水壓調節(jié)式穴位按摩儀的系統設計

黃文禧，黃雨欣，黃嘉揚，楊銳鋒，弓偉

（廣州中醫(yī)藥大學，廣東廣州，510006）

隨著社會的發(fā)展和生活節(jié)奏的不斷加快，長時間伏案低頭工作已成為人們工作的常態(tài)，肌肉勞損一直困擾著許多人，發(fā)病反反復復，一直不能得到有效緩解。肌筋膜疼痛綜合征（MPS）是由骨骼肌和筋膜組成的局部繃緊區(qū)域所引起的一種骨骼肌肉疾病[1]，其可發(fā)展導致腰椎間盤突出、骨質增生、椎管狹窄、腰椎假性滑脫等臨床病理改變及頸肌型頸椎病、椎動脈型頸椎病、交感神經型頸椎病、慢性腰肌勞損、缺血性無菌性炎癥等疾病[2]。MPS終生患病率高達85%，逐漸成為全球人口致殘的主要原因[3]。MPS可在全身任何部位出現，其中腰背、肩頸是臨床最常見、疼痛程度最顯著的部位[4]。

如今市場上已推出頸椎按摩儀、腰背按摩儀、足部按摩儀、按摩眼罩等按摩儀器，但缺乏一種可以針對穴位定位從而根據不同的保健需求和病證、穴位的特性，通過辨體、辨病和辨證，合理選取相關的穴位進行按摩，達到按摩效果多樣化的目的。

文章提出一種水壓調節(jié)式模擬穴位按摩儀器的系統設計方案，結合中醫(yī)經絡腧穴理論與現代計算機、電子技術等有關理論，可對不同體型用戶進行穴位的精準定位，并能通過調節(jié)按摩頭的大小、高度以及出水噴頭的角度來貼合人體體型結構，對人體穴位與肌肉進行水壓沖擊、震動以及遠紅外線刺激，從而對MPS有緩解與治療的作用，同時也具備放松肌肉組織、改善血液循環(huán)的保健作用[5]。

1 穴位定位系統設計

穴位的精準定位是本系統的重要環(huán)節(jié)。通過基于PCL點云庫自主尋找穴位的方法，用戶在使用前利用激光手指測距模塊測量食指和中指兩指的共同寬度后即可自動定位與適配，通過遙控器即可調整不同按摩效果。

假設測得食指和中指的共同寬度為d。系統工作時，需要用戶將背靠在按摩儀上，通過遙控器調整按摩儀為適宜的高度之后，將五個體表標志定位的卡槽貼合于自身相應位置，同時將第七頸椎棘突貼合于傳感器。按摩儀控制步進電機使脊柱槽中的傳感器工作，滑塊位移傳感器會帶動著薄膜壓力傳感器從上至下開始移動。

薄膜壓力傳感器在測量過程中，壓力直接作用在傳感器的膜片上，使膜片產生與介質壓力成正比的微位移，使傳感器的電阻發(fā)生變化，同時通過檢測電路檢測這一變化，并轉換輸出一個對應于該壓力的標準信號[6]。脊柱中的每個凸起和凹陷處經過薄膜壓力傳感器時反饋的壓力不同，凸起處較大而凹陷處會較小。

按摩儀控制步進電機，通過掃描頭掃描用戶的脊柱位置，以用戶的脊柱為Y軸，以垂直于脊柱方向為X軸，建立坐標系。根據壓力大小不同確定脊柱凸起與其下方凹陷的位置，而滑塊位移傳感器的功能在于把直線機械位移量轉換成電信號，通過滑片在滑軌上的位移來測量不同的阻值，便能夠返回當前的位置信息[7]。以該點為基準，以距離左右兩側用戶食指和中指的共同寬度d處位置，確立按摩的穴位點。

每經一次凸起，重復上述操作，重新確定穴位點。將每次確定的穴位點，從左至右、從上至下設定名稱為：C1(大杼）、C2（風門）、C3（肺俞）、C4（厥陰俞）、C5（心俞）、C6（督俞）、C7（膈俞）、C8、C9（肝俞）、C10（膽俞）、C11（脾俞）、C12（胃俞）、L1（三焦俞）、L2（腎俞）、L3、L4（大腸俞）、L5（關元俞）。

表1 控制屏上穴位的相關注解

圖1 系統外部結構模型圖

該系統外部結構由掃描頭、五個體表標志定位的卡槽、多個花灑噴頭、多個多孔噴頭、脊柱槽、水槽以及進水口等部分構成。系統設置五個體表標志定位的卡槽，以確定使用者的第七頸椎棘突、兩個肩峰以及兩個髂嵴的位置。使用掃描頭進行掃描，以確定使用者的脊柱位置，將其脊柱位置固定在脊柱槽中。為了適應不同人群的體型差異，系統設置了可升降的按摩儀底座，用戶可使用遙控器來調整按摩儀的高度，從而使其更貼合自身的穴位位置。

穴位的定位流程如圖2所示。

圖2 穴位定位流程圖

2 控制系統設計

主控系統作為按摩儀的總控制臺，控制步進電機、紅外光閥、控制屏、激光手指測距模塊、按摩儀底座升降控制器、水閥、微型氣泵、溫度感應器等。

主控系統以微控制器STM32F103R作為核心。STM32系列單片機具有為要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式應用專門設計的ARM Cortex-M內核，并且具有完備的外設，同時在功耗和集成度方面亦有不俗的表現。因此，選擇STM32系列單片機作為主控核心器件，是實現水壓按摩儀的一種靈活性高且價格適宜的技術方案[8]。

激光測距傳感器、薄膜壓力傳感器和滑塊位移傳感器分別檢測有關測量數據，并將測量所得的模擬數據送入A/D轉換器AD574完成模數轉換。AD574是 12位逐次比較型 A/D轉換器，內部包含有與微型計算機接口的邏輯電路，可以很方便地與多種微型計算機系統相連。傳入的數據通過穴位定位系統實現每個穴位的定位，并與相對應的噴頭綁定[9]。STM32F103R根據控制邏輯要求發(fā)出PWM脈寬調制信號控制步進電機，利用傳感器進行穴位定位以及水壓按摩、按摩儀高度升降等操作；控制屏則與LCD顯示器相連，用戶可以在控制屏上進行一系列功能的操控。按摩儀的種類有低頻脈沖型與物理震動型。低頻脈沖型的按摩儀以低頻脈沖微電流技術為主，模仿醫(yī)學上的電磁波療法，模擬針刺效果并配以熱敷，起保健作用，但刺激范圍小而局限，多用于頸部按摩；物理震動型的按摩儀以馬達驅動按摩頭震動為主，可調整按摩方向并模擬揉壓按捏的不同按摩手法進行按摩，按揉面積廣、力度大，有效舒緩肌肉酸痛[10]?？紤]到本設備主要針對肩頸背部進行按摩，按摩面積較廣、力度較大，綜合考慮下選擇物理震動型較為合適。

圖3 主控系統模塊圖

圖4 按摩儀控制屏示意圖

按摩儀內部由水泵、冷水箱、熱水箱、溫度傳感器、微型氣泵、多個閥門、花灑噴頭、多孔噴頭等組成。主要工作原理：利用水泵將水槽中的水抽出并輸送至進水口或接通外界水管直接接入進水口，由進水口的水管將水輸送至雙層結構水箱中，利用半導體制冷片或半導體制熱片對水進行冷卻或加熱[11]，達到一定溫度后，通過微型氣泵以及多個閥門將水通入各個閥門連接的花灑噴頭和多孔噴頭中進行噴射，而一部分水將通過水管暫時儲存在肩部隔層中，開啟馬達使馬達周圍的水產生振動，從而對肩部肌肉起到輕度按摩的作用。

圖5 內部結構模型圖

使用者靜坐在水壓按摩儀前方50~80cm的距離，令掃描頭正對用戶的脊柱位置，通過Kinect傳感器掃描獲取背部的3D 圖像。

用戶的脊柱肌肉信息將會傳入微控制器的存儲器當中，存儲器中同時還存有收集了正常人體脊柱信息的數據庫，檢測系統會將掃描信息和數據庫中的圖像利用圖像識別的方法進行比較，判斷用戶脊柱是否正常，返回用戶脊柱的側彎程度，椎體突出情況等。

圖6 微信小程序界面示例圖

在配套的小程序之中存有用戶本次的檢測情況信息，小程序還將基于每次的檢測結果，給予一定的康復治療方法，有助于使用者掌握自身情況，做到未病先治、已病早治。

3 討論

文章對一種水壓調節(jié)式模擬穴位按摩儀器的系統設計進行了闡述，介紹了穴位定位系統和控制系統的各模塊構成。目前市面上現有的肩背部等按摩儀大多以按壓揉捏的方式來按摩放松肌肉[12]，而氣水混合按摩儀僅使用水壓刺激，作用效果僅在皮膚表淺位置，按壓往往達不到理想的效果[13]；另一方面，由于缺乏穴位定位系統導致不能自動定位按摩位置，使得按摩效果尚不能達到穴位精準定位的要求，也無法適應不同體型人群的需求，無法體現中醫(yī)診療疾病時辨證論治的原則。

中醫(yī)思維中對經絡的辯證取穴，整體觀念與多樣化的治療體系，對疾病的標本能夠同時治療，達到標本兼治；對于反復發(fā)作的疾病，效果尤佳[14]。本設計能夠精確定位人體背部穴位，可以根據不同體型人群調節(jié)按摩儀大小進而更加貼合人體肌肉穴位，通過多孔噴頭和馬達實現針刺按摩和震動按摩的作用，利用水壓和紅外線同時刺激肌肉和穴位進而達到加強水壓刺激和放松人體的效果，并加上普通的花灑噴頭，來實現按摩肌肉和穴位，作用于整個肩部和背部，增加按摩面積和按摩力度。

本系統具有智能化定位、多部位及多按摩效果的特點。為了增強穴位的刺激效果，本系統利用水壓和紅外線同時進行刺激，水壓刺激的作用效果僅作用在皮膚表淺的位置，而紅外線則能使刺激效果深入皮膚，從而改善患者有關肌肉勞損的癥狀，并輔助治療一些與某些穴位有關的疾病[15]，具備優(yōu)異的性能和良好的應用前景。