基于卡尔曼滤波的蒙医脉象采集分析系统

王利辉，包晓华

（内蒙古民族大学，内蒙古 通辽 028043）

蒙医脉象诊断学是蒙医学的重要组成部分，具有鲜明的民族特色和诊断特点［1］.通过分析病人脉搏的“位、数、形、势”等主要特征，来判断病人的脏腑疾病.传统的蒙医脉诊，因个人认识、经验不同，判断结果往往有很大差异.蒙医诊断的传承和发展，需要具有量化的新思路.随着人工智能、模式识别等先进理论的发展和完善，简单的逻辑判断和对照诊疗的脉诊量化思想已经淘汰，取而代之的是新一代专家系统.蒙医十二脉象的总结与中医脉象学有一定渊源，但在脉诊位置、方法、分类上有所不同［2］.根据这些特点，我们设计了脉象的自适应采集分析系统.该系统利用气动加压，对患者的脉象进行最佳力度采集，获得不同压力条件下的脉象，并针对压电材料传感器的噪声特点，设计脉象传感器的卡尔曼滤波器，该滤波器可以提取脉搏的有效信息，为脉象分析的准确提供保障.

1 总体设计

蒙医脉象采集分析系统由上位机、采集卡、控制器、传感器、液压系统组成［3］.具体框图如图1所示.

图1 蒙医脉象采集分析系统整体框图Fig. 1 Overall block diagram of Mongolian medicine pulse acquisition and analysis system

脉象传感器采集脉象信息，该信息通过数字滤波器得到理想的波形.波形会输入数据采集卡，由数据采集卡根据USB串口协议，将脉搏信息传递给上位机，上位机根据所得波形，进行气动系统控制，得到不同压力下的脉搏数据.上位机通过已经获得的标准十二脉象，与采集的脉象在专家系统里进行分类比对，最后得出诊断结果.

2 脉象采集控制系统

传感器控制系统的主要用途是获得良好的脉象波形，并根据不同的脉象波形选择不同的指压效果，获取不同压力下的脉象信息.整个过程由气压系统、传感器、控制器组成.实现了脉象采集的智能化.具体结构框图如图2所示.

图2 传感器控制系统组成原理图Fig. 2 Schematic diagram of composition of sensor control system

该系统由压力传感器采集脉搏信息，然后通过信号采集分析系统对气压袖带的压力状态进行评估，利用控制器让气泵工作，为袖带充气.由于气泵充气过程存在惯性，当压力传感器测得数据超过理想值时，气泵关闭，单向阀开启，进行袖带减压，当压力到达理想值时，单向阀关闭.

3 脉象传感器系统

目前，国内开始进行脉搏信息采集的传感器种类很多，其中包括压力传感器、光电容积传感器、应变片传感器.笔者根据蒙医脉象采集的特点，考虑了指压采集脉象的因素，采用了SC0073动态微压力传感器［4］.该传感器是一种利用压电薄膜作为换能元件的低功耗、高灵敏度小型脉搏测量传感器.该传感器压力范围小于1 kPa，频率响应在1~1 000 Hz间，标准电压在3.3~4.5 V间.目前已经广泛用于中医脉象的临床采集工作.该传感器的电路如图3所示.

图3 SC0073脉搏传感器电路原理图Fig. 3 Schematic circuit diagram of SC0073 pulse sensor

虽然该传感器精度高，但测量过程中存在各种噪声干扰，使得脉象波形不是很清晰，脉象特征不容易提取.笔者根据脉搏传感器特点，设计了数字滤波器，用于提取脉搏的数字特征［5-6］.选取了卡尔曼滤波器，脉搏信号采集系统的状态方程为

其中，x（t-1）为系统上一个时刻的估计量，x（t）为系统本时刻的估计量.A为系统状态矩阵，B为系统的控制矩阵，u（t-1）为系统的控制量，w（t）为系统状态噪声.

系统的观测方程为

其中，Z（t）为系统的观测预测值，H为系统的观测矩阵，y（t）为系统的观测噪声.

系统协方差预测方程为

其中，P（t|t-1）为系统在t-1时刻获得的协方差矩阵预测，P（t-1）为系统在t-1时刻的协方差矩阵，Q为预测噪声协方差矩阵.卡尔曼滤波增益为

其中，R为观测噪声协方差矩阵，卡尔曼滤波在进行脉搏信号处理时，实际上是一个迭代过程，用上一个时刻的估计值进行下一个时刻的预测，预测值根据观测矩阵获得的测量值进行修正，所以卡尔曼滤波的结果具有实时更新的特性.

根据数字滤波的要求，卡尔曼滤波的数据更新方程为

在对脉搏进行数据采集的系统里，控制量u（t-1）为0.参数A和H可取为1.简化后的滤波器预测方程为

同时的观测量修正方程，也可以改写为如下形式

4 脉象采集滤波实验

根据蒙医脉象采集分析系统特点，进行了脉搏信号的采集和分析.脉搏信号为正常人脉搏平稳状态下的传感器采集信息.在大样本的情况下，获得脉象信号如图4所示.

图4 大样本条件下滤波前后脉象曲线对比图Fig. 4 Comparison diagrams of pulse curve before and after filtering under large sample conditions

在大样本采集脉象的情况下，脉象的整体轮廓虽然可辨认，但细节部分存在巨大的噪声.这些噪声直接影响系统对脉搏信息特征的提取.采用卡尔曼滤波以后可以看出，脉象信息特征明显，曲线平滑.经过滤波前后曲线的对比，可以看出滤波器很好地还原了实际的脉象信息特征.

5 结论

笔者根据蒙医十二脉象的特点及指压获取脉象的方法，设计了具有自适应加压功能的脉象传感器采集系统，并根据采集信息的特点设计了适合压电传感器的卡尔曼数字滤波器.该滤波器能够在有限的脉象范围内很好地实现脉象信息特征的提取，得到平滑的脉象曲线.该曲线对上位机的脉象分析专家系统具有很重要的意义，能在很大程度上提高专家系统分析诊断的准确率.随着研究工作的深入，根据小型化、轻量化的需求，还要进一步将光电血氧传感器应用于蒙医脉象采集分析系统.