基于脉象频谱分析的无线脉诊仪系统设计与实现

摘  要： 以中医脉诊理论为依托，以近年来发展的脉象频谱分析理论为指导，介绍一种新型基于脉象频谱分析的无线脉诊仪系统。该系统由脉象传感器模块、信号采集处理模块、信号接收模块和上位机分析显示模块组成。以无线传输的方式进行通信，采集到的脉搏信号在上位机中进行离散快速傅里叶变换得到各个谐波波形。仿真和实验数据显示，系统工作稳定、数据传输可靠，符合设计要求。
关键词： 频谱分析；脉象；无线通信；脉诊仪
   　脉诊是中医学中最具特色的诊断方法之一。在传统脉诊中，中医常常以大量诊断经验为基础来辨别脉象指征，凭感觉描述脉搏的表现，没有从理论上形成一个客观化、标准化的统一量化分析诊断方法。对患者的诊断准确程度受个人的经验和主观感觉影响很大，不同的中医可能诊断出不一样的结果。自上世纪50年代开始，随着电子技术的迅猛发展，很多国内外专家就设想通过利用现代科学技术，开发出能用于中医脉诊的更精确、客观化和智能化的仪器。中医脉诊仪PDI（Pulse Diagnosis Implement）的概念也由此提出。英国人Marey最早设计了以弹簧为动力的杠杆式脉搏传感器，并记录了桡动脉脉搏波[1]。
　脉诊仪是一种能对中医脉象信息进行自动采集、分析和处理，最后得出中医脉诊结果的脉诊设备[2]。国内外已出现多种中医脉诊仪设计方案，并组装了多种样机，如汤伟昌等人的ZMH-I型脉象仪[3]、王贻俊等人的MXY-1型中医脉诊仪[4]、唐金元等人的T-2A型中医脉诊仪[5]、周鹏等人的基于虚拟仪器技术的中医脉诊仪[6]、日本Colin公司研制生产的CMB-3000/2000型桡动脉脉波检测仪[7]。但上述脉诊仪往往有价格昂贵、体积较大且受制于距离限制等弊端，因此不能为广大家庭所接受。本文以延续了几千年的中医脉诊理论为依托，以近年来发展的脉象频谱分析理论为指导，结合现代电子技术，提出一种基于脉象频谱分析的无线型脉诊仪设计与实现方法，为脉诊仪的简单化、方便化和客观化研究奠定基础。
1 脉象频谱分析理论
　脉象信号的分析主要是指通过计算机进行各类算法分析。时域分析方法是一种较为传统且在前期研究中应用较广泛的方法。它直接通过脉图的形态分析，用以阐明脉动频率和节律、脉力的强弱、脉势的虚实和脉象形态特征等。
　现代中医理论认为：人体血液循环系统工作的过程就是一个共振的过程，不同脏腑，其振动频率也会不同[8]。由脏到腑，共振的频率逐渐增加，由人体12条经络，共有12个谐波。这为对脉搏信号进行频谱分析提供了理论上的可行性。脉象频谱分析主要是通过离散快速傅里叶变换，将时域的脉搏信号变换到频域，得到相应的脉搏频谱曲线，通过对频谱曲线的特征分析，从中提取与人体生理病理相应的信息，为脉象分类提供各种频域特征参数[9]。脉象频谱分析中使用较多的方法包括：基本幅值/相位谱分析、功率谱分析、倒谱分析、双谱估计等。
2 系统的总体架构和工作原理
2.1 系统总体架构
　本系统主要可以分为4个部分：脉搏传感器、信号采集处理模块、信号接收模块和上位机显示处理模块，其总体架构如图1所示。其中，脉搏传感器采集人体寸关尺部位脉搏波形，信号通过放大电路和A/D转换后，以无线的方式传输给接收模块，经过USB转串口模块后，在上位机中进行频谱分析和显示波形。
   
   2.2 脉搏信号采集
　人体脉搏信号有如下特点[10]：
　（1）强干扰下的微弱信号。脉搏信号幅度很小，极容易引入干扰，主要有50 Hz的工频干扰和肌体抖动、精神紧张带来的假象信号等。
　（2）频率低但能量相对集中的信号。人体的脉搏频率非常低，约为0.5~4 Hz，脉搏信号可看成一个准直流信号或者一个低频交变信号。
　（3）复杂且易变的随机信号。脉搏信号因人体生理、病理、心理的不同而不同，又受环境、时间、气候的影响。
　本文采用SC0073微型动态微压脉搏传感器，其结构如图2所示。
   
   　该传感器采用压电复合材料作为换能元件，信号通过特殊的匹配层传递到换能元件上变成电荷量，再经传感器内部放大电路转换成电压信号输出。该传感器是一种高性能低成本的振动传感器，具有灵敏度高、频率响应范围宽、抗过载及冲击能力强、抗干扰性好、操作简便等特点。因此能够满足本文设计上的要求。
2.3 无线通信的实现
　本系统采用无线的方式进行数据传输，能够减少空间的约束，大大提高了脉诊仪的方便性。
采用nRF24L01无线新型单片射频收发模块，工作于2.4 GHz~2.5 GHz ISM频段。相比较于PTR8000，nRF24L01采用隐式天线，模块体积更小，使用更加方便；多种低功率工作模式更加节能。其封装及引脚排列如图3所示。
   
   2.5 系统整体设计电路
　系统整体设计电路主要包括单片机控制无线模块传递数据和脉搏传感器采集脉象信号电路。其主要电路如图5所示。