基于卡爾曼濾波的蒙醫(yī)脈象采集分析系統(tǒng)

王利輝，包曉華

（內(nèi)蒙古民族大學(xué)，內(nèi)蒙古 通遼 028043）

蒙醫(yī)脈象診斷學(xué)是蒙醫(yī)學(xué)的重要組成部分，具有鮮明的民族特色和診斷特點［1］.通過分析病人脈搏的“位、數(shù)、形、勢”等主要特征，來判斷病人的臟腑疾病.傳統(tǒng)的蒙醫(yī)脈診，因個人認(rèn)識、經(jīng)驗不同，判斷結(jié)果往往有很大差異.蒙醫(yī)診斷的傳承和發(fā)展，需要具有量化的新思路.隨著人工智能、模式識別等先進(jìn)理論的發(fā)展和完善，簡單的邏輯判斷和對照診療的脈診量化思想已經(jīng)淘汰，取而代之的是新一代專家系統(tǒng).蒙醫(yī)十二脈象的總結(jié)與中醫(yī)脈象學(xué)有一定淵源，但在脈診位置、方法、分類上有所不同［2］.根據(jù)這些特點，我們設(shè)計了脈象的自適應(yīng)采集分析系統(tǒng).該系統(tǒng)利用氣動加壓，對患者的脈象進(jìn)行最佳力度采集，獲得不同壓力條件下的脈象，并針對壓電材料傳感器的噪聲特點，設(shè)計脈象傳感器的卡爾曼濾波器，該濾波器可以提取脈搏的有效信息，為脈象分析的準(zhǔn)確提供保障.

1 總體設(shè)計

蒙醫(yī)脈象采集分析系統(tǒng)由上位機(jī)、采集卡、控制器、傳感器、液壓系統(tǒng)組成［3］.具體框圖如圖1所示.

圖1 蒙醫(yī)脈象采集分析系統(tǒng)整體框圖Fig. 1 Overall block diagram of Mongolian medicine pulse acquisition and analysis system

脈象傳感器采集脈象信息，該信息通過數(shù)字濾波器得到理想的波形.波形會輸入數(shù)據(jù)采集卡，由數(shù)據(jù)采集卡根據(jù)USB串口協(xié)議，將脈搏信息傳遞給上位機(jī)，上位機(jī)根據(jù)所得波形，進(jìn)行氣動系統(tǒng)控制，得到不同壓力下的脈搏數(shù)據(jù).上位機(jī)通過已經(jīng)獲得的標(biāo)準(zhǔn)十二脈象，與采集的脈象在專家系統(tǒng)里進(jìn)行分類比對，最后得出診斷結(jié)果.

2 脈象采集控制系統(tǒng)

傳感器控制系統(tǒng)的主要用途是獲得良好的脈象波形，并根據(jù)不同的脈象波形選擇不同的指壓效果，獲取不同壓力下的脈象信息.整個過程由氣壓系統(tǒng)、傳感器、控制器組成.實現(xiàn)了脈象采集的智能化.具體結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示.

圖2 傳感器控制系統(tǒng)組成原理圖Fig. 2 Schematic diagram of composition of sensor control system

該系統(tǒng)由壓力傳感器采集脈搏信息，然后通過信號采集分析系統(tǒng)對氣壓袖帶的壓力狀態(tài)進(jìn)行評估，利用控制器讓氣泵工作，為袖帶充氣.由于氣泵充氣過程存在慣性，當(dāng)壓力傳感器測得數(shù)據(jù)超過理想值時，氣泵關(guān)閉，單向閥開啟，進(jìn)行袖帶減壓，當(dāng)壓力到達(dá)理想值時，單向閥關(guān)閉.

3 脈象傳感器系統(tǒng)

目前，國內(nèi)開始進(jìn)行脈搏信息采集的傳感器種類很多，其中包括壓力傳感器、光電容積傳感器、應(yīng)變片傳感器.筆者根據(jù)蒙醫(yī)脈象采集的特點，考慮了指壓采集脈象的因素，采用了SC0073動態(tài)微壓力傳感器［4］.該傳感器是一種利用壓電薄膜作為換能元件的低功耗、高靈敏度小型脈搏測量傳感器.該傳感器壓力范圍小于1 kPa，頻率響應(yīng)在1~1 000 Hz間，標(biāo)準(zhǔn)電壓在3.3~4.5 V間.目前已經(jīng)廣泛用于中醫(yī)脈象的臨床采集工作.該傳感器的電路如圖3所示.

圖3 SC0073脈搏傳感器電路原理圖Fig. 3 Schematic circuit diagram of SC0073 pulse sensor

雖然該傳感器精度高，但測量過程中存在各種噪聲干擾，使得脈象波形不是很清晰，脈象特征不容易提取.筆者根據(jù)脈搏傳感器特點，設(shè)計了數(shù)字濾波器，用于提取脈搏的數(shù)字特征［5-6］.選取了卡爾曼濾波器，脈搏信號采集系統(tǒng)的狀態(tài)方程為

其中，x（t-1）為系統(tǒng)上一個時刻的估計量，x（t）為系統(tǒng)本時刻的估計量.A為系統(tǒng)狀態(tài)矩陣，B為系統(tǒng)的控制矩陣，u（t-1）為系統(tǒng)的控制量，w（t）為系統(tǒng)狀態(tài)噪聲.

系統(tǒng)的觀測方程為

其中，Z（t）為系統(tǒng)的觀測預(yù)測值，H為系統(tǒng)的觀測矩陣，y（t）為系統(tǒng)的觀測噪聲.

系統(tǒng)協(xié)方差預(yù)測方程為

其中，P（t|t-1）為系統(tǒng)在t-1時刻獲得的協(xié)方差矩陣預(yù)測，P（t-1）為系統(tǒng)在t-1時刻的協(xié)方差矩陣，Q為預(yù)測噪聲協(xié)方差矩陣.卡爾曼濾波增益為

其中，R為觀測噪聲協(xié)方差矩陣，卡爾曼濾波在進(jìn)行脈搏信號處理時，實際上是一個迭代過程，用上一個時刻的估計值進(jìn)行下一個時刻的預(yù)測，預(yù)測值根據(jù)觀測矩陣獲得的測量值進(jìn)行修正，所以卡爾曼濾波的結(jié)果具有實時更新的特性.

根據(jù)數(shù)字濾波的要求，卡爾曼濾波的數(shù)據(jù)更新方程為

在對脈搏進(jìn)行數(shù)據(jù)采集的系統(tǒng)里，控制量u（t-1）為0.參數(shù)A和H可取為1.簡化后的濾波器預(yù)測方程為

同時的觀測量修正方程，也可以改寫為如下形式

4 脈象采集濾波實驗

根據(jù)蒙醫(yī)脈象采集分析系統(tǒng)特點，進(jìn)行了脈搏信號的采集和分析.脈搏信號為正常人脈搏平穩(wěn)狀態(tài)下的傳感器采集信息.在大樣本的情況下，獲得脈象信號如圖4所示.

圖4 大樣本條件下濾波前后脈象曲線對比圖Fig. 4 Comparison diagrams of pulse curve before and after filtering under large sample conditions

在大樣本采集脈象的情況下，脈象的整體輪廓雖然可辨認(rèn)，但細(xì)節(jié)部分存在巨大的噪聲.這些噪聲直接影響系統(tǒng)對脈搏信息特征的提取.采用卡爾曼濾波以后可以看出，脈象信息特征明顯，曲線平滑.經(jīng)過濾波前后曲線的對比，可以看出濾波器很好地還原了實際的脈象信息特征.

5 結(jié)論

筆者根據(jù)蒙醫(yī)十二脈象的特點及指壓獲取脈象的方法，設(shè)計了具有自適應(yīng)加壓功能的脈象傳感器采集系統(tǒng)，并根據(jù)采集信息的特點設(shè)計了適合壓電傳感器的卡爾曼數(shù)字濾波器.該濾波器能夠在有限的脈象范圍內(nèi)很好地實現(xiàn)脈象信息特征的提取，得到平滑的脈象曲線.該曲線對上位機(jī)的脈象分析專家系統(tǒng)具有很重要的意義，能在很大程度上提高專家系統(tǒng)分析診斷的準(zhǔn)確率.隨著研究工作的深入，根據(jù)小型化、輕量化的需求，還要進(jìn)一步將光電血氧傳感器應(yīng)用于蒙醫(yī)脈象采集分析系統(tǒng).