一种具有自修正系统的脉象模拟装置的制作方法

本发明属于远程中医脉诊设备和中医脉诊教学仪器领域，尤其是涉及一种具有自修正系统的脉象模拟装置。

背景技术：

脉象可以反映出丰富的人体健康信息,是中国传统中医学的瑰宝。在中医四诊望、闻、问、切中占有非常重要的位置。从古至今,脉学理论得到不断的发展和提高。脉诊具有“绿色无创”的特点和优势,得到了中外人士的关注。但传统中医脉诊是必须靠中医师和患者同时同地面对面地获取脉象信息,这在一定程度上给患者就诊造成或多或少的不便。本发明的远程中医脉诊的特点可以实现医患双方在同时不同地，甚至不同时不同地情况下进行诊断，具有很大的现实意义。另一方面，脉诊比较依赖医师的个人感觉和经验，不便进行表述和交流，给脉象蒙上了一层神秘的面纱，“在心易了，指下难明”的情况始终存在。传统中医教学中对于脉象的学习只能依靠文字或者语言对脉象的干瘪描述，无法直观真切地感受到，制约了脉学的传承和推广。本发明为中医脉象的现代化教学提供一种有效手段,可以使初学者在学习切脉时有所依据，极大的方便了中医脉诊教学。寸关尺处的脉象是脉诊的重要参考依据，此外还要结合浮中沉等不同切脉方法从不同方面比较来获得准确的脉象。

技术实现要素：

为解决上述问题，针对现有技术的不足，本发明提供一种具有自修正系统的脉象模拟装置，包括模拟心脏泵血系统、仿生手以及与之配合的硬件电路；采用多传感器信息融合技术，智能检测和判断中医师的采脉压力从而提取相应的脉象数据片段来复放；加入输出修正功能有效修正复放误差，实现脉象数据的准确复放。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种具有自修正系统的脉象模拟装置，包括控制部分、模拟心脏泵血系统、输出修正系统、仿生手和辅助功能模块，控制部分、模拟心脏泵血系统与仿生手依次连接，输出修正系统输入端与模拟心脏泵血系统连接，输出修正系统输出端与控制部分连接，辅助功能模块与控制部分连接。

进一步的，输出修正系统为自适应滤波器。

进一步的，控制部分包括中央处理器、电源模块、通讯模块、信号调理电路、脉象发生器驱动电路，电源模块分别与中央处理器、通讯模块、信号调理电路和脉象发生器驱动电路连接，信号调理电路与中央处理器连接，通讯模块一端与中央处理器连接，另一端通过通讯接口与上位机连接，脉象发生器驱动电路与中央处理器连接。

进一步的，辅助功能模块包括人机交互接口和环境温湿度测量单元。

进一步的，模拟心脏泵血系统包括外壳和设于外壳内的模态激振器、紧固平台、传动块和波纹管，模态激振器上表面设有支撑杆，支撑杆通过紧固螺母与紧固平台连接，波纹管下端通过传动块与模态激振器的输出端动子连接，波纹管上端固定安装在紧固平台上，并设有伸出外壳的模拟血液出口。

进一步的，还包括智能脉位检测系统，智能脉位检测系统设于仿生手的桡骨处。

进一步的，智能脉位检测系统包括多个压力传感器。

本发明具有的优点和积极效果是：由于采用上述技术方案，采用多传感器信息融合技术，智能检测和判断中医师的采脉压力从而提取相应的脉象数据片段来复放；本发明从仿生学、机械学角度出发，创新性地设计了新型脉象发生器与液压系统相结合的脉象复放系统，相较于现有的方法，对脉象数据的还原度更高，使用体验更接近真实的切脉体验；采用多传感器信息融合技术，智能检测和判断中医师的取脉位置和应指压力，获得浮、中、沉等不同脉位的最佳切脉压力；加入闭环反馈机制有效修正复放误差，实现脉象数据的准确复放；另外充分考虑了系统的安全性和可靠性，加入内压检测和位置检测等模块防止意外发生。本发明可应用于中医脉诊课堂教学测试、职业中医师培训考核、远程中医脉诊研究等领域。

附图说明

图1是本发明的自适应逆控制原理图；

图2是本发明的弹性硅胶块结构示意图；

图3是本发明的脉象发生器结构示意图；

图4是本发明的脉象复放仪原理图；

图5是本发明的分油器示意图；

图6是本发明的仿生手结构图；

图7是本发明的模拟血液环流系统。

图中：

1、理想输入2、自适应滤波器3、脉象发生器

4、自适应算法5、铜管固定槽6、位置控制块

7、圆形凸台8、脉管槽9、模态激振器

10、支撑杆11、减震螺母12、波纹管

13、模拟血液出口14、紧固平台15、电源模块

16、控制部分17、模拟心脏泵血系统18、仿生手

19、输出修正系统20、模拟血液入口21、模拟血液出口

22、液路管23、人造脉管24、人造表皮

25、弹性硅胶快26、智能脉位检测模块27、人造血管

28、人造骨架29、分油器30、储液箱

31、蠕动泵32、电磁阀33、脉象发生器

33、脉象发生器34、仿生手

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的说明。

本发明涉及一种具有自修正系统的脉象模拟装置，为中医脉象的现代化教学提供一种有效手段，可以使初学者在学习切脉时有所依据，同时可以实现医患双方在同时不同地，甚至不同时不同地情况下进行诊断，主要是复现寸关尺处的脉象，寸关尺处的脉象是脉诊的重要参考依据，结合浮中沉等不同切脉方法来获得准确的脉象。

如图4所示，图4是本发明的原理图，本发明涉及一种具有自修正系统的脉象模拟装置，包括控制部分16、模拟心脏泵血系统17、模拟血液环流系统图27、智能脉位检测系统26、输出修正系统19、仿生手18和辅助功能模块，其中，控制部分16、模拟心脏泵血系统17、模拟血液环流系统图7与仿生手18依次连接，智能脉位检测系统26设于仿生手18内部的桡骨处，输出修正系统19输入端与模拟心脏泵血系统17连接，输出修正系统19的输出端与控制部分16连接，辅助功能模块与控制部分16连接。

其中，控制部分16控制整个装置的信息的运行，控制模拟心脏泵血系统17、模拟血液环流系统图7、智能脉位检测部分26、输出修正系统19和仿生手18的运动。控制部分16、模拟心脏泵血系统17、模拟血液环流系统图7、输出修正系统19和仿生手18固定在同一木板上，构成一个整体。控制部分16包括中央处理器、电源模块15、通讯模块、信号调理电路、脉象发生器驱动电路，电源模块15分别与中央处理器、通讯模块、信号调理电路和脉象发生器驱动电路连接，为中央处理器、通讯模块、信号调理电路、脉象发生器电路供电；通讯模块一端与中央处理器连接，通讯模块另一端通过通讯接口与上位机连接，通讯模块与上位机进行通讯，通讯接口在机壳上，上位机传来的脉象信号由通讯模块传导中央处理器，中央处理器将脉象信号处理之后，通过脉象发生器驱动电路驱动脉象发生器复放脉象；信号调理电路与中央处理器连接，信号调理电路用于将仿生手18处反馈回来的模拟信号进行变换，将模拟信号变换为数字信号，方便上位机进行数据采集、执行计算和过程控制等；脉象发生器驱动电路与中央处理器连接，用于驱动脉象发生器。

辅助功能模块的作用是完善系统功能，为系统的使用与控制提供帮助。人机交互接口主要包括了键盘输入单元、液晶显示单元和蜂鸣器控制单元，键盘输入单元使得使用者可以选择系统的具体功能以及输入具体的测量参数，方便使用者设定相关设置。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，使得使用者更好的掌握系统状态，方便使用者进行测量，通过蜂鸣器，可以实现一些特定的警示作用。环境温湿度测量可由系统的温湿度一体化传感器来实现，能对系统所在环境进行温度、湿度的采集，并通过人机交互接口告知使用者，使得使用者对环境有更好的了解。

其中，模拟心脏泵血系统17即脉象发生器，是给仿生手18桡骨处脉搏波动提供动力的装置。如图3所示，模拟心脏泵血系统17包括外壳和设于外壳内的模态激振器9、减震螺栓、传动块和波纹管12，模态激振器9是脉象发生器的动力装置，模态激振器9上表面设有支撑杆10，支撑杆10的数量为4根，紧固螺母11的数量为4个，支撑杆10通过紧固螺母11与紧固平台14连接，模态激振器9通过支撑杆10以及紧固螺母11与紧固平台14连成一体，构成小型振动台；波纹管12为金属波纹管，波纹管12下端通过传动块与模态激振器9的输出端连接，可以应用密封件进行紧密连接，使得波纹管12内部的模拟血液不会漏出，波纹管12上端经过密封加工并通过减震螺栓固定安装在紧固平台14上，这样波纹管12只能做纵向的直线压缩或拉伸运动，同时波纹管12上端设有伸出外壳的模拟血液出口13，模拟血液出口13处以橡胶导管与仿生手18处的分油器29的模拟血液入口20相连，使得模拟心脏泵血系统17与仿生手18之间血液液路相连通，血液能够在模拟心脏泵血系统17、模拟血液环流系统27和仿生手18之间循环流动。其中模态激振器9作为脉象发生器是系统的核心，具有位移大、出力充足、体积小、重量轻、频率范围宽、结构合理、可靠性高的特点。相较于传统的电机发生器具有响应及时灵敏，脉象复放的还原度更高的优势。该脉象发生器将电能转化为机械能，基本工作原理是载流导体在磁场中要受电磁力作用。发生器内部有稀土钕铁硼永磁材料提供稳定磁场，所以输入的电流方向和大小发生变化会引起作为动子的震动头产生方向和大小不同的位移。脉象发生器震动头的直线运动通过传动块传递给波纹管12，波纹管12在这里起到和心房心室类似的功能，产生相应压缩和拉伸，内容积改变，将管内的模拟血液压出和吸入，推动封闭液路中人造血液运动，使封闭液路中弹性人造脉管23产生相应的膨胀和收缩，从而形成脉搏波动。利用减震螺栓将小型振动台、传动块、金属波纹管12等固定一起，减低噪声和减少震动影响，宏观上提高整个系统稳定性和可靠性。此外，在封闭液路中安装管道内压检测传感器，实时检测压力变化；同时，脉象发生器上安装位置检测模块，实时检测波纹管的运动，提高系统安全性，防止异常情况下爆管。

模拟血液环流系统图7用来模拟血液经仿生手18的环流回路，包括储液箱30、蠕动泵31、电磁阀32、分油器29和人造血管，分油器29分别与模拟心脏泵血系统17、仿生手18和蠕动泵31连接，电磁阀32设于仿生手18两端，与中央处理器连接，人造血管与储液箱30、蠕动泵31和电磁阀32依次连接。储液箱30用来放置人造血液，负责提供和接收环流回来的人造血液；蠕动泵31是血液流动的动力装置，用来促进血液的流动；电磁阀32来控制人造血管的导通和闭合，位于仿生手18两端，从而形成一端封闭液路来进行脉象复放；分油器29是增加液路的装置，如图5所示，共分三路，一路接模拟心脏泵血系统17，分油器29的模拟血液入口20与模拟心脏泵血系统17中的模拟血液出口13通过橡胶导管连接；一路接仿生手18，与仿生手18中的人造脉管23连接；最后一路与蠕动泵31连接。提高系统的安全性，防止异常情况下的爆管。另外，分油器29还具有血管管道加减压功能，用于增加或者减小人造血管内部的压力，通过中央处理器控制电磁阀32的开闭和蠕动泵31的工作方向来改变血管管道的充盈度，从而模拟出浮中沉处不同的脉位。在封闭液路中安装血管管道内压检测传感器，用于检测人造血管内压大小，实时检测压力变化防止爆管。由于在系统工作过程中，人造血管管道内液体压力波动较小，压力信号较为微弱，因此选用灵敏度高、抗干扰能力强、密封性好的压力传感器。

如图6所示，仿生手18包括人造表皮24、人造骨架28、人造脉管23和弹性硅胶块25，分油器29设于人造骨架28内部，人造表皮24包裹于人造骨架28外表面，人造脉管23设于人造骨架28内部，弹性硅胶块25设于人造脉管23与智能脉位检测系统之间。人造表皮24、人造骨架28按照成年男性手的外形标准制作，形态、质感逼真，尽可能使切脉感受同切真人脉相同。智能脉位检测系统26放置于仿生手18的桡骨处，能实时检测寸、关、尺三个脉位的应指压力，实现中医脉象“寸、关、尺、浮、中、沉”三部九侯诊法的检测。人造脉管23是依照人体桡动脉血管的外形和柔韧度加工制作、致密性较大的硅胶管或乳胶管，能有效防止管内液体渗漏。优选的，智能脉位检测系统包括多个压力传感器。弹性硅胶块25放置在人造脉管23与智能脉位检测系统的压力传感器之间，提高人造脉管23和压力传感器的安全性和使用寿命。智能脉位检测系统用于检测仿生手寸关尺处的采脉压力。传统中医诊脉时，应指压力较小，寸关尺压力检测模块采用的压力传感器要有较高的灵敏度和抗干扰能力，脉象复放仪根据压力传感器测得的压力大小进行浮中沉选择调取不同的的脉象数据片段进行复放。

此外，如图2所示，图2为弹性硅胶块25的结构示意图，包括铜管固定槽5、脉管槽8、位置控制块6和圆形凸台7，铜管固定槽5用于固定分油器29的铜管，脉管槽8固定人造脉管23，防止人造脉管23滑动；圆形凸台7将手指对人造血管的压力传到对应的传感器上，避免了对其他脉位的干扰；弹性硅胶块25具有弹性，可保护人造脉管23不被磨损；位置控制块6固定智能脉位检测系统26的位置。也就是说，铜管固定槽5和脉管槽8设置于人造骨架28内，为分油器29的铜管和人造脉管23提供了在人造骨架28内安放的位置，位置控制块6保证了智能脉位检测系统的位置，使得分油器29的铜管和人造脉管23在人造骨架28内不会移动，位置固定，检测到的脉位更准确。分油器29保障复放系统封闭血液液路稳定可靠的运行，防止封闭血液液路漏液、进气。当封闭液路中人造脉管23的一端被电磁阀32阻断时，分油器29可以使模拟血液从另一端液路流动，避免了单向流通液路中被阻断后压力超出范围导致人造脉管23爆管的危险。

输出修正系统19为自适应滤波器。输出修正系统19采用自适应逆控制技术，如图1所示，为自适应逆控制原理图，自适应逆控制的基本思想是用一个来自控制器的信号去驱动被控系统，当控制器的传递函数收敛到被控系统传递函数的逆时，控制器与被控系统级联后的传递函数变为1，这样系统输出的响应信号会逼近理想的输出信号。主要由下面两个基本过程实现：

(1)滤波过程。作为自适应模型的自适应滤波器，比较理想信号与系统输出响应信号后得出两者之间误差，同时对理想信号进行滤波获得驱动控制信号。

自适应滤波器模型采用横向滤波器，有输入信号x(n)和理想信号d(n)两路输入信号。滤波器滤波系数是对延迟线抽头信号的加权系数{w1(n)，w2(n)，…，wm(n)}。在滤波过程中，理想响应d(n)与抽头输入向量x(n)一同参与处理。在此情况下，对于给定的输入，横向滤波器将产生一个输出y(n)作为理想响应的估计。此输出信号y(n)等于输入信号x(n)和冲击响应序列w(n)的卷积和，如(1)式所示：

将估计误差e(n)定义为理想响应与实际滤波器输出之差，则e(n)与x(n)都被加到自适应控制部分，因此围绕抽头权值的反馈环是闭环的，加权系数w(n)将在一定的自适应算法下随e(n)进行实时更新。

(2)自适应过程。利用滤波过程得到的估计误差驱动自适应算法，通过迭代对滤波权值进行调整，使滤波器处于最佳工作状态以实现滤波过程。

该自适应算法是优化后的最陡下降法，该算法下有：

e(n)＝d(n)-w^t(n)x(n)；(2)

其中梯度量

由上三式可得出下式：

w(n+1)＝w(n)+μk[e(n)]^2k-1x(n)；(5)

为了减少计算量将滤波器的输入数据x(n)截断为1或-1，同时用误差项的高阶矩作为新的误差项，该算法在实际使用时可将k值取为2，则式变为：

w(n+1)＝w(n)+2μ·[e(n)]³·sgn[x(n)]；(6)

误差项的最高次数为3，进而达到限制迭代过程计算量的效果。

自适应算法的计算过程如下：

(1)由时刻n的滤波器权向量w(n)，输入信号x(n)以及期望信号d(n)按式(2)计算误差信号；

(2)利用式(5)的递归算法计算滤波器权向量的更新值；

(3)将时间指数n增加1，回到步骤(1)，重复上述计算步骤直到达到稳态为止。

自适应逆控制是一种逆控制方法，使控制器逼近对象的逆映射。该系统的目的是既可以使得对象的输出跟随指令输入，也可以跟踪一个经延迟或平滑过的指令输入，而且对象的动态特性控制和消除扰动的控制是分开来各自独立完成的，从而提高了系统的动态性能，并且成功地抑制了扰动。

本实例的工作过程：患者信息及脉象数据通过网络传输至脉象复放系统，存储在“病历档案”中。复放脉象时，中央处理器将仿生手18中智能脉位检测系统检测到的脉位、取脉应指压力、管道内压力和脉象发生器上波纹管12的运动位置等信息传输至上位机脉象复放系统。复放系统综合分析、判断相应脉位、取脉应指压力，并将相应的脉象数据片段，发送至下位机，中央处理器驱动控制新型脉象发生器工作来复放脉象。在复放脉象的过程中，输出端的信号经闭环反馈系统反馈到脉象信号输入端，经过自适应逆控制算法来不断进行修正。下位机脉象复放结束后，中央处理器将复放结束反馈发送至复放系统，复放系统再次检测脉位、取脉应指压力、步进电机运行位置和管道内压力，发送脉象数据，驱动控制脉象发生器工作，以此往复，直至系统关闭。

本发明具有的优点和积极效果是：由于采用上述技术方案，采用多传感器信息融合技术，智能检测和判断中医师的采脉压力从而提取相应的脉象数据片段来复放；本发明从仿生学、机械学角度出发，创新性地设计了新型脉象发生器与液压系统相结合的脉象复放系统，相较于现有的方法，对脉象数据的还原度更高，使用体验更接近真实的切脉体验；采用多传感器信息融合技术，智能检测和判断中医师的取脉位置和应指压力，获得浮、中、沉等不同脉位的最佳切脉压力；加入闭环反馈机制有效修正复放误差，实现脉象数据的准确复放；另外充分考虑了系统的安全性和可靠性，加入内压检测和位置检测等模块防止意外发生。本发明可应用于中医脉诊课堂教学测试、职业中医师培训考核、远程中医脉诊研究等领域。

以上对本发明的一个实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。