CN103845042A - 一种脉象采集装置及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种自动加压脉象采集装置，属于中医用医学仪器，其特征在于：该脉象采集装置的结构主要包括金属外壳、永磁铁、线圈、非金属线圈骨架、底座，永磁铁的两极接两块金属板，金属板被永磁铁磁化形成线性电机，线圈设在两块金属板的中心，非金属线圈骨架与支架固定，并能绕轴自由转动；非金属线圈骨架与悬臂梁之间由垫片隔开；悬臂梁在正反两侧对应位置上各贴一片应变片，探头固定在悬臂梁的末端。本发明的目的是提供一种结构简单、振动小、能准确定位、安全可靠的自动加压脉象检测装置及控制方法。

Description

一种脉象采集装置及控制方法

技术领域

本发明涉及一种自动加压脉象采集装置，属于中医用医学医疗仪器，也可作为临床教学设备。

背景技术

脉诊学有两千年的历史，中医学者经过多年的实践积累了丰富的临床经验，已经发展成为一门具有卓越和独特诊断技巧的“中医脉学”，成为中医诊断疾病的常规手段。脉象反映人体各种生理和病理状况，是观察体内功能变化的重要窗口，对识别病症，判断病情就有重要意义。

但由于中医脉诊具有极大的个人主观臆断性，所谓“脉理精微，其体难辨”；“在心易了，指下难明”。由于缺少中医常见脉象标准，影响了进行脉诊客观化检测的研究，是继承和发展中医脉诊的重要课题。

多年来，研究人员一直在对脉诊的客观化进行不懈努力，研制出多种脉象传感器和脉象检测装置，但很多采用现代化的科学仪器设计的脉象检测装置，研究方法大部分是遵循着西医的心电图、血流动力学的方法，并不是立足于把中医指下感觉完全反映出来,只是希望通过在一张简单的搏动图上作过细的测绘、分析, 由于这种想法不符合中医切诊的特点,遗漏了一些重要的信息,在进一步分析时就难免捉襟见肘。而一些医学仪器也因为在加压方式上存在弊端，脉象仪至今不能为中医临床接受。

对已有专利分析：

（1）专利手动加压装置： 专利“智能化中医脉象检测装置” （专利号 00217180.5），提出采用悬臂梁结构，黏贴半导体应变片，检测脉象信号。手动调节螺杆使传感头垂直上下运动，采用递增加压的方式测取5~10段脉搏信号。该专利采用的是手动加压的方式，但是由于采样***导致位置选定不统一会引入非客观和不稳定的因素，不利于规范和客观化分析，过长的采样时间也不利于脉象样本库的积累”。所以研究人员在装置上增加了自动加压的结构。

（2）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”，（申请号：200610009639.1），提出采用步进电机进行自动加压或减压，步进电机转动带动压力传感器和光电传感器相对于患者腕部上下运动，压力传感器检测压力发明内容送到中央控制电路，采用PID控制算法控制切脉压力。

（3）专利“三部五维数字脉象传感器”（申请号：200910103811.3），专利中采用步进电机驱动液压罐的活塞，改变液压罐中的液压，由液压和电磁阀分别控制和驱动传感头以不同压力柔性切脉，采用压阻式压力传感器实时检测压力信号。

（4）专利“脉象采集装置”（申请号：200910057920.6），专利提出外壳上固定电机，电机带动丝杆转动，丝杆带动传感器探头上下运动，通过传感器探头采集的压力信号确定是否继续加压，并设计了升降的极限位置。

（5）专利“双感测脉诊仪”（申请号201010189902.6），专利中提出运动控制装置包含马达—马达驱动器—马达控制器。控制运动控制装置用以调节各施力杆，施力杆下端连接传感器，控制按脉的位置及深度。

（6）专利“快速定位的三部多点压力脉象仪”（申请号：201110264635.9），专利中加压装置包括步进电机和减速齿轮，再通过传动机构将力施加到传感器探头。该装置的优点是探头稳定性增加，使用体积更小的电机。

（7）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”，（申请号：200610009639.1），专利中是通过压力传感器检测切脉压力，通过光电传感器检测脉象信号，两个传感器互相独立，检测信号的原理不同，精度不统一，不利于确定切脉压力与脉象信号的对应关系。

综合上述专利文献可知，采用自动加压是未来脉诊仪发展的方向，现在采用的驱动装置多是步进电机和马达，电机连接传动杆再连接探头进行加压。这种结构增加了装置的复杂性，比手动加压装置更加笨重，不方便移动和使用。步进电机在工作时的震动也会影响检测的准确性，而且步进电机控制不当容易产生共振。步进电机、转动和直线运动机构之间是一种刚性的连接关系，在***失控状态极易对人体的检测部位造成伤害。

发明内容： 

本发明的目的：针对现有技术的不足，本发明提供一种结构简单、振动小、能准确定位、安全可靠的自动加压脉象检测装置及控制方法。

技术方案：

本发明是通过以下技术方案来实现的：

一种脉象检测装置，其特征在于：该脉象采集装置的结构主要包括金属外壳、永磁铁、线圈、非金属线圈骨架、底座，永磁铁的两极接两块金属板，金属板被永磁铁磁化形成线性电机，线圈设在两块金属板的中心，紧密的绕在一个非金属线圈骨架上；非金属线圈骨架与支架固定，支架固定在底座上，非金属线圈骨架绕轴自由转动；悬臂梁采用弹性金属材料固定在非金属线圈骨架的下端，悬臂梁与非金属线圈骨架固定在一起，非金属线圈骨架与悬臂梁之间由垫片隔开；悬臂梁在正反两侧对应位置上各贴一片应变片，探头固定在悬臂梁的末端。

非金属线圈骨架与悬臂梁之间设有一定间距，间距的大小为一个垫片的距离。应变片为金属应变片。

该脉象检测装置的电路部分由PC机脉象采集软件、采集过程控制单元、驱动电路、AD转换电路、检测单元、线性电机、悬臂梁、应变传感器组成；PC机脉象采集软件与采集过程控制单元连接，采集过程控制单元与驱动电路连接；驱动电路通过线性电机、悬臂梁、应变传感器将信号传送到检测单元上，检测单元与AD转换电路连接，AD转换电路将信号最后送入采集过程控制单元进行数据处理，实现***的闭环控制。

***中驱动电路的输入信号为PWM信号，输出是电流信号，驱动电路为H桥电路；H桥的4条垂直边由4个三极管Q1、Q2、Q3、Q4组成，电机位于H中的横杆上。

一种如上所述脉象采集装置的脉象采集的控制方法：其特征在于：该方法包括如下步骤：

初始状态，由于自动复位装置的作用，悬臂梁在水平位置偏上；

（1）将采集过程控制单元输出PWM控制信号，使悬臂梁受电机作用向下摆动；

（2）采集过程控制单元控制AD转换、检测单元将应变传感器及电桥电路检测的脉象信号进行处理，将脉象信号中的切脉压力信号（直流信号）和脉形信号（交流信号）分离，再通过AD转换为数字信号；

（3）采集过程控制单元控制先对切脉压力信号进行数据处理，判断切脉压力信号是否大于2g且小于200g；

1）在2g和200g之间，采集过程控制单元接收脉形信号，对脉象信号进行数据处理；执行步骤（4）；

2）小于2g，表示切脉压力不够，则不对脉形信号进行处理，采集过程控制单元输出PWM控制信号，进行再次加压，执行步骤（5）； 

3）大于200g，表示切脉压力过大，采集过程控制单元输出占空比为0的PWM信号，悬臂梁复位，执行步骤（6）；

（4）对脉形信号进行数据处理，求采集点中幅度最大值，将最大值与设定值比较；

采集脉形数据，分析数据的峰值：

1）          当峰值大于2g，保存脉形信号，进行步进加压，执行步骤（5）；

2）          当峰值小于2g，如已获取过脉形信号，表示切脉压力较大，执行步骤（6），采集完成；

 3）          如没有获取过脉形信号，表示切脉压力不够，执行步骤（5）；

（5）采集过程控制单元在上次的基础上， PWM信号占空比增加一个设定值（1g），电机带动悬臂梁向下摆加压，重复执行步骤（2）、（3）、（4）；

（6）加压装置的的切脉压力过大，采集过程控制单元输出占空比为0的PWM信号，悬臂梁复位，结束加压。

 

优点及效果： 

（1）采用线性电机直接将电能转化为机械能，不需要中间的传动装置，结构简单、无磨损、噪声低；

（2）本发明能够连续施加压力，定位精确，重复性高；

（3）设计了探头保护装置，避免悬臂梁因过载损坏；

（4）施加的控制信号与施加的力信号成正比关系，可精确控制力的大小。

（5）采集过程施加的力，由电磁转换获得（非刚性连接的弹性力），在设计上保证在电路故障失控状态下，加压极限值为260g，也不会对人体产生伤害。

（6）可将检测的脉象信号送入PC机，能将数据进行存储、绘制和分析处理，方便样本数据库的积累。

附图说明：

图1是本发明脉象检测装置的电路原理图；

图2是图1中检测单元的电路原理图；

图3是本发明整体结构示意图；

图4为图1悬臂梁的局部放大图；

图5为悬臂梁上应变传感器安装位置的示意图；

图6为本发明驱动电路部分的电路原理图；

图7为本发明脉象采集方法的原理框图；

图8为本发明悬臂梁与线圈骨架间距确定的示意图。

图中标注：底座1、金属板2、永磁铁3、线圈4、支架5、线圈骨架6、探头7、悬臂梁8、螺钉9、螺母10、垫片11，应变片12。

具体实施方式：

下面结合附图和具体的实施例对本发明做进一步的说明：

本发明的脉象检测装置，其特征在于所述脉象检测装置由PC机脉象采集软件、采集过程控制单元、驱动电路、AD转换电路、检测单元、线性电机、悬臂梁、应变传感器组成；采集过程控制单元、驱动电路、线性电机、悬臂梁实现在人体桡动脉上的加压控制；应变传感器、检测单元、AD转换电路实现人体脉象的采集，最后送入采集过程控制单元进行数据处理，实现***的闭环控制。

采集过程控制单元输出PWM信号给驱动电路，驱动电路输出电流信号给线性电机，线性电机产生安培力施加到悬臂梁上，悬臂梁带动探头上下摆动，改变施加到人体桡动脉上的切脉压力；悬臂梁上的应变式传感器受到脉搏波波动产生应变，检测脉象，脉象信号先后经过电阻电桥和检测单元转为电信号送入AD转换电路，AD转换后的数字信号送入采样过程控制单元进行数据处理，采样过程控制单元根据数据处理结果输出PWM信号给驱动电路，完成一次闭环控制；采样过程控制单元与PC机脉象采集软件双向通信，实现数据和命令的传送。

根据传统中医诊脉的理论，切脉是需要施加不同切脉压力即浮中沉，并且可以依据脉型智能给出大小变化的切脉压力，并且将脉象信息在计算机上进行存储和分析处理。为此，本发明还提供了一种脉象采集方法。

检测单元（如图2所示）：

本发明的脉象采集装置检测的检测单元由放大电路、高通滤波电路、衰减电路、模拟开关组成；检测单元的输入端连接应变传感器和电阻电桥的输出端，检测单元的输出端连接AD转换；脉象信号经过应变式传感器和电桥电路后转换为微弱的电信号，电信号输入到放大电路中进行放大，满足后续电路的要求，放大后的信号分别送入高通滤波电路和衰减电路，高通滤波电路滤除信号中的直流成分，保留信号中的交流信号，衰减电路对信号进行衰减，因为信号中直流成分的幅值远远大于交流信号的幅值，经过衰减后，保留了信号中的直流成分；根据信号在短时间内满足狄义赫利（Dirichlet）条件，可以用傅里叶级数描述，则信号中的直流成分为切脉压力的反作用力，与切脉压力大小相等；信号中的交流成分为脉搏波动的作用力；通过高通滤波电路和衰减电路分别提取切脉压力信号和脉搏波波动信号；两路信号通过模拟开关分时送入AD转换器转换为数字信号。

加压与传感装置（如图3、4、5所示）：

加压与传感装置由线性电机、悬臂梁、应变传感器组成。

本发明中采用的线性电机装置由金属外壳、永磁铁3、线圈4、非金属线圈骨架6、底座1组成。永磁材料采用烧结钕铁硼材料，永磁铁的两极接两块金属板2，金属板2被永磁铁3磁化形成线性电机，线圈4在两块金属板2的中心，紧密的绕在非金属线圈骨架6上。非金属线圈骨架6与支架5通过螺钉固定，支架5固定在底座1上，非金属线圈骨架6绕轴自由转动，实现上下摆动。等截的悬臂梁8采用弹性金属材料制成，固定在非金属线圈骨架6的下端，悬臂梁8与非金属线圈骨架6通过一个螺钉9、螺母10、两个垫片11固定在一起，非金属线圈骨架6与悬臂梁8之间由垫片11隔开，有一定间距，是起到保护作用。悬臂梁8在正反两侧对应位置上各贴一片应变片12，探头7固定在悬臂梁8的末端。这里采用的应变片12为金属应变片。为了使结构清晰明了，线圈4电流的输入线和应变传感器的输出线和电源线都为画出。

加压装置工作原理：

本发明中的动力装置采用线性电机，线性电机根据安培力的作用原理工作的，通电线圈在磁场中会受到力的作用产生运动。

 

根据上式，B为磁感应强度大小、L为线圈的总长度、I为线圈中通过的电流。因为***的磁场与线圈的长度固定，力的大小与线圈中的电流成正比。

线性电机产生的安培力的方向根据右手定则判断，电机中的线圈为圆形，则安培力的作用点为圆心，方向垂直线圈骨架的轴线。根据杠杆作用力矩的原理，以线圈骨架与支架固定点为支点，线圈骨架将安培力传递到末端探头。探头上的作用力与安培力成正比，与电流成正比。

驱动电路（如图6所示）：

***中驱动电路的输入信号为PWM信号，输出是电流信号，***选择的H桥电路作为驱动电路。H桥的4条垂直边由4个三极管Q1、Q2、Q3、Q4组成，电机位于H中的横杆。当H桥对角线上的三极管导通时，电机转动；改变电流的流动方向可以控制电机的正转或反转。为了要保证H桥上两个同侧的三极管不会同时导通，以免电机被烧坏，控制信号PWM2是控制信号PWM1取反后的信号。三极管Q5和Q6放大电流，增加电路的驱动能力。

脉象采集的控制方法：（如图7所示）：

加压的方法（脉象采集的方法）包括如下的步骤：

初始状态，由于自动复位装置的作用，悬臂梁在水平位置偏上；

（1）将探头对准人手桡动脉寸口处，采集过程控制单元输出PWM控制信号，使悬臂梁受电机作用向下摆动；

（2）采集过程控制单元控制AD转换、检测单元将应变传感器及电桥电路检测的脉象信号进行处理，将脉象信号中的切脉压力信号（直流信号）和脉形信号（交流信号）分离，再通过AD转换为数字信号；

（3）采集过程控制单元控制先对切脉压力信号进行数据处理，判断切脉压力信号是否大于2g且小于200g；

1）在2g和200g之间，采集过程控制单元接收脉形信号，对脉象信号进行数据处理；执行步骤（4）；

2）小于2g，表示切脉压力不够，则不对脉形信号进行处理，采集过程控制单元输出PWM控制信号，进行再次加压，执行步骤（5）； 

3）大于200g，表示切脉压力过大，采集过程控制单元输出占空比为0的PWM信号，悬臂梁复位，执行步骤（6）；

（4）对脉形信号进行数据处理，求采集点中幅度最大值，将最大值与设定值比较；

采集脉形数据，分析数据的峰值：

1）          当峰值大于2g，保存脉形信号，进行步进加压，执行步骤（5）；

2）          当峰值小于2g，如已获取过脉形信号，表示切脉压力较大，执行步骤（6），采集完成；

 3）          如没有获取过脉形信号，表示切脉压力不够，执行步骤（5）；

（5）采集过程控制单元在上次的基础上， PWM信号占空比增加一个设定值（1g），电机带动悬臂梁向下摆加压，重复执行步骤（2）、（3）、（4）；

（6）加压装置的的切脉压力过大，采集过程控制单元输出占空比为0的PWM信号，悬臂梁复位，结束加压。

极限压力调整方法（如图3、4、5、6所示）：

电路故障失控状态，Q1和Q4同时导通，VCC直接加到电机线圈两端，加压为极限值，在这种条件下改变图3的铁板与磁铁的间隙（垫如薄纸片），可以改变这个压力的大小。

非金属线圈骨架与悬臂梁之间间距（过载保护）的确定（如图8所示）：

非金属线圈骨架6与悬臂梁之间有间距ΔL的作用，ΔL过小，脉搏波波动时，悬臂梁受脉搏波作用向上变形，ΔL过小，线圈骨架（副梁）与悬臂梁接触，线圈骨架（副梁）阻止悬臂梁的变形，则悬臂梁上应变片的形变受影响，检测的脉象信号失真；ΔL过大，则当脉搏波波动较大或受外力影响，悬臂梁有较大变形时，悬臂梁上端的线圈骨架（副梁）阻止悬臂梁的变形，保护了悬臂梁不会超出弹性范围。线圈骨架与悬臂梁之间间隔的确定：将悬臂梁固定在一横向支架上，悬臂梁与支架平行，用螺钉、螺母和两个垫片与支架固定，支架与悬臂梁之间的距离ΔL为垫片的厚度，悬臂梁的末端超出支架末端；在悬臂梁的末端固定一丝线，在丝线末端拴上一砝码。砝码重量为220g，将砝码缓慢放开，观察悬臂梁的变形情况，如果悬臂梁与支架接触，则说明支架与悬臂梁的距离ΔL过小，则增加支架与悬臂梁之间垫片的厚度，再加砝码进行试验，确定合适的垫片厚度。

Claims (6)

1.一种脉象采集装置，其特征在于：该脉象采集装置的结构主要包括金属外壳、永磁铁（3）、线圈（4）、非金属线圈骨架（6）、底座（1），永磁铁（3）的两极接两块金属板（2），金属板（2）被永磁铁磁化形成线性电机，线圈（4）设在两块金属板（2）的中心，紧密的绕在一个非金属线圈骨架（6）上；非金属线圈骨架（6）与支架（5）固定，支架（5）固定在底座（1）上，非金属线圈骨架（6）绕轴自由转动；悬臂梁（8）采用弹性金属材料固定在非金属线圈骨架（6）的下端，悬臂梁（8）与非金属线圈骨架（6）固定在一起，非金属线圈骨架（6）与悬臂梁（8）之间由垫片（11）隔开；悬臂梁（8）在正反两侧对应位置上各贴一片应变片（12），探头（7）固定在悬臂梁（8）的末端。

2.根据权利要求1所述的脉象采集装置，其特征在于：非金属线圈骨架（6）与悬臂梁（8）之间设有一定间距，间距的大小为一个垫片（11）的距离。

3.根据权利要求1所述的脉象采集装置，其特征在于：应变片（12）为金属应变片。

4.根据权利要求1所述的脉象采集装置，其特征在于：该脉象采集装置的电路部分由PC机脉象采集软件、采集过程控制单元、驱动电路、AD转换电路、检测单元、线性电机、悬臂梁、应变传感器组成；PC机脉象采集软件与采集过程控制单元连接，采集过程控制单元与驱动电路连接；驱动电路通过线性电机、悬臂梁、应变传感器将信号传送到检测单元上，检测单元与AD转换电路连接，AD转换电路将信号最后送入采集过程控制单元进行数据处理，实现***的闭环控制。

5.根据权利要求4所述的脉象采集装置，其特征在于：***中驱动电路的输入信号为PWM信号，输出是电流信号，驱动电路为H桥电路；H桥的4条垂直边由4个三极管Q1、Q2、Q3、Q4组成，电机位于H中的横杆上。

6.一种用权利要求1所述脉象采集装置的脉象采集的控制方法：其特征在于：该方法包括如下步骤：

初始状态，由于自动复位装置的作用，悬臂梁在水平位置偏上；

将采集过程控制单元输出PWM控制信号，使悬臂梁受电机作用向下摆动；

采集过程控制单元控制AD转换、检测单元将应变传感器及电桥电路检测的脉象信号进行处理，将脉象信号中的切脉压力信号（直流信号）和脉形信号（交流信号）分离，再通过AD转换为数字信号；

采集过程控制单元控制先对切脉压力信号进行数据处理，判断切脉压力信号是否大于2g且小于200g；

1）在2g和200g之间，采集过程控制单元接收脉形信号，对脉象信号进行数据处理；执行步骤（4）；

2）小于2g，表示切脉压力不够，则不对脉形信号进行处理，采集过程控制单元输出PWM控制信号，进行再次加压，执行步骤（5）； 

3）大于200g，表示切脉压力过大，采集过程控制单元输出占空比为0的PWM信号，悬臂梁复位，执行步骤（6）；

（4）对脉形信号进行数据处理，求采集点中幅度最大值，将最大值与设定值比较；

采集脉形数据，分析数据的峰值：

1）当峰值大于2g，保存脉形信号，进行步进加压，执行步骤（5）；

2）当峰值小于2g，如已获取过脉形信号，表示切脉压力较大，执行步骤（6），采集完成；

3）如没有获取过脉形信号，表示切脉压力不够，执行步骤（5）；

（5）采集过程控制单元在上次的基础上， PWM信号占空比增加一个设定值（1g），电机带动悬臂梁向下摆加压，重复执行步骤（2）、（3）、（4）；

（6）加压装置的的切脉压力过大，采集过程控制单元输出占空比为0的PWM信号，悬臂梁复位，结束加压。

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