 摘 要: 为获取脉诊触觉信息, 采用绘制有圆形网格点的软性薄膜加压传感探头, 由单一CCD 摄像头获取脉搏动态图像. 在对脉搏图像传感器结构分析的基础上, 建立详细的测量原理模型, 论证了该图像化脉象仪获取脉搏多维信息的可行性. 在此模型基础上, 应用图像处理的方法提取得到脉搏波形, 并给出定量分析及实验结论. 研究表明, 本系统能够有效提取多维脉搏特征信息, 为中医诊断客观化和科学化提供了一种新的手段和方法. 关键词: 脉搏传感器; 时变图像; 数学建模; 脉诊 脉诊是中医的精髓, 脉象是中医切脉时在皮肤表面获取的指下感觉[ 1] . 长期以来对脉象的判断缺乏客观的量化指标和标准. 脉诊客观化是一个亟待解决的难题, 其关键是如何建立合理科学的检测方法, 获取全面的脉诊触觉信息. 多年来, 国内外许多研究者都对脉搏传感器和脉诊客观化进行了探索和研究, 为进一步研究脉搏检测方法, 获取全面的脉搏信息奠定了良好的基础. 目前用于脉搏信息采集的传感器主要有: 液态式、光电式、应变式和压电式传感器等[ 2-5] . 这些检测方法由于受传感器结构体积、敏感元件性能、制造工艺等因素影响, 检测点数目受到很大限制, 且各检测点之间相互作用、相互影响,降低了检测灵敏度, 而且传感器的输出与切脉时脉搏搏动所引起的皮肤形变间很难具有线性关系. 针对现有传感器的不足, 研制图像化脉搏信号采集装置采集脉搏图像[ 6] . 进一步设计绘制有圆形网格点的软性薄膜加压传感探头, 由单一CCD 摄像头完成图像采集. 在对脉搏图像传感器结构分析的基础上,建立测量原理数学模型, 并对沿血管横截面方向的一系列网格点的运动轨迹进行分析, 得到了脉搏波形、频率、振幅及脉宽等脉搏信息. 从理论和实验两方面证实了该图像化脉象仪的实用价值. 1 脉搏图像传感器
脉搏图像传感器结构如图1 所示. 软性探测触头是该传感器的核心部件. 其触头薄膜13 大小为10 mm 的圆形, 由双层材料压制而成, 外层为柔性织物, 内层为理化性能相对较稳定的乳胶薄膜, 并在内层上采用喷涂法绘制有网格点, 网格点采用圆形标记, 在图像处理中起跟踪定位作用. 这样的双层结构保证了薄膜的柔软性以及在压力不大的情况下无弹性形变, 为脉搏信号的定量测量提供必要的约束条件. 通过气泵7 调节压力密封腔12 内的压力, 由压力指示计16 显示其压力的大小. 为了保证灵敏性, 要求充气气压不超过100 mmH g. 压力密封腔12 内空气压力模拟人手指内的压力. 摄像头9 固定在软性探测触头上方, 由摄像头采集软性薄膜13 随脉搏博动的形态. 从而模拟中医脉诊对脉象的指下“感知”. 在采集脉搏图像时, 将手腕放置在手腕垫衬15上面. 调节滑动支架2 使得传感器探测触头与桡动脉处的皮肤自然紧密接触. 通过翼形紧固螺钉3 固定滑动水平支架2 的位置, 即可采集脉搏动态图像.为了选择不同的切脉压力, 通过调节螺钉1 改变弹性钢板弹簧4 的弹力来施加切脉压力. 在采集脉搏信号前, 对弹性钢板施加的切脉压力进行标定, 通过测力装置, 确定调节螺钉旋转位置与切脉压力大小的关系. 由CCD 摄像头9 完成脉搏图像的采集. 脉搏跳动时, 薄膜网格点的位移向量能够反映脉象的多维波形变化信息. 所用摄像头的分辨率为640 x 480( VGA) ; 采样频率为30 Hz; 成像范围为1cm~ ] . 2 测量原理数学模型 脉搏的运动形态由薄膜上的网格点同步反映,网格点的运动轨迹被CCD 记录在所成的图像序列中, 通过对网格点图像序列的处理间接达到提取脉搏特征的目的[ 7] . 为实现这一过程, 对测量原理建立数学模型, 首先从理论上证明图像化脉象仪获取脉搏信号的可行性. 2. 1 脉搏状态与薄膜形态之间的对应关系 分析薄膜受力情况可以看出, 在取脉压力一定的情况下, 薄膜触头受到一个恒定的力和一个准周期变化力的合力作用. 恒力来源于传感器探测触头以一个预压力按压在桡动脉管外的“皮肤-软组织”上后, 皮肤组织由于处于压缩状态而产生的表面张力, 准周期变化的力来源于脉管壁径向周期搏动产生的作用[ 8] . 考虑到最终目标是通过薄膜变形情况提取脉管运动的特征信息, 因此, 皮肤组织所产生的恒力对薄膜变形的作用应该被抵消掉. 通过调节充气腔内气压的大小, 使皮肤表面张力与气腔内压力平衡, 在没有脉搏跳动作用影响时, 使薄膜形状能够始终保持球面状态, 如图2 所示.
图2 给出了传感器探头工作原理示意图. 建立坐标系x oz. 脉搏跳动过程中, 密闭腔内气体的性质决定了薄膜始终由三段相切的圆弧构成. 这三段圆弧沿CCD 摄像头光轴左右对称, 因此, 只需分析光轴左半边曲线l1 , l2 的方程就可得到整个薄膜的位置状态. 图中, H 为摄像头的安装高度, c点为圆弧l 1和l2 的切点, R 为l 1 的半径, a、ac为薄膜上同一点在不同时刻的位置, w 为传感器触头的半径, h 反映脉管跳动位置, r 表示脉管宽度. 设l 为薄膜切面曲线长度的一半, 薄膜的物理特性决定l 在变形过程中长度不变. 在此限制下, 当h, r 取值一定时, 弧线l1 ,l 2 的曲线方程也是确定的, 即l 1 的圆心是确定的. 图中绘出了脉管分别处于0, 1, 2 三个位置时, 薄膜变形的状态及对应的圆心R0 , R1 , R 2 . 由图中几何约束关系, 可以得到方程组:
它们描述了脉搏特征h, r 与薄膜形态( x 1 , z 1 )之间一一对应的关系, 也就是说薄膜形态已知, 脉搏的运动状态也是确定的, 问题转换为求解l 1 的圆心( x 1 , z 1 ) 与采得的图像之间的对应关系.
2. 2 薄膜形态与网格点所成像之间的对应关系 如图2 所示, 薄膜右半边au、bu、cu 为薄膜上均匀间隔的三个点, 它们都位于同一圆弧上, 坐标分别为( x a , z a ) , ( x b , z b ) , ( x c , z c) , ua、ub、u c 分别为上述三个点所成的像. 由几何约束条件, 建立如下方程:
平距离. 由方程组可以解得ua、ub、u c 与au、bu、c u 三点坐标之间的对应关系, 进而求得l1 的圆心( x 1 , z 1 ), 即实现了由所采集到的图像中网格点位置确定薄膜形态的过程. 由此可见, 网格点随脉搏向上运动,其所成的像向远离光轴方向运动, 网格点向下运动时, 所成的像向近光轴靠拢; 靠近光轴处的网格点,由于单CCD 结构的限制, 所成的像运动幅度小, 这些点的垂直运动情况无法得到真实反映; 越靠近网格边缘处的点所成的像运动幅度越小. 由上述定性分析, 结合脉搏特征提取, 可得出如下结论: ① 从采集得到的图像中, 可观查到网格点有明显变化的区域, 为一近似环形, 该环形的圆点即脉搏跳动的中心; ② 网格点所成像的运动轨迹能够反映脉搏垂直跳动的信息, 从波形图可得到脉搏频率, 节律, 振幅等特征; ③ 通过观测图像点运动幅度向边缘衰减趋势的快慢程度可间接得到脉宽信息. 3 脉搏特征信息提取 应用设计好的脉搏图像传感器对一在校男性研究生进行脉搏图像采集, 得到的脉搏图像如图3 所示, 图像分辨率为640 象素x 480 象素.
为了明确表达脉搏信息, 有效选取关键网格点,在测量时首先要对脉管方向做出标记, 图3 中虚线代表脉管轴向. 脉搏是一个动态过程, 为获得网格点运动轨迹, 首先要解决每帧图像对应点的跟踪、匹配问题. 考虑到脉搏是一微弱信号, 跳动过程中相邻网格点相对位置关系没有变化, 而且同一点运动区域不会过大, 为了降低编程难度, 提高处理速度, 我们为每个点限定了处理范围, 图3 中带数字标记的灰色区块为对应各点的处理区域, 实验结果表明, 该方法是有效的.
由于照明条件不太理想, 造成图像整体灰度不均匀. 在图像处理算法选择上, 采用基于最优化算法的Canny 边缘检测算子首先提取点的边缘, 并搜索个别边缘没有闭合的点使其闭合, 填充边缘内部为1 外部为0, 然后计算点的重心位置来表示此刻该点的坐标, 这样的处理过程有效降低了成像质量差引入的干扰, 最后连接所有帧对应点的坐标就得到了该点的运动轨迹[ 9-10] . 通过坐标变换把第一帧中各点的坐标位置设置为对应点轨迹的坐标原点, 实现各点相对振幅大小的比较. 图4 给出对测量点5 处理得到的脉搏波形.
用上述方法测量全部14 个点的运动轨迹, 将它们依次显示在一三维坐标系中, 如图5 所示. 可以看出, 光轴附近点的运动幅度较小, 这是由于单摄像头的结构限制造成的, 随着采样点向两边延伸, 所成像运动幅度逐渐增大, 最后在靠近边缘处, 波形幅度又逐渐减小, 实验结论与测量模型分析一致. 为进一步得到脉搏特征定量分析结果, 选择6 个测量点, 并将其波形数据列于表1 中, 表中的5 到10 是选择进行图像处理的区块编号, 这些区域得到的脉搏波形形态清晰, 便于脉搏特征的提取. a, b, c, d, e, f 是每个所得波形从第三个周期开始的六个连续的波峰,波谷( 见图4) , X , Y 分别表示这些点的横纵坐标值.
由表1 中X 行数据可以得到波形的周期, 进而可以很容易地计算出脉搏频率. 上述脉搏波形5 所得频率为74. 56 次/ 分. 由Y 行数据可以得到各点脉搏波形的振幅, 带入测量模型中能够计算出脉搏的跳动高度. 脉宽信息可以通过定义光轴两侧波动幅度最大两点之间的距离W( 见图5 右上角) 来定性表征. 4 结束语 利用CCD 对薄膜上网格点成像, 间接完成对脉搏信息的提取, 基于这一思路我们研制了脉搏图像化检测装置. 设计的脉搏传感器符合实际诊脉过程,能够稳定工作, 取脉压力可以实时调节. 在此基础上, 建立完整的测量模型, 为定量测量提供了可靠的理论依据. 本文通过对沿血管横截面方向的14 个网格点轨迹的检测, 提取得到了脉搏波形, 并计算得出脉搏频率, 同时给出脉搏振幅, 脉宽信息测量的定性说明. 实验装置结构相对简单, 网格点只要足够密集、摄像头分辨率足够高, 就能够检测到薄膜上任意点处的脉搏跳动特征. 研究表明, 本系统能够有效提取多维脉搏特征信息, 为中医诊断客观化和科学化提供了一种新的手段和方法. 由于实验条件限制, 本文仅对测量模型做了简单的分析验证. 进一步研究将会获得更全面的定量脉搏特征. 参考文献: [ 1] 汤伟昌, 孙汉钧, 李斌芳. 中医脉象模拟系统的研究[ J ] . 中国中医药科技. 2000, 7( 2) : 53- 55. [ 2] 蔡轶珩, 沈兰荪, 等. 脉象分析仪的研究进展[ J] . 电子测量与仪器学报, 2002, 16( 4) : 55- 59. [ 3] J N Lyg ou ras, P G T sal ides. Opt ica-l Fiber Finger Phot o-PlethysmographUs ing Digital TechNIqu es [ J] . IEEE S ens or Journal. 2002. 2( 1) : 20- 25. [ 4] 燕海霞, 王忆勤, 李福凤. 中医脉象传感器的研究进展[ J] . 上海中医药大学学报, 2005, 19( 1) : 62-64. [ 5] Young- Zoon Yoon, My eong- Hw a Lee, Kw an g-S up Soh. Pu lseT ype Cl as sifi cat ion b y Varyin g Cont act pres sure[ J] . Engineeringin Medi cine and Biology Magazine, IEEE . 2000. 19 ( 6 ) :106-110. [ 6] 张爱华, 周义勇, 朱亮. 图像化脉象采集装置的研制[ J ] . 传感技术学报, 2006, 19( 4) : 1261- 1267. [ 7] 吴剑波, 骆清铭, 谭玉山. 网格投影式立体视觉三维表面重建系统[ J] . 光学工程, 2004. 31( 11) : 51-54. [ 8] 费兆馥. 现代中医脉诊学[ M] . 北京: 人民卫生出版社, 2003. [ 9] Bao P, Lei Zhang, Xiaol in Wu. Canny Edge Det ecti on Enhancementby Scale M ult iplicat ion [ J] . Pat t ern Anal ysis an dMachin e In telligence. 2005, 7( 9) : 1485- 1490. [ 10] 史长琼, 易昂. 基于Canny 准则的颗粒图像边缘检测算法[ J] . 计算机工程与科学, 2004. 26( 3) : 52- 54. |
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