中医脉象教学考试仪的研究

1、医疗卫生装备 2007年第 28卷第 6期作者简介 :王学民 , 副教授 , 硕士生导师 , 中国生物医学工程学会传感技 术分会 、 测量分会委员 , 主要从事影像医学仪器的教学与科研工作 。中医脉象教学考试仪的研究王学民 1王槿 1陈枫 1石强 2李园 2(1. 天津大学精密仪器与光电子工程学院生物医学工程系天津市300072; 2. 天 津 中 医 药 大 学 医 疗 系天 津 市 300193摘要综合运用了中医学 、 仿生学 、 机械学 、 传感技术以及计算机技术 , 研制出一种可模拟人体 26种脉象的中医脉象教学考试仪 。 该仪器通过机械系统 、 无线发射接收电路 、 控制电路 、 传

2、感器反馈电路 、 液晶显示单元 、 仿生手单元和外观 等方面的设计 , 能体现人体各种脉象的指下主要特征 , 适用于中医脉象诊断的教学与测试以及科学研究等 , 具有广阔 的应用空间和研究改进空间 。 关键词中医 ; 脉象 ; 脉诊 ; 教学 ; 考试Research on teaching and testing m achine for traditional Chinese m edicinepulse-takingWANG Xue-min 1, WANG Jin 1, CHEN Feng 1, SHI Qiang 2, LI Yuan 2(1.College of Precision I

3、nstrument and Optoelectronics Engineering, Tianjin University , Tianjin 300072, China; 2.Medical College, Tianjin University of Traditional Chinese Medicine, Tianjin 300193, China AbstractWith the application of traditional Chinese medicine science, bionics, mechanical science, sensor technology and

4、computer technology, this paper develops a teaching and testing machine for traditional Chinese medicine pulse -taking, which can successfully simulate the characteristics of 26types of human pulse. Using mechanical design, wireless transmission &reception circuit, control circuit, sensor reacti

5、ve circuit, LCD display, bionic artificial hand and outlook design, this machine can reflect the main characteristics of all kinds of human pulse for teaching and testing of traditional Chinese medicine pulse-taking.Key words traditional Chinese medicine; pulse; pulse taking; teaching; testing1引言中医四

6、诊 望 、闻 、 问 、 切 , 结合了用于察言观色的视觉 功能 、 辨识声音和气味的听觉嗅觉功能 、 病患主诉以及切脉触 诊的指感功能和触觉功能 , 是中华民族医学史上的瑰宝 。 脉诊 是中医四诊中重要的一支 , 在中华五千年的历史中绽放光彩 , 并在当代受到更加广泛的重视 , 引起了世界各国学者的兴趣 。 文化需要传承 , 中医脉诊同样如此 。 中医切脉 , 是指医生用手 指切按患者的桡动脉处 (有时是颈动脉或足背动脉 , 再根据 脉象情况了解患者病症及其内在病理变化 。 传统中医教学采 用课堂讲授和临床实习结合的方式 , 而测试采用笔试的方式 , 受到诸多客观条件的限制 , 例如 :危重

7、脉象和非常见脉象不容 易观察 , 脉理细微易变且个体差异较大 , 临床实习条件有限 , 这些都成为制约中医院校学生掌握脉诊方法的瓶颈 。 中医脉 象教学考试仪的研制可以突破传统教学模式 , 完全模仿指下 脉象 , 突破临床条件的限制 , 在一个机器上让学生从多角度掌 握脉象精华 。2仪器整体介绍中医脉象教学考试仪由一个主控台和多台脉象模拟分机构成 , 其外观见图 1所示 。主控台由无线发射模块 、 键盘液晶显示器 、 处理器及其外 围控制电路组成 。 处理器通过无线发射模块发射高频信号 , 控制分机状态 。 主控台可在 200m 范围内发出清屏 、 显示 、 单机 、 联机 4种指令 , 以及

8、 26种脉象选择命令到脉象训练仪接收装 置 。 分机的工作方式分为 2种 , 即教学模式和考核模式 。 在教 学模式下 , 主控台可以自由选择是否控制分机 , 在液晶屏幕上 可以显示典型脉图和脉图特征描述 ; 在考核模式下分机完全 受控于主控台 , 液晶屏幕无显示 , 学生只能根据脉动情况辨别 是何种脉象 。脉象模拟分机由无线接收模块 、 键盘 、 液晶显示器 、 仿生 手 、 管道循环系统 、 单片机及其外围电路组成 , 能够实现输出图 1中医脉象教学考试仪的主控台和脉象模拟分机外观图液晶显示屏仿生手台面键盘开关底轮管道循环系统 和控制部分开关 键盘 液晶显示屏接收天线中图分类号 :R241

9、.1; TH776.1文献标识码 :A文章编号 :1003-8868(2007 06-0001-03本栏目编辑 /凌俊洁研究论著THES IS &RES EARCH REPORT1医疗卫生装备 2007年第 28卷第 6期图 2脉象教学考试仪框图图 4主控台键盘设计图 5液晶显示器和标准脉图库中脉图及脉象特征描述模拟脉象 、 寸关尺定位 、 浮中沉识别等功能 。 3脉象模拟分机设计传统的中医认为 , 脉象是体表动脉搏动显现的部位及深浅 、 频率 、 强度 、 宽度 、 长度 、 节律和流利度 、 紧张度 、 形态等因 素的综合征象 。 现代医学继承并发展了传统理论 , 因此 , 对于

10、特定部位 , 从以上几个方面进行脉象模拟是本设计的关键 。 例 如 :疾脉的 “快于数而疾 , 呼吸之间脉七至 ” 和迟脉的 “ 一息三 至 , 来去极迟 ” 反映了心血管循环频率 ; 结脉的 “ 迟滞中时见一 止 ” 和代脉的 “ 来数中止 , 不能自还 , 因而复动 ” 反映了节律变 化 ; 实脉的 “ 脉实以坚 , 谓之益甚 ” 和虚脉的 “ 迟大而软 , 按之不 足 , 隐指豁豁然空 ”反映了强度变化 ; 而弦脉 、 涩脉等病理脉象 的形态特征非常明显 。 脉理细微 , 抓住脉象的典型特征 , 才能 对种类复杂的脉象进行区分 。李林 1曾经发明利用计算机控制机械系统 、用气体压缩机 产

11、生动力的模拟脉象的系统 。 汤伟昌 2等人曾经研制出单片机 控制机械系统的 4台一组的机器 , 每台模拟 4种脉象 , 共 16种 脉象 。 他们的研究对于中医脉诊的发展起到了很重要的作用 。 但是 , 对于在一台机器上进行多种脉象模拟 、运用传感器技术 对脉位深浅进行模拟 、 对寸关尺三部定位设计 、 开发适合于教 学考试的无线发射接收系统和直观学习型液晶显示设计等 , 在 上面的仪器中并没有得到体现 。 运用新技术和新方法 , 对脉象 教学仪进行改进是必要的 , 是对中医工程学的发展 。中医脉象教学考试仪的脉象模拟分机是由油泵和电机组 成的动力系统 、 管道循环单元和仿生手构成 , 在电路

12、方面和管 道循环单元进行了新的设计 。 动力系统采用单片机进行主控 , 通过电磁阀的开闭模拟人体心脏瓣膜开闭 ; 程序中设定的时 间序列决定了主波 、 潮波和重搏波的出现时间 ; 八路电磁阀阶 梯形下降的开启大小决定了主波 、 潮波和重搏波的幅度 ; 硅油 在管道内的流动产生模拟脉象 ; 利用多个电磁阀模拟静脉回 流 。 压力传感器反馈单元用于脉位深浅检测 , 辨识浮取 、 中取 、 沉取 3种状态 。 寸关尺定位电路 , 用红黄绿 3个 LED 管分别 标识三部的定位准确度 , 使号脉者容易找准部位 , 使用者也可 以通过更换脉管得到不同血管弹性下的脉象 。4硬件设计脉象教学考试仪总体框图如

13、图 2所示 。主 控 台 电 路 由单 片 机 及 其 外 围 电 路 、 液晶显示器 、 键盘 和 无 线 发 射 模 块 等组成 (见图 3 。 单 片 机 的 功 能 是 接 受 主 控 台 的 无 线 信 号 和键盘输入 , 控制显 示器的输出 , 使其能 够 显 示 相 应 脉 图 和脉图的特征描述 。脉 象 模 拟 分 机 接 收 到 无 线 信 号 或 者是键盘信号时 , 会 对 箱 体 内 部 的 机 械循环系统进行操作 , 模拟各种脉象 。 动力系统包括 :(1 用以模 拟人体心脏的电机和油泵 ; (2 设置在仿生手内 , 与油泵相连 , 用以模拟人体血管以及血液循环的管道循

14、环单元 ; (3 设置在 油泵与管道循环单元连接部位 , 用以模拟人体心脏瓣膜的电磁 阀 。 脉象教学考试仪的动力系统根据来自键盘或主控台的信号 调节电机转速 , 控制电磁阀的开启时间 , 从而控制脉象输出 。主控台和分机的处理器均采用 ATMEGA128型单片机 3, 4。 它是一款高性能 、 低功耗的 8位单片机 , 先进的 RISC 结构 , 32×8通用工作寄存器 , 高达 16MB/s 的处理速度 , 128KB 非易失程序数据存储器 , 在线可自编程 FLASH 程序存储器 , JTAG 在线 仿真调试接口 , 512B E 2PROM , 可编程软件加密 。 还具有许多

15、特 殊控制功能 , 如 :上电复位及可编程掉电检测功能 , 可以工作于 ICCAVR 集成开发环境 , 全面支持 C 语言 、汇编语言及混合编 程 。 工作时采用 IMP809的 uP 监控电路 , 对单片机 RST 口提供 低电平复位 。 单片机的 4个管脚接数码管驱动芯片 HD7279的CS 、 CLK 、 DATA 、 KEY 4个口 , 再连接到键盘上 。 6×6的键盘中使每一种脉象对应一个按键 , 方便快捷 。 程序下载由 JTAG 口下载和 ISP 下载 2种方式 , 可以利用仿真器进行在线仿真 。PT2262为主的发射模块实现 315MHz 高频发射 , 有效距 离 2

16、00m 。 液晶采用 320mm ×240mm 的 LCM320340ZK 型显示模块 , 可以实时显示标准脉图库中脉图和各种脉象的特征描 述 。 主控台的键盘设计如图 4所示 。 液晶显示器及以浮脉为例 的液晶显示内容如图 5所示 。5效果检验我们采用了多种方法对仪器的效果进行了检验 。 本仪器采 用了北京优采公司的 USB 总线 数据采样器和 ZM-1脉象仪将 数据采集到电脑中 , 用自编软件 在电脑上实时显示脉象图 , 如图6所示 , 与标准脉图库中平脉脉 图 5(见图 7 相比较 , 效果相似 。也采用了多名老中医盲法检测 , 专家一致认为 , 该仪器的仿生手 指感和脉象模拟

17、效果较符合实际脉象 , 有利于脉诊教学 。6结语中 医 脉 象 教 学 考 试 仪 生 动 地 实 现 了 人 体 26种 脉 象 的模 拟 , 无 线 发 射 的 主 控 台 和 无 线 接 收 分 机 的 结 构 适 合 于 各 中 医 院 系 的 课 堂 教 学 、 脉 诊 学 测 试 和 科 学 研 究 , 在 国 外 内 有 很 好 的 应 用 前 景 。 系 统 设 计 中 充 分 考 虑 人 体 脉 象 的 复 杂 多 变 , 机 械 系 统 的 设 计 和 软 件 设 计图 3主控台框图无线收发模块液晶显示模块CPU键盘无线收发模块液晶显示模块CPU 键盘机械控制系统 传感器及

18、定位电路(a 液晶显示器(b 浮脉的浮取 、中取 、 沉取 3种状态 (自上而下 (! 下转第 7页 ! THES IS &RES EARCH REPORT研究论著2医疗卫生装备 2007年第 28卷第 6期计算机上显示的脉象模拟效果 (平脉 架 构 有 很 大 的 改 进 和 升 级 空 间 , 例 如 :加 上 随 机 数 据 库 和 评 分 系 统 , 可 模 拟 更 多 的 复 杂 脉 象 。 脉 象 训 练 仪 可 以 满 足 课 堂教 学 的 需 要 , 使 学 生 可 以 从 宏 观 上 感 受 脉 象 。 在 脉 诊 学 测 试 中 , 可 以 改 变 传 统 笔 试

19、, 让 学 生 在 实 践 中 得 到 检 验 。 研 究 人 员 可 以 借 助 于 本 系 统 的 硬 件 装 置 , 进 行 血 管 动 力 学 、 脉 诊 学 、 脉 象 特 征 提 取 等 方 面 的 研 究 。 设 计 目 的 突 出 并 具 有 针 对 性 , 外 观 舒 适 大 方 , 功 能 全 面 , 完 全 由 单 片 机 控 制 , 适 合 移 动 。 仪 器 通 过 了 相 关 领 域 专 家 的 审 核 , 有 非 常 好 的 推 广 前景 , 将 对 中 华 民 族 医 学 的 繁 荣 和 发 展 起 到 推 动 作 用 。参考文献1李林 . 中医教学用脉象模拟装

20、置 :中国 , 01115054P. 2003-01-22. 2汤伟昌 , 孙汉钧 . 中医脉象模拟系统的研究 J. 中国中医基础医学杂志 , 2000, 6(1 :62-65.3马潮 . ATmega128原理及应用 M. 北京 :清华大学出版社 , 2005.4耿德根 , 宋建国 , 马潮 , 等 . AVR 高 速 嵌 入 式 单 片 机 原 理 与 应 用M. 北京 :北京航空航天大学出版 , 2002.5黄世林 , 孙明异 . 中医脉象研究 M. 北京 :人民卫生出版社 , 1986.(2006-09-27收稿2007-05-17修回 由 8254时钟发生器产生 5, 其时钟由单片机

21、的 CLKOUT 信号 降低频率后提供 。 2片 DAC0832负责中频 、 刺激脉冲信号的调 制和输出幅度控制 , 1片 TDA2003负责信号的功率放大 , 信号 经过变压器隔离升压后输出 4。温 度 测 量 采 用 Philips Semiconductors 的 I 2C 总 线 数 字 温 度传感器 SE95, 温度数据精度为 13BIT , 测量范围为 -55°C+125°C , 分 辨 率 为 0.03125°C , 非 常 适 合 测 量 人 体 温 度 的 微 小 变化 。 SE95可以支持 I 2C 总线 400kHz 时钟的传输速率 , 在同

22、 一总线上可以有 8个同样的器件 9。 本设计中测量的是温度的变化趋势 , 所以半导体温度传感器的准确度问题不用处理 。 心 率采用血氧饱和单元输出的心率脉冲输出到 CY7C68013A 的INT0端口 , 由单片计算机将脉冲间隔时间测出并传送给控制计算机转化为心律值 。5执行控制系统的固件设计控制执行单元固件是采用汇编语言编写完成的 , 固件工程由 8个部分组成 , 分别是设备描述符文件 、 USB 及端口初始化 程序 、 USB 命令解释及端点中断服务程序 、 温度采集 、 心率采 集 、 电刺激控制程序 、 光刺激控制程序及音频刺激控制程序 。设备描述符文件定义 USB 设备的特性描述参

23、数 , 定义了4个 USB 数 据 传 输 端 点 , 分 别 是 EP1IN 、 EP1OUT 、 EP2、 EP4。 EP1IN 、 EP1OUT 负 责 控 制 命 令 及 工 作 状 态 传 输 , EP2、 EP4定义为输入端点 , 传输心率 、体温数据 。 USB 以及端口初始化程 序完成以下初始化堆栈 、 设置 CPU 和 INTERFACE 的工作时 钟 、 初始化 8254时钟发生器 、 对端点的 FIFO 缓冲区进行复 位 、 设置端点的工作模式 , 初始化 OUT 端点字节计数器 、 初始 化自动向量指针 、 允许 USB 中断和中断 2、 4的自动向量 、 初始 化 U

24、SB 中断和 USB 端点中断 、打开中断 、 设备重新枚举等功 能 ; USB 命令解释及端点中断服务程序部分主要完成数据 传 输用的 IN 、 OUT 端点中断服务 , 接收并处理控制计算机的控制 命令以及一些必要的 USB 中断服务等功能 2; 电刺激控制程序 负 责 实 时 生 成 电 刺 激 的 脉 冲 数 据 并 将 其 送 往 外 部 数 模 变 换器 ; 温度采集 、心率采集程序将数据传给控制计算机 ; 光刺激 控制程序及音频刺激控制程序根据主控计算机传来的指令通 过设置相应的 I/O 端口的电平来达到控制功能 。6结论飞行员心理能力综合测试系统为非常规心理状态下的心理学研究这个新的研究方向提供了一个可编程 、 可重复再现 的研究手段 , 也为精密体温测量值与情绪变化相关性的研究 提供了一个基础平台 。 该系统还有许多有待于完善的地方 , 刺 激方案还需要进一步进行研究和设计 , 可以通过软件的升级 使其功能更加完善和具有实用性 。参考文献1Cypress Semiconductor. EZ-USB FX2Technical Reference Manual. Version 2.2.S/OL . (2006-01-28 2006-11-08 . 2孙延泉 , 董秀珍 , 张连强 . USB 总线设备端的硬件与软件开