技术领域
[0001] 本
发明涉及中医类医疗器械，脉诊等四诊信息远端复现，医学检测终端及健康
物联网的应用，无创体外诊断理论与方法研究，
云计算技术与云服务，人体可获取的诊断信息测量与传输等领域。特别是在脉诊教学上实现基于位、数、形、势属性的28脉及其兼脉脉象的诊法训练；视觉、触觉真实体验；心电
脉搏联动技术；脉宽精确测量技术；人体脉诊模型典型脉动信息及脉动变化信息，
可视化信息兼容集成技术。
背景技术
[0002] 中医诊断领域的远程复现是一
门新兴技术，通过对这种技术的普及可以为中医的发展与传播提供更广阔的路径。目前的脉诊训练手基本上是模拟固定的脉搏波
波动，且不完全能复现中医的28脉，大部分用于教学，帮助学生体会不同脉搏的指下感受。部分脉搏波再现装置将压
力波图作为依据，通过电磁
阀控制血流的流通来满足脉搏波的
波形，通过不同的
电磁阀开合时间调节模式模拟不同的脉搏波，控制量不全面，只能从时间与流量上控制脉搏波波动，而无法将脉搏波位、数、形、势属性全面复现。也就无法模拟受试者的真实脉搏波波形，只能作为典型脉的总体压力信息的模拟再现。本发明通过将远端传输来的数字化遍诊信息进行还原，将数字化的人体信息还原为原始生理信息。将人体的生理特征进行远程复现，实现中医远程诊疗。
[0003] 人的
手指两点触觉分辨最小距离为0.75mm，在诊脉过程中，对脉搏波宽度的感受往往是医生本人也难以精确描述的。通过微集成压力
感受器可以得到比人的感受更加精确的脉宽信息。信息的综合反应与单独的信息分别传入再综合是不同的，比如
温度信息与压力信息分别感受和将两种信息同时在指下感受，感受器感受到的信息与反映在脑部的神经冲动绝不是两种单独的感受的简单
叠加，所以综合所有的脉诊因素并将其融合在指下，才能称其为脉诊信息复现。人在运用触觉学习盲文的过程中，也是需要经过长时间的训练才能够训练处指下触觉辨识形体的能力。医师训练诊脉也是同样的道理，但是如果缺乏有效的训练工具，这一学习的时间就会很长，同时，由于中医医师需要获取动态的脉搏波波动信息，所以才会有脉诊“心中了了，指下难明”的感受。
[0004] 脉诊信息传递到人脑，通过
感知并融合头脑中具有的知识，才能得到脉象，由于不同人的经验与知识结构不同，同样的脉搏波
信号在不同的人脑中得到的象不同，而仪器本身无法得到脉象，因此脉象仪的说法是错误的。本发明中的脉诊训练手目的就在于运用全面的仿生技术，将医生诊脉可获取的所有信息全面还原。可以供中医医师模拟训练诊脉，并且可以使得中医师在远端就能够进行中医诊疗，有如病人就在身边。
[0005] 相关发明
专利申请：MEMS液压传触的脉诊三部九侯信息自动获取和识别装置和方法。申请号201310126155.5
发明内容
[0006] 本发明为心动脉应脉诊训练装置及方法，能够实现远程复现受试者诊断数据，联合心
电信号与脉搏波波动信息还原心
泵工作状态与脉搏波波动。让中医医师能够远程平脉并感受受试者的局部生理特征。并且通过物联网技术实现云端信息区域化分类与不同结构下的聚类数据分析。
[0007] 一.理论依据
[0008] 影响脉搏波形成的因素主要有心脏搏动力度，血管硬度，血流量，温度等信息。心脏每搏输出量为70ml，但是平均到一只手臂上的血流量就仅有每搏5ml；血管硬度与
脉搏波传导速度呈正相关，温度与血流量呈负相关。液压
隔膜泵可以调节到与心脏泵血状态相似的工作模式，压缩时间0.3秒，复位时间0.5秒，压缩时间与复位时间在一定
频率范围下保持定比例。影响心泵工作参数主要有频率与心输出量，心电信号可以调整心泵工作频率，脉搏波信号提取的位、数、形、势属性反馈信息调整心泵的每搏输出量以及通过MEMS脉搏波调控系统对单独使用心泵调控无法实现的脉搏波波形进行进一步的调整，通过反馈调节系统实现脉搏波的仿真复现。
[0009] 脉诊训练手接收到的信号有脉搏波位、数、形、势
属性信息，心电、脉搏波传导速度、光电指容积描记波等。脉形，脉势等与脉搏波传导速度有一定的关联性。在仿真时由于目前还没有完全符合人生理血管特性的仿生材料，在物理特性的测量上会出现一些偏差，导致相同的脉搏波下测量得到的脉搏波传导速度有差异，所以需要通过设计脉搏波部分属性的变化与脉搏波传导速度变化量之间的关系方程，通过换算对脉搏波传导速度进行间接测量。由于中医平脉本身得不出脉搏波传导速度，所以此法即可以保证不影响中医师的在脉诊训练手上得到的脉诊指端感觉，又可以在容许误差范围内获取准确的脉搏波传导速度信息。
[0010] 诊法中讲尺肤温度可以表示体内寒热状况，双加热器充分模拟了随着人体血液循环而布散的热平衡状态，及其局部肌肉做功形成的热量分布方式，将人体不同状态下尺肤寒热情况复现到脉诊训练手上。人体发热时，发热源常常不止一处，运动情况下热源在肌肉，感染发热的热源往往通过体温调定点进行调节，通常血液温度要比尺肤表面测量获取温度高8-10摄氏度。在设计脉诊训练手动脉表面
皮肤以及筋膜层的过程中，需要将仿生材料的导热性与人体皮肤及
皮下组织的导热性差异进行换算。同时为了保持尺肤温度的均匀，于是在模拟温度时使用两套温控装置，可以使得仿真效果接近与实际情况。
[0011] 二.设计方案
[0012] 本发明专利将影响到脉搏波位、数、形、势属性的因素进行仿生设计，通过远程遍诊获取的生理信息传入脉诊训练手控制接收端，实现采集信息的模拟复现。设计思路概括如下：
[0013] 装置分为信号接收控制系统、隔膜泵及其驱动
电路、MEMS脉搏波调控系统、
温度控制系统、反馈系统与仿生模拟手模型。装置接收远端受试者传来的遍诊信转换控制相应的隔膜泵、MEMS脉搏波调节系统与温度控制电路。信号接收控制系统同时接收脉诊训练手上部息，将对应的信号分别传入信号接收控制系统，传入信号经过放大、分内置感受器反馈信息，持续进行
负反馈调节，使得反馈系统采集到的脉诊训练手脉搏波动状态与远端受试者采集得到的数字信息一致。实现物联网层面上的信息远程复现。后期普及之后还会运用云计算建立区域化，条件化群体中医遍诊信息库，用于流行病学分析，针对不同人群做区域性健康指南。
[0014] 隔膜泵驱动电路采用心电发生器触发。控制端传入的标准心电信号脉冲放大后驱动隔膜泵泵出仿血液
流体，不同的心电信号产生的心泵工作模式不同，对应相应的脉搏波的搏动特征也有差异。初期调试准确的话，不需要MEMS脉搏波调控系统进一步调控，便可以输出合适的脉搏波。当反馈元件检测到脉诊训练手上产生的脉搏波位、数、形、势属性与控制端远程传入的信号有差异时，便通过MEMS脉搏波调控系统做进一步调控，使脉诊训练手上采集得到的脉搏波位、数、形、势属性与远程信号的一致。
[0015] 在没有
控制信号输入的情况下，内置标准心电发生器作为信号源触发驱动电路驱动隔膜泵模拟心脏泵血。信号控制隔膜泵压缩时间0.3秒，复位时间0.5秒，压缩时间与复位时间在一定
频率范围下保持定比例。随着频率的加快，压缩时间与复位时间比值会略微增高。
[0016] 隔膜泵出口端安装单向仿生瓣膜，瓣膜具有柔性单向流通自动开合功能，泵出流体时，瓣膜承受正向压力，被液体冲击打开，泵出期末仿生脉管内压力高于隔膜泵，流体回流，仿生瓣膜处于
负压状态，锥形口关闭，仿血液流体回流冲击反弹形成重搏波。通过调节瓣膜的静止状态下球面膜的张
角，可以调节重搏波的大小，反应在压力脉图上便是重搏波的高度，如图4所示。
[0017] 设计隔膜泵输出液体每搏5ml，当心率在60-90次/分钟内变化时，心率与供血量关系为弱相关，当心率上升至90次/分以上时，随着心率的升高，每搏输出量减少。常规情况下心率升高一般伴随着温度的升高，脉管直径增大，血流量增加，模拟装置通过MEMS脉搏波调节系统实现仿生脉管(以下简称“脉管”)管径会随着心泵输出压力的变化而相应的改变口径以满足流量与压力的变化值，但在厥逆病人身上会出现心率升高，但肢体温度下降，血流量下降。这时病人动静脉
短路支会开放，以维持血液运行。本设计中的仿生血管模型利用可控动静脉短路支也能够实现这类病理状态。通过隔膜泵内部设置的取液口能够定量调节循环仿血液流体的量，模拟失血状态。
[0018] 脉诊训练手：包括脉管设计与温度模拟设计。脉管设计采用
硅胶复合
碳纤维材料，在柔性与
张力性能上与血管类似。脉管从心泵输出后分叉为单根桡动脉脉管与动静脉短路支，桡动脉寸口处为平脉
位置。通过设置压
力反馈，检测液体的压力，可以实现脉搏波波动信息
自动调节匹配。动静脉短路支为模式调节，可以模拟中医厥阴症候特征，包括西医中末梢循环不良，局部动脉压迫，脉管炎与DIY病人休克早期症状等，同时能够在不改变心泵工作状态的情况下，调节血压。当需要模拟不同血压模型时，脉诊训练手脉搏波调控系统通过调整模拟动静脉短路支，控制尺动脉开放程度，改变仿生脉管液体回流速度，保证桡动脉内仿血液流体压力可控，可以充分模拟不同血压状态下的受试者的脉诊信息。在仿生脉管的动脉与静脉之间设有仿毛细血管结构，用于增加仿血液流体的回流阻力，建立动静脉之间的压力差，仿毛细血管由多束毛细血管集成排列，如
附图3所示。通过微循环阻力控制环的压力控制，也可以改变仿毛细血管网的流体导通能力，控制压力与流速。
[0019] 仿血液流体由硅油模拟血清，通过添加每升4×1012个直径在3-4μm的硅球颗粒，9
9×10 个直径在10-12的硅球颗粒μm，来模拟血液的流体性质。通过标准血
粘度测试得到高切粘度为5.6～5.8mpa·s低切粘度为3.1～3.4mpa·s，形成非
牛顿流
体模型。血流变因素在脉搏波的变化中承担着脉形的虚实，洪缓等参数的变化量。虽然影响较为微弱，但仍为脉搏波形成中的重要因素。
[0020] 通过上理论分析可知尺肤表面温度的影响因素在理论上讲是可以简化为肌肉产热与血液循环
散热两部分的。仿血液流体温度控制装置为人体体温模拟，尺肤温度调节片根据采集到的温度信号控制加热元件的功率，实现对尺肤表面温度的复现。体温模拟部分为在心泵内的储液腔内部安置温度控制装置，储液腔模拟右
心房，正常情况下稳定温度37.5±-0.5摄氏度，在模拟体温异常病人时，可以在36-42摄氏度之间变动。尺肤温度模拟装置为在桡部测量部位皮下呈面状加热的表面温度
模拟器。实现尺肤表面温度模拟，正常值为28摄氏度。加热元件控制系统根据不同的保持温度所需要的功率不同，设定功率-温度曲线。为了防止
环境温度变化导致曲线值变动，因此每隔一段时间都要进行温度校正，每一次脉诊训练手安置地点变化后也同样需要校正。校正方法利用表皮温度反馈元件。表皮温度反馈设计为脉诊手硅胶表面的控温显示装置，装设在脉搏波信息采集反馈装置上用以测量表面温度模拟器发出的温度值。心泵内部的温控装置由内部的
传感器直接测得并在终端显示屏上显示。
[0021] MEMS脉搏波调节系统在心泵控制无法满足脉搏波波动复现要求的情况下，进一步辅助实现脉搏波位、数、形、势属性模拟。装置的脉搏波调节系统为步进
电机控制系统控制仿生硅胶脉管装置，用于调节脉搏波位、数、形、势属性。其中步进电机
控制器含有轴向张力控制，纵向位移控制与动静脉短路支管径控制三种控制执行元件。轴向张力控制电机控制仿生血管的轴向张力，表示脉搏波的紧张度，轴向电机控制信号源主要依靠
输入信号中的脉搏波压力波形，主波波峰越宽，上升支越陡峭，弦紧度越高。同时参考受试者年龄、脉搏波传导速度信息、性别等因素。同时紧张度的不同与脉搏波传导速度还呈现正相关性。通过对同一受试者不同紧张度状态下的脉搏波传导速度测量，可以推断出具有个体化的脉搏波传导速度与脉管紧张度的关系式。
[0022] 纵向电机控制脉管浮中沉三部位置。当表面设置有同步
压力传感器时，对压力进行测量并反馈信号到信号输入端与传入信号进行比对并反馈差值进行校正，能够对脉诊训练手的定量化信息模拟进行校对。防止长期使用引起脉管位置积累误差。纵向控制电机控制信号源于输入信号中的脉搏波静
水压压力值与最适取脉压。
[0023] 动静脉短路支设置流量调节阀，通过调节脉管动脉分支处的管径大小来控制内部仿血液流体回流量。控制信号主要由血压值、脉搏压力信号波幅值，以及检测数据中脉宽信号共同决定。
数据库中记录有脉搏波模式的固定参数，即可以区分典型病症，又能够对特殊病例进行复现，通过数据库权重分析得出可能的结论，也可以通过物联网请医师进一步进行判断。
[0024] 通过上述调节方法，纵向电机控制脉管浮中沉三部位置，实现“位”的调节；心电发生器触发隔膜泵，能够复现脉搏频率，即脉搏波“数”属性的信息复现；采用轴向张力控制电机控制仿生血管的轴向张力，实现脉宽，脉形的调节，并参与部分脉势参数特征的变化。构成脉搏波特征中“势”的因素比较多，通过隔膜泵控制系统对隔膜泵的功率输出，轴向张力控制电机控制仿生血管的轴向张力，配合动静脉短路支设置流量调节阀调节血流量，以及温度的匹配。能够分别将脉势中的心泵因素、血管因素以及血液因素包含在内，涵盖了影响脉搏波的主要生理因素。实现由心电信号驱动的仿心隔膜泵产生的脉搏波信息位、数、形、势信息以及其他相关生理参数的全面复现。
[0025] 以上装置所有的反馈单元均集成在MEMS液压传触的脉诊三部九侯信息自动获取和识别装置的前端
探头上，包括表面温度采集，脉搏波位、数、形、势属性采集，其中脉宽的采集为集成微触点压力检测探头。采集到的脉宽信息高于人的手指
分辨率。通过对信息的采集与同步反馈，可以实现脉诊信息以及遍诊信息的仿真复现，用于临床中医医师远程诊断。
[0026] 装置接收远程受试者的数字化信息并驱动执行元件进行复现模拟。通过反馈不断调节工作状态，逐步接近真实受试者的信息。这种过程被称之为“训练”。在模拟完成之后，中医师可以直观的获取受试者的脉诊以及其他相关信息，通过不断的训练指下感受，并对应输入信号提取的结论信息。装置整体结构如图1所示。
[0027] 上描述的脉诊训练装置可以在外形上设计多种结构，如图5与图6所示，也可以通过模仿全身各个部位脉动信息，采集遍诊脉搏波信息。通过设计包括遍诊法取脉在内的如人迎，寸口，趺阳三部部位的脉搏波仿真脉诊训练装置，实现遍诊法脉搏波位、数、形、势属性信息的复现。通过对遍诊信息的集成以及相应的心电，光电指端容积信息的集成采集，实现在云端的控制信息的远程复现与
远程会诊。不仅能够供中医医师远程获取直观仿真遍诊信息。数据中多种诊断参数采集信息对现代医学诊断也有诊断价值。当本发明的应用得到一定的普及之后，在云端存储的遍诊信息数据库便能够对区域化或者条件化的信息进行统计分析，获取关于群体的样本诊断信息，并提供针对性的健康服务。通过可视化技术进一步集成望诊，问诊信息，在云端实现四诊信息的综合采集与分析，如图9所示。
附图说明
[0028] 图1.脉诊训练手整体结构
[0029] 图2.隔膜泵以及仿血管模型
[0030] 图3.仿毛细血管集合管
[0031] 图4.仿动脉瓣瓣膜
[0032] 图5.仿生模型的一种结构
[0033] 图6.信号复现调理反馈图
[0034] 图7.集成微触点压力检测探头
[0036] 图9.云端物联网架构模型
[0037] 附图数字标示：
[0039] 2.仿生血管
[0040] 3.为仿毛细血管阻力集合管，301为毛细管
[0041] 4.可控动静脉短路支
[0042] 5.隔膜泵，内部包括心电发生器驱动元件，仿动脉瓣瓣膜11，储液腔温控阀12。502为另一种可能的心泵模拟装置。
[0043] 6.血管参数调节器包括纵向参数，轴向参数以及流量参数调节。调节元件分别为纵轴行程控制电机，轴向张力调节电机以及动静脉短路支
控制阀组成。
[0044] 7.终端通信分析装置，内置芯片含心电发生信号模式库，和对应的脉搏波波动信息关联数据库，信号对比反馈电路，以及显示综合波形参数的
软件界面。701为另一种可能的终端通信分析设备
[0047] 10.温度调节片
[0048] 11.仿动脉瓣瓣膜
[0049] 12.储液腔流体容量阀
[0050] 13.储液腔温控阀
[0051] 14.微循环阻力控制环
[0052] 15.反馈系统，采集包括尺肤表面温度信号，脉搏波位、数、形、势属性信息等，反馈到终端与传入的遍诊信息进行比对并利用反馈原理调节控制机构，复现远端遍诊信息。
[0053] 附图9图解：单个受试者通过MEMS液压传触的脉诊三部九侯信息自动获取和识别装置采集获取遍诊信息，通过无线发射到云端，并被脉诊训练装置接收并复现，复现信息供中医医师远程诊断，同时在终端得到诊断报告。当本发明的应用得到一定的普及之后，在云端存储的遍诊信息数据库便能够对区域化或者条件化的信息进行统计分析，获取关于群体的样本信息。通过可视化技术进一步集成望诊，问诊信息，在云端实现四诊信息的综合采集与分析。
具体实施方式
[0054] 将仿心隔膜泵的循环流体端口两端插入脉管，并将隔膜泵连接到隔离电源。仿心隔膜泵仿心隔膜泵的输出功率为0.5-2.5W/b可调，控制系统接收心电信号，经过一级放大后，信号输入驱动电路，驱动电脉冲控制隔膜泵完成一次心泵的做功过程。心泵快速响应能够模仿心肌收缩的时程，根据检测到的脉搏波波形在一个周期的20％-50％可调范围的做功时间内完成一次流体单向泵出过程。隔膜泵的端口处设置有循环流体容量控制端，在需要模拟失血模型时，可以将失血量换算为脉诊训练手的循环流体变化量，然后由控制机构将定量的流体排出。心泵节律的调节由输入心电信号触发。心泵功率的调节主要由脉搏波的波动位、数、形、势属性中的“形”和“势”来加以控制。“形”能够用脉宽表示，表示血液的充盈度。“势”包括最适取脉压下的脉搏波的周期功率，流利度，紧张度，在计算时周期功率为主要参数，同时配合脉宽以及脉搏波传导速度将加权信号传回心泵控制反馈端，调节心泵的输出功率。一般情况下心泵功率是作为定值出现的。但是在心律不齐，心梗，阵发性心动过速患者的
心电图除了心率随之变化之外，功率也会随之改变。
[0055] 仿生血管采用的材料为乳液聚合法制备的硅胶，通过溶液共混法添加一定量的碳
纳米管材料，复合之后形成具有类固体粘弹性的柔性材料。在一定的比例下可以实现与血管相似的物理特性，能够满足仿生血管的需求。在非充盈，非
应力状态下入口管径为8mm，桡动脉侧管径为3mm，在动静脉交会处的仿毛细血管阻力集合管处，直径为12mm，内含集合管，每根毛细管直径为0.4mm，如图3所示，集合管周同样有
流量控制阀，模拟微循环不良的血流模型，通常与动静脉短路支控制阀联用。阻力集合管模拟人体阻力血管以及毛细血管网实现可调且稳定的动静脉液压差。
[0056] 血管参数控制电机采用微功率可调步进电机组共同实现。机组分为轴向位移机，纵向位移机和控制阀组成。分别在轴向，纵向以及管径三方面调节脉管的参数。
[0057] 控制系统采用MEMS技术，将多路信号提取并依据各控制单元的要求构成多路集合单元，然后驱动各部位控制电机实现多信号驱动的同时联动机构。信号分解图如图8所示下。
[0058] 使用方法：
[0059] 使用时首先插入电源，打开心电发生器，调在标准心电图位置上，启动隔膜泵，此时脉诊训练手便处于正常驱动模式下的状态，对应的脉搏波参数为正常的平脉。温度复现系统预热5分钟后，脉诊训练手
手腕表面温度为28度，隔膜泵内加热流体的温度为37.5度。
[0060] 校正：在脉诊训练手上套上仿生
袖带式MEMS液压传触的脉诊三部九侯信息自动获取和识别装置，采集脉搏波波动信息温度信息以及其他信息，当差值在误差范围内时，系统提示自动校正完毕。观察显示器上的脉搏波波动信息以及参数，即为远端采集的受试者的遍诊复现信息。
[0061] 打开信号接收器，或者将远端传入的脉诊信息直接输入控制信号输入端，用受试者的心电信号驱动隔膜泵，同时将脉诊数字化位、数、形、势属性信息，传入心泵以及MEMS脉搏波调控系统，仿生袖带式MEMS液压传触的脉诊三部九侯信息自动获取和识别装置反馈采集到的信息到控制信号输入端，对比相应的差值。当差值低于误差范围之内时，取下传感器，医师便可以通过感受脉诊训练手的脉搏信息获取受试者的脉象。进行中医诊断。
[0062] 采集到的信息通过物联网技术进行云存储，当本发明得到普及，在云端构建一定量样本的遍诊信息数据库，对一个地区或者一类样本进行
聚类分析，提供群体性或者社区性的针对性服务。通过可视化技术进一步集成望诊，问诊信息，在云端实现四诊信息的综合采集与分析。
