專(zhuān)利名稱(chēng)：一種脈象采集觸頭裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種以中醫(yī)理論為基礎(chǔ)的醫(yī)療設(shè)備，尤其涉及一種脈象采集觸頭裝置。
背景技術(shù)：
脈診測(cè)試觸頭裝置是中醫(yī)脈診系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的重要部分，也是關(guān)鍵的難點(diǎn)，脈診觸頭部分的性能直接決定了脈診的精度和可靠性。傳統(tǒng)的脈診觸頭都是由剛體的立式壓力傳感器組成，比如公開(kāi)號(hào)為CN201624647U、名稱(chēng)為寸、關(guān)、尺三部脈象信號(hào)采集分析儀的實(shí)用新型專(zhuān)利和公開(kāi)號(hào)為CN102258367A、名稱(chēng)為雙感測(cè)脈診儀的發(fā)明專(zhuān)利申請(qǐng)，都是采用純機(jī)械結(jié)構(gòu)，利用電機(jī)或者液壓驅(qū)動(dòng)機(jī)械部件的上下左右移動(dòng)，缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，柔順性能差， 只能做直線運(yùn)動(dòng)，和傳統(tǒng)中醫(yī)手指不符，不能主動(dòng)適應(yīng)患者手腕的外形，影響實(shí)施效果。也有一些進(jìn)一步改進(jìn)的脈診機(jī)械手采用三段連接的結(jié)構(gòu)，增加了手指的靈活度，可以完成較復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)，例如手指的彎曲，但由于其本質(zhì)上還是機(jī)械結(jié)構(gòu)，與人體手指的柔性還不一樣，其采集的脈象信號(hào)難以保證真實(shí)性。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服現(xiàn)有技術(shù)中脈診觸頭裝置自由度少、工作范圍狹窄、只能完成簡(jiǎn)單動(dòng)作的不足，本發(fā)明提供了一種通過(guò)柔性手指末端的陣列式壓力傳感器和與手指內(nèi)腔連通的氣動(dòng)系統(tǒng)來(lái)模擬人類(lèi)手指隨機(jī)任意的加壓、按尋脈象的過(guò)程的脈象采集觸頭裝置。為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案一種脈象采集觸頭裝置，包括仿生手、支撐仿生手的仿生手支架以及固定仿生手支架和患者手臂的脈診平臺(tái)。其中，仿生手包括柔性手指和位于柔性手指執(zhí)行端的陣列式壓力傳感器。每個(gè)柔性手指的內(nèi)腔都沿圓周分為多個(gè)氣室，各個(gè)氣室連通著氣動(dòng)系統(tǒng)的各個(gè)氣路。陣列式壓力傳感器連接到控制系統(tǒng)上，控制系統(tǒng)根據(jù)從陣列式傳感器收到的脈壓信息來(lái)帶動(dòng)氣動(dòng)系統(tǒng)的各個(gè)氣路向氣室注入的氣壓。對(duì)于上述脈象采集觸頭裝置，仿生手包括三個(gè)柔性手指，三個(gè)柔性手指水平排列安裝在仿生手支架上。對(duì)于上述脈象采集觸頭裝置，柔性手指的內(nèi)腔分隔成三個(gè)互成120°的扇形氣室。對(duì)于上述脈象采集觸頭裝置，柔性手指包括橡膠管和螺旋狀鑲嵌在橡膠管圓周內(nèi)的起加強(qiáng)作用的纖維線。對(duì)于上述脈象采集觸頭裝置，橡膠管兩端分別由前端蓋和后端蓋密封。其中，前端蓋采用指尖形狀，由聚酯材料制成，表面附著陣列式壓力傳感器；后端蓋通過(guò)平鍵和螺釘固定在仿生手支架上，后端蓋上裝有進(jìn)氣管，用于向各氣室輸入不同壓力的氣體。對(duì)于上述脈象采集觸頭裝置，氣動(dòng)系統(tǒng)包括氣源部分以及連通氣源部分和每個(gè)柔性手指內(nèi)各個(gè)氣室的各個(gè)氣路。對(duì)于上述脈象采集觸頭裝置，氣源部分包括空氣壓縮機(jī)、氣罐、壓力表和流量指示器。對(duì)于上述脈象采集觸頭裝置，每條氣路上均設(shè)有電磁閥組，每個(gè)電磁閥組中，二位三通電磁閥一路接氣源部分，一路接流量控制閥，一路接二位二通電磁閥，二位二通電磁閥的另一端連通大氣。對(duì)于上述脈象采集觸頭裝置，陣列式壓力傳感器包括PVDF壓電薄膜、電極和導(dǎo)線。對(duì)于上述脈象采集觸頭裝置，陣列式壓力傳感器是整體上三層的結(jié)構(gòu)，上下層是通過(guò)導(dǎo)電相連的電極陣列，中間是PVDF壓電薄膜。對(duì)于上述脈象采集觸頭裝置，上層電極的陣列通過(guò)導(dǎo)線連接橫向排列，下層電極的陣列通過(guò)導(dǎo)線連接縱向排列。對(duì)于上述脈象采集觸頭裝置，上層電極的陣列為3X4矩陣，下層電極的陣列為 4X5矩陣。對(duì)于上述脈象采集觸頭裝置，在脈診平臺(tái)上面設(shè)有患者手臂定位框。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明技術(shù)方案主要的優(yōu)點(diǎn)如下(I)柔性手指采用了一體式設(shè)計(jì)，不同于傳統(tǒng)的三段式手指，結(jié)構(gòu)上消除了關(guān)節(jié)之間的鉸接，完全由高壓氣體控制手指的運(yùn)動(dòng)，減少了氣動(dòng)過(guò)程中的能量損失，提高了可靠性和使用壽命；(2)同時(shí)，柔性手指采用三腔式結(jié)構(gòu)，可以根據(jù)需要設(shè)計(jì)多自由度的運(yùn)動(dòng)，可以完成更加復(fù)雜的動(dòng)作；(3)基于氣動(dòng)技術(shù)的設(shè)計(jì)，柔順性好，對(duì)患者手腕的適應(yīng)能力更強(qiáng)，使脈診更符合中醫(yī)手指診脈的實(shí)際情況。


圖I示出本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例所述的脈象采集觸頭裝置的組成結(jié)構(gòu)；圖2a和2b分別是柔性手指的一個(gè)實(shí)施例的橫截面示意圖和結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖；圖3是柔性手指的氣動(dòng)系統(tǒng)一個(gè)實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4是對(duì)柔性手指彎曲特性進(jìn)行分析的空間坐標(biāo)圖。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例所述的脈象采集觸頭裝置的結(jié)構(gòu)如圖I所示。該脈象采集觸頭裝置包括仿生手I、支撐仿生手I的仿生手支架2以及固定仿生手支架2和患者手臂的脈診平臺(tái)3。其中，仿生手I包括柔性手指11和位于柔性手指11前端的陣列式壓力傳感器12， 仿生手I優(yōu)選包括三個(gè)柔性手指11，三個(gè)柔性手指11水平排列安裝在仿生手支架2上。每個(gè)柔性手指11的內(nèi)腔都沿圓周分為多個(gè)氣室，與各個(gè)氣室連通的氣動(dòng)系統(tǒng)的各個(gè)氣路控制柔性手指11中的氣室壓力。陣列式壓力傳感器12連接到控制系統(tǒng)上，脈搏信息經(jīng)陣列式壓力傳感器12傳到控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)分析陣列式壓力傳感器12發(fā)來(lái)的不同通道的信息后，發(fā)出指令控制氣路施加不同壓力給柔性手指11，從而調(diào)節(jié)仿生手I在患者手臂上的取脈位置和取脈壓力。在脈診平臺(tái)3上面設(shè)有患者手臂定位框4。圖2a和2b是柔性手指的一個(gè)實(shí)施例的橫截面示意圖和結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。在該實(shí)施例中，柔性手指11的內(nèi)腔分隔成三個(gè)互成120°的扇形氣室111。柔性手指11包括橡膠管112和螺旋狀鑲嵌在橡膠管112圓周內(nèi)的起加強(qiáng)作用的纖維線113。橡膠管112優(yōu)選為由硅橡膠制成，纖維線113優(yōu)選為尼龍制成的細(xì)纖維。纖維線113用來(lái)在通氣時(shí)限制橡膠管112徑向增大，使柔性手指11沿軸線方向伸長(zhǎng)。橡膠管112兩端分別由前端蓋114和后端蓋115 密封，優(yōu)選為通過(guò)強(qiáng)力膠密封。其中，前端蓋114采用指尖形狀，優(yōu)選為由聚酯材料制成，表面附著一個(gè)或多個(gè)陣列式壓力傳感器12，獲得脈搏波的原始?jí)毫?shù)據(jù)，通過(guò)前端蓋114上的導(dǎo)線傳到控制系統(tǒng)用于脈象特征提取分析。由于陣列式壓力傳感器12內(nèi)各個(gè)壓力傳感器之間存在關(guān)聯(lián)性，某個(gè)壓力傳感器下的脈搏波在貢獻(xiàn)給它本身壓力信息的同時(shí)，也影響著其他各個(gè)壓力傳感器，利用這些相互影響的信息，則可以較為準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)類(lèi)似中醫(yī)大夫手指的壓力信息采集過(guò)程。后端蓋115通過(guò)平鍵和螺釘固定在仿生手支架2上，后端蓋115 上裝有進(jìn)氣管36，可向各扇形氣室111內(nèi)輸入不同壓力的氣體改變?nèi)嵝允种?1的運(yùn)動(dòng)。柔性手指11的氣動(dòng)系統(tǒng)用于控制和維持柔性手指11運(yùn)動(dòng)所需要的壓力，一個(gè)實(shí)施例的具體結(jié)構(gòu)如圖3所示，氣動(dòng)系統(tǒng)包括氣源部分31以及連通氣源部分31和每個(gè)柔性手指11內(nèi)各個(gè)氣室111的各個(gè)氣路。氣源部分31包括空氣壓縮機(jī)311、氣罐312、壓力表 3213和流量指示器314，向柔性手指11提供所需的高壓氣體。每個(gè)柔性手指11內(nèi)腔中的氣室優(yōu)選為三個(gè)，三條氣路分別連通柔性手指11的三個(gè)氣室，每條氣路上均設(shè)有電磁閥組。 每個(gè)電磁閥組中，二位三通電磁閥34 —路接氣源部分31，一路接流量控制閥35，一路接二位二通電磁閥32，二位二通電磁閥32的另一端通過(guò)排氣管33連通大氣。每個(gè)電磁閥組控制氣動(dòng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)三種狀態(tài)加壓，保持和減壓。當(dāng)二位三通電磁閥34接通氣源、二位二通電磁閥32斷開(kāi)時(shí)，實(shí)現(xiàn)對(duì)柔性手指11內(nèi)腔的加壓；當(dāng)二位三通電磁閥34和二位二通電磁閥32都斷開(kāi)時(shí)就可以實(shí)現(xiàn)柔性手指11的壓力保持；當(dāng)二位三通電磁閥34斷開(kāi)、二位二通電磁閥32接通時(shí)可釋放高壓氣體到外界，可降低柔性手指的壓力。氣動(dòng)系統(tǒng)采用整體式設(shè)計(jì)，封裝在氣動(dòng)箱內(nèi)，通過(guò)進(jìn)氣管36與仿生手I連接。陣列式壓力傳感器12用于檢測(cè)脈搏并將檢測(cè)到的信號(hào)轉(zhuǎn)化成電信號(hào)輸出。在優(yōu)選實(shí)施例中，陣列式壓力傳感器12由PVDF壓電薄膜、電極、導(dǎo)線和聚酯基座壓合在一起構(gòu)成。陣列式壓力傳感器12的尺寸優(yōu)選為IOmmX IOmmX 50 μ m。在保證精度和足夠信息量的基礎(chǔ)上，陣列式壓力傳感器12采用整體三層的結(jié)構(gòu)，上層電極通過(guò)導(dǎo)線連接橫向排列， 下層電極通過(guò)導(dǎo)線連接縱向排列，上層的電極定為感應(yīng)力點(diǎn)，上層陣列為3X4矩陣，下層陣列為4X5矩陣，這樣設(shè)計(jì)保證傳感器不但可以檢測(cè)法向力，而且可以檢測(cè)切向力和斜向力。上下層是通過(guò)導(dǎo)電相連的電極陣列，采用PB塑料薄板通過(guò)化學(xué)方法鍍上銀漿制作，中間是PVDF壓電薄膜，上下層電極可以通過(guò)導(dǎo)電膠與PVDF壓電薄膜粘合。陣列式壓力傳感器12可以用502強(qiáng)力膠粘貼固定在仿生手I的前端蓋114上，陣列式壓力傳感器12受力面用橡膠指套包裹。PVDF是一種有機(jī)高分子敏感材料，名稱(chēng)為聚偏二氟乙烯，具有耐磨、量輕、靈敏度高、聲學(xué)阻抗低、容易固定在復(fù)雜表面、價(jià)廉、頻帶寬、且有很好的時(shí)間和溫度穩(wěn)定性的特點(diǎn)。在進(jìn)行診脈時(shí)，首先患者的手臂放在脈診平臺(tái)3的定位框4內(nèi)，以進(jìn)行脈診位置的初始定位。氣動(dòng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)柔性手指11運(yùn)動(dòng)到患者手臂上的寸關(guān)尺三個(gè)位置，獲得的脈搏信息通過(guò)陣列式壓力傳感器12轉(zhuǎn)換成電信號(hào)傳到控制系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)對(duì)脈搏波形進(jìn)行分析后，向驅(qū)動(dòng)電路發(fā)出微調(diào)信號(hào)，驅(qū)動(dòng)電路給出電磁閥32和34的輸入電壓，電磁閥32和34控制氣源輸入到柔性手指11三個(gè)氣室111的氣體壓力，進(jìn)而調(diào)整指尖位置和取脈壓力。周而復(fù)始地進(jìn)行這個(gè)過(guò)程直到得到最佳取脈位置和最佳取脈壓力為止?？刂葡到y(tǒng)用來(lái)控制手指壓觸位置的調(diào)整、壓力的計(jì)算以及脈象信息分析。當(dāng)三個(gè)氣室111同時(shí)加相等的壓力時(shí)，仿生手I沿軸線方向伸長(zhǎng)，改變?nèi)∶}壓力。 假設(shè)無(wú)能量損失和能量?jī)?chǔ)存，仿生手I執(zhí)行端面受力如下F = PiTrr02-Ar)-Fa- Ρα ηιπ^其中，橡膠管112截面面積4 =兀(r0 -Tk，r0為仿生手初始平均半徑，Tk為橡
膠管的厚度，I；為管內(nèi)分室橡膠內(nèi)壁厚，P和Patm分別是內(nèi)腔氣體壓力和大氣壓，F(xiàn)為仿生手輸出力。
橡膠殼體彈性力為 Fa = ο Ar
橡膠管應(yīng)力為
σ = E ε
其中，E為橡膠管彈性模量。
橡膠管應(yīng)變?yōu)?L-Ln其中，L0和L分別為柔性手指11的原長(zhǎng)和變化后的長(zhǎng)度。當(dāng)只有某一氣室111加壓時(shí)，或壓力與另兩氣室111壓力不同時(shí)，柔性手指11將發(fā)生彎曲，如圖4所示，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)，達(dá)到脈診接觸位置的調(diào)整。通過(guò)調(diào)整三個(gè)氣室空氣的壓力，使該柔性手指實(shí)現(xiàn)空間方向的驅(qū)動(dòng)。假設(shè)彎曲運(yùn)動(dòng)發(fā)生的形變很小且有一定的弧度，則形變可用三個(gè)參數(shù)0、R、λ來(lái)描述。Θ表示彎曲的方向，是X軸和ξ軸的夾角，坐標(biāo)系Ο-xyz固定于柔性手指11底端，ξ軸是仿生手指中心軸線在χ-y平面的投影，R為中心軸線的曲率半徑，λ是ζ軸和仿生手指末端彎曲方向的夾角。通過(guò)應(yīng)用無(wú)限小形變?cè)恚?及根據(jù)仿生手I在平面彎曲的運(yùn)動(dòng)矢量對(duì)等性可以得出參數(shù)θ、Ι 、λ與各氣室111壓力的關(guān)系
2d _
Xan Θ
^(P2-P3)
T.J7 T 3
R = ^riyp [nn
A T 3
3AK tr
λ —— R
式中Pi分別是氣室111內(nèi)的壓力；ET是附有纖維線113的橡膠管112楊氏模量；1 為柔性手指11轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；AP為三個(gè)氣室111的受壓面積'K為橡膠管112的截面積；δ為柔性手指11中心到每個(gè)氣室111扇形區(qū)中心的距離。通過(guò)柱面坐標(biāo)轉(zhuǎn)換公式將柔性手指11執(zhí)行端位置用笛卡爾坐標(biāo)表示
權(quán)利要求
1.一種脈象采集觸頭裝置，包括仿生手(I)、支撐仿生手(I)的仿生手支架(2)以及固定仿生手支架(2)和患者手臂的脈診平臺(tái)(3)，其中，仿生手(I)包括柔性手指(11)和位于柔性手指(11)執(zhí)行端的陣列式壓力傳感器(12)，其特征在于，每個(gè)柔性手指(11)的內(nèi)腔都沿圓周分為多個(gè)氣室，各個(gè)氣室連通著氣動(dòng)系統(tǒng)的各個(gè)氣路，陣列式壓力傳感器(12)連接到控制系統(tǒng)上，控制系統(tǒng)根據(jù)從陣列式傳感器(12)收到的脈壓信息來(lái)帶動(dòng)氣動(dòng)系統(tǒng)的各個(gè)氣路向氣室注入的氣壓。
2.如權(quán)利要求I所述的脈象采集觸頭裝置，其特征在于，仿生手(I)包括三個(gè)柔性手指 (12)，三個(gè)柔性手指(12)水平排列安裝在仿生手支架(2)上。
3.如權(quán)利要求I所述的脈象采集觸頭裝置，其特征在于，柔性手指(11)的內(nèi)腔分隔成三個(gè)互成120°的扇形氣室。
4.如權(quán)利要求I所述的脈象采集觸頭裝置，其特征在于，柔性手指(11)包括橡膠管 (112)和螺旋狀鑲嵌在橡膠管(112)圓周內(nèi)的起加強(qiáng)作用的纖維線(113)。
5.如權(quán)利要求4所述的脈象采集觸頭裝置，其特征在于，橡膠管(112)兩端分別由前端蓋(114)和后端蓋(115)密封，其中，前端蓋(114)采用指尖形狀，由聚酯材料制成，表面附著陣列式壓力傳感器(12);后端蓋(114)通過(guò)平鍵和螺釘固定在仿生手支架(2)上，后端蓋(114)上裝有進(jìn)氣管(36)，用于向各氣室輸入不同壓力的氣體。
6.如權(quán)利要求I所述的脈象采集觸頭裝置，其特征在于，氣動(dòng)系統(tǒng)包括氣源部分(31) 以及連通氣源部分(31)和每個(gè)柔性手指(11)內(nèi)各個(gè)氣室的各個(gè)氣路。
7.如權(quán)利要求6所述的脈象采集觸頭裝置，其特征在于，氣源部分(31)包括空氣壓縮機(jī)(311)、氣罐(312)、壓力表(313)和流量指示器(314)。
8.如權(quán)利要求6所述的脈象采集觸頭裝置，其特征在于，每條氣路上均設(shè)有電磁閥組， 每個(gè)電磁閥組中，二位三通電磁閥(34) —路接氣源部分(31)，一路接流量控制閥(35)，一路接二位二通電磁閥(32)，二位二通電磁閥(32)的另一端連通大氣。
9.如權(quán)利要求I所述的脈象采集觸頭裝置，其特征在于，陣列式壓力傳感器(12)包括 PVDF壓電薄膜、電極和導(dǎo)線。
10.如權(quán)利要求9所述的脈象采集觸頭裝置，其特征在于，陣列式壓力傳感器是整體上三層的結(jié)構(gòu)，上下層是通過(guò)導(dǎo)電相連的電極陣列，中間是PVDF壓電薄膜。
11.如權(quán)利要求10所述的脈象采集觸頭裝置，其特征在于，上層電極的陣列通過(guò)導(dǎo)線連接橫向排列，下層電極的陣列通過(guò)導(dǎo)線連接縱向排列。
12.如權(quán)利要求10所述的脈象采集觸頭裝置，其特征在于，上層電極的陣列為3X4矩陣，下層電極的陣列為4 X 5矩陣。
13.如權(quán)利要求I所述的脈象采集觸頭裝置，其特征在于，在脈診平臺(tái)(3)上面設(shè)有患者手臂定位框(4)。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種脈象采集觸頭裝置，包括仿生手(1)、支撐仿生手(1)的仿生手支架(2)以及固定仿生手支架(2)和患者手臂的脈診平臺(tái)(3)。其中，仿生手(1)包括柔性手指(11)和位于柔性手指(11)前端的陣列式壓力傳感器(12)。每個(gè)柔性手指(11)的內(nèi)腔都沿圓周分為多個(gè)氣室，各個(gè)氣室連通著氣動(dòng)系統(tǒng)的各個(gè)氣路。陣列式壓力傳感器(12)連接到控制系統(tǒng)上，控制系統(tǒng)根據(jù)從陣列式傳感器(12)收到的脈壓信息來(lái)帶動(dòng)氣動(dòng)系統(tǒng)的各個(gè)氣路向氣室注入的氣壓。柔性手指采用一體式設(shè)計(jì)，消除了關(guān)節(jié)之間的鉸接，由高壓氣體控制手指運(yùn)動(dòng)，減少氣動(dòng)過(guò)程中的能量損失，提高了可靠性和使用壽命；同時(shí)采用三腔結(jié)構(gòu)，可以多自由度運(yùn)動(dòng)。
文檔編號(hào)A61B5/02GK102579018SQ20121005676
公開(kāi)日2012年7月18日 申請(qǐng)日期2012年3月6日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月6日
發(fā)明者崔利宏, 張濤, 李寒冰, 王常海, 田瑞曼, 許若鋒, 趙玉君, 齊永奇 申請(qǐng)人:河南中醫(yī)學(xué)院, 河南省海王星科技發(fā)展有限公司