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

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(jìn)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(jìn)行學(xué)習(xí)記錄,以構(gòu)建理療過程的專家知識庫,指導(dǎo)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(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(jìn)行相應(yīng)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(yán)格的刮拭方向、時間、手法、強度和適應(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。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(dǎo),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(xué)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(jìn)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(jìn)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(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)計一款可以實現(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(xué)的理論及臨床經(jīng)驗的基礎(chǔ)之上提出,利用先進(jìn)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(xué)習(xí)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(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(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

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?？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,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(jìn)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(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、價格低廉、匹配大量網(wǎng)上節(jié)點、可靠、安全、復(fù)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(lán)牙遠(yuǎn),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(jìn)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(dāng)電腦UI控制界面設(shè)計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(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(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,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(jìn)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(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。