基于传感阵列测脉搏波横向位置变化的紧脉特征识别方法

1.本发明涉及医疗传感器技术领域，特别是涉及基于传感阵列测脉搏波横向位置变化的紧脉特征识别方法。


背景技术：

2.中医脉诊已有二千多年的历史，从早期的遍诊法发展到寸口脉法，即通过手指测量手腕寸口处桡动脉处脉搏信号的浮沉、快慢、强弱、宽窄等特征来识别脉象。目前一般公认的脉象可分为28种。
3.紧脉是中医脉诊的28脉象之一。中医描述为：“脉紧者，如转索无常也”[张仲景，《白云阁藏本伤寒杂病论》卷二
·
平脉法(下)，中医古籍出版社，2017]。“举如转索切如绳，脉象因之得紧名”[刘文龙等，《濒湖脉学白话解》，人民卫生出版社，第48页，2013]。从中医古籍可得，紧脉具有类似麻绳旋转绞动、左右弹指的感觉。因此，很多中医流派认为紧脉具有脉搏波横向摆动的周期性不稳定。脉搏波横向摆动的周期性不稳定构成了紧脉的核心特征。
[0004]
自上世纪60年代以来，国内外对脉诊信息化进行了长期的研究，取得了大量成果，已研制成多款脉诊仪。由于采用的压力或应变传感器尺寸较大，现有的脉诊仪一般采用不超过3个传感器进行脉诊测量，通过外部加载将传感器按压在寸口桡动脉处，获得特定加载压强下脉搏波的压强-时间曲线，通过分析压强幅值随时间变化的曲线来识别脉象。显然，现有脉诊仪的测量原理与传统中医是显著不同的，并不能识别全部28脉，特别是不具备识别紧脉等复杂脉象特征的能力。


技术实现要素：

[0005]
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于传感阵列测脉搏波横向位置变化的紧脉特征识别方法，用于解决现有技术中难以识别紧脉等复杂脉象的问题。
[0006]
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种基于传感阵列测脉搏波横向位置变化的紧脉特征识别方法，所述传感器阵列包括至少4个压力传感器，各压力传感器沿第一方向排列，所述第一方向与桡动脉的延伸方向呈夹角设置，所述中医紧脉特征识别方法包括：
[0007]
获得各所述压力传感器在同一时刻的脉搏压力值；
[0008]
以所述压力传感器在所述第一方向上的位置为横坐标，以所述压力传感器测得的脉搏压力值为纵坐标，得到多个压力采样点，将各所述压力采样点连成包络曲线，所述包络曲线用于表示该时刻脉搏压力在所述第一方向上的分布状态；
[0009]
获得同一脉搏周期内的多条包络曲线，将各条包络曲线的纵坐标最大值进行比较，选取最大的纵坐标最大值所对应的包络曲线作为该脉搏周期的压力分布曲线；
[0010]
获得连续多个脉搏周期的压力分布曲线，在各所述压力分布曲线中取一标识点代
表该压力分布曲线的位置，统计各所述标识点的横坐标的变化量，所述变化量用于表示不同脉搏周期之间的脉搏横向位置不稳定程度；
[0011]
将所述变化量与紧脉判定阈值比较，得到紧脉特征识别结果。
[0012]
相邻两所述压力传感器之间的中心距不大于1.25mm。
[0013]
所述第一方向与桡动脉的延伸方向之间的夹角为α，45
°
≤α≤135
°
。
[0014]
优选地，所述第一方向与桡动脉的延伸方向垂直，即α＝90
°
。
[0015]
所述传感器阵列的总跨距不小于3.75mm。
[0016]
所述阵列中各所述传感器的采样时间越同步越好，在实际操作中异步节拍不超过0.1秒。
[0017]
优选地，所述标识点的选取方法包括：
[0018]
根据所述压力分布曲线的纵坐标的最大值乘以预设系数，计算压力下限值，所述预设系数的大小为1/7～5/7；
[0019]
得到平行于横坐标轴的参考横线，所述参考横线的纵坐标值等于所述压力下限值；
[0020]
所述参考横线与所述压力分布曲线围成的区域为包络参考区域。
[0021]
所述标识点采用如下公式选取：
[0022][0023][0024]
其中，i代表压力传感器的序号；
[0025]
xi代表第i采集通道的通道号；
[0026]
yi代表第i采集通道的压力值；
[0027]
wi代表第i个压力传感器的权重；
[0028]
h代表标识点高度系数，0≤h≤1；
[0029]
vld_chns表示各采集通道的编号。
[0030]
优选地，所述变化量为各所述标识点的横坐标的标准差。
[0031]
如上所述，本发明的基于传感阵列测脉搏波横向位置变化的紧脉特征识别方法，至少具有下列其中一种优点：
[0032]
1)克服了单点传感器不能灵敏感知脉搏横向位置移动信号的局限；
[0033]
2)传感器阵列可以绘制脉宽包络曲线，消除了以往传感单元只能获取脉波时序图的局限；
[0034]
3)将脉波时序图和包络曲线图结合起来，根据包络形态和位置的变化规律最终完成紧脉的判别。
附图说明
[0035]
图1显示为本发明一实施例的中医紧脉特征识别方法的流程示意图。
[0036]
图2显示为本发明一实施例的变化量计算方法的流程示意图。
[0037]
图3显示为本发明的中医紧脉特征识别方法于一实施例中的应用场景示意图。
[0038]
图4显示为本发明的中医紧脉特征识别方法于另一实施例中的应用场景示意图。
[0039]
图5显示为本发明一实施例的传感阵列跨度与传感器间距的示意图。
[0040]
图6显示为本发明一实施例的传感阵列采集不同脉搏周期的包络曲线示意图。
[0041]
图7显示为本发明一实施例的标识点的计算原理图。
[0042]
图8显示为本发明一实施例采用18个微型压力传感器组成的阵列(0～17通道)绘制的包络曲线图。
[0043]
图9显示为本发明采用catmull-rom splines算法连接离散点的示意图。
[0044]
图10显示为本发明一实施例的标识点的计算原理图。
[0045]
图11显示为标识点的位置分布图。
[0046]
元件标号说明
[0047]
1、桡动脉；2、传感器阵列；3、包络曲线；4、柔性基板；5、压力传感器；6、阵列内相邻两个微传感器的中心距；7、阵列总跨距。
具体实施方式
[0048]
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
[0049]
需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
[0050]
现有的脉诊仪采集特定加载压强下的压强幅值随时间变化曲线，难以识别紧脉等复杂脉象。
[0051]
如图1～图11所示，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图表和表达式中仅显示与本发明中有关的预处理算法而非实际实施时严格遵循的操作步骤其实际实施时每一步的需求、顺序、操作、算法参数和阈值可根据实际传感器精度、排布密度、数据预处理情况和待测人的性别、年龄、体重及脉宽灵活调整，且其分析步骤和操作规程也可能有所简化或更加复杂。
[0052]
本发明提供一种基于传感阵列测脉搏波横向位置变化的紧脉特征识别方法，传感器阵列2包括至少4个压力传感器5，各压力传感器5沿第一方向排列，第一方向与桡动脉1的延伸方向垂直设置，中医紧脉特征识别方法包括：
[0053]
步骤s100，获得各压力传感器5在同一时刻的脉搏压力值，本发明中的同一时刻表示各压力传感器5的采样时差在0.1秒内，换言之，容许各脉搏压力值的采样时间点存在一
定范围的偏差，只要任意两个采样时间点的时间间隔小于0.1秒，即认为是在同一时刻采样；
[0054]
步骤s200，以压力传感器5在第一方向上的位置为横坐标，以压力传感器5测得的脉搏压力值为纵坐标，得到多个压力采样点，将各压力采样点连成包络曲线3，包络曲线3用于表示该时刻脉搏压力在第一方向上的分布状态；
[0055]
步骤s300，获得同一脉搏周期内的多条包络曲线，将各条包络曲线的纵坐标最大值进行比较，选取最大的纵坐标最大值所对应的包络曲线作为该脉搏周期的压力分布曲线；
[0056]
步骤s400，获得连续多个脉搏周期的压力分布曲线，在各压力分布曲线中取一标识点代表该压力分布曲线的位置，统计各标识点的横坐标的变化量，变化量用于表示不同脉搏周期之间的脉搏横向位置不稳定程度；
[0057]
步骤s500，将变化量与紧脉判定阈值比较，得到紧脉特征识别结果。
[0058]
本实施例并不限定各压力传感器5沿直线排列，实际上，各压力传感器5可以沿空间曲线排列。当各压力传感器5沿弧线等空间曲线排列时，可将空间曲线的切线方向视为第一方向。将第一方向设置为与桡动脉1的延伸方向垂直，是为了获得脉搏压力值在横向截面上的分布信息，该分布信息是现有单点脉诊仪难以准确获得的，发明人发现，横向截面上的形态及分布信息对紧脉等复杂脉象的识别具有重要的参考价值。
[0059]
本实施例的脉搏压力值同时具有时间维度和空间维度，为了获得脉搏压力值的空间分布信息，则需要对脉搏压力值的时间维度进行统一。理想情况下，在同一时刻采集的各脉搏压力值最具可信度和参考价值。但由于实际测量仪器精密度的限制，难以确保脉搏压力值的采集时刻严格同步。因此，任意两个传感器的采样时间点的时间间隔控制在预设时长内，例如控制在0.1秒内，即认为是在同一时刻采样。
[0060]
本实施例的包络曲线3反映了脉搏发生时，脉搏压力值沿第一方向的分布情况。第一方向大致与桡动脉1的截面方向一致，实际操作时也允许有少量偏差。压力采样点的横坐标既可以以距离为单位，也可以表示压力传感器5的排列序号而无量纲，只要能够依据该横坐标推导出各压力传感器5的相对位置关系即可。
[0061]
压力采样点的纵坐标为脉搏压力值。压力传感器5的压力既包括用于将传感器阵列2贴紧人体的按压力，又包括脉搏造成的附加压力。由于按压力对于数据分析的意义不大，脉搏压力值可以采用各压力传感器5的实际测量值减去同一按压力值，该按压力值可人为设定，对识别结果的准确性影响不大。
[0062]
根据中医文献记载的经验，紧脉总体表现出“如转索无常”和“左右弹人手”的特点。“转索”是古人以旋椎制绳的形象做比喻，意在表达绳索的绷紧感以及绳索旋转时各股间凹凸不平带来的弹搏感，重点不在旋转感。本实施例以包络曲线3整体的横向移动来捕捉该“如转索无常”和“左右弹人手”的特征。
[0063]
不同脉搏周期的压力分布曲线之间可能存在形状差异，为了方便计算，本实施例采用特定标识点来代表压力分布曲线的位置。需要说明的是，本实施例并不将标识点的位置限制为与压力分布曲线重合。实际上，标识点也可以处在压力分布曲线的外侧。本实施例的紧脉判定阈值可根据经验认为设定。
[0064]
总之，本实施例通过采用传感器阵列2增加了脉搏压力值的空间维度，将以往单点
脉诊仪只能测量到的一维脉搏纵向时序信号拓展为纵向时序加横向截面的二维信号，更符合中医文献关于紧脉的描述。本实施例将“横向摆动”作为紧脉特征进行识别，不仅方便通过测量仪器表征，而且满足不同中医流派关于紧脉的认识。本实施例还通过压力分布曲线和标识点将脉搏的摆动程度量化，并与经验值做比较，得到紧脉特征识别结果。医师可参考紧脉特征识别结果以及其它临床指标，综合判断，得出诊断结论。
[0065]
于本实施例中，压力传感器对脉搏压力值的采样频率在16hz以上。
[0066]
具体的，于本实施例中，各压力传感器5对脉搏压力值的采样频率为800hz。
[0067]
为了确保压力传感器5的按压压力的一致性，凸显实际脉搏压力在脉搏压力值中的比例，于本实施例中，传感器阵列2包括长条形的柔性基板4，压力传感器5安装于柔性基板4。
[0068]
于本实施例中，相邻两压力传感器5之间的中心距6不大于1.25mm。
[0069]
具体的，于本实施例中，相邻两压力传感器5之间的中心距6为0.65mm。
[0070]
于本实施例中，第一方向与桡动脉1的延伸方向之间的夹角为α，45
°
≤α≤135
°
。
[0071]
具体的，于本实施例中，第一方向与桡动脉1的延伸方向垂直，即α＝90
°
。
[0072]
如图5所示，于本实施例中，传感器阵列2的总跨距7不小于3.75mm，以确保传感器阵列2能够覆盖桡动脉1以及附近相关区域。为了提高测量精度，可采用微型压力传感器5。
[0073]
具体的，于本实施例中，传感器阵列2的总跨距7为11.05mm。
[0074]
为了确保包络曲线3中各压力采样点的测量时刻的一致性，于本实施例中，同一时段的跨度小于0.1秒。
[0075]
于本实施例中，如图8所示，传感器阵列包括18个压力传感器，分为0～17个通道。纵坐标为去除直流分量后的脉搏压力值，单位为kpa。
[0076]
于本实施例中，如图9所示，采用catmull-rom splines算法，将各压力采样点连成包络曲线3。其中，其中，p0和p1是待平滑连接的点；p-1
和p2是控制点，决定连接线的走势和曲率。catmull-rom splines算法可参考现有技术。
[0077]
要构造压力采样点p0到压力采样点p1之间的曲线p(t)。p(t)是如下待求解的三次曲线：
[0078]
p(t)＝at3+bt2+ct+d
[0079]
p-1
和p2是控制点。则有：
[0080][0081]
实际实施时也可采用其它对离散点平滑连接的算法，不限于本实施例的catmull-rom splines算法。
[0082]
于本实施例中，横向位置变化程度由连续4个周期脉搏截面包络图的标识点横坐标的标准差来量化。
[0083]
于本实施例中，基于传感阵列测脉搏波横向位置变化的紧脉特征识别方法包括如下步骤：
[0084]
如图3所示，用传感器阵列2以浮取方式测量桡动脉1，得到关位在截面方向的包络曲线3。
[0085]
如图6所示，连续记录传感器阵列2的至少4个连续脉搏波周期的脉搏压力值，得到至少4个压力分布曲线。4个压力分布曲线分别与4个脉搏波周期对应。
[0086]
于本实施例中，采用如下公式计算压力分布曲线的标识点p：
[0087][0088][0089]
其中，i代表压力传感器的序号；
[0090]
xi代表第i采集通道的通道号；
[0091]
yi代表第i采集通道的压力值；
[0092]
wi代表第i个压力传感器的权重；
[0093]
h代表标识点高度系数，0≤h≤1；
[0094]
vld
chnsi
表示有效通道的编号，有效通道为能有效地感知脉体压力状况的通道，通常由紧贴在脉管上方的若干传感器提供。
[0095]
在上述公式的基础上，通过调整各压力传感器的权重和高度系数，可获得不同的标识点。
[0096]
具体的，如图7所示，当所有有效通道(即压力传感器)的权重wi都等于1，h＝0.5时，标识点p就是重心g：
[0097][0098][0099]
当最左侧有效通道权重为1其余通道权重都为0，h＝1时，标识点p就是有效通道的最左端点。
[0100]
当两端两个有效通道权重为1其余通道权重都为0，h＝0时，标识点p就是有效通道基部的中点。
[0101]
当幅值最高的通道权重为1其余通道权重都为0，h＝1时，标识点p就是压力分布曲线的峰值点。
[0102]
需要说明的是，可用于标识并量化压力分布曲线横向位置变化的标识点很多，包含但不限于如上数种，只要满足公式(1)和公式(2)即可。
[0103]
如果连续多个周期的标识点的横坐标的某些指标超过一个预设的阈值，可认为压
力分布曲线发生了周期性横向偏移，即可认定为紧脉所具备的脉搏波横向不稳定的特征。可用于衡量的指标包括但不限于：偏度、最大偏移量、平均偏移量、偏移量在脉宽中的占比、方差、标准差、变异系数，等。
[0104]
于本实施例中，紧脉判定阈值的设定方法如下：通过测算上述指标在试验组和对照组中的数值，根据数值的分布来划定紧脉与非紧脉的阈值，以最大化区分度为宜。例如，各找若干紧脉患者和平脉志愿者(正常人)，用实施测量的传感阵列浮取覆压在人体桡动脉1的关位，传感器排列方向垂直于桡动脉1流向。记录每人连续不少于4个脉波周期压力分布曲线的标识点。假如衡量指标选作标识点横坐标的标准差，则根据平脉志愿者和紧脉患者标准差的分布情况，标定该硬件平台下该指标用于划分的阈值。通常平脉的标准差约等于0；而紧脉的标准差会明显偏离0。阈值可取为平脉标准差最大测量值与紧脉标准差最小测量值之间的均值，也可根据中医医师自身的经验或尺度划定。更个性化的阈值可根据传感器灵敏度、排布密度、样本的性别、年龄、体重、脉宽及选取指标的数学性质进一步细分标定。
[0105]
如图2、图10所示，于本实施例中，步骤s400中，标识点的选取方法包括：
[0106]
步骤s410，根据压力分布曲线的纵坐标的最大值乘以预设系数，计算压力下限值，预设系数的大小为1/7～5/7。压力分布曲线一般包含一个主波峰，也可能包含其它波峰。压力分布曲线的纵坐标的最大值一般为压力分布曲线的主波峰的顶点的纵坐标。具体的，预设系数为1/3。
[0107]
步骤s420，得到平行于横坐标轴的参考横线，参考横线的纵坐标值等于压力下限值。通过设置参考横线，对数据进一步过滤，参与紧脉识别的压力采样点更贴近脉搏的波峰区域从而提高紧脉识别的准确性。
[0108]
步骤s430，参考横线与压力分布曲线围成的区域为包络参考区域，以包络参考区域的重心g作为标识点。
[0109]
本实施例样本含有8个连续脉波周期。8个标识点的横坐标分别为11.4695，11.3574，11.2625，11.2103，11.1283，11.1123，11.1296，11.1436，11.094，它们的标准差为0.1258。依据本例的硬件平台和数据预处理情况，紧脉判定阈值k测定为0.11。而0.1258≥0.11，故脉象识别结论为——紧脉。
[0110]
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。不同实施例中的技术特征体现在同一附图中时，可视为该附图也同时披露了所涉及的各个实施例的组合例。
[0111]
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。