，其中组合手环大小为30mm*65mm*48mm，外围设备箱体大小为130mm*130mm*90mm，总质量小于600g，比较轻便，方便携带。

附图说明

图1为本发明装置主要组成部分结构示意图。

图2为本发明单部采脉手环结构示意图。

图3为本发明柔性信号处理电路板外形示意图。

图4为本发明tpu气袋外形示意图。

图5为本发明三部采脉组合手环结构示意图。

图6为本发明三部采脉组合手环结构主视图。

图7为本发明图6中a-a剖面视图。

图8为本发明采脉装置外围设备箱体结构示意图。

图9为本发明传感器信号处理电路原理图。

图中标记说明：

1、粘扣带勾面，2、粘扣带毛面，3、电路板卡槽，4、柔性电路板，5、导向滑槽，6、定位螺钉，7、导向片，8、气袋气嘴，9、脉象传感器，10、气袋，11、腕带，12、箱体，13、安装螺钉，14、微型蠕动泵，15、泵出气口，16、泵进气口，17、气管室，18、箱盖，19、单片机及稳压模块，20、泵安装固定件。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例

如图1所示，本发明提供一种可分离式中医三部脉象采集组合手环装置，该装置主要由三部采脉组合手环、外围设备装置两部分组成。

三部采脉组合手环如图5所示，由3个单部采脉手环组成，单部采脉手环如附图2所示，包括粘扣带勾面1、粘扣带毛面2、电路板卡槽3、柔性信号处理电路板4、导向滑槽5、定位螺钉6、导向片7、气袋气嘴8、脉象传感器9、气袋10、腕带11。

外围设备装置如附图8所示，包括箱体12、安装螺钉13、微型蠕动泵14、泵出气口15、泵进气口16、气管室17、箱盖18、单片机及稳压模块19、泵安装固定件20。

脉象采集手环的气嘴8与外围设备装置的气泵出气口15通过气管相连接，脉象采集手环的信号处理电路板与外围设备装置的单片机模块通过杜邦线相连接。

脉象传感器9为honeywell微型触力传感器，型号fss-smt系列fss005wngb，压力测量范围5n，响应时间0.1ms，工作温度-40℃至85℃，在5v供电下，灵敏度为0.36mv/g，线性误差±0.5％span，重复性误差±0.2％span。该传感器精密可靠，灵敏度和精度高，线性度好，在量程范围内提供稳定的mv输出，适合脉搏微小压力测量。体积尺寸小，满足三部位测量要求，且存在一定位置调整空间，便于寻找不同受试者的正确的寸关尺三部位置。

柔性信号处理电路板4，电路部分包括一级放大电路、交流放大电路、直流放大电路、信号叠加电路、电压抬升电路。一级放大电路采用ad620芯片将传感器输出的微小信号进行初步放大，放大倍数为10倍。一级放大电路输出的信号经过二阶无源带通滤波器进入交流放大电路，带通截止频率为0.5hz～30hz。一级放大电路输出的信号经过低通滤波器进入直流放大电路，截止频率为0.1hz。信号叠加电路将交流放大后的信号和直流放大后的信号混合叠加。电压抬升电路将叠加后的信号电压调整到0v以上，以满足单片机adc采集范围需求。信号处理板采用柔性电路板制作，安装在手环腕带卡槽中后，可随腕带任意改变弯曲程度。

单片机19采用stm32f103vet6，其内核为cortex-m3，工作频率最高可达72mhz。本发明使用该单片机模块的dma、a/d转换、定时器、串行通信等模块。

微型蠕动泵14，采用12v无刷电机，流量范围1-95ml/min，其工作时产生的噪音较小，重量较轻，仅为90g左右。通过单片机调整电机的占空比、转向，可以调整泵的进出气速度、转换进出气方向。调整进出气速度可以满足缓慢加减压力和快速加减压力的要求，调整进出气方向，即可通过一根气管将气体充入或抽出气袋。

本发明按以下方式进行工作：

通过数字电源等方式给稳压模块供电15v，单片机模块、柔性电路板4、微型蠕动泵14均由稳压模块供电，电压分别为3.3v、5v、12v，传感器由信号处理电路板供电5v。系统工作时，蠕动泵14将气体充入或抽出气袋10，手环上的气袋通过膨胀和收缩，产生一定位移，将压力传递给脉象传感器9，传感器测得脉搏压力信号，信号经过柔性电路板4处理后，经单片机adc模块采集进入单片机，单片机将信号数据通过串口发送给上位机，由上位机对数据进行后处理。

本发明在使用时，有以下两种模式：

模式一，采用单个手环测试脉象时，包括以下步骤：

(1)装置穿戴。将手腕置于腕带装置上，手环传感器区域对准手腕寸口区，扣上粘扣带，松紧程度以手环内圈刚好贴合手腕一圈为宜；

(2)传感器位置调整。移动和旋转手环，使得传感探头对准手腕寸关尺某一部位；

(3)缓慢连续加压。上位机发送串口指令给单片机，气泵开始充气缓慢加压，脉象传感器将连续增大压力下的脉象信号发送给信号处理电路；

(4)信号处理与发送。传感器信号经电路差分放大、滤波、交流放大、直流放大、叠加、电压抬升等处理后，从电压抬升电路输出端获取脉象压力信号，从直流放大电路输出端获取取脉压力信号，将脉象压力信号和取脉压力信号经串口发送给上位机；

(5)最佳取脉压力搜索。上位机根据接收到的信号，实时显示脉象信号曲线和取脉压力值，由脉象信号曲线计算脉象信号峰峰值，即单周期脉象信号得最高点到该周期信号的底部基线之间的距离，选取峰峰值最大时对应的取脉压力为最佳取脉压力，取脉压力大小可由以下公式计算出：

其中，upulse为上位机获得的取脉压力信号电压值，u0为脉象传感器空载时，上位机测得的输出信号电压值，as为脉象传感器在5v供电下的灵敏度，au为电路取脉压力信号的放大倍数；

(6)获取不同压力下的单部脉象数据。上位机可根据最佳取脉压力，指定加压范围和划分压力段，执行(3)和(4)，其中，每一段压力下保持10s左右测试时间，以便得到该压力下的稳定脉象数据。最后，上位机根据所得数据进行处理，可得到单部脉象信号在不同压力下的数据。

模式二，采用三个手环组合装配测试脉象时，包括以下步骤：

(1)装置穿戴。将手腕置于拼接组合好的三部采脉手环装置上，手环传感器区域对准手腕寸口区，扣上关部的手环粘扣带，松紧程度以手环内圈刚好贴合手腕一圈为适宜；

(2)传感器位置调整。移动和旋转手环，使得关位手环传感探头对准手腕关部，松开手环上的定位螺钉，移动寸位手环，使得寸位手环传感探头对准手腕寸部，扣上寸位手环粘扣带。以同样方式调整尺位手环至合适位置，并扣上尺位手环粘扣带；

(3)缓慢连续加压。上位机发送串口指令给单片机，关位气泵开始充气缓慢加压，脉象传感器将连续增大压力下的脉象信号发送给信号处理电路；

(4)信号处理与发送。传感器信号经电路差分放大、滤波、交流放大、直流放大、叠加、电压抬升等处理后，从电压抬升电路输出端获取脉象压力信号，从直流放大电路输出端获取取脉压力信号，将脉象压力信号和取脉压力信号经串口发送给上位机；

(5)最佳取脉压力搜索。上位机根据接收到的信号，实时显示脉象信号曲线和取脉压力值。计算关位脉象信号峰峰值，计算峰峰值最大时对应的取脉压力f，即关部最佳取脉压力；

(6)获取不同压力下的三部脉象数据。上位机根据关位最佳取脉压力，指定加压范围和划分压力段，三部同时开始加压，将信号处理后发送给上位机，其中，每一段压力下保持10s左右测试时间，以便得到该压力下的稳定脉象数据，最后，上位机根据所得数据进行处理，可得到三部脉象信号在不同压力下的数据；

使用组合式手环采集脉象时，以上工作步骤可供参考，也可根据实际情况，给不同部位加减不同压力，以满足实验研究需求。

本发明的测试三部脉象的手环相互独立且完全相同，可单独使用，也可组合使用，手环各零部件采用柔性材料。其中手环腕带采用覆膜软胶材料制作，材料质地柔软有一定弹性，可与手腕皮肤较好贴合，传感器接线采用柔性板fpc制作而成，这样可集成在手环上，另外，本发明还采用微型蠕动泵，可对气袋充气，也可使电机反转将气袋内气体抽出，达到给传感器加减压力的目的，省去电磁阀，速度流量可调，充放气稳定。