专利名称：自动调节切脉压力的脉象检测装置及脉象特征提取方法
技术领域：
本发明涉及医用传感装置，即一种基于多传感器融合使用的中医脉象检测装置，属于医疗仪器技术领域。
背景技术：
脉诊是中医四诊之一，在中医诊断中占有非常重要的地位。中医脉诊通常的做法是中医师用手指触压患者寸口桡动脉处寸、关、尺三个部位，通过手指施加浮、中、沉等不同的压力来感受患者脉搏波的变化。对应于浮、中、沉等压力而产生的一系列的包含了脉搏的浮沉、强弱、趋势、形状、宽度和节律等等信息的脉搏波，我们称之为脉象。从脉象信息中，医生可以知道脉搏是浮还是沉，是实还是虚，是大还是小，是快还是慢。通过这些信息，医生就可以了解病人的病理状态。但是这种传统的中医脉诊有很大的主观性；诊断的过程难以再现，并且很难学，花费几年甚至十几年才能掌握。
为了解决传统中医脉诊的缺点，多年以来，许多研究工作者在脉诊的客观化方面做出了不懈的努力。中医脉诊的客观化的关键是高质量脉象信号的获取。随着传感器技术的不断进步，已经设计出了越来越多的脉象传感器。其中典型的有中国专利89107657.3所涉及到的“医用脉诊传感装置”。该装置以感囊作为切脉的媒介，感囊接触人体的脉位，获取的脉象信号经传感体导管传输到压力传感器，然后通过压力传感器转换成电信号。该装置的不足之处在于采用普通压力传感器，所采集的脉形信号仅能为少数简单的脉象诊断提供依据，无法提取足够详尽的脉形信号，从而不能支持比较复杂的脉象诊断。中国发明专利86107766提出了一种“中医脉象检测装置”，该装置的缺点是由于测力敏感元件的刚性表面与柔软的人指表面的差异，该测力式换能器不能兼顾浮脉与中、沉脉的检测和诊断。中国发明专利申请00119603.0对专利86107766的方案进行了一定的改进，利用串联复合式脉象改善浮脉检测能力，但是由于在中、沉脉检测时使用单通道测力敏感元件，该方案无法为复杂脉象提供详细数字描述。中国专利98800694.4公布的“脉搏检测装置、博动检测装置及压力检测装置”，采用压电传感器来测量脉搏波；中国专利2003101005513.0公布的“中医脉诊传感系统”同样是采用压电传感器直接测量脉搏波。目前这些传感器反映的脉象信息都比较单一，而且存在定位不准的缺点，同样也不能实现切脉压力的自动调节。中医认为脉象主要有“位”、“形”、“势”、“数”等方面信息，客观化的脉象的特征也有研究，但是未见有数字特征提取方法的具体报道。
发明内容
为了解决现有的脉象检测装置无法实现切脉压力的自动调节及同时采集寸、关、尺三处脉管搏动的收缩和舒张位移信息，及传统的脉象特征提取方法无法同时为分析脉象“位、形、势、数”等各方面提供准确信息的问题，本发明提供了一种自动调节切脉压力的脉象检测装置及脉象特征提取方法，它主要融合了光电传感器及压力传感器来测量在不同的切脉压力下脉管收缩与舒张的位移信息。
本发明的中医脉象检测装置由自动加压机械装置、第一光电传感器、第二光电传感器、第三光电传感器、压力传感器、放大电路、A/D转换电路、中央控制电路和步进电机驱动控制器组成；自动加压机械装置主要包括内壳、外壳、三个光电传感器拖动架、压力传动架、步进电机和纵向连接部件，所述压力传感器的非感应端与所述步进电机的力矩输出轴通过所述纵向连接部件相连，所述压力传感器的压力感应端与所述压力传动架的底部中心点接触，并且所述压力传动架的侧壁与所述内壳固定连接，所述内壳的外侧壁与所述外壳的内侧壁纵向滑动连接，所述三个光电传感器拖动架位于所述压力传动架的下方，所述第一光电传感器、第二光电传感器和第三光电传感器分别固定在所述三个光电传感器拖动架的下端，所述三个光电传感器拖动架的底面分别固定连接在所述内壳的内底面上；所述第一光电传感器、第二光电传感器、第三光电传感器和压力传感器的数据输出端分别连接放大电路的四个输入端，所述放大电路的模拟信号输出端连接所述A/D转换电路的输入端，所述A/D转换电路的数据输出端连接所述中央控制电路的数据输入端，所述中央控制电路的电机控制信号输出端连接所述步进电机驱动控制器的控制信号输入端，所述步进电机驱动控制器的驱动信号输出端连接所述步进电机的电源输入端。
采用本发明的检测装置获取的寸、关、尺三处脉搏波的脉象特征提取方法包括脉搏静态特征的提取方法和脉搏动态特征的提取方法。其中脉搏波静态特征的提取方法按以下步骤进行一、输入含有伪峰的脉搏波，利用波峰高度比(Proportion to Peak’s Height，PPH)来检测脉象周期的个数和每个周期的峰的个数；二、检测上述脉搏波的起点和终点，并计算它们的周期；三、找到每个周期的最高值即为主峰，并分别求出它们的主波峰幅值和脉搏波起点到主波峰点的时值(对应于左心室的快速射血期)；四、判断第一步获得的脉搏波形的每个周期的峰的个数是否大于等于三；五、如果第四步的判断结果是肯定的，则根据每个周期的主峰位置向后搜索找到第一个谷点即为主波峡，并分别求得它们的主波峡幅值；六、根据每个周期的主波峡位置向后搜索找到第一个峰点即为重搏前波，并分别求得它们的重搏前波的幅值和重搏前波的峰高；七、根据每个周期的重搏前波峰位置向后搜索找到第一个谷点即为降中峡，并分别求得它们的降中峡的幅值、脉搏波起点到降中峡之间的时值(对应于左心室的收缩期)、脉搏波形的收缩期面积、脉搏波形舒张期面积；八、根据每个周期的降中峡位置向后搜索找到第一峰点即为重搏波，并分别求得它们的重搏波的幅值及峰高；九、计算每个周期的主峰的宽度；十、在计算出来的一系列特征值中统计出其中值作为此脉象的静态特征；十一、如果第四步的判断结果是否定的，则判断第一步获得的脉搏波形的每个周期的峰的个数是否大于等于二，如果第十一步的判断结果是肯定的，则执行第七步至第十步；如果第十一步的判断是否定的，则执行第九步至第十步。上述脉搏波动态特征的提取按以下步骤进行01步、运用上述脉象静态特征的提取方法获得获得脉搏波每一个周期下的周期、主波峰幅值、主波峡幅值、重搏前波的幅值、重搏前波的峰高、峰的个数为一个特征序列，并计算上述特征序列的标准差；02步、对上述脉搏波分析图像进行傅立叶变换；03步、计算脉搏波频谱中3Hz以内的低频内容能量总和与介于5Hz到25Hz之间高频的能量总和之比；04步、用Meyer(迈耶)小波提取脉搏波频谱的包络；05步、检测脉搏波频谱包络中的最高峰和次高峰的位置及其幅度；06步、根据不同的切脉压力下的脉搏波，获得脉搏波取脉压力-幅值曲线；07步、从脉搏波取脉压力-幅值曲线中提取出来最大幅值所对应的取脉压力和最大幅值的80％处的脉压力-幅值曲线主峰宽度。
工作原理三个光电传感器分别对应着人体腕部的寸、关、尺三个部位，它们内部由发光二极管和光敏三极管组成，在检测脉象时由发光二极管发出的红外光经皮肤反射，会被光敏三极管接收，它们用的是波长为950nm的红外光，对氧合血红蛋白和血红蛋白非常敏感，可以捕捉到动脉血管壁的起伏波动，经过定标后具有非常好的线性特性；压力传感器放置在光电传感器的上方，用于获得切脉压力。所述中央控制电路9控制步进电机转动，步进电机的转动会通过电机轴和纵向连接部件带动压力传动架上下移动，压力传动架的移动会最终带动内壳体相对于患者腕部的上下移动，从而可以提供在检测脉象时所需的浮、中、沉等切脉压力，提供的压力大小通过中央控制电路闭环控制，采用经典的PID控制算法；压力传感器和三个光电传感器所得到的脉象模拟信号经过调理放大电路后送入到模数转换器中；中央控制电路产生A/D转换开始信号控制着模数转换器对信号进行采样，将模拟信号转换成数字信号，并负责将转换后的结果传送至所述中央控制电路中存储起来，并通过融合处理将检测到的脉象信息显示在屏幕上，便于操作者的观察。
本发明的特征提取方法利用装置获取的这些脉搏波的幅值同它们相应的切脉压力作出脉搏波取脉压力-幅值曲线。在本发明的方法提取的数字特征中，14个静态特征包括脉象时域波形形状方面特征，即图7和图8中的H1、H2、H3、H32、H4、H5、H54、t1、t4、As、Ad、W、T、脉搏波形峰的个数；13个动态特征包括5个频域特征(即频谱包络的最高、次高峰的峰的位置和幅度)、脉象的位(即脉搏波取脉压力-幅值曲线中最大幅值所对应的取脉压力)、势特征(即脉搏波取脉压力-幅值曲线中最大幅值的80％处所对应的曲线宽度)和6个静态特征的离散度特征(即H1、H2、H3、H32、T、脉搏波形峰的个数的离散度)；T和T的离散度可以表征脉搏波的数的特征。采用本发明的静态特征和动态特征的提取方法可以获得用于表征中医脉象中“位”、“形”、“势”、“数”等方面的准确信息。
发明效果本发明是一种以无创伤的方式获取脉象数据，并对其进行处理和分析的设备。本发明的检测装置采用光电传感器，与同样采用光电传感器的中国专利92113134.8公布的“脉象仪”相比，能够同时采集寸、关、尺三路的脉象，而且增加了自动调节切脉压力的装置，同时本发明的检测装置也可以附加超声传感器获取到血流速度的信息；本发明的特征提取方法可以获得脉象的静态参数和动态参数，它为分析脉象的“位”、“形”、“势”、“数”提供了精确的数字信息。本发明的装置携带方便，即插即用；本发明的方法融合了光电传感器和压力传感器的检测，将人体的脉象信息进行量化，实现了将传统中医脉象检测的主观性转变为客观。
图1是本发明的结构示意图；图2是本发明的自动加压机械装置1的剖面结构示意图；图3是图2的俯视图；图4是本发明具体实施方式
七的电路结构示意图；图5是本发明的脉搏波静态特征提取方法的流程图；图6是本发明的脉搏波动态特征提取方法的流程图；图7是脉图的形状参数，纵坐标表示幅值，图中H1为主波峰幅值，H2为主波峡幅值，H3为重搏前波的幅值，H32为重搏前波的峰高，H4为降中峡的幅值，H5为重搏波的幅值，H54为重搏波的峰高，T为脉搏波一个周期的时值，t1为脉搏波起点到主波峰点的时值，W为主峰的宽度；图8是脉图的面积参数，纵坐标表示脉搏波幅值，t4为脉搏波起点到降中峡之间的时值，As为收缩期面积，Ad为舒张期面积；图9是采用本发明的检测装置同时检测寸关尺三个部位的脉搏波图，横坐标表示时间(秒)，纵坐标表示脉搏波幅值；图10是采用本发明的检测装置在寸部获得的不同切脉压力下的脉象图，Z方向表示脉搏波幅值，X方向表示时间，Y方向表示切脉压力；图11是寸关尺三个部位脉象的脉搏波取脉压力-幅值曲线图，横坐标表示切脉压力，纵坐标表示脉搏波幅值；图12是具体实施方式
八中高度比PPH的示意图，图中h1、h2、h3为峰的幅值；图13是具体实施方式
八中高度比PPH-峰的个数N的关系曲线图。
具体实施例方式
具体实施方式
一参见图1和图2，本发明的中医脉象检测装置由自动加压机械装置1、第一光电传感器2、第二光电传感器3、第三光电传感器4、压力传感器5、放大电路7、A/D转换电路8、中央控制电路9和步进电机驱动控制器10组成；自动加压机械装置1主要包括内壳1-6、外壳1-5、三个光电传感器拖动架1-1、压力传动架1-2、步进电机6和纵向连接部件，所述压力传感器5的非感应端与所述步进电机6的力矩输出轴通过所述纵向连接部件相连，所述压力传感器5的压力感应端与所述压力传动架1-2的底部中心点接触，并且所述压力传动架1-2的侧壁与所述内壳1-6固定连接，所述内壳1-6的外侧壁与所述外壳1-5的内侧壁纵向滑动连接，所述三个光电传感器拖动架1-1位于所述压力传动架1-2的下方，所述第一光电传感器2、第二光电传感器3和第三光电传感器4分别固定在所述三个光电传感器拖动架1-1的下端，所述三个光电传感器拖动架1-1的底面分别固定连接在所述内壳1-6的内底面上；所述第一光电传感器2、第二光电传感器3、第三光电传感器4和压力传感器5的数据输出端分别连接放大电路7的四个输入端，所述放大电路7的模拟信号输出端连接所述A/D转换电路8的输入端，所述A/D转换电路8的数据输出端连接所述中央控制电路9的数据输入端，所述中央控制电路9的电机控制信号输出端连接所述步进电机驱动控制器10的控制信号输入端，所述步进电机驱动控制器10的驱动信号输出端连接所述步进电机6的电源输入端。压力传感器5为点接触式的传感器，能够灵敏的感受压力的变化，并将其转换成电压信号输出，其采用的型号为FSL05N2C；所述第一光电传感器2、第二光电传感器3和第三光电传感器4的内部都由发光二极管和光敏三极管组成，采用的型号为CNY70。
具体实施方式
二参见图1，本具体实施方式
与具体实施方式
一的不同点是所述脉象检测装置还包括超声传感器及接口模块11，所述超声传感器及接口模块11与所述中央控制电路9的血流检测信号输入端相连。其他组成和连接关系与具体实施方式
一相同。超声传感器用于测血流速度，血流速度减慢与血流阻力指数增加有一定的关系；本发明采用的超声传感器及接口模块11的型号为CBS-900。本发明第一次将光电传感器、压力传感器和超声传感器获得到的信息融合起来，从而量化了更多的中医的脉象信息，并且实现脉象检测装置对脉象“流利度”信息的获取。
具体实施方式
三参见图2和图3，本具体实施方式
与具体实施方式
一的不同点是所述自动加压机械装置1还包括三个传感器横向拖动螺杆1-10，每个光电传感器拖动架1-1的上端分别固定连接有一个传感器横向拖动螺杆1-10，所述传感器横向拖动螺杆1-10与光电传感器拖动架1-1的上端螺纹连接。其他组成和连接关系与具体实施方式
一相同。每个光电传感器在探头外侧都有一个传感器横向拖动螺杆1-10，可横向调节传感器的位置，用于精确定位传感器放置在寸、关、尺三部的位置；只有找到了准确的定位位置，才能使传感器对应着脉搏波动最强的位置。
具体实施方式
四参见图2和图3，本具体实施方式
与具体实施方式
一的不同点是在自动加压机械装置1中，所述纵向连接部件由传感器纵向拖动螺杆1-3-2、传动滑块1-3-1和第一螺钉1-4组成，所述传感器纵向拖动螺杆1-3-2的中心轴线与所述步进电机6的力矩传输轴6-1的中心轴线相重合，并且所述传感器纵向拖动螺杆1-3-2的上端与所述力矩输出轴6-1通过第一螺钉1-4径向固定连接，所述传动滑块1-3-1设有纵向通孔并且所述通孔的内圆表面设有内螺纹，所述传感器纵向拖动螺杆1-3-2下端的外圆表面与所述传动滑块1-3-1上通孔的上端内圆表面螺纹连接，所述传动滑块1-3-1上通孔的中心线与所述传感器纵向拖动螺杆1-3-2的中心轴线相重合，所述压力传感器5的非感应端粘接在所述传动滑块1-3-1的下端面上。其他组成和连接关系与具体实施方式
一相同。当电机输出轴转动时，传感器纵向拖动螺杆1-3-2也跟着转动，同时推动传动滑块1-3-1纵向运动给光电传感器加压或释放压力。在采用本发明的自动加压机械装置1检测脉象前，对它进行了加压的定标工作，使检测装置能够准确的确定对光电传感器施加压力的大小。
具体实施方式
五参见图2，本具体实施方式
与具体实施方式
一的不同点是所述自动加压机械装置1还包括托架1-7，所述托架1-7固定在所述外壳1-5的下端。其他组成和连接关系与具体实施方式
一相同。托架1-7侧面呈弧线型，便于人安装携带。托架采用表带式的设计，符合人体工学的设计，表带的使用减少了传感器与手腕的相对位移，使定位更准确。
具体实施方式
六参见图2和图3，本具体实施方式
与具体实施方式
一的不同点是所述自动加压机械装置1还包括两个第二螺钉1-9，所述压力传动架1-2的前后两个侧壁与所述内壳1-6的前后两个侧壁分别通过两个第二螺钉1-9固定连接，所述内壳1-6的左外侧壁1-6-2、所述外壳1-5的左内侧壁1-5-2、所述内壳1-6的右外侧壁1-6-1和所述外壳1-5的右内侧壁1-5-1上都设有纵向导轨，并且所述内壳1-6的左外侧壁1-6-2与所述外壳1-5的左内侧壁1-5-2纵向滑动连接，所述内壳1-6的右外侧壁1-6-1与所述外壳1-5的右内侧壁1-5-1纵向滑动连接。其他组成和连接关系与具体实施方式
一相同。设有纵向导轨的侧壁可以与内壳或外壳为一体，也可以是与内壳或外壳牢固粘接的带导轨的部件。
具体实施方式
七参见图1和图4，本具体实施方式
与具体实施方式
二的不同点是所述放大电路7由三组调理放大电路7-1和压力放大电路7-2组成，每组调理放大电路7-1都由零点调节电路7-1-1、第一级放大电路7-1-2、滤波电路7-1-3和第二级放大电路7-1-4组成，每组调理放大电路7-1的零点调节电路7-1-1的输入端连接与该组调理放大电路7-1相连的一个光电传感器的数据输出端，每组调理放大电路7-1的零点调节电路7-1-1的输出端与该组的第一级放大电路7-1-2的输入端相连，每组调理放大电路7-1的第一级放大电路7-1-2的输出端与该组的滤波电路7-1-3的输入端相连，每组调理放大电路7-1的滤波电路7-1-3的输出端与该组的第二级放大电路7-1-4的输入端相连，压力传感器5的数据输出端连接压力放大电路7-2的输入端；所述A/D转换电路8由A/D转换模块8-1、锁存器8-2、缓存器8-3组成，所述中央控制电路9由上位机9-2、USB接口模块9-3、下位机控制电路9-1组成，每组调理放大电路7-1的第二级放大电路7-1-4的输出端与A/D转换模块8-1的一个光电信号输入端相连，所述压力放大电路7-2的输出端连接所述A/D转换模块8-1的压力信号输入端，所述A/D转换模块8-1的数据输出端通过所述缓存器8-3分别与USB接口模块9-3、下位机控制电路9-1和锁存器8-2的数据输入端相连，所述下位机控制电路9-1的锁存信号输出端连接所述锁存器8-2的控制端，所述锁存器8-2的数据输出端连接所述A/D转换模块8-1的通道选择控制端，所述下位机控制电路9-1的缓存控制信号输出端连接所述缓存器8-3的控制端，所述下位机控制电路9-1的A/D转换控制信号输出端连接所述A/D转换模块8-1的控制端，所述下位机控制电路9-1的读、写信号输出端分别连接所述USB接口模块9-3的读、写控制端，所述下位机控制电路9-1的电机控制端连接所述步进电机驱动控制器10的控制信号输入端，所述USB接口模块9-3的数据端口连接所述上位机9-2的数据端口，超声传感器及接口模块11通过USB接口与所述上位机9-2的血流检测数据端口相连。上述A/D转换模块8-1采用型号为ADS7864Y的A/D转换芯片；上述锁存器8-2采用型号为SN54HC373的锁存芯片；上述缓存器8-3采用型号为HC244的缓存芯片；上述下位机控制电路9-1的主芯片为八位单片机P89C52，为了与A/D转换芯片相配合，则附加一个型号为LC4064V25T44-51的可编程逻辑器件来辅助单片机进行控制工作，它的作用是向锁存器输出锁存和输出使能控制信号，向缓冲器输出芯片使能控制信号，以及向A/D转换模块输出转换控制信号和数据读取信号，由于某些控制信号的电压不够，则还添加了一个型号为74HC004的升压芯片；上述USB接口模块9-3采用型号为PDIUSBD12的USB接口芯片；上述步进电机驱动控制器10采用型号为SAA1042V的驱动芯片。其他组成和连接关系与具体实施方式
二相同。压力信号经过一级放大送入模数转换器，而光电信号需要进过两级放大才能进入到模数转换器中。本发明的调理放大电路7-1中设有调零功能，以方便校准；它还能去除工频干扰及高频噪声，整个电路能确保脉象信号无失真。
具体实施方式
八参见图5，本具体实施方式
以获取寸部的脉象静态特征为例，其提取方法按以下步骤进行一、输入含有伪峰的脉搏波(从图9中分离出的寸部的脉搏波)，利用波峰高度比来检测脉象周期的个数和每个周期的峰的个数；二、检测上述脉搏波的起点和终点，并计算它们的周期；三、找到每个周期的最高值即为主峰，并分别求出它们的主波峰幅值和脉搏波起点到主波峰点的时值；四、判断第一步获得的脉搏波形的每个周期的峰的个数是否大于等于三；五、如果第四步的判断结果是肯定的，则根据每个周期的主峰位置向后搜索找到第一个谷点即为主波峡，并分别求得它们的主波峡幅值；六、根据每个周期的主波峡位置向后搜索找到第一个峰点即为重搏前波，并分别求得它们的重搏前波的幅值和重搏前波的峰高；七、根据每个周期的重搏前波峰位置向后搜索找到第一个谷点即为降中峡，并分别求得它们的降中峡的幅值、脉搏波起点到降中峡之间的时值、脉搏波形的收缩期面积、脉搏波形舒张期面积；八、根据每个周期的降中峡位置向后搜索找到第一峰点即为重搏波，并分别求得它们的重搏波的幅值及峰高；九、计算每个周期的主峰的宽度；十、在计算出来的一系列特征值中统计出其中值作为此脉象的静态特征；十一、如果第四步的判断结果是否定的，则判断第一步获得的脉搏波形的每个周期的峰的个数是否大于等于二，如果第十一步的判断是肯定的，则执行第七步至第十步；如果第十一步的判断是否定的，则执行第九步至第十步。
如图12所示，高度比(PPH)就是相对于峰的高度的系数。在第一步中利用波峰高度比来检测脉象周期的个数和每个周期的峰的个数的方法按以下步骤进行A、利用差分变换，求出脉搏波形的差分，找出脉搏波的所有波峰包括伪峰，并将它们的纵坐标和横坐标放在第一动态数组中，将峰的个数放到第二动态数组中，此时PPH＝0；B、设定高度比的增加步长，按此步长依次增加PPH，并对每一个记录在第一动态数组内的波峰的下降高度为PPH乘以此峰幅值处作一水平线，再分析此水平线与脉搏波的交点，若该水平线同本峰的上升支和下降支均相交，则保留此峰，即保留第一动态数组和第二动态数组不变，若该水平线不是与本峰的上升支和下降支都相交，则从第一动态数组中删除此峰，并将第二动态数组中峰的个数减1；C、直到将高度比PPH增加到1，则分别求出各个PPH值所对应的峰的个数N，绘出PPH-峰个数N的关系曲线图，如图13所示；D、从PPH-峰个数N的曲线图中求出曲线第一次出现平坦时对应的PPH值，此PPH值所对应的峰个数N即为所求脉搏波含有峰的个数(也就是图13中PPH为0.03所对应的峰的个数76)，PPH值为1时对应的峰的个数即为此脉搏波含有的周期数(也就是图13中PPH为0.08所对应的峰的个数38，即本具体实施方式
的脉搏波形有38个周期)，所求脉搏波每个周期的峰的个数为所求脉搏波含有峰的个数除以此脉搏波含有的周期数的值。图13显示了不同PPH下波形峰值的个数变化，在图13中显示的最平坦区域是峰值的个数38所对应的那段直线段。在图13中可以看到在大约76的位置，又出现了一小段水平的部分，这是因为每个周期除了有一个主峰外，一般还有一个次峰。这样就可以确定这段脉象是标准的二峰波，其他的小峰都可以去掉。知道脉搏波是几峰波后，就可以根据峰的个数来提取一些时域特征。本发明主要通过高度比对应的水平交线来确定峰的大小，以及判断峰是不是叠加在别的大峰基础上的小峰。如果是叠加在别的峰上那么水平交线肯定有一侧同另一峰的上升支或下降支相交；称此情况为此峰不满足此PPH水平。
脉搏波周期起点的检测方法首先使用阈值法找出差分曲线在每个周期里的刚过阈值的点，根据这些点在原始脉搏图中搜索到上一个差分最大值之间的第一个极小值，然后以此极小值点作为一个周期的开始点，即脉搏波起点。本发明选择脉搏波的波谷点(图8中的“a”点)作为脉搏波周期的开始。所以，在第二步中检测脉搏波起点的方法按以下步骤进行001步、根据脉搏波的原始采样数据序列X(N)利用差分变换获得一阶差分Y(n)Y(n)＝[X(n+1)-X(n-1)]/22＜n＜N-1(1)Y(1)＝Y(N)＝0 (2)其中，N为采样数据序列的长度；002步、使用大小为200个采样点的滑动窗计算出Y(n)的六个局部最大值{M1，M2，…，M6}(脉搏的采样频率为100Hz，而脉搏波的频率是介于48和180之间的，这样200个采样点就至少包括一个脉搏周期，本发明用一个200个采样点大小的滑动窗在脉搏波一阶差分数据中随机但不重复的找到6个最大值，即M1，M2，...，M6)；003步、按照公式(3)计算主峰的幅度阈值，公式(3)如下，幅度阈值＝[MIN-(MAX2-MIN2)]×0.9(3)其中，幅度阈值为主峰的幅度阈值，MIN＝min(M1，M2，…，M6)，MAX2＝数组{M1，M2，M3，M4，M5，M6}的第二大值，MIN2＝数组{M1，M2，M3，M4，M5，M6}第二小值；004步、按照公式(4)调整中心差分，对一阶差分Y(n)进行校正，公式(4)如下，Z(n)=Y(n),ifY(n)≥0,1<n<N0ifY(n)<0,1<n<N---(4)]]>其中Z(n)为一阶差分Y(n)进行校正的结果；005步、选择上述序列Z(n)中值大于主峰的幅度阈值的为候选点；006步、删除候选点中间隔小于20的点，只保留值最小的相邻点；007步、获取每个周期的起点，即上述候选点中值最小的点。
具体实施方式
九参见图6、图7和图8，本具体实施方式
以获取寸部的脉象动态特征为例，其方法按以下步骤进行01步、运用具体实施方式
八中脉象静态特征的提取方法获得脉搏波每一个周期下的周期、主波峰幅值、主波峡幅值、重搏前波的幅值、重搏前波的峰高、峰的个数特征序列，并计算上述特征序列的标准差；02步、对上述脉搏波分析图像进行付利叶变换；03步、计算脉搏波频谱中3Hz以内的低频内容能量总和与介于5Hz到25Hz之间高频的能量总和之比；04步、用小波提取脉搏波频谱的包络；05步、检测脉搏波频谱包络中的最高峰和次高峰的位置及其幅度；06步、根据不同的切脉压力下的脉搏波，获得脉搏波取脉压力-幅值曲线，如图11所示；07步、从脉搏波取脉压力-幅值曲线中提取出来最大幅值所对应的取脉压力和最大幅值的80％处的脉压力-幅值曲线主峰宽度。通过调节传感器横向拖动螺杆1-10准确定位寸、关、尺三部，然后利用本发明的检测装置获得如图9所示的寸、关、尺三部分的脉搏波图像和如图10所示的不同压力下的各部脉搏波图像(关和尺部的图像与图10类似)，依据不同的切脉压力及其对应的脉搏波主峰的平均幅值来分析脉象的位和势方面的数字特征，其中幅值最大的一幅脉搏波对应的压力为最佳切脉压力，其对应的脉搏波为最佳切脉压力下的脉搏波。
权利要求
1.自动调节切脉压力的脉象检测装置，其特征在于所述脉象检测装置由自动加压机械装置(1)、第一光电传感器(2)、第二光电传感器(3)、第三光电传感器(4)、压力传感器(5)、放大电路(7)、A/D转换电路(8)、中央控制电路(9)和步进电机驱动控制器(10)组成；自动加压机械装置(1)主要包括内壳(1-6)、外壳(1-5)、三个光电传感器拖动架(1-1)、压力传动架(1-2)、步进电机(6)和纵向连接部件，所述压力传感器(5)的非感应端与所述步进电机(6)的力矩输出轴通过所述纵向连接部件相连，所述压力传感器(5)的压力感应端与所述压力传动架(1-2)的底部中心点接触，并且所述压力传动架(1-2)的侧壁与所述内壳(1-6)固定连接，所述内壳(1-6)的外侧壁与所述外壳(1-5)的内侧壁纵向滑动连接，所述三个光电传感器拖动架(1-1)位于所述压力传动架(1-2)的下方，所述第一光电传感器(2)、第二光电传感器(3)和第三光电传感器(4)分别固定在所述三个光电传感器拖动架(1-1)的下端，所述三个光电传感器拖动架(1-1)的底面分别固定连接在所述内壳(1-6)的内底面上；所述第一光电传感器(2)、第二光电传感器(3)、第三光电传感器(4)和压力传感器(5)的数据输出端分别连接放大电路(7)的四个输入端，所述放大电路(7)的模拟信号输出端连接所述A/D转换电路(8)的输入端，所述A/D转换电路(8)的数据输出端连接所述中央控制电路(9)的数据输入端，所述中央控制电路(9)的电机控制信号输出端连接所述步进电机驱动控制器(10)的控制信号输入端，所述步进电机驱动控制器(10)的驱动信号输出端连接所述步进电机(6)的电源输入端。
2.根据权利要求1所述的自动调节切脉压力的脉象检测装置，其特征在于所述脉象检测装置还包括超声传感器及接口模块(11)，所述超声传感器及接口模块(11)与所述所述中央控制电路(9)的血流检测信号输入端相连。
3.根据权利要求1所述的自动调节切脉压力的脉象检测装置，其特征在于所述自动加压机械装置(1)还包括三个传感器横向拖动螺杆(1-10)，每个光电传感器拖动架(1-1)的上端分别固定连接有一个传感器横向拖动螺杆(1-10)，所述传感器横向拖动螺杆(1-10)与光电传感器拖动架(1-1)的上端螺纹连接。
4.根据权利要求1所述的自动调节切脉压力的脉象检测装置，其特征在于在自动加压机械装置(1)中，所述纵向连接部件由传感器纵向拖动螺杆(1-3-2)、传动滑块(1-3-1)和第一螺钉(1-4)组成，所述传感器纵向拖动螺杆(1-3-2)的中心轴线与所述步进电机(6)的力矩传输轴(6-1)的中心轴线相重合，并且所述传感器纵向拖动螺杆(1-3-2)的上端与所述力矩输出轴(6-1)通过第一螺钉(1-4)径向固定连接，所述传动滑块(1-3-1)设有纵向通孔并且所述通孔的内圆表面设有内螺纹，所述传感器纵向拖动螺杆(1-3-2)下端的外圆表面与所述传动滑块(1-3-1)上通孔的上端内圆表面螺纹连接，所述传动滑块(1-3-1)上通孔的中心线与所述传感器纵向拖动螺杆(1-3-2)的中心轴线相重合，所述压力传感器(5)的非感应端粘接在所述传动滑块(1-3-1)的下端面上。
5.根据权利要求1所述的自动调节切脉压力的脉象检测装置，其特征在于所述自动加压机械装置(1)还包括两个第二螺钉(1-9)，所述压力传动架(1-2)的前后两个侧壁与所述内壳(1-6)的前后两个侧壁分别通过两个第二螺钉(1-9)固定连接，所述内壳(1-6)的左外侧壁(1-6-2)、所述外壳(1-5)的左内侧壁(1-5-2)、所述内壳(1-6)的右外侧壁(1-6-1)和所述外壳(1-5)的右内侧壁(1-5-1)上都设有纵向导轨，并且所述内壳(1-6)的左外侧壁(1-6-2)与所述外壳(1-5)的左内侧壁(1-5-2)纵向滑动连接，所述内壳(1-6)的右外侧壁(1-6-1)与所述外壳(1-5)的右内侧壁(1-5-1)纵向滑动连接。
6.根据权利要求1或2所述的自动调节切脉压力的脉象检测装置，其特征在于所述放大电路(7)由三组调理放大电路(7-1)和压力放大电路(7-2)组成，每组调理放大电路(7-1)都由零点调节电路(7-1-1)、第一级放大电路(7-1-2)、滤波电路(7-1-3)和第二级放大电路(7-1-4)组成，每组调理放大电路(7-1)的零点调节电路(7-1-1)的输入端连接与该组调理放大电路(7-1)相连的一个光电传感器的数据输出端，每组调理放大电路(7-1)的零点调节电路(7-1-1)的输出端与该组的第一级放大电路(7-1-2)的输入端相连，每组调理放大电路(7-1)的第一级放大电路(7-1-2)的输出端与该组的滤波电路(7-1-3)的输入端相连，每组调理放大电路(7-1)的滤波电路(7-1-3)的输出端与该组的第二级放大电路(7-1-4)的输入端相连，压力传感器(5)的数据输出端连接压力放大电路(7-2)的输入端；所述A/D转换电路(8)由A/D转换模块(8-1)、锁存器(8-2)、缓存器(8-3)组成，所述中央控制电路(9)由上位机(9-2)、USB接口模块(9-3)、下位机控制电路(9-1)组成，每组调理放大电路(7-1)的第二级放大电路(7-1-4)的输出端与A/D转换模块(8-1)的一个光电信号输入端相连，所述压力放大电路(7-2)的输出端连接所述A/D转换模块(8-1)的压力信号输入端，所述A/D转换模块(8-1)的数据输出端通过所述缓存器(8-3)分别与USB接口模块(9-3)、下位机控制电路(9-1)和锁存器(8-2)的数据输入端相连，所述下位机控制电路(9-1)的锁存信号输出端连接所述锁存器(8-2)的控制端，所述锁存器(8-2)的数据输出端连接所述A/D转换模块(8-1)的通道选择控制端，所述下位机控制电路(9-1)的缓存控制信号输出端连接所述缓存器(8-3)的控制端，所述下位机控制电路(9-1)的A/D转换控制信号输出端连接所述A/D转换模块(8-1)的控制端，所述下位机控制电路(9-1)的读、写信号输出端分别连接所述USB接口模块(9-3)的读、写控制端，所述下位机控制电路(9-1)的电机控制端连接所述步进电机驱动控制器(10)的控制信号输入端，所述USB接口模块(9-3)的数据端口连接所述上位机(9-2)的数据端口，超声传感器及接口模块(11)通过USB接口与所述上位机(9-2)的血流检测数据端口相连。
7.采用权利要求1所述的检测装置获取的脉搏波的静态特征提取方法，其特征在于所述提取方法按以下步骤进行(一)、输入含有伪峰的脉搏波，利用波峰高度比来检测脉象周期的个数和每个周期的峰的个数；(二)、检测上述脉搏波的起点和终点，并计算它们的周期；(三)、找到每个周期的最高值即为主峰，并分别求出它们的主波峰幅值和脉搏波起点到主波峰点的时值；(四)、判断第一步获得的脉搏波形的每个周期的峰的个数是否大于等三；(五)、如果第四步的判断结果是肯定的，则根据每个周期的主峰位置向后搜索找到第一个谷点即为主波峡，并分别求得它们的主波峡幅值；(六)、根据每个周期的主波峡位置向后搜索找到第一个峰点即为重搏前波，并分别求得它们的重搏前波的幅值和重搏前波的峰高；(七)、根据每个周期的重搏前波峰位置向后搜索找到第一个谷点即为降中峡，并分别求得它们的降中峡的幅值、脉搏波起点到降中峡之间的时值、脉搏波形的收缩期面积、脉搏波形舒张期面积；(八)、根据每个周期的降中峡位置向后搜索找到第一峰点即为重搏波，并分别求得它们的重搏波的幅值及峰高；(九)、计算每个周期的主峰的宽度；(十)、在计算出来的一系列特征值中统计出其中值作为此脉象的静态特征；(十一)、如果第四步的判断结果是否定的，则判断第一步获得的脉搏波形的每个周期的峰的个数是否大于等于二，如果第十一步的判断是肯定的，则执行第七步至第十步；如果第十一步的判断是否定的，则执行第九步至第十步。
8.采用权利要求1所述的检测装置获取的脉搏波的动态特征提取方法，其特征在于所述提取方法按以下步骤进行(01)步、运用权利要求7中脉象静态特征的提取方法获得脉搏波每一个周期下的周期、主波峰幅值、主波峡幅值、重搏前波的幅值、重搏前波的峰高、峰的个数特征序列，并计算上述特征序列的标准差；(02)步、对上述脉搏波分析图像进行傅立叶变换；(03)步、计算脉搏波频谱中3Hz以内的低频内容能量总和与介于5Hz到25Hz之间高频的能量总和之比；(04)步、用Meyer小波提取脉搏波频谱的包络；(05)步、检测脉搏波频谱包络中的最高峰和次高峰的位置及其幅度；(06)步、根据不同的切脉压力下的脉搏波，获得脉搏波取脉压力-幅值曲线；(07)步、从脉搏波取脉压力-幅值曲线中提取出来最大幅值所对应的取脉压力和最大幅值的80％处的脉压力-幅值曲线主峰宽度。
9.根据权利要求7所述的采用权利要求1所述的检测装置获取的脉搏波的静态特征提取方法，其特征在于所述脉搏静态特征提取方法中检测脉搏波起点的方法按以下步骤进行(001)步、根据脉搏波的原始采样数据序列X(N)利用差分变换获得一阶差分Y(n)Y(n)＝[X(n+1)-X(n-1)]/2 2＜n＜N-1 (1)Y(1)＝Y(N)＝0 (2)其中，N为采样数据序列的长度；(002)步、使用大小为200个采样点的滑动窗计算出Y(n)的六个局部最大值{M1，M2，…，M6}；(003)步、按照公式(3)计算主峰的幅度阈值，公式(3)如下，幅度阈值＝[MIN-(MAX2-MIN2)]×0.9(3)其中，幅度阈值为主峰的幅度阈值，MIN＝min(M1，M2，…，M6)，MAX2＝数组{M1，M2，M3，M4，M5，M6}第二大值，MIN2＝数组{M1，M2，M3，M4，M5，M6}第二小值；(004)步、按照公式(4)调整中心差分，对一阶差分Y(n)进行校正，公式(4)如下，Z(n)=Y(n),if Y(n)≥0,1<n<N0,if Y(n)<0,1<n<N---(4)]]>其中Z(n)为一阶差分Y(n)进行校正的结果；(005)步、选择上述序列Z(n)中值大于主峰的幅度阈值的为候选点；(006)步、删除候选点中间隔小于20的点，只保留值最小的相邻点；(007)步、获取每个周期的起点，即上述候选点中值最小的点。
10.根据权利要求7所述的采用权利要求1所述的检测装置获取的脉搏波的静态特征提取方法，其特征在于在第一步中利用波峰高度比来检测脉象周期的个数和每个周期的峰的个数的方法按以下步骤进行A、利用差分变换，求出脉搏波形的差分，找出脉搏波的所有波峰包括伪峰，并将它们的纵坐标和横坐标放在第一动态数组中，将峰的个数放到第二动态数组中，此时PPH＝0；B、设定高度比的增加步长，按此步长依次增加PPH，并对每一个记录在第一动态数组内的波峰的下降高度为PPH乘以此峰幅值处作一水平线，再分析此水平线与脉搏波的交点，若该水平线同本峰的上升支和下降支均相交，则保留此峰，即保留第一动态数组和第二动态数组不变，若该水平线不是与本峰的上升支和下降支都相交，则从第一动态数组中删除此峰，并将第二动态数组中峰的个数减1；C、直到将高度比PPH增加到1，则分别求出各个PPH值所对应的峰的个数N，绘出PPH-峰个数N的关系曲线图；D、从PPH-峰个数N的曲线图中求出曲线第一次出现平坦时对应的PPH值，此PPH值所对应的峰个数N即为所求脉搏波含有峰的个数，PPH值为1时对应的峰的个数即为此脉搏波含有的周期数，所求脉搏波每个周期的峰的个数为所求脉搏波含有峰的个数除以此脉搏波含有的周期数的值。
全文摘要
自动调节切脉压力的脉象检测装置及脉象特征提取方法，它涉及医用传感装置，它是为了解决现有的脉象检测装置无法实现切脉压力的自动调节及同时采集寸、关、尺三处脉管搏动的收缩和舒张位移信息，及传统的脉象特征提取方法无法同时为分析脉象“位、形、势、数”等各方面提供准确信息的问题。本发明的装置利用中央控制电路(9)控制步进电机(6)对压力传感器(5)进行加压或减压，获得不同压力下的手腕寸、关、尺三路脉象信息；本发明的脉象提取方法包括脉搏波静态特征和动态特征的提取方法，它为分析脉象“位、形、势、数”等方面的信息提供了精确的脉象信息。本发明的装置能够自动调节切脉压力，并且同时获得手腕寸、关、尺三路脉象信息。
文档编号A61B5/0245GK1813628SQ200610009639
公开日2006年8月9日 申请日期2006年1月18日 优先权日2006年1月18日
发明者张大鹏, 王宽全, 徐礼胜, 张冬雨, 耿斌, 郭子海 申请人:哈尔滨工业大学