手機平臺上的中醫四診系統

【作 者】楊駿，劉靜，劉冉

1 清華大學醫學院生物醫學工程系，北京市，100084

2 中國科學院理化技術研究所，北京市，100190

0 引言

中醫是中華文明數千年智慧的結晶。一直以來，中醫不僅幫助中華民族與疾病作斗爭，也不斷向世界各國傳播，為人類的健康事業作出了巨大的貢獻[1]。中醫診斷學是中醫理論的重要組成部分，主要包括診法學和辯證學兩部分。診法學著重于對征象的識別，在于獲取人體體征信息；而辯證學則強調對證候的辨別和綜合分析，以此作出診斷結論[2]。中醫常見的診法包括望診、聞診、問診、切診，簡稱“四診”。其具體內容為：① 望診，是醫生運用視覺觀察患者的全身和局部的神色形態、舌象及排出物等，以了解病情；② 聞診，是通過聽患者的語言、呼吸等聲音，嗅病體以及排泄分泌物的異常氣味，以獲得病情的資料；③ 問診，是詢問患者有關疾病的發生、發展情況，當前主要癥狀等，以進一步掌握病史；④ 切診，則是切按壓患者脈搏及病體的有關部位，以獲取具體體征信息。總體而言，中醫四診是中醫師用視覺、聽覺、嗅覺和觸覺等感官獲取人體體征信息的方法。

我們知道，人類的感官具有不確定性和不可定量性，這是中醫主觀性的表現所在，也是其不被現代科學充分認可的原因之一。然而四診的思想反映的是，人體的病變可以從多個角度加以探知，這一點恰恰值得現代醫學遵循。在這種前提下，中醫現代化得以被提出，并得到較快發展。其中，中醫“舌診儀”和“脈診儀”已得到一定研究，并有相關產品問世。然而這些系統需要計算機等硬件設備，存在不便攜帶、成本高等缺憾。智能手機的出現和廣泛使用，為現代醫療技術服務提供了新的解決思路。為此，本文提出利用Android智能手機和對應的輔助外設，實現望、聞、問、切四診功能，一方面用以獲取人體圖像、視頻、聲音、氣味、脈搏等信息，同時還能初步提供標準化的問診項目，并對所獲數據加以存儲，以便為后續辯證提供重要數據。Android是一種以Linux為基礎的開放源代碼的嵌入式操作系統。來自市場研究機構Canalys的數據顯示，在2011年智能手機整體出貨量中， Android系統的智能手機所占份額高達48.76%[3]，系當前使用最為廣泛的手機操作系統。這也是本文選擇Android平臺作為軟件開發平臺的原因之一。除此之外，Android系統相對其他主流手機操作的另一個優勢在于，它是完全開源的智能手機操作系統，有助于對應技術的擴展和普及。

1 手機望診功能的實現

望診是中醫師利用眼睛診察病癥的方法，也就是通過視覺感受人體神色形態，從中獲取病癥的方法。用現代的分析方法看，中醫師獲取的是人體顏色和形狀的視覺信息。很顯然，視覺信息就是圖像或者視頻（動態圖像）。對于傳統的望診，中醫師和患者必須同時同地點同在。若能實現中醫師和患者在時間及空間上的分離，則可以利用智能診斷技術輔助中醫師進行診斷，從而大大提高疾病診斷的效率，并節約醫療資源。本文編程實現了調用Android手機自帶的攝像頭傳感器拍攝照片和視頻，并將其保存到手機存儲卡中，實際效果如圖1所示。

圖1 人體面部照片拍攝和查看示意Fig.1 Demonstration of picture taking and viewing of human face

手機望診的質量很大程度上取決于手機所配置的攝像頭傳感器。這里使用的開發手機是HTC HD2（T-Mobile版），其最初的操作系統為微軟Windows Mobile 6.5，為了開發程序，我們將其系統更換為Android，系統版本號2.3.7。HD2配置了500萬像素的CMOS攝像頭傳感器，最大支持1290×2560分辨率24位真彩照片的拍攝，以及1280×720分辨率的視頻拍攝。如下對此照片拍攝功能進行測試。

圖2 手機拍攝的手臂照片Fig.2 Picture of forearm taken by mobile phone

圖2是一張近距離(約5 cm)拍攝到的人體手臂照片，從整體上看圖片顏色真實，視覺感清晰。可以看出，該不愿透露姓名的受試者手臂上有個類似痤瘡的小斑點。由于原始照片大小為1290×2560圖2(a)，因此還可將其放大進行詳細觀察。圖2(b)給出了放大一定倍數后的小紅斑及其附近區域，可以清晰的看出許多細節。這些情況表明，現代手機圖像獲取技術已足以不失真地獲取人體面色和形狀，可以承載中醫望診所需的各種信息。這也為后續發展類似的“舌診儀”奠定了圖像技術基礎。

2 手機聞診功能的實現

聞診是指中醫師借助聽覺或嗅覺診察疾病的方法，包含聽聲音和嗅氣味兩方面內容。如下對此分別予以實現。

2.1 聽聲音功能

中醫認為人體發出的聲音可以反映臟腑功能活動和氣血津液的盛衰變化等，如能識別正常和非正常的聲音，可為診斷提供可靠數據。聽聲音即將聲音記錄下來，通過編程調用手機內置的麥克風（MIC）傳感器，可以實現該目的。錄音界面（圖3）有一個“Record”按鈕，點擊之后即可開始錄音，并且能在其上方面板上顯示錄音的時長。再次點擊，能夠停止錄音，并將記錄的音頻保存在手機存儲卡特定的路徑下。同時，該路徑下的音頻文件能夠以列表方式展現在“Record”按鈕下方。

圖3 手機錄音界面Fig.3 Mobile phone software interface for auscultation

上述錄音的實現方法能夠將記錄到的聲音保存為音頻文件，方便將文件保留再次播放。通過手機編程還能讀取手機MIC傳感器記錄的具體數值大小，這些數據即為音頻的時域波形。為驗證該功能，我們采用16 bit和8000 Hz采樣率的錄音參數，記錄兩段短促的不同聲音的時域數據。將兩段原始數據分別用Matlab截取了時長0.25 s的數據，也就是2000個采樣點，并用Matlab繪制顯示如圖4。在時域上，可看到原始音頻數據的波動，可以簡單的理解為波動越大，記錄的聲音越高。不難看出，這兩段短促的聲響(圖4(a)和圖4(b))發生的時間點不同，其大小和持續時間也存在差別。為進一步展示出這兩段音頻在頻率上的區別，可對其功率譜作相應計算，結果如圖5(a)，圖5(b)所示，可清晰看出這兩段音頻頻率分布之間的顯著差別。

圖4 音頻數據段Fig.4 Audio data segmeit

圖5 音頻數據段功率譜Fig.5 Power spectrum of audio data segment

2.2 嗅氣味功能

所謂嗅氣味是指利用嗅覺獲取人體氣味的相關信息，如種類和濃度大小等。人類的嗅覺能夠廣泛地感受各種有味氣體，但并不能給出定量信息。因此有必要采用氣味傳感器對此予以量化。

圖6 嗅氣味方案硬件實物圖Fig.6 Picture of hardware system for olfaction

嗅氣味方案的實現借鑒了手機無線心電監測思路[4]。實現的基本流程為，將氣味信息通過氣味傳感器轉換為模擬電信號，再經過A/D模數轉換成為數字信號，此后信號通過藍牙以無線的方式發送給手機，并在其上實時顯示。本文所實現的系統實物如圖6所示。由此可見，該方案涉及到了除手機以外的硬件設備，如氣味傳感器、單片機和藍牙等。控制A/D采樣、藍牙發送和顯示等通過單片機端程序及手機接收端軟件實現。接下來從硬件和軟件對此進行介紹，并開展試驗測評。

氣味傳感器也稱為空氣質量傳感器。本文所采用的QS-01型號是一種二氧化錫半導體氣體傳感器，對各種空氣污染源，如揮發性有機化合物（Volatile Organic Compounds）有很高的靈敏度，且響應時間較快。傳感器采用塑料外殼，有3個引腳，可在較低功耗下表現出較好的感應特性。

關于單片機（MCU）開發板，本文采用由ATMEL公司研發的ATmega16L系列，其為8位AVR單片機，內置16K可編程ROM。

藍牙無線收發模塊使用的是市售的HX-07串口藍牙模塊。該模塊之所以稱之為串口藍牙，是因其能以串口協議接收和發送數據。該模塊基于藍牙2.0協議，具有自適應跳頻、高性能無線收發、體積小、功耗低和成本低等優點。

本文研制的軟件系統包括單片機端程序和手機端程序。對于單片機端程序，使用開源工具WinAVR開發。WinAVR包含的編譯器avr-gcc，是著名的開源編譯器GNU Compiler Collection（GCC）的AVR平臺移植版。單片機所完成的基本功能是A/D采樣和數據發送。手機端程序基于Android操作系統，實現的功能主要有：查找外設藍牙(圖7(a))；連接藍牙以及讀取外設藍牙發送數據；將數據實時顯示在手機上，并將數據保存于手機的存儲卡中（圖7(b)）。

圖7 嗅氣味功能軟件的實現Fig.7 Realization of software program for olfaction function

3 手機問診功能的實現

問診是指中醫師對患者或其陪診者進行有目的的詢問，聽取病情，以獲得疾病的發生、發展信息。問診在中醫四診中占有重要地位，可以彌補其他三診無法提供的疾病信息，有助于更完整全面的了解病況。這是因為疾病的發生、發展、變化經過以及診療的過程，患者的自覺癥狀、個人生活史以及既往病史等只能通過患者自述來獲得。問診還是中醫師與患者深入交流的機會，良好的詢問方式能使患者與中醫師建立信任，還能降低患者的顧慮，有利于疾病的診療。當然，本文關注的并非問診的技巧，而是具體技術，即在手機上展示問診的內容，以此獲取疾病的病癥信息。中醫理論中有關于問診內容的詳細描述和說明，本文要實現的是將這些內容合理的展示于手機，供用戶方便地使用。為此，我們設計了調查問卷式的問診方案。在進入問診之前需要建立個人健康檔案的基本信息（圖8）。這些信息保存在數據庫中，以確保其安全，并保護個人隱私。相應數據能通過點擊，顯示隱藏的編輯框，加以更改。

圖8 手機上的個人信息界面Fig.8 Personal information screen on mobile phone

中醫中有若干種常見的問診項目，包括問寒熱、問汗、問疼痛、問頭身胸腹不適、問飲食口味、問二便、問情緒、問睡眠、問男子、問女子以及問小孩兒等項目。問診最簡單的實現方式是提供輸入框，讓用戶自行輸入病癥。考慮到手機輸入速度的限制，以及輸入的病癥若無規范性不利于做自動診斷，因此本文使用了調查問卷的形式來實現問診。以分類和細分的方式展現問診項目及其子項目，用戶只需要通過簡單的點擊就能完成問診。通過點擊“進入問診”按鈕(圖8)就能到達問診項目的分類界面，見圖9(a)。該用戶界面展現了常見的九種問診項目，其中最后一項“問男子”是根據用戶的性別自動選擇的。也就是說，如果用戶是女性的話，則會顯示“問女子”的項目。

圖9 問診界面Fig.9 Inquiry interface of mobile phone software

在上述分類的基礎上，繼續細分每一條問診項目，以期給出最詳細的問診結果。例如，點擊按鈕“問寒熱”則會展示其所包含的子項目，見圖9(b)。這個界面同時會給出“問寒熱”的基本含義。用戶選擇適合自己病癥的項目，只需點擊一下即可。如果該項目還能繼續細分，即還有子項目，程序能自動跳轉到顯示其子項目的界面，見圖9(c)。程序能自動判斷是否仍可繼續細分，如果可以則繼續展示其子項目，否則圖9(c)會顯示“確定”按鈕，點擊確定，則能將上述問寒熱的結果保存在數據庫中。

4 手機切診功能的實現

所謂“切”，是指用手指觸摸按壓患者身體某些部位，以此獲取疾病信息的診斷方法。通常情況下，切診可以分為脈診和按診，最常見的是脈診，指的是用手指按壓患者腕后撓動脈搏動處，借以體察脈象變化。因此，切診獲取的是血流在血管中流動引起的波動信息。中醫認為，脈象的形成與心臟的跳動、脈道的通順和血氣的盈虧直接相關。因此，當脈象出現異常時，則是某些疾病病癥的具體體現，這是中醫脈診的理論基礎。中醫脈象歸納有八個脈象特征，如脈位、脈長等；有數十種脈象的分類，如平脈、數脈等。

被廣泛研究的切診是脈診，因此本文也主要考慮脈診的實現，下文中的切診也僅指脈診。切診實際上獲取的是脈搏波動的信息，例如常見的“脈診儀”使用的“觸覺感受器”，事實上也就是壓力傳感器。實際上，目前使用最多的脈搏波描記法，是所謂的光電容積脈搏波描記法，也就是光電脈搏波。光電脈搏波的原理在于，利用血液在組織中（如手指）的變化，來反映脈搏的信息。傳統的光電容積脈搏波描記法需要一個由光源和光電傳感器組成的傳感器。光源發射一定頻率的光，光電傳感器接收出射光或反射光。由于血液對光的吸收等作用，當手指中血流量變化時，光電傳感器接收到的光強發生變化，通過后續的處理電路，以此來描計脈搏波。傳統的光電脈搏波描記法需要光源、光強感受器、單片機等硬件外設的輔助，才能實現脈搏波的描記。本文的出發點是使用手機自帶的閃光燈作為補光的光源，利用手機的攝像頭作為獲取光強變化的傳感器。可以想象，當把手指接觸式地放在手機的攝像頭前，同時打開閃光燈以增加光強。光透過手指進入手機攝像頭傳感器，當手指中血流變化時，攝像頭傳感器感受到的光強必定會產生變化。

通過編程，利用手機攝像頭不斷獲取圖像，由此計算圖像強度的信息，可進一步描計脈搏波并以此來計算心率。以上三個步驟在手機程序上需要三個線程來實現（圖10）。

主線程的操作包括攝像頭傳感器Camera初始化，開啟Camera預覽功能，并獲取每一張預覽的圖像。Camera初始化主要包括設置預覽圖像的大小，預覽的幀率即每秒多少幀，以及打開閃光燈增加光強。經過這些操作之后主線程處于等待狀態，每獲取一張預覽圖像就將其顯示在手機界面上。當該線程接收到脈搏數據時將其以波形方式顯示在坐標紙上，接收到心率數據時將其顯示在手機界面上。

主線程每獲取到一張圖像，實際上是一個經過編碼之后的圖像數據數組，則將其加入到圖像解析線程中。圖像解析線程獲取到數組后，計算圖像灰度值的總和，并將其加入到心率計算線程。因為攝像頭獲取預覽圖像的速率并不是固定的，可能有微小的差異，因此圖像解析線程還會將獲取到數據的時間點加入到心率計算線程。

心率計算線程，首先會拋棄前約4 s的數據，然后將數據和時間點保存在兩個數組中。對數據數組進行平移和壓縮，平移操作是將數組中的數據減去當前的最小值，壓縮是將平移后的數據壓縮到0到255，這一點主要考慮到手機屏幕大小的限制。平移和壓縮之后的數據就能返回到主線程，用以繪制圖線。由于每兩次獲取圖像的時間間隔并不完全一樣，因此為了更準確的描述脈搏波，畫圖時需要考慮時間間隔的影響，而不是簡單的等間隔畫圖。一般情況下，獲取圖像的時間間隔為數10 ms，因此使用每一個像素點對應10 ms來畫圖。例如，第一個點和第二個點時間間隔為50 ms，繪圖時這兩個在屏幕上間隔5個像素點。每更新若干個數據之后計算一次心率，返回到主線程，用以更新心率。

圖10 切診手機端程序線程結構Fig.10 Structure of the threads of mobile software for pulse-taking

圖11 切診使用方法和運行界面Fig.11 Mobile phone usage and software interface for pulse-taking

本文實現的手機切診即手機描繪脈搏波的方案不需要輔助的硬件外設，直接使用手機自帶的攝像頭和閃光燈實現。用戶使用時，只需要將手指貼放在手機的攝像頭上，見圖11(a)，就能實現脈搏波描記，并給出可供參考的心率。

切診界面，見圖11(b)，左上角框實際上是攝像頭所獲取的預覽圖像的顯示，其右邊的數字“68”表示計算出來的心率是68次，下方的圖線為脈搏波的實時波形。從切診界面，可見，該波形基本上反映了光電容積脈搏波所能測量的波形，因此具有一定的可靠性。

5 小結

望、聞、問、切四診是中醫師在缺乏現代醫學儀器的情況下診斷病癥的基本手段，體現了將人體作為一個整體來看待的思想。當人體處于疾病狀態時，病癥會以多種形式表現出來，因而完整的診斷應從多個角度加以感知。

本文從中醫四診的基本思想出發，對應實現了基于Android智能手機的望、聞、問、切數據采集和初步分析功能，展示了相應技術的應用價值。但仍有諸多問題有待展開，比如數據的規范性和有效性，以及數據挖掘和智能診斷等。中醫博大精深，同時也具有一定主觀性和不確定性。作為一項初步嘗試，本文不期望能對此作全面系統的研究，因此在相應診斷事項上均做了一定簡化，進一步的完善還有待于更多努力。

作者相信，隨著時代的發展，個體化的健康管理將成為醫療衛生事業發展的必然[5]。隨著手機軟硬件技術的進步，以手機為平臺的現代中醫診斷與健康管理系統正在成為可能。

[1]周欣.中醫藥國際化的發展及趨勢研究[D].廣州: 廣州中醫藥大學,2011

[2]王憶勤.中醫診斷學[M].北京: 高等教育出版社,2006

[3]楊占海.2012年智能手機市場更趨成熟與普及[DB/OL]. http://article.pchome.net/content-1468961.html,2012-02-23.

[4]于洋,劉靜.手機無線心電監測技術系統的實現及性能測評[J].中國醫療器械雜志,2010,34(6): 391-395.

[5]劉靜,于洋,劉琳.手機平臺上的生物醫學工程學: 原理及應用[M].北京: 科學出版社,2011