引言

本項目旨在將智能傳感及測控技術(shù)與刮痧療法相結(jié)合,利用先進的智能傳感技術(shù),設(shè)計一種集成過程監(jiān)測的便攜式智能刮痧儀:通過構(gòu)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(gòu)建理療過程的專家知識庫,指導家庭化理療。本項目設(shè)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(shù),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(shè)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(luò)揄穴理論,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(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。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(shè)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(shè)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(shù)。

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。顏鈺銘等人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(shè)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(shè)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(chǔ)之上提出,利用先進的機電控制與傳感技術(shù)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(chǔ)上可以實現(xiàn)理療過程的專家知識庫構(gòu)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(lǐng)域的智能理療方式提供了新的發(fā)展方向。

2設(shè)計原理

2.1系統(tǒng)組成

本文設(shè)計的智能刮痧儀采用一體化集成設(shè)計,由Arduino板、壓力傳感器、姿態(tài)傳感器、ZigBee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。

2.2運行原理

本文提出的設(shè)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ZigBee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(shè)計

3.1Arduino控制板

本設(shè)計中采用ArduinoUN0R3控制板,核心是一個ATMega328單片機。控制板還包括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,lkBEEPR0M。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。

3.2壓力傳感器

本設(shè)計采用中諾ZNHM-l2T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。

3.3姿態(tài)傳感器

本設(shè)計采用維特Jy90lB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:士l6g:陀螺儀:士2000(y)/s:角度:X士l80y,Z士l80y,Y士90y:磁場:士2G:氣壓:300~l00hPa。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)計采用ZigBee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1EEE802.l5.4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(luò)要低,傳輸距離比藍牙遠,智能家居多用ZigBee。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ZigBee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(shè)計

本設(shè)計中,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(jié)合專家知識,構(gòu)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。

5實驗流程

當電腦UI控制界面設(shè)計完畢且刮痧儀組裝完畢后,進行軟硬件調(diào)試。本文設(shè)計的軟件部分指的是在PyCharm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(shè)備ZigBee、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ZigBee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ZigBee傳給上位機,并通過上位機程序?qū)?shù)據(jù)可視化顯示出來,如圖8、圖9、圖10所示。

6結(jié)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過程的信息進行有效記錄。本設(shè)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。