济宁医学院 大学生创新创业训练计划管理系统

济宁医学院 创新创业管理系统

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新型智能脉诊仪

申报人：肖启睿 申报日期：2025-04-07

基本情况

2025创新项目
新型智能脉诊仪 学生申报
创新训练项目
工学
计算机类
学生自主选题
二年期
我们的新型智能脉诊仪将具备高灵敏度、高精度的脉象传感器，能够精确还原中医“举、按、寻”手法，模拟手指按压的浮、中、沉三层压力来进行人们的脉搏诊断，生成给被测者相应内脏的健康程度以及饮食、作息建议，有效的让被测者通过中医诊脉的手段了解自身身体健康程度，预防各种疾病的发生，同时生成的脉象辅助医生进行诊断治疗，此外，还可以将脉象上传我们制作的平台让相应的经验丰富的老中医进行远程诊断治疗。
1.2023世界机器人大赛总决赛青少年机器人设计大赛三等奖（国家级）
2.全国中小学信息技术创新与实践大赛（NOC）山东赛区选拔赛高中组一等奖（省级）
1、主持济宁医学院博士科研启动课题1项（编号：2018JYQD03），在研；
2、主持济宁医学院教师科研扶持课题1项（编号：JYFC2019KJ014），在研；
3、参与教育部的产学合作协同育人课题1项（编号：201801245011），结题。
4、参与山东省教育厅科研课题1项，结题。
指导教师具有较强的科研能力，能在理论方法与技术上能给予全面指导、且能引导学生自主学习、全力支持该研究计划。
校级

项目成员

序号 学生 所属学院 专业 年级 项目中的分工 成员类型
肖启睿 医学信息工程学院 生物医学工程（本科） 2024 特殊传感器设计及制造 软件研发、硬件配置
关正鑫 临床医学院（附属医院） 儿科学（本科） 2025 硬件安装
安治国 医学信息工程学院 生物医学工程（本科） 2024 软件开发

指导教师

序号 教师姓名 所属学院 是否企业导师 教师类型
李莉 医学信息工程学院 否
高建强 医学信息工程学院 否

立项依据

    随着当前医疗界对中医诊疗的重视以及智慧中医的兴起，在国家大力倡导中医学发展的背景下，结合大数据、人工智能等技术，将中医诊断过程标准化、智能化，同时辅助医生进行精准诊断的智能医疗仪器日渐丰富，运用广泛的有血糖监测仪、小型心电图仪、无线睡眠监测仪，还有风靡校园的各式智能手环等，这些仪器都是应用了中医的“未病先防，既病防变”的预防原则。作为中医四诊中极为重要的部分，脉诊早已成为中医的标志，而传统中医“心中了了，指下难明 ”极大限制了中医的发展（1），此时我们通过特殊机器复现中医脉诊过程并以数据的方式呈现诊疗结果的智能脉诊仪就应运而生了。
    我们的脉诊仪器结合了人工智能算法对数据来进行分析和判断，从而实现对脉象可以实现自动诊断，进而了解患者身体整体状况，直观清楚的显示患者患病情况，并给出辅助治疗结论，如某患者的某身体机能出现某种问题，我们仪器将附加治疗此种问题的饮食推荐和作息建议。我们的仪器不仅可以提高诊断的便利性和高效性，还将为医生提供客观量化的脉象数据，有助于对患者病情进行更加精确的诊断和判断，此外，通过完善一体化中医诊断平台，诊脉仪器将依托物联网、5G网络可以完美精准实现远程诊断，从而方便患者就医，进而推进我国优质中医疗资源下沉以及区域均衡布局，推动中医诊疗朝着基层化、普及化趋势蓬勃发展，有效解决中医门派分区划片、中医资源分布不平衡的社会现状。并且该智能脉诊仪还可以在临床、教学、研究等方面进一步帮助研究人员深入探讨脉象与疾病之间的关系，推动中医脉诊学科的发展与创新研发项目的推进。
本项目的主要研究内容如下三个方面。
1.脉搏传感贴合建模与仿真分析。
（1）需要建立基于压电原理的脉搏传感器与人体手臂的贴合模型。
（2）需通过有限元压电耦合仿真方法分析不同贴合状态对波形的影响。
（3）需要研究传感器弯曲方向、贴合位置偏差和外压力等因素对采集数据的影响。
2.脉诊仪器设计与加工
需要设计气、电双驱动多传感闭环控制的整体结构方案。
3.脉搏数据处理分析与验证
（1）需要设计基于Python的极大极小值算法进行脉搏波周期分段处理。
（2）以脑梗死为例，我们需要通过双侧t检验及卡方检验等统计学方法分析脉搏波形与疾病的关系。
（3）我们还需要通过ANSYS流固耦合仿真分析颈动脉狭窄对桡动脉脉搏波的影响，验证机理。
由于本仪器的特殊性，国内外的研究重心主要集中在脉诊仪的传感器元件上。
形式上，从之前的单探头不断向三、四探头等多探头方向发展，以寻求多维动态的采集分析脉象信息；作为主要区别的传感器种类上，主要分为机械式、压力式、容积式以及新兴的超声波传感器等。在国内外专家学者不断的努力下，脉诊仪器的识别技术也日新月异、蓬勃发展。
1.国内研究现状及发展动态
传感器：刘映辰等人的基于传感器的智能电子脉诊仪通过利用BP300T压力传感器以及树莓派的将脉搏的生理信号转换为电信号，并采用小波去噪算法对数据进行处理，将处理好的数据 ( 即脉搏波 ) 进行周期分割，对每个周期之间以及每个周期内部特征值进行比较，完成模式识别，得到自己的对应病症。
图1：BP300T压力传感器
机器视觉：华东理工大学的吴晓娅结合摄像头机器视觉设计出一款用于寸口脉脉搏采集的实验仪器。采集功能基于压电式传感器SC0073 和薄膜传感器RP-C双重组合，采用OpenCV 对采集装置中摄像头拍取的手腕图进行直方图均衡化、皮肤分割、灰度化、多边形轮廓拟合和角点检测等操作，用以对寸关尺脉搏部位进行识别定位。该装置利用最新的机器视觉处理技术有效地提高了脉搏定位的准确性与快速性，推进了脉诊智能化的发展。
图2：脉搏采集实验仪
复合探头：天津大学张玉满设计了一种复合探头脉象采集方式，如下图所示,该探头组合了压力传感器和驻极体传声器。驻极体传声器频响特性较好、灵敏度较高，在采集时可以弥补压力传感器因为测量位置不精确而产生误差的缺陷，同时使用不同的传感器还可以使获得的脉象信息更加全面，该脉象仪还可以通过气路给腕带加减压，以达到不同的采集压力。
图3：复合探头脉象采集仪
2.国外研究现状及发展动态
Jong hwa Park等模拟手指皮肤内部多重生理刺激研发了微结构铁电皮肤传感器。该传感器在铁电薄膜中制作了指纹状图案和互锁微结构，增强静态和动态机械热信号的压电、热电和压阻传感。利用柔性和微结构铁电皮肤可以高灵敏度地检测和区分多种时空触觉刺激，包括静态和动态压力、振动和温度，可同时监测动脉血管的脉搏压力和温度，精确检测声学声音，以及识别各种表面纹理。日本的Sungjun 等通过将有机电化学晶体管作为传感器与有机光伏电源集成在一微米厚的超柔性基板上实现了自供电的柔性电子设备。该传感器可以自供电并适合人体皮肤或其他组织能够准确和连续地检测生理信号。
参考文献：
[1]蒋颖,刘聪颖,张亚丹,等.脉诊检测分析仪的研究进展与新思路[J].中华中医药杂志, 2017, 32(01): 218-221.
[2]姚建锋.高精密智能脉诊仪设计与开发[D].重庆大学, 2020. DOI:10.27670/d.cnki.gcqdu.2020.003711.
[3]刘映辰,李佳慧,杨向国,等.基于传感器的智能电子脉诊仪的设计[J].中国新通信, 2022, 24(15): 55-58.
[4]吴晓娅.基于机器视觉的三部脉搏采集系统的研究[D].华东理工大学, 2020. DOI:10.27148/d.cnki.ghagu.2020.000258.
[5]张玉满.基于复合探头脉象检测系统及方法的研究[D].天津大学,2014.
[6] Park J , Kim M , Lee Y ,et al.Fingertip skin–inspired microstructured ferroelectric skins discriminate static/dynamic pressure and temperature stimuli[J].Science advances, 2015, 1(9): e1500661. DOI:10.1126/sciadv.1500661.
[7] Park S , Heo S W , Lee W ,et al.Self-powered ultra-flexible electronics via nano-grating-patterned organic photovoltaics[J]. Nature [2025-04-06]. DOI:10.1038/s41586-018-0536-x.
项目的创新点
脉诊仪的工作基本可以分为“寻脉”、“取脉”、“识脉”，我们的创新点主要集中在“寻”和“取”中。
1.在寻找脉搏时我们计划采用激光定位以及T型丝杆滑块等人机配合方案。
2.在感受脉搏状态时计划采用气动分层施压、多层耦合传感方案来还原触觉机理。
同时我们的新型智能脉诊仪创新融合了多种功能：
（1）在检测脉搏的同时可以进行人体心率、体温的检测。
（2）不同于其他的脉诊仪，我们的机器生成的不止是专业中医才能看懂的脉搏类型以及专有名词，我们的机器可以通过机器学习来进行识别脉象，给出被测者每个不同器官的不同健康程度，并给出相应的饮食、作息建议。
（3）与其他的脉诊仪不同，在检测完被测者脉搏后，我们的机器将在把此人的脉搏数据呈现出来的同时可选的将数据以5G网络的速度呈现给相应的中医，进行远程诊断。
（4）将气动施压与压电传感结合，解决单一驱动方式保真度不足问题。
（5）通过压力-位移闭环控制，将“三部九候”手法转化为可编程控制参数。
（6）联合血流动力学仿真与统计学分析，构建“设备-数据-机理”闭环验证体系。
项目的特色：
新型智能脉诊仪的主要特色在于采用了气动分层施压以及多层耦合传感方案，更接近模拟人的触觉以提高传感器接收的数据的准确度。并且可以对脉象进行分析、对被测者身体个器官进行打分并提出相应建议，将大大提高看病的便捷性，可以对一些疾病的恶性发展进行有效的预防。我们的诊脉仪器将依托物联网、5G网络可以完美精准实现远程诊断，从而方便患者就医，进而推进我国优质中医疗资源下沉以及区域均衡布局，推动中医诊疗朝着基层化、普及化趋势蓬勃发展，有效解决中医门派分区划片、中医资源分布不平衡的社会现状。
技术路线：
中医把脉还原
操作复现：我们需要还原中医“举、按、寻”手法，模拟手指按压的浮、中、沉三层压力（0.5-3 N范围）。
定位精度：保证寸、关、尺三脉位定位误差需很小。
信号保真度：我们的传感器需捕捉10-40 Hz脉搏波高频细节（如重搏波），信噪比≥60dB。
气电双驱闭环控制系统设计
1.系统架构
气动驱动：计划采用微型气缸（SMC CM2系列）来实现0.1-5 N分层施压，通过比例阀（ITV2050）调节气压，响应时间<50 ms左右。
电动驱动：用T型丝杆滑台（导程2 mm）配合步进电机（0.9°步距角），定位分辨率1 mm左右。
闭环反馈：计划用集成压力传感器（Honeywell FSS系列）与PVDF压电薄膜，来实时调整施压力与位置。
2.多传感融合算法
待设计
人机协同寻脉机构
1.激光定位模块
机器视觉辅助：我们计划采用850 nm红外激光（安全Class I）投射十字标记，配合CMOV摄像头（OV5640）来捕捉手腕轮廓。
动态追踪算法：通过OpenCV实现皮肤-背景分割，结合卡尔曼滤波预测血管位移轨迹。
2.自适应脉枕设计
仿生结构：硅胶材质腕托来贴合桡骨茎突曲面，内置6自由度调节机构，适应不同腕围（12-22 cm）。
多层耦合取脉机构
1.PVDF压电传感器阵列
参数优化：计划采用20×15×0.5 mm压电薄膜（d33=33 pC/N），前置电荷放大器（OPA2188）将信号增益至0-5 V。
抗干扰设计：将双层屏蔽线缆+差分信号传输，抑制50 Hz工频干扰。
2.气动分层施压模块
待设计
整机集成与临床验证
1. 结构创新
紧凑的设计：整机尺寸300×200×150 mm，重量小，采用铝合金框架+ABS壳体，支持USB/蓝牙双模数据传输。
散热与降噪：无刷电机驱动+气动消音器，运行噪声小。
2. 临床试验设计
样本采集：合作医院采集120例脑梗患者与健康对照组数据，双盲条件下对比脉诊仪与专家诊断一致性。
脉搏波特征提取算法
1.自适应周期分割
通过改进python的极值发来实现

拟解决问题：
1.需要解决把脉时候的动态定位问题，解决由被测者呼吸、肌肉收缩造成的位移。
2.需要解决传感器收到的信号可能含有外界光、电、磁影响的问题，需要进行开发小波去噪的算法。
3.需要解决在不同的传感器贴合方式下脉搏波形的变化。
4.需要解决有些人由于颈动脉狭窄对桡动脉脉搏波的影响。
预期成果：
我们希望通过我们的努力使我们的新型智能脉诊仪具备高灵敏度、高精度的脉象传感器，能够精确还原中医“举、按、寻”手法，模拟手指按压的浮、中、沉三层压力来进行人们的脉搏诊断，生成给被测者相应内脏的健康程度以及饮食、作息建议，有效的让被测者通过中医诊脉的手段了解自身身体健康程度，预防各种疾病的发生，同时生成的脉象辅助医生进行诊断治疗，此外，还可以将脉象上传我们制作的平台让相应的经验丰富的老中医进行远程诊断治疗。
总目标：完成从技术验证到样机迭代、临床测试的全流程研发，实现具备智能诊断功能的脉诊仪工程化落地。
第一阶段：技术预研与方案设计（0-6个月）
1.需求分析与文献调研（第1-2月）
细化中医脉诊"浮中沉"分层施压的量化标准
对比压电薄膜（PVDF）、MEMS压力传感器的性能参数
建立临床合作方（如中医院）的需求对接机制
2.关键技术仿真验证（第3-4月）
基于ANSYS完成传感器-手臂耦合模型的参数优化
验证凹弧型硬质基底对波形保真度的影响
模拟颈动脉狭窄与桡动脉波形的流固耦合关系
3.系统方案设计（第5-6月）
确定气动/电动双驱动闭环控制架构
设计4探头集成模块的机械布局
制定Python算法框架（周期切分、特征提取）
交付物：技术可行性报告、系统方案书、仿真验证数据

第二阶段：工程样机开发（7-15个月）
1.硬件开发（第7-10月）
传感器模块：压电薄膜阵列加工与标定
机械结构：T型丝杆寻脉机构+气动分层施压装置
机架外壳：3D打印原型机验证人机工程学
2.控制系统开发（第11-12月）
实现多传感器数据同步采集（采样率≥1kHz）
开发基于STM32的闭环控制程序
集成激光定位辅助系统
3.算法开发（第13-15月）
脉搏波周期切分算法（极值点检测）
特征值提取（主波幅值、重搏波斜率等）
脑梗特征波形分类模型（SVM/深度学习）
交付物：功能样机、控制软件V1.0、算法测试报告

第三阶段：临床验证与迭代（16-24个月）
1.小规模临床测试（第16-18月）
采集100例脑梗患者+健康对照组数据
验证分层施压对病理特征的敏感性
优化探头贴合稳定性（偏移容错<3mm）
2.统计学分析（第19-20月）
应用t检验/卡方检验验证特征显著性
建立血管狭窄程度与波形参数的映射关系
生成诊断阈值建议表
3. 产品化迭代（第21-24月）
通过CFDA二类医疗器械型式检测
完成工业设计（防水外壳、便携化）
制定标准化操作SOP手册
交付物：临床测试报告、医疗器械注册证申报材料、量产技术文档。

预计关键里程碑节点
第6个月：完成技术方案评审。第12个月：通过样机功能验收。
第18个月：获得伦理批件启动临床。第24个月：提交医疗器械注册申请。
团队经验：团队成员在图像处理、算法开发、移动应用开发领域经验丰富，参与过机器人编程的相关项目，熟悉开发流程和技术。
前期探索：我们现已建立了基于压电原理的脉搏传感器与人体手臂的贴合模型，并且已设立了基于Python的极大值极小值算法进行脉搏波周期分段处理
已具备条件：
我们现在已经建立了我们新型智能脉诊仪新型智能脉诊仪的研发思路并完成了相应处理数据的算法开发，并且我们成员具有丰富的经验以及一定的科研能力，此外，学校图书馆有相关领域的书籍和期刊，还有各种中英文学术数据库，能查到大量相关研究文献。团队前期也积累了部分相关数据。
尚缺少条件：
缺少各种材料设施等，如缺少不同的传感器，无法进行数据比对以找出最适传感器。
缺少参数，需要临床参数以供机器学习
解决办法：
针对仪器设备问题，向学校申请设备购置经费，写清楚设备对项目的重要性。
针对参数缺少问题，可以寻找相应老中医进行咨询或与医院进行合作。

经费预算

开支科目 预算经费（元） 主要用途 阶段下达经费计划（元）
前半阶段 后半阶段
预算经费总额 15200.00 材料购置 7300.00 7900.00
1. 业务费 6700.00 无 3300.00 3400.00
（1）计算、分析、测试费 2000.00 用于软件研发与测试 1000.00 1000.00
（2）能源动力费 500.00 参加比赛 200.00 300.00
（3）会议、差旅费 1100.00 相关学术会议、研讨等的差旅费 500.00 600.00
（4）文献检索费 100.00 搜索文献资料 100.00 0.00
（5）论文出版费 3000.00 研究论文的出版、版面费等 1500.00 1500.00
2. 仪器设备购置费 500.00 设备购置 500.00 0.00
3. 实验装置试制费 0.00 无 0.00 0.00
4. 材料费 8000.00 材料购置 3500.00 4500.00
结束

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