基于Arduino的傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)智能刮痧儀設(shè)計(jì)

趙一錕 姜 山 王思銳 聶松林 馬仲海

（北京工業(yè)大學(xué)，北京 100124）

0 引言

本項(xiàng)目旨在將智能傳感及測(cè)控技術(shù)與刮痧療法相結(jié)合，利用先進(jìn)的智能傳感技術(shù)，設(shè)計(jì)一種集成過程監(jiān)測(cè)的便攜式智能刮痧儀；通過構(gòu)建基于多個(gè)傳感器的刮痧儀及監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，采集理療過程中的各類信息，并對(duì)理療專家的經(jīng)驗(yàn)知識(shí)進(jìn)行學(xué)習(xí)記錄，以構(gòu)建理療過程的專家知識(shí)庫，指導(dǎo)家庭化理療。本項(xiàng)目設(shè)計(jì)的便攜式智能刮痧儀可以為傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)（刮痧理療）的輔助治療提供一種新技術(shù)，在傳承并推廣傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)、提高中醫(yī)治療效率、促進(jìn)智慧醫(yī)療和提高病人生活質(zhì)量等方面都具有重要意義。

1 項(xiàng)目設(shè)計(jì)背景

1.1 研究背景

刮痧療法是用特制的刮痧器具，依據(jù)中醫(yī)經(jīng)絡(luò)腧穴理論，在體表進(jìn)行相應(yīng)的手法刮拭以防治疾病的中醫(yī)外治法，對(duì)于疼痛性疾病、骨關(guān)節(jié)退行性疾病和神經(jīng)、肌肉、血管性疾病等均有較好的防治效果。刮痧療法具有嚴(yán)格的刮拭方向、時(shí)間、手法、強(qiáng)度和適應(yīng)證要求，如操作不規(guī)范，就容易出現(xiàn)不適反應(yīng)，甚至使病情加重，因此，刮痧療法的規(guī)范研究具有重要意義[1]。然而，刮痧療法極其依賴專家經(jīng)驗(yàn)及患者反饋，一個(gè)經(jīng)驗(yàn)豐富的專家往往需要長(zhǎng)年累月的經(jīng)驗(yàn)積累，不同專家的療效也不盡相同。而市場(chǎng)上現(xiàn)有的刮痧設(shè)備無專業(yè)指導(dǎo)，缺乏專業(yè)知識(shí)，刮痧治療效果不明顯。因此，為更好地了解和傳播專業(yè)刮痧治療手法，本文設(shè)計(jì)了一款便攜式刮痧儀，為傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)的輔助治療提供了一種新技術(shù)。

1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展動(dòng)態(tài)

包括刮痧在內(nèi)的智能醫(yī)療在國(guó)內(nèi)的研究還處于萌芽階段，開發(fā)前景廣闊[2]。顏鈺銘等人[3]制作出了讓使用者可獨(dú)立進(jìn)行完整刮痧治療的手臂自動(dòng)刮痧器。邱靈慧等人[4]用自制的特殊刮痧板，使刮痧頻次等參數(shù)保持一致，以不同大小的力進(jìn)行刮痧，探究了不同力度刮痧對(duì)機(jī)體的影響。國(guó)外對(duì)于刮痧的研究深度較淺，不具備參考價(jià)值。市場(chǎng)上現(xiàn)有的刮痧治療儀器無法對(duì)刮痧診療過程的信息進(jìn)行有效記錄，難以使傳統(tǒng)的刮痧療法普及到普通用戶，因此，有必要設(shè)計(jì)一款可以實(shí)現(xiàn)診療數(shù)據(jù)記錄與復(fù)現(xiàn)的智能刮痧儀。

1.3 創(chuàng)新點(diǎn)與項(xiàng)目特色

本文設(shè)計(jì)的智能刮痧儀是在傳統(tǒng)中醫(yī)學(xué)的理論及臨床經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)之上提出，利用先進(jìn)的機(jī)電控制與傳感技術(shù)實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)中醫(yī)手法的實(shí)時(shí)記錄，為專家刮痧診療手法的研究和學(xué)習(xí)提供了有效的新途徑。在此基礎(chǔ)上可以實(shí)現(xiàn)理療過程的專家知識(shí)庫構(gòu)建，提高個(gè)人健康醫(yī)療服務(wù)水平，為健康生活、家庭化醫(yī)療等領(lǐng)域的智能理療方式提供了新的發(fā)展方向。

2 設(shè)計(jì)原理

2.1 系統(tǒng)組成

本文設(shè)計(jì)的智能刮痧儀采用一體化集成設(shè)計(jì)，由Arduino板、壓力傳感器、姿態(tài)傳感器、Zig Bee無線傳輸模塊、系統(tǒng)電源等組成，能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、記錄并上傳刮痧儀在使用者刮痧過程中的速度、壓力及傾斜角，以實(shí)現(xiàn)對(duì)刮痧操作的量化和數(shù)據(jù)化。信息傳輸流程如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)信息傳輸流程

2.2 運(yùn)行原理

本文提出的設(shè)計(jì)方案中，由壓力傳感器、姿態(tài)傳感器等收集到的數(shù)據(jù)經(jīng)過Arduino處理后通過Zig Bee上傳至上位機(jī)，在上位機(jī)軟件中進(jìn)行可視化展示，并記錄保存，用以指導(dǎo)后續(xù)刮痧過程。

3 硬件部分設(shè)計(jì)

3.1 Arduino控制板

本設(shè)計(jì)中采用Arduino UNOR3控制板，核心是一個(gè)ATMega328單片機(jī)?？刂瓢暹€包括14通道數(shù)字I/O接口（其中6通道可作為PWM輸出）和6通道模擬量輸入。工作電壓為5V，建議輸入電壓為7～12V。存儲(chǔ)空間方面，板載32kB的內(nèi)存，2kBSRAM，1kBEEPROM。時(shí)鐘頻率為16MHz。控制板通過USB2.0接口與電腦連接，便于在線進(jìn)行程序調(diào)試[5]。

3.2 壓力傳感器

本設(shè)計(jì)采用中諾ZNHM-12T壓力測(cè)力稱重傳感器，供電電壓為8V，量程為0～20kg，如圖2所示。

圖2 壓力傳感器

3.3 姿態(tài)傳感器

本設(shè)計(jì)采用維特JY901B十軸陀螺儀傳感器模塊，如圖3所示。供電電壓為3.3～5V。量程方面，加速度：±16g；陀螺儀：±2000（°）/s；角度：X±180°，Z±180°，Y±90°；磁場(chǎng)：±2G；氣壓：300～100hPa。通過TTL串口與Arduino控制板相連。

圖3 姿態(tài)傳感器

3.4 無線傳輸模塊

本設(shè)計(jì)采用Zig Bee無線傳輸模塊，也稱紫蜂，作為低速短距離傳輸?shù)幕ヂ?lián)網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議，它的最末端是通過IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的媒體訪問層與物理層。它突出的特征有低速、用電量小、價(jià)格低廉、匹配大量網(wǎng)上節(jié)點(diǎn)、可靠、安全、復(fù)雜度低、高效等[6-7]。同時(shí)，它的使用成本比無線網(wǎng)絡(luò)要低，傳輸距離比藍(lán)牙遠(yuǎn)，智能家居多用Zig Bee。為了實(shí)現(xiàn)刮痧儀和上位機(jī)數(shù)據(jù)的無線傳輸，最終本文選取了Zig Bee模塊。

3.5 總體布局

經(jīng)過對(duì)刮痧儀內(nèi)部空間的分析和實(shí)驗(yàn)，最終布局如圖4所示。

圖4 刮痧儀剖面圖

4 軟件部分設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)中，刮痧儀將采集到的數(shù)據(jù)通過無線傳輸設(shè)備上傳至信息庫，由上位機(jī)記錄并定向保存。通過采集并分析大量診療數(shù)據(jù)中的共同點(diǎn)，并結(jié)合專家知識(shí)，構(gòu)建多源信息下的專家知識(shí)庫，然后將采集到的數(shù)據(jù)與知識(shí)庫進(jìn)行比較，計(jì)算出優(yōu)化方法并通過軟件反饋給使用者。刮痧儀上位機(jī)軟件功能在于顯示診療過程中的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，軟件界面如圖5所示。傳給上位機(jī)，并通過上位機(jī)程序?qū)?shù)據(jù)可視化顯示出來，如圖8、圖9、圖10所示。

圖5 軟件界面示意圖

圖6 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

圖7 流程圖

圖8 三軸加速度數(shù)據(jù)

圖9 三軸角度數(shù)據(jù)

圖10 壓力數(shù)據(jù)

6 結(jié)語

目前，包括刮痧在內(nèi)的智能醫(yī)療在國(guó)內(nèi)的研究還處于萌芽階段，現(xiàn)有的刮痧治療儀器無法對(duì)刮痧診療

5 實(shí)驗(yàn)流程

當(dāng)電腦UI控制界面設(shè)計(jì)完畢且刮痧儀組裝完畢后，進(jìn)行軟硬件調(diào)試。本文設(shè)計(jì)的軟件部分指的是在Py Charm里打開運(yùn)行的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，硬件部分指的就是組裝后的刮痧儀，要想讓兩者順利匹配起來并實(shí)時(shí)更新刮痧儀的信息，需要對(duì)軟硬件進(jìn)行匹配，再通過更改參數(shù)，來解決改變更新頻率、顯示等一系列問題。

圖6展示的是刮痧儀動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，分別由上位機(jī)（電腦）、傳輸設(shè)備Zig Bee、刮痧儀本體和可替換的刮板頭組成。具體操作流程如圖7所示。

啟動(dòng)電腦端程序和刮痧儀后，將Zig Bee模塊接入電腦并與刮痧儀的串口匹配。確認(rèn)刮痧儀已與電腦連接后，進(jìn)行正常的刮痧操作。其間壓力傳感器將持續(xù)采集信息，并將采集到的壓力信息經(jīng)過電壓放大電路進(jìn)行放大后傳輸給單片機(jī)，姿態(tài)傳感器將加速度及旋向等數(shù)據(jù)傳給單片機(jī)，單片機(jī)把這些數(shù)據(jù)處理后通過Zig Bee過程的信息進(jìn)行有效記錄。本設(shè)計(jì)作為一款可以實(shí)現(xiàn)診療數(shù)據(jù)記錄與復(fù)現(xiàn)的智能刮痧儀，能為智能傳感系統(tǒng)在中醫(yī)方向的應(yīng)用提供一定的參考。