趙一錕 姜 山 王思銳 聶松林 馬仲海

（北京工業(yè)大學，北京 100124）

0 引言

本項目旨在將智能傳感及測控技術與刮痧療法相結合，利用先進的智能傳感技術，設計一種集成過程監(jiān)測的便攜式智能刮痧儀；通過構建基于多個傳感器的刮痧儀及監(jiān)測系統(tǒng)，采集理療過程中的各類信息，并對理療專家的經(jīng)驗知識進行學習記錄，以構建理療過程的專家知識庫，指導家庭化理療。本項目設計的便攜式智能刮痧儀可以為傳統(tǒng)醫(yī)學（刮痧理療）的輔助治療提供一種新技術，在傳承并推廣傳統(tǒng)醫(yī)學、提高中醫(yī)治療效率、促進智慧醫(yī)療和提高病人生活質(zhì)量等方面都具有重要意義。

1 項目設計背景

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)絡腧穴理論，在體表進行相應的手法刮拭以防治疾病的中醫(yī)外治法，對于疼痛性疾病、骨關節(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。刮痧療法具有嚴格的刮拭方向、時間、手法、強度和適應證要求，如操作不規(guī)范，就容易出現(xiàn)不適反應，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)驗及患者反饋，一個經(jīng)驗豐富的專家往往需要長年累月的經(jīng)驗積累，不同專家的療效也不盡相同。而市場上現(xiàn)有的刮痧設備無專業(yè)指導，缺乏專業(yè)知識，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，本文設計了一款便攜式刮痧儀，為傳統(tǒng)醫(yī)學的輔助治療提供了一種新技術。

1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展動態(tài)

包括刮痧在內(nèi)的智能醫(yī)療在國內(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立進行完整刮痧治療的手臂自動刮痧器。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，以不同大小的力進行刮痧，探究了不同力度刮痧對機體的影響。國外對于刮痧的研究深度較淺，不具備參考價值。市場上現(xiàn)有的刮痧治療儀器無法對刮痧診療過程的信息進行有效記錄，難以使傳統(tǒng)的刮痧療法普及到普通用戶，因此，有必要設計一款可以實現(xiàn)診療數(shù)據(jù)記錄與復現(xiàn)的智能刮痧儀。

1.3 創(chuàng)新點與項目特色

本文設計的智能刮痧儀是在傳統(tǒng)中醫(yī)學的理論及臨床經(jīng)驗的基礎之上提出，利用先進的機電控制與傳感技術實現(xiàn)傳統(tǒng)中醫(yī)手法的實時記錄，為專家刮痧診療手法的研究和學習提供了有效的新途徑。在此基礎上可以實現(xiàn)理療過程的專家知識庫構建，提高個人健康醫(yī)療服務水平，為健康生活、家庭化醫(yī)療等領域的智能理療方式提供了新的發(fā)展方向。

2 設計原理

2.1 系統(tǒng)組成

本文設計的智能刮痧儀采用一體化集成設計，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，能實時監(jiān)測、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，以實現(xiàn)對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 運行原理

本文提出的設計方案中，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，在上位機軟件中進行可視化展示，并記錄保存，用以指導后續(xù)刮痧過程。

3 硬件部分設計

3.1 Arduino控制板

本設計中采用Arduino UNOR3控制板，核心是一個ATMega328單片機?？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。存儲空間方面，板載32kB的內(nèi)存，2kBSRAM，1kBEEPROM。時鐘頻率為16MHz?？刂瓢逋ㄟ^USB2.0接口與電腦連接，便于在線進行程序調(diào)試[5]。

3.2 壓力傳感器

本設計采用中諾ZNHM-12T壓力測力稱重傳感器，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

本設計采用維特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：±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

本設計采用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)絡的協(xié)議，它的最末端是通過IEEE802.15.4標準規(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、價格低廉、匹配大量網(wǎng)上節(jié)點、可靠、安全、復雜度低、高效等[6-7]。同時，它的使用成本比無線網(wǎng)絡要低，傳輸距離比藍牙遠，智能家居多用Zig Bee。為了實現(xiàn)刮痧儀和上位機數(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)過對刮痧儀內(nèi)部空間的分析和實驗，最終布局如圖4所示。

圖4 刮痧儀剖面圖

4 軟件部分設計

本設計中，刮痧儀將采集到的數(shù)據(jù)通過無線傳輸設備上傳至信息庫，由上位機記錄并定向保存。通過采集并分析大量診療數(shù)據(jù)中的共同點，并結合專家知識，構建多源信息下的專家知識庫，然后將采集到的數(shù)據(jù)與知識庫進行比較，計算出優(yōu)化方法并通過軟件反饋給使用者。刮痧儀上位機軟件功能在于顯示診療過程中的動態(tài)數(shù)據(jù)，軟件界面如圖5所示。傳給上位機，并通過上位機程序將數(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 實驗平臺

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 結語

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

5 實驗流程

當電腦UI控制界面設計完畢且刮痧儀組裝完畢后，進行軟硬件調(diào)試。本文設計的軟件部分指的是在Py Charm里打開運行的監(jiān)測系統(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時更新刮痧儀的信息，需要對軟硬件進行匹配，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展示的是刮痧儀動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的實驗平臺，分別由上位機（電腦）、傳輸設備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。確認刮痧儀已與電腦連接后，進行正常的刮痧操作。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)過電壓放大電路進行放大后傳輸給單片機，姿態(tài)傳感器將加速度及旋向等數(shù)據(jù)傳給單片機，單片機把這些數(shù)據(jù)處理后通過Zig Bee過程的信息進行有效記錄。本設計作為一款可以實現(xiàn)診療數(shù)據(jù)記錄與復現(xiàn)的智能刮痧儀，能為智能傳感系統(tǒng)在中醫(yī)方向的應用提供一定的參考。