毕业设计（论文）脉诊仪机构的开发与计算机辅助设计

1、脉诊仪机构的开发与计算机辅助设计摘 要脉诊在中医占很重要的地位，通过脉诊可以了解患者脏腑气血的盛衰，可以探测病因、病位、预测疗效等。临床脉诊时对某一脉象的认识是以医生手指的感觉并结合该医生对脉象理论的理解来加以鉴别与区分。由于脉象理论本身较笼统，具体的判别标准又很模糊，其中还掺杂了医生的判别经验及手指感觉等很多主观因素，因此中医脉象在教学中困难较大，临床脉诊时分歧较多。为了让中医走向世界，中医脉诊客观化、现代化势在必行。随着机械及电子技术的发展，国内外在研制中医脉象仪方面已经有了很大的进展。但是这些脉象仪只是把当时的脉象信息打印出来，而没有用数据的形式进行存储，如果以后想要再处理这个脉象信息就

2、办不到了，因此我们利用计算机对脉象信息在实时显示的同时还对其进行存储，为进一步分析脉象信息及研究脉象信息与疾病的关系做了准备。本系统中单片机系统主要完成信号采集、数据通信；微机完成数据接收、存入数据库、数据处理、显示等功能。本文详细介绍了脉象检测仪的机构设计。包括cad零件设计，ug三维造型。并且介绍了必要的伺服电机控制电路等内容。关键词脉象；单片机系统；ug三维造型；伺服电机diagnosis by feeling the pulse meter organization development and computer-aided designabstractit is well know

3、n that pulse-taking is very important in department of traditional chinese medicine, herbalist doctors think that they can gain sufferers pathogeny andsymptom by pulse tracings. when doctor takes in clinic pulse-taking, cognition to pulse tracings combines experience of finger and comprehend to puls

4、e tracings. but the pulse tracings are difficult to be commanded, and the standard of distinguish is fuzzy, so there are much difficulties and divergence in teaching and clinic. pulse-taking must be objective for tending towards the world.now, along with the development of machine and electronics, t

5、here areprogresses in manufacturing electropulsogragh. but the electropulsogragh can only give the wave of sufferers pulse information, it cannot save them, so we cannot process the information. in the thesis, this problem is solved.in this system, the microchip system focuses on sampling signals an

6、d datacommunication, and the microcomputer completes data acceptance, storage todatabase, data processing, display and other functions. the paper expounds on the design of pulse data checking system.it consists of the design of cad, and ug three-d modeling and expounds some necessary electrical cont

7、rol.keywords pulse condition; monolithic integrated circuit system; ug three dimensional modelling; servo electrical machine目录脉诊仪机构的开发与计算机辅助设计iabstractii第1章 中医脉诊客观化综述11.1 课题背景11.2 脉学的形成与发展11.3 脉象仪研制及分析方法的研究进展21.3.1 脉诊客观化研究的意义21.3.2 脉象仪研究概况31.3.3 关于脉象检测技术中存在的问题71.4 本章小结7第2章 系统整体方案设计82.1 系统的总体结构设计82.2

8、 国内外已有的设计方案简介82.2.1 三部脉象检测系统的研究设计82.2.2 zn1h-1型中医脉象传感器的研究设计92.2.3 无创脉搏血氧饱和度测量仪设计102.2.4 bio-me中医脉诊仪122.3 本系统总体设计方案142.4 本章小结14第3章 系统的整体机构设计简介163.1 cad和ug软件简介163.2 系统具体的结构设计173.2.1 自由度的分析173.2.2 关键元件的选取203.2.3 移动机构的设计223.2.4 机构校核243.2.5 部分零件图介绍11 12 13253.3 本章小结27第4章 步进电机驱动器的研制274.1 步进电机的驱动特性分析274.1.

9、1 步进电机的特点274.1.2 脉搏检测仪中步进电机的简介284.1.3 步进电机驱动原理284.1.4 步进电机斩波恒流驱动原理314.2 l297/298功能分析324.3 驱动器硬件体系结构344.4 本章小结34结论36致谢37参考文献38附录39第1章 中医脉诊客观化综述1.1 课题背景脉诊是一种传统的诊断方法，它在“望、闻、问、切”四诊中占有很重要的地位。两千六百余年来，经过历代医学家的反复临床实践与不断研究，己使之发展成为一门诊断学科一一脉象学。脉象学是通过检查与分析脉象的变化，了解人体气血的运行状态，脏腑生理病理改变，以及阴阳、热寒、虚实程度与疾病的表里等，来达到临床诊断和治

10、疗目的。长期的临床实践表明，脉诊是为了充实经络症候诊断法的实践体系需要所产生的，东方医学的内经和其它古典文献是它的病理学根据。从这个意义上看，脉诊的客观化是很有意义的。中医学以整体观和平衡观为核心，建立了独具特色的生命理论和诊疗体系。中医诊断学的基本原理被概括为“以表知里”，认为人体表象信息（四诊信息）与疾病的本质（证候）之间存在着必然的联系。脉诊是中医在诊断疾病时望、闻、问、切四诊中的重要步骤和手段。由脉诊（切）所得的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一个重要窗口，对识别病症，判断病情、分辨病机和推断预后，都具有重要的意义。我国中医学家经过几千年实践总结而成的脉学理论在中医

11、辨证论治中起着重要作用，也是对全人类的重大贡献。1.2 脉学的形成与发展脉诊是我国传统医学最早创用的独特的诊断方法。史记记载:“至今天下言脉者，由扁鹊也”，以此推之，至迟至公元前七世纪，医者就已经把脉象作为诊断疾病的必要手段并且有文字记载了。脉经是我国最早的一部医学著作。脉经最突出的贡献是：确立了二十四种脉象名称及其指感形象的标准，首开了脉象鉴别的先河，王淑和在脉经一卷、第一篇脉形状指下秘诀中，将众多的脉象名称归纳为：浮、花、洪、滑、数、促、弦、紧、沉、伏、革、实、微、涩、细、软、弱、虚、散、缓、迟、结、代、动等二十四种常用脉象，并形象的逐一描述了其指感形象，使脉象有了明确的命名标准，让人易于

12、掌握，容易辨认，自此之后便有了鉴别各种脉象间异同的方法，打开了后世医家的思路，对临床诊治疾病及现在脉诊的客观化起了不可估量的作用。历经一千六百余年的反复实践，脉经所提出的二十四种脉象全部保留，仅将软脉易名濡脉，明.李时珍濒湖脉学又增加了长、短、牢三脉。后来又有人在濒湖脉学27脉的基础上新增一疾脉。1964年全国中医教材会议审定的中医诊断学讲义所提出的常用28种脉象名称，亦与此完全相同。中医学以整体观和平衡观为核心,建立了独具特色的生命理论和体系。中医诊断学的基本原理被概括为“以表知里”,认为人体表象信息(四诊信息)与疾病的本质(症候)之间存在必然的联系.脉诊只中医在诊断疾病是望、闻、问、切四诊

13、中的重要诊断步骤和手段。由脉诊(切)所得的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一个重要窗口，对识别病症，判断病情、分辨病机和推断预后，都具有重要的意义。我国中医学家经过几千年实践总结而成的脉学理论在中医辨证论治中起着重要作用，也是对全人类的重大贡献。累积数千年来丰富临床经验的脉诊，是中国医学独特的诊病方法，脉象的变化反应了五脏六腑气血盛衰。根据脉象的变化，可探测人体脏腑的气血、阴阳、生理与病理的状况。脉症的变化极为繁多，讯号也极其微小，加上中医相授多以口诀和感觉，若无多年训练，也很难正确的辨证. 脉经作者王叔和曾说：在心易了，指下难明，正说明了传统中医无客观立据的困难。 脉经在

14、进一步明确了寸关尺的部位以及六部所主的脏腑之后，于卷二着重阐述了六部脉位主病的临床运用。据国外医学、中医中药分册报道，日本竹之内诊佐夫等，采用日本光电社设计的压脉波变换器作为压力感受元件，将其别置于寸、关、尺切脉部位，轻轻加压以测浮脉，中等压力以测中脉，以比浮脉大三倍的压力测沉脉，对白塞氏病、帕金森氏病患者治疗前后的脉象进行描记1。1.3 脉象仪研制及分析方法的研究进展1.3.1 脉诊客观化研究的意义中医学以整体观和平衡观为核心，建立了独具特色的生命理论和诊疗体系。中医诊断学的基本原理被概括为“以表知里”，认为人体表象信息（四诊信息）与疾病的本质（证候）之间存在着必然的联系。累积数千年来丰富临

15、床经验的脉诊，是中国医学独特的诊病方法，脉象的变化反应了五脏六腑气血盛衰。根据脉象的变化，可探测人体脏腑的气血、阴阳、生理与病理的状况。脉症的变化极为繁多，讯号也极其微小，加上中医相授多以口诀和感觉，若无多年训练，也很难正确的辨证，脉经作者王叔和曾说：在心易了，指下难明，正说明了传统中医无客观立据的困难。 多年以前，傅驰远教授曾从正常人中挑选平脉者做过实验研究。为了使判脉准确可靠，特请两位经验丰富的医师，分别对每名受试者进行脉象识别。根据当时的结果统计分析，两位医师的诊脉结论完全一致和基本一致者约占全部受试者的半数，而意见分歧较大者差不多也占半数。两位医师均医术精湛，他们的脉诊都有很好的重复性

16、。由此可见，他们在诊脉上的意见分歧，似与其技术水平无关；而是由于各人对脉象定义的理解与实践经验的体会不同，而逐渐形成了各自持有的诊脉感知模式。由于缺乏客观指标作为判脉的标准，医生在诊脉上的争议，得不到合理的裁决，因而各行其是。这样就不利于脉诊经验的总结交流，也影响了脉学的研究和发展。从以上分析，可见为诊脉建立切实可行的客观指标，即脉诊客观化，乃是继承和发扬中医脉学迫切需要解决的首要问题。它至少具有以下几个方面的重要意义：（1）应用脉诊的客观指标就可以弄清以古典为依据的脉性支配原理的实质含义，从而弄清经络的本质或气血病理的真实含义。（2）若脉诊有了共同的客观标准就能用共同的语言互相讨论和交流脉诊

17、的实践经验和研究成果，促进中医脉学的现代化和快速发展，提高中医临床诊断水平。（3）应用脉诊的客观指标，可以研究中医名家的诊脉特点，有利于保存名家中医的诊脉技巧和学术观点。（4）客观指标为中医脉象的现代化教学提供一种有效手段，可使初学者在学习切脉时有所依据，而不必去琢磨那些比拟语言的确切含意，有利于掌握和推广切脉技术1。1.3.2 脉象仪研究概况国内外在提取脉象图形方面已经开展了大量的工作，先后研制了不同种类的传感器及测量设备获得脉象波形。 国外方面：1860年法国的vierordt研制出第一台弹簧杠杆式脉搏描记器，使脉象研究由示意图阶段进入示波图阶段。由此可见，国外早就意识到脉诊客观化重要意义

18、，并进行了脉诊客观化的研究。1953年日本藤田六朗教授用麦杆法、电振法和羽毛法试图使脉诊客观化，并详细讨论了其结果和经络动向的一致性。之后，随着把脉搏搏动变换为电信号的传感器的出现以及各种低噪声，品质优良的放大器的开发大大加速了这种研究的进程。1978年竹之内诊左夫用压力传感器测出挠动脉波，并试用于临床。1982年松本勋用自己设计的传感器制成了脉波计也在临床进行了试用。限于当时的技术水平，竹之内诊左夫、松本勋等用的传感器所检测到的波形与实际脉动不一致，且检测到的脉搏图基线也不稳，分辨能力低。在此基础上，冈田腾川使用一种新开发的压电陶瓷作为可适用于浮、中、沉三种压力检测的传感元件，并用此陶瓷型压

19、力传感器描述了6种与脉象对应的脉搏图形，分析后得到比较满意结果。其后波形的放大，灵敏度的设置和记录时间的控制采用衰减器和二路便携式心电图机来调节。美国john.受中医脉诊启示设计了脉搏记录仪。将一小型压力传感器和一张力计式传感器紧贴在一起，制成探测不同压力下脉搏波动的感受装置，可将三个感受装置固定在手套中的三个指尖处，同时描记寸关尺三部脉波。石山仁等利用手术的胶皮手套，把半导体应变计贴于手指部位，作为检测脉波的脉波计。该装置用2.5ma的稳定电流启动，应变灵敏度1428mv，放大倍数为70，脉波变化的输出电压为12v左右。作者用此种脉波计测定了2040岁健康人的六部定位脉波，并将检测出的脉波记

20、录于描笔式记录仪上。藤田六郎研制出不接触诊脉部位就能测出最大脉波的光电管容积脉诊仪，并用日本光电k.k超声波脉诊仪进行了实验，证实了作者提出的存在两种体型的可能性，同时还确认了在脉诊部位有五行循环的存在。由此可见，国外对脉搏波的研究，在仪器上正朝着超声显像方面发展，脉搏图也进入了由波示图到声像图的研究新阶段。国内方面：我国脉诊客观化的研究始于五十年代，不少学者试图应用描记腕部挠动脉脉搏图的方法来解决这个问题，并对多种脉象讲行了脉图描记和分析。但是限于当时的仪器水平，描记出的图形较小，而且不够清晰，有的甚至失真，未能取得较大的进展。然而它清楚地说明了脉象信息是可以用仪器做客观记录的并且各种脉象的

21、不同信息，也可以在描记的图形中有所反映，这就为后继者指明了继续研究的方向。到了七十年代中期，国内天津、上海、贵州、江西等地相继成立了跨学科的脉象研究协作组，多学科共同合作促使中医脉象研究工作进入了一个新的境界。同时随着机械和电子技术的发展，国内研制出了一批性能和质量都较好的脉图仪，所描记出的压力脉图比较清晰、准确，而且有较高的可重复性。应用这些脉图仪已成功地记录出浮、沉、迟、数、疾、弦、滑、细、微、弱、促、结代等十余种脉象的波形，从图形特征上也可以互相区别。所研制的脉象探头式样很多，有单部、三部、单点、多点式等，接触方式有刚性接触式、气压式、液态汞、子母式等，组成脉象探头的主要元件有应变片、压

22、电晶体、硅压力传感器、光敏元件、pvdf压电薄膜等，当时以单点单部应变片式最为广泛。如北京的bys-14型脉象仪，采用半导体应变片式压力传感器，可同步描记心电、速率、时差、脉象，基本反映了脉象的频率、节律、幅度、幅度压力变化率、心电脉搏时差等信息。但许多精细的触觉特征，传感器难以模仿。比如，脉象的长短主要从血管的纵向移位来反映，这在手指切脉时是能被感受到的，但在脉图上却反映不出来。因为血管的轴向移动方向与传感器应变片平行，所以不能被感受到。八十年代初，天津医疗器械研究所的魏韧提出多因素脉图识别法，并采用七个平行悬臂梁加应变片的结构研制出mty-a型脉图仪，该脉图仪除显示传统的压力脉波图以外，增

23、加了脉管粗细图和脉位趋势图。后来，李景唐对这种方法作了进一步的论证，并研制出mx-5型多功能中医脉象仪，该仪器除了可描记上述三张图外，又增加了一张脉率趋势图，利用这四种图设计出27种脉象图谱，但未见后继报道。1984年中国医科院生物医学工程研究所的陈先农、罗致诚在一个手指大的面积上，沿挠动脉的纵向布置了三个平行的悬臂梁加应变片的结构，得到了有意义的结果。我国台湾与加拿大学者用频谱分析法研究中医脉象，用电容传声器作为换能装置，联接电子计算机，绘出脉谱图，并对中医寸口脉与脏腑相关理论进行了论证。在把电子计算机运用到脉诊研究方面，台湾汪叔游教授做了大量工作，1981年完成硬件分析电路，用8748微电

24、脑代替体积庞大的多频道记录仪，1984年选用entrar小型压力转换器，并配合使用苹果ii号电脑完成有关研究。1985年浙江大学科仪系的郑行一报道，其从仿生学的观点出发，模仿人的手指触压感觉研制出一种多维脉象检测系统，该系统采用压电薄膜pvdf作为传感材料，在手指有效接触面积上制作了73敏感点阵，由此设计出21路脉象换能器，在寸、关、尺的三部不同位点，可同时描记出63道压力脉图，对脉搏进行多维分析，使脉象研究从波式图阶段进入声像图阶段，并建立了计算机联机脉图处理系统，更精确地反映脉象的各种变化。近年来，国内已研制出许多种性能各异的脉诊仪。脉诊仪区别最大的就是传感器。传感器可分为压电式、压阻式、

25、电磁式、光电容积式、炭粒式、超声波式、光纤探头式等多种。胡家宁川等研制了三头式仿中医脉象传感器，并在临床进行了实际应用，得到满意的测试结果。此外，柳文仪等用二维及彩色多普勒的方法直接观察脉管管径、壁的厚度、充盈情况、血流频谱情况等，认为是对脉象客观化、科学化研究的新方法。中国医学科学院生物医学工程研究所研制出中突型三探头传感器以及测寸口挠动脉弯曲振动的传感器。后来他们又研制成一种能测定表浅动脉运动和截面变化的仪器。这些仪器都从寸口拾取脉搏信息。吉林工业大学采用光纤传感器研制了光纤探头脉象仪(其传感器结构如图1-5所示)。但从其检测到的健康人与病人的脉象图来看，各个波形分辨不是很明显。清华大学金

26、观昌等提出了一种新型压电薄膜(pvdf)多点脉搏波计算机辅助测试系统，它包括多点pvdf传感器、多点信号放大装置、以及数据采集系统。系统采用pvdf作为传感元件，配有两种型号的传感器，i型传感器可用于测量寸、关、尺三部脉搏波形的不同变化，ii型传感器用于测量脉搏波沿血管横截面方向各个点的不同，以得到脉图沿血管横向的变化规律。系统软件可显示各种脉图，实现多点动态实时测量，并能对脉图进行频谱分析和数字滤波。上海中医药大学汤伟昌在单探头zmh-1工型中医脉象传感器基础上又研究设计了一种双探头复合式脉象传感器(其物理模型如图1-6所示)。该传感器有别于单探头脉象传感器，它能测取中医脉象信号中有关力学参

27、数指标。传感器的灵敏度定为50mv/n;线性范围为0-3n：固有谐振频率大于1kha。选用被青铜作为弹性梁材料(弹性模量e=1.3110kg/mm)。应变一电压转换元件选用美国entran公司生产的半导体应变计，报道其性能稳定、灵敏2。图1-5 光纤脉象传感器机构示意图 图1-6 双探头脉象检测系统物理模型 1 传光光纤 2 反射膜片 3 上压膜 1 外围传感器 2 中心传感器 4 传输连杆 5 下支撑膜 6 外壳 3 皮肤软组织 4 血管2001年信息产业部电子第四十九研究所的张东青报道在传统传感器基础上研制出一种新型自检脉搏传感器，其采用弧面接触圆形敏感头仿人手指探触状态，可尽量减少周边支

28、撑所带来的干扰，确保准确测量到脉搏波。传感器性能指标为：灵敏度lmv/kpe；频响：300hz；线性度：0. 0596fs。所谓自检功能就是整形驱动显示电路将输入脉搏波波形整形后驱动发光二极管闪亮与挠动脉博波同步。当发光二极管与脉搏波同步时，是正确位置；否则不是正确位置。 随着电子计算机在脉诊客观化研究中的应用，脉象仪的研究得到了充足的发展。徐黎明等运用现代压力电压转换原理和电子计算机相联体，经五单元传感探头对脉象进行三维认证，以脉搏波峰的有无、峰距的远近、波峰的高低、峰底的宽窄准确地实现了中医脉象研究中的客观化量化。张镜人等应用脉象计算机增龄变化测报系统自动诊断中医脉象106例，并进行分析，

29、认为切诊定脉和图诊定脉两者应结合进行，并认为计算机定脉与换能器有关。1991年9月始，北京中医药大学的李宇航等人创意研制适用于中医临床及辅助教学的计算机模拟系统。他们在深入探求脉诊位数形势形成机理及其内在规律的基础上进行应用性研究，完成了“脉诊客观诊断系统”的研制。该系统压力信号探头芯片采用新微压晶体，触头设计模拟指形与小型阻抗血流探头以及心电电极合为一体。配有时钟信号。集成多路探头置于腕部寸口处，一次打压即可采集四路信号。软件部分采用时域分析、频域分析以及二次信号处理，其结果可多图像输出显示，打印。也可按位数形势四属性归类后参与tcmcads的自动辨证。在前人工作的基础上，本文提出一种集传感

30、技术、模拟电子技术、数字电子技术、单片机技术及计算机技术于一身的脉象仪。该脉象仪不但可检测脉象信息，还可以存储、打印、再现脉象波形。并可对临床检测到的信息进行综合分析处理，体积小，便于携带。1.3.3 关于脉象检测技术中存在的问题 中医脉诊的客观化是历数代人为之努力的目标，迄今虽然能用仪器描述多种脉象，然而仍然难以被中医临床所接受。其主要原因是：1在中医脉象研究领域中，由于探头种类很多，仪器不统一，各种脉象仪所记录的脉搏波之间只在低频部分存在可比性，预计在不远的将来，为了便于学术交流，统一探头的工作将会提到议事日程上。2脉象研究中另一个引人注目的问题，即可重复性，其涉及原因很多，例如探头的灵敏

31、度、测量位置、所加的压力、周围环境、被测者的饮食、精神状态等均可影响测试的重复性。实践证明只要在脉象检测过程中，注意了上述问题，可重复性是容易达到的。3现代科学中的鉴别与诊断是建筑在定量的基础上的，用脉象仪记录下来的有关浮沉、虚实、迟数、洪细、长短、弦滑等的脉象信息是一种连续信号，而中医脉诊的一个很重要的特点是定性分析，把这些信息转变为中医脉诊的定性概念，即离散信息，这中间存在着许多模糊的边界。为了确立多种因素影响下的模糊边界的闭值限，应建立有经验的医生的脉诊信息的数据库。中医脉象研究必须进入从定量到定性，进而结合四诊合参，与中医辨证挂钩的轨道，否则无法跳出心血管系统的圈子。4为避免因操作探头

32、的位置差异而造成所采集的脉象信息间的误差，必须研制一种能自动调节最佳脉象信息采集位置的探头。总之随着仪器研制、临床实验、参数分析等工作的深入，现代科学技术不断地渗入，预计不久的将来，中医脉诊客观化、现代化问题必将获得解决，对中医脉象的形成机理，也将获得一个令人满意的解释3。1.4 本章小结在本章中，主要论述了脉诊客观化的重要意义以及国内外脉诊仪研制的进展情况，从中我们知道国内外对脉搏图的研究经历了从示意图到波示图，再从波示图到声像图的阶段。在仪器研制方面，己将计算机引入，促进了脉诊客观化。在此基础上，本文提出一种集传感技术、模拟电子技术、数字电子技术、单片机技术及计算机技术于一身的脉象检测系统

33、。第2章 系统整体方案设计在设计系统之前，必须要对解决的问题进行调查研究和分析论证，在此基础上，根据实际应用中的问题提出具体的要求。另外，还要注意在满足性能指标的前提下，尽可能地降低价格。2.1 系统的总体结构设计脉搏检测系统不仅是一种医用辅助诊疗设备，同时也是以微型计算机为核心的应用电子仪器，它的最终目的是面向市场和面向用户。因此在系统设计、研发的各个阶段必须要考虑兼顾各方面应用的特点和技术要求，在系统设计的整个过程中始终要遵循以下几条原则：1安全性原则设计和制作要完全依据gb9706.1-1995医用电气设备安全通用要求规定的内容进行，保证系统的电气性能安全；2准确性原则人体的生物信号都是

34、极其微弱的信号，非常容易受到人体静电和环境感应电的干扰，因此在设计、制作中要采取一切手段保证信号的不失真；3可靠性原则必须保证能够长时间稳定的工作，性能可靠不出故障；4通用性和可移植性原则要求通用性尽可能好，能灵活的进行功能扩充，尽可能采用通用的系统总线结构，以便在需要时进行扩充；5先进性和可发展性原则考虑到计算机技术的迅速发展，设计必须要为以后系统的升级、改造留有手段，同时在技术上要做到适度超前。2.2 国内外已有的设计方案简介2.2.1 三部脉象检测系统的研究设计传感器核心部分的结构设计借鉴于zmh-1型单探头脉象换能器中带副梁的复式悬臂梁结构，较好地解决了换能器的重复性、稳定性等技术难点

35、。为了仿真模拟中医寸、关、尺三部手指灵活的按脉手法，三部脉象传感器整体结构在x, y, z方向二维可调的基础上，还增加了寸、关、尺探头相对距离和寸、关、尺探头整体沿血管轴向任意移动的调节机构。图2-1是用数码相机拍摄的传感器实物图片。图2-1三部脉象传感器整体结构实物示意图由图2-1可以看出，三部脉象传感器可以通过各个不同部位的旋钮，不但在x， y， z三维方向进行枯体的自由调节，还可以通过侧面的旋钮对寸、关、尺三个传感器之间相对位置进行调节。三部脉象传感器采用测力法的基本原理。三部脉象传感器由三个独立的、设计参数相同的压力传感器组成，每个传感器的物理模型如图2-2所示4。图2-2传感器物理模

36、型1 固定架2应变片3 弹性梁4 触头 5 皮肤 6 血管2.2.2 zn1h-1型中医脉象传感器的研究设计 中医手指切脉是在浮、中、沉不同的取脉压力下细心探测其脉象特征。在脉象客观化研究工作中，我们所面临的任务是把中医指下的感觉运用特定的测试手段记录下来，然后进行定性、定量分析。测脉象的所有信息是有一定困难的。我们研制的脉象传感器主要反映二个方面的内容，其一是检测脉象指感的主要成分(即脉的搏动力)，所测得的信息是脉搏各种力的综合作用，其中包括血管内压、血管张力，以及血管总体位移运动而产生的力等;其二是检测中医切脉时手指对脉道施加的压力。这是脉象传感器设计制作的最基本的三个要术。据此，我们可作

37、出如图2-3所示的传感器检测系统物理模型和图2-4传感器整体结构示意图。图2-3传感器检测系统物理模型1-复式悬臂梁2,3-半导体应变计4-刚体探头5-皮肤及软组织6-毛细动脉血管图2-4传感器整体结构示意图1-旋帽2-精密轴承3-外壳4-螺杆5-传感器核心6-表架2.2.3 无创脉搏血氧饱和度测量仪设计无创脉搏血氧饱和度测量仪采用atmel公司生产的at89c55wd型号单片机作为控制和数据处理与传输的核心。整个系统主要包括血氧探头驱动模块、脉搏波检测模块、a/d转换模块、电源管理模块、存储模块、时钟模块、串口通讯模块、液晶显示模块和按键控制模块。硬件系统框图如图2-5所示。at89c55w

38、d单片机时钟模块存储模块液晶显示键盘串口通信光电传感器血氧探头驱动电源管理 脉搏波检测 a/d转换器图2-5硬件系统框图图2-6 透射式血氧探头图2-7血氧探头驱动电路光电传感器前置放大第二级放大二阶巴特沃兹低通滤波第三级放大陷波器电压抬高多路开关脉搏波信号高通滤波图2-8脉搏波检测模块系统框图2.2.4 bio-me中医脉诊仪 产品特色:整合现代科学结晶,bio-me中医脉诊计算机辅助系统是中医脉学理论与现代科学技术成功整合的结晶，使脉诊能运用科学化的方法深入五脏六腑，了解病情，让中医辨证更客观、数据化。克服传统把脉的困难:高敏度的取脉感测装置，排除传统中医把脉时经验及主观判断的困扰，使诊断

39、更准确。客观模拟中医师“举按寻”运指手法和脉搏回馈信息:使用先进的传感技术，同步获取中医师指下的运力（“举按寻”运指手法）和患者脉力回馈信息。动态反馈式模拟指感施力技术准确获取脉搏“浮、中、沉”属性。三维可调、方便快捷、高精度、实时监控的脉诊调节系统:在垂直方向运用两级调控系统，在快速调节的基础上进行精细调节，保证脉诊仪的施力精度；同时可以在水平平面上自由调控，便于准确寻找不同患者的桡动脉位置。调节结果同步反映到脉诊系统中，动态指示医师操作。多路信号复合采集，综合分析 动压力信号 反映中医脉动信息； 静压力信号 反映中医师“举按寻”运指手法； 心电图 反映心脏运动，间接计算出脉搏波的传导速度，

40、表征血管信息； 光电脉图 反映微循环和反射脉搏波。脉波与心电图讯号、光电脉图实时侦测，侦测精确度高，同步侦测、记录完整的脉波图形与心电图讯号。结合心脏健康状况，提供相关图形与参数，作进一步诊断辨证，是中西医结合的一大创新。采集时实时自动分析和采集后人机交互辅助分析相结合:bio-me中医脉诊计算机辅助系统一边采集一边自动分析和自动切分脉搏周期，计算中医经典脉学所称之“数脉”、“迟脉”、“平脉”、“结促代脉”的脉搏信号属性，及时反馈到人机界面中。采集后的数据通过人机交互辅助分析，提供更多的中医经典脉学资讯。通过对心电图、压力脉图、光电脉图、患者基本信息的综合分析，得出“浮沉”、“迟数”、“滑涩”

41、、“弦紧”、“虚实”等多种脉象信息。 仿生柔性压力传感器:仔细分析中医师的诊脉过程：人的手指指面是触觉最敏感的部位之一，切脉是采用柔性传感器（医生的手指）通过阻尼系统（病人的表皮及皮下组织）提取弹性管路（桡动脉）中脉动流体（血流）的复杂动力学与流变学状态信息。bio-me中医脉诊计算机辅助系统模拟人类触觉小体的柔性压力传感器，用于实现指感下多维脉诊触觉信息的提取，较之硬性、刚性脉波擷取系统有本质的不同，极大地提高本系统的仿生性和可靠性。广适性系统:使用目前最广泛的usb接口，无须外接电源。只要您的计算机提供标准的usb接口，安装驱动即可使用。方便携带，使用便捷，是现代科学中医师必备之辅助诊断工

42、具。2.3 本系统总体设计方案基于单片机作为控制和数据处理与传输的核心的脉搏检测系统用于完成脉搏数据的采集、传输与处理。整个系统主要包括脉搏检测探头驱动模块、脉搏波检测模块、a/d转换模块、电源管理模块、存储模块、时钟模块、串口通讯模块、液晶显示模块和按键控制模块。其中的机构设计可分为两大部分：总体框图如2-9所示控制模块专家模块图象处理模块步进电机检测仪（探头机构）步进电机检测仪（托架机构）图2-9系统总体设计方案2.4 本章小结在硬件系统研制过程中，我们以实用、可靠为原则，在此基础上，努力简化硬件设计，主要完成了以下工作：通过与国内外已有的设计方案进行比较，总结其优缺点，设计出新型的比较完

43、善的脉搏检测系统的硬件设计方案。第3章 系统的整体机构设计简介3.1 cad和ug软件简介20世纪70年代后期以来，一个以计算机辅助设计技术为代表的新的技术改革浪潮席卷了全世界，它不仅促进了计算机本身性能的提高和更新换代，而且几乎影响到全部技术领域，冲击着传统的工作模式。以计算机辅助设计这种高技术为代表的先进技术己经、并将进一步给人类带来巨大的影响和利益。计算机辅助设计技术的水平成了衡量一个国家上业技术水平的重要标志。计算机辅助设计(computer aided design, cad)是利用计算机强有力的计算功能和高效率的图形处理能力，辅助知识劳动者进行工程和产品的设计与分析，以达到理想的目

44、的或取得创新成果的一种技术。它是综合了计算机科学与工程设计方法的最新发展而形成的一门新兴学科。cad技术能够实现的基本功能通常包括：绘图（如二维绘图、三维绘图、数据三维动画、出图打印等）、数据管理（如与工程数据库结合实现对工程数据的存储、查询等功能）、数值分析（如数据统计计算、有限元分析、碰撞分析、模拟装配等）、仿真模拟（如飞行仿真、受力破坏分析、交通状况模拟等）。目前国内市场上己经出现了一些针对系列化产品的专用cad软件，如哈尔滨工业大学特种加工及机电控制研究所开发的基于solidworks平台的涡轮盘专用cad/cam系统，燕山大学开发的基于特征造型的轴类零件gt-cad系统等5。ug(u

45、nigraphics)是美国eds公司集cad/cae/cam于一体的软件集成系统，使产品开发从设计到加工真正实现了数据的无缝集成，从而优化了企业的产品设计与制造。它广泛应用于机械、汽车、航空航天、家电、电子以及化工等各个行业的产品设计和制造领域，通过其虚拟产品开发（vpd）的理念，提供多极化的、集成的、企业级的包括软件产品与服务在内的完整的mcad解决方案。ug面向过程驱动技术的环境中用户的全部产品以及精确的数据模型能够在产品开发各个环节保持相关，从而有效地实现了并行工程ug不仅具有强大的实体造型、曲面造型、虚拟装配和产品工程图等设计功能，而且在设计过程中可进行有限元分析、机构运动分析、动力

46、学分析和仿真模拟，提高了设计的可靠性。同时，可用建立的三维模型直接生成数据代码，用于产品的加工，其后处理程序支持多种类型数控机床。另外，它所提供的二次开发语言ug/open grip、ug/open api简单易学，实现多功能，便于用户开发专用cad系统。3.2 系统具体的结构设计整个机构采用模块化的设计思想，模块化设计是以功能分析为基础，在某一基础产品的基础上将同一功能的模块互相选用或加工不同功能特性的模块及分模块，用以更好地满足用户需要的一种变型设计方法。本设计不但从脉搏检测仪的功能方面，还从加工装配方面都充分利用模块化的设计思想。按照完成的功能将三个自由度分成两组，本系统只采用了移动模块

47、，而且各个零件也尽可能采用同一尺寸。这样，可以降低运动副之间的干涉，不仅使检测仪具有更大的适应性和灵活性，也大大的缩短了设计制造周期，从而降低了制造成本。本系统得整体机构如3-1图所示。图3-1 机构的整体设计图3.2.1 自由度的分析现在的脉诊是根据脉学原理对病人进行诊疗，这就是要达到两个方面的要求，一是脉搏检测仪的探头必须找准病人手臂脉搏的正确位置；二是要通过探头传感器和电路的控制，并且根据浮、中、沉得取脉压力原理，获得正确的脉象信息。这就要综合考虑病人的性别，年龄、高矮、胖瘦等因素，在脉学原理的基础上对检测仪进行综合设计。我们设计的脉搏检测仪是使用机构来实现初步的脉象检测和脉象信息的采集

48、、分析。这就要求机器人具有三个自由度来实现要求。而且，我们采用三个探头的独立运动来找准测脉的准确位置，从而可以大大的提高脉象信息的可靠性。探头装置如图3-2所示。 图3-2 探头装置经过多次尝试和简化以后，我们将整个机构分为两大部分。第一部分是探头检测装置如图3-3所示，它主要是由三个探头装置组成，每个探头均可完成两个自由度并且在探头处放上传感片以找到脉象。主要通过步进电机来带动三个探头装置的移动，以找准测脉准确位置为目的。图3-3 探头检测装置的三维视图第二部分是手臂托架装置如图3-4和3-5所示，它主要是有一个托架槽组成，可以完成一个自由度。主要通过步进电机来带动托架槽的移动，以使探头可以

49、采集到不同位置的脉象信息为目的。图3-4手臂托架装置三维视图图3-5手臂托架装置二维示图3.2.2 关键元件的选取 考虑到机构的控制精度和造价等的问题，我们在脉搏检测仪的设计上选用步进电机，因为它具有如下的特点： 1可以用数字信号直接进行开环控制，整个系统廉价简单。 2位移与输入脉冲信号数相对应，步距误差不长期积累，可以组成结构简单而又具有一定精度的开环控制系统，也可在要求更高精度时组成闭环控制系统。 3无刷，电机本体部件少，可靠性高。 4易于启动、停止、正反转及变速，响应性也好。 5停止时，可有自锁能力。 6步距角选择范围大，可在几十度至180。大范围内选择。在小步距情况下，通常可以在超低速

50、下高转即稳定进行，通常可以不经减速器直接驱动负载。 7速度可在相当宽范围内平滑调节，同时用一台控制器控制几台步进电机可使它们完全同步进行。 8步进电动机带惯性负载的能力较差。 9出现失步和共振，步进电动机的加减速方法利用状态不同复杂化7。 这里，我们选用常州丰源微特电机有限公司的精密型永磁式减速步进电机，表3-1列出了电机的技术数据。表3-1电机技术数据型号步距角相数电压电流电阻15byhj0118/1502542012减速比空载运行频率空载启动频率启动转距锁定转距1/15010008004502500滑动螺旋传动可以实现元件的直线运动，本系统中的移动装置即可通过螺栓杆来完成其运动要求。而且，

51、螺栓杆安装简便，结构紧凑，工作适应非常强。根据不同的螺栓杆可以达到的各种精度要求。螺栓杆所具备的特点适合脉搏检测仪的结构的要求，它大大的降低了机构的拥挤程度，使其整个机构的外观合理、和谐、精简。在整个机构的设计中起到了重要的作用。根据表3-2可得我们选用的螺纹副材料是铜对青铜，根据表3-3可得我们选用的螺杆材料为45号钢。 表3-2 滑动螺旋传动的许用压强p螺纹副材料滑动速度，m/min许用压强，mpa螺纹副材料滑动速度，m/min许用压强，mpa铜对青铜低速18-25铜对灰铸铁2.413-18151-2铜对钢低速7.5-13铜对耐磨铸铁6-126-8淬火钢对青铜6-1210-13注：2.5或

52、人力驱动时，p可提高约20%表3-3 螺杆许用压力材料许 用 应 力b 螺杆钢螺母青铜40603040耐磨铸铁506040灰铸铁455540钢(11.2)0.6本系统机构移动时要求精确到毫米级。因此，根据gb193-63我们可以选用公称直径d=6mm，螺距t=1mm，线数n=1的螺栓杆来达到我们的要求。 d=6mmt=1mmn=1s=nt=11=1mm 因此，本设计中我们选用江阴市同方车业有限公司生产的直径为6mm的普通粗牙螺栓杆，如图3-6所示。图3-6 滚轴丝杆三维视图3.2.3 移动机构的设计移动机构是为了实现探头和托架的移动，以达到检测的目的。因此每一个探头移动机构都应该具有两个自由度

53、，这样要通过两个方向的运动的合成使运动点可以达到运动平面的任意位置。关于运动的合成常有两种方法来实现，并联法和串联法网。并联法是施加的运动都位于同一级，这种形式的特点是节约空间，运动相应快，要求元件精度高，承载小等；而串联法是运动一级的传递的，它的特点是占用空间大，承载大，运动稳定等。经过分析后觉得串联机构比较的适合我们的设计要术，整个机构运动能够比较的稳定，准确，而且串联机构的受力要比并联机构好，所以选择串联机构来实现8。如图3-7所示，移动机构主要是由一根滚轴丝杆和两根光轴导轨组成，这两根光轴起到支撑导向的作用，并承受压力和轴向力来减少甚至取消滚轴丝杆的受力，同时它们的位置在滚轴丝杆的左右

54、，这样有利于运动的稳定，不发生偏转，而且精度高。下层的移动机构的平台设计三个孔，其中中间的是滚轴丝杆孔与滚轴丝杆配合，两侧的孔和光轴配合，同时丝杆与一个步进电机连接，而上层的移动机构的设计与下层的类似。当下层的步进电机转动时，与之连接的丝杆随之转动，同时带动了上层平台的移动；当上层的步进电机转动时，带动与之相连的丝杆转动，从而带动探头使其达到平面内的指定位置。这就是探头移动机构单元的机构和工作原理。图3-7 移动机构视图如图3-8所示 ，移动机构也主要是有一根滚轴丝杆和两根光杆导轨组图3-8 移动机构视图成，其下层移动机构的丝杆和光杆的机构和工作原理与上述类似。而上层只有托架槽，当下层的步进电机转动时，与之连接的丝杆随之转动，同时带动了上层的托架槽移动，这就是托架移动机构单元的机构和工作原理。滚轴丝杆包括光杆的长度的确定，是根据测脉的实际长度和探头行程的有效长度来确定的，这就需要知道脉搏检测处手臂的大致宽度和两移动机构之间的大致距离。（1）根据手腕的大致宽度可取为45mm，因此，第一个部件的下层机构的行程15mms1 25mm 经计算可得： s1=40-16-4=20mm 满足上述要求（2）根据测脉的浮，中，沉原理和不同年龄的病人手臂长短的不同。