基于ARM的嵌入式中醫(yī)經(jīng)絡(luò)檢測系統(tǒng)的設(shè)計

黃斌，董樹永,2，穆懷喜

1. 北京身心康科技有限公司，北京 100088；2. 北京身心康國際中醫(yī)研究院，北京 100088

引言

隨著生活方式和環(huán)境的不斷改變，人們越來越重視自身的健康狀況，健康類醫(yī)療儀器的需求日益增長。現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)和中醫(yī)基礎(chǔ)理論研究的有效融合，使中醫(yī)器械中的電測量技術(shù)有了快速的發(fā)展與應(yīng)用。通過測量人體經(jīng)絡(luò)點(diǎn)的生物電阻抗信息，來檢測測試者的健康狀況，為中醫(yī)的“治未病”的實(shí)現(xiàn)提供了有效措施，從而幫助人們更好地管理健康[1]。

現(xiàn)有的中醫(yī)經(jīng)絡(luò)檢測采用的是穴位檢測的方式，通過在人體經(jīng)絡(luò)兩側(cè)端點(diǎn)的皮膚組織施加電壓，檢測經(jīng)絡(luò)回路的電流值，來完成人體經(jīng)絡(luò)信息的判讀，中醫(yī)經(jīng)絡(luò)檢測儀給出提示信息。在此基礎(chǔ)上，掌型經(jīng)絡(luò)檢測儀是根據(jù)手掌經(jīng)絡(luò)全息理論，利用手指末端皮膚生物電阻測量技術(shù)，獲得12條經(jīng)絡(luò)的生物電信號。軟件系統(tǒng)根據(jù)中醫(yī)經(jīng)絡(luò)診斷原理自動解讀各條經(jīng)絡(luò)數(shù)據(jù)，推斷出受檢人當(dāng)前的健康狀態(tài)并進(jìn)行大病預(yù)警，是全新的中醫(yī)檢測設(shè)備[2-4]。

1 檢測原理

人體12條經(jīng)絡(luò)在手指的反映區(qū)，見圖1。圖中12條經(jīng)絡(luò)的定位方法是取傳統(tǒng)中醫(yī)的（手足三陰三陽經(jīng)）定位方法，即：從拇指到小指指背和靠近橈骨側(cè)側(cè)面為陽，依次診察五腑胃、膽、大腸、小腸、膀胱的病氣、病變；從拇指到小指指腹和靠近尺骨側(cè)側(cè)面為陰，依次診察五臟脾、心、肺、肝、腎的病氣、病變（“心經(jīng)”，按中國傳統(tǒng)經(jīng)絡(luò)應(yīng)為心包經(jīng)）。通過手的六經(jīng)，使手和脈、心、大腸、心包絡(luò)、小腸、三焦等臟腑密切聯(lián)系起來。此外，由于經(jīng)絡(luò)手經(jīng)和足經(jīng)也密切相通，實(shí)質(zhì)上，手和人體的各個臟腑都有著一定的聯(lián)系。

圖1 手掌經(jīng)絡(luò)簡圖

測量的手掌檢測模型，見圖2。穴位電壓測量傳感器用于采集人體手部的穴位電壓值。所述穴位電壓測量傳感器安裝于一手掌模型中。手掌模型的上表面設(shè)有與人體手部形狀匹配的凹部，在凹部的不同位置，設(shè)置有測量電極片，各測量電極片的位置對應(yīng)人體手部不同穴位的位置。檢測過程中，人體手部相當(dāng)于電阻，測量電極片通過極化而采集到人體手部各穴位的等效電壓。中醫(yī)診斷的基礎(chǔ)之一是“知外揣內(nèi)”。體內(nèi)臟器和體表組織之間有著密切聯(lián)系，表象在一定范圍內(nèi)和一定程度上可反映出體內(nèi)本質(zhì)所在[5-7]。

圖2 手掌檢測模型

經(jīng)絡(luò)學(xué)說顯示人的手和體內(nèi)器官密切聯(lián)系。在雙手上，有12條正經(jīng)經(jīng)脈的86個經(jīng)穴和224個奇穴，說明全身的經(jīng)穴在手上同樣也有，手上集中了跟體內(nèi)所有器官都有關(guān)聯(lián)的經(jīng)穴。手掌連接人體前部各種器官，手背連接人體后部各種器官。也就是說，整個身體有無異常的情況，可由經(jīng)穴傳遞到手的各部位。手在大腦中樞的支配下，從事生產(chǎn)、生活和情志表達(dá)。當(dāng)人體內(nèi)外的環(huán)境平衡被破壞而出現(xiàn)病理狀態(tài)時，體內(nèi)的疾病信息會經(jīng)由自主神經(jīng)傳遞給大腦，之后通過脊髓神經(jīng)反映到手上。故在特定情況下，身體的異常變化就會在手掌上表現(xiàn)出來。大量實(shí)驗(yàn)證明，經(jīng)絡(luò)診斷的方法在臨床診斷上存在一定的意義[8]。

2 總體設(shè)計方案

掌型經(jīng)絡(luò)檢測儀的升級設(shè)計包括硬件和軟件部分。產(chǎn)品組成總體結(jié)構(gòu)圖，見圖3。在硬件的設(shè)計中，采用獨(dú)立的ARM9核心板運(yùn)行平臺獨(dú)立進(jìn)行采集測量的方案，以ARM處理器外接檢測電路測量人體經(jīng)絡(luò)電阻分得的電壓值。硬件組成主要包括測量傳感器模塊、信號調(diào)理電路、模擬多路轉(zhuǎn)換、A/D轉(zhuǎn)換器和監(jiān)測電路組成測量部分。

測量傳感器采集人體手指末端皮膚生物電阻的電壓值，在測量電路中，人體相當(dāng)于是電阻。由測量傳感器采集到的電壓值，經(jīng)過信號調(diào)整電路的調(diào)整到達(dá)模擬多路轉(zhuǎn)換開關(guān)。模擬多路轉(zhuǎn)換開關(guān)將選到的模擬信號經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換器，完成模擬數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換。

基于ARM處理系統(tǒng)控制電路完成采集，將接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行保存和顯示。數(shù)據(jù)顯示在LCD觸摸顯示單元和備用的多路音頻顯示單元，保存的空間有兩處：一是保存在本地的外置硬盤，二是經(jīng)過路由器/交換機(jī)上傳到服務(wù)器。其中在LCD觸摸顯示單元顯示需要配合加密才能顯示，打印機(jī)將檢測完顯示的報告進(jìn)行打印，鍵盤、鼠標(biāo)可以在LCD觸摸顯示單元基礎(chǔ)上提供備用的數(shù)據(jù)輸入。

另外，在此基礎(chǔ)上，硬件上增加了關(guān)鍵器件/模塊監(jiān)測電路，可以在監(jiān)測測量傳感器后的信號調(diào)整電路、模擬多路轉(zhuǎn)換開關(guān)、A/D轉(zhuǎn)換器器件的運(yùn)行狀態(tài)，并通過基于ARM的嵌入式處理系統(tǒng)將狀態(tài)發(fā)送到服務(wù)器。硬件運(yùn)行數(shù)據(jù)可以通過路由器/交換機(jī)連接到服務(wù)器的計算機(jī)處理系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測，并且通過顯示器、鍵盤、鼠標(biāo)對測量部分及基于ARM的嵌入式處理系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程的版本升級，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程的硬件監(jiān)測和軟件升級。該系統(tǒng)能夠自動、高效、精確地實(shí)時采集記錄人體經(jīng)絡(luò)電阻值，通過對經(jīng)絡(luò)參數(shù)進(jìn)行分析處理而獲知人體健康狀況[9-10]。

圖3 產(chǎn)品組成總體結(jié)構(gòu)圖

3 硬件設(shè)計

穴位電壓測量傳感器的電路原理示意圖，見圖4。該測量傳感器由阻值為51 K的精密電阻和測量電極片組成，采用以下公式得到人體手部的穴位電壓值U2。U1表示圖4中所示V1點(diǎn)的電壓，該電壓為一恒壓值，51 K表示圖4中所示電阻R4的阻值，Rx表示被測用戶手部的電阻值，根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，該電阻值的范圍為0.02～2.2 m?。

圖4 傳感器測量原理圖

圖4所示只是一個穴位采集點(diǎn)的穴位電壓測量電路，基于人體手部的穴位數(shù)量，本實(shí)施例中，共設(shè)置有左、右兩個手掌模型，各手掌模型與人體手部形狀匹配的凹部設(shè)置有至少12個測量電極片，共對人體手部的至少24個穴位的電壓值進(jìn)行采集，各電路通過一組多路開關(guān)實(shí)現(xiàn)開閉控制。在手掌模型內(nèi)部，安裝有加載各電路模塊的PCB板，采用恒壓測量，其具有采集精度高，受汗腺影響小等優(yōu)點(diǎn)[11-12]。

穴位電壓測量傳感器的測量電極片采用加熱電極片。在測量電極片與人體手部接觸的相反一端面表貼有加熱電阻片，從而實(shí)現(xiàn)測量電極片的加熱。加熱電極片一方面可提高被測用戶的使用感受，特別是在冬天的時候，使被測用戶感受不到冰冷；另一方面是現(xiàn)有的測量傳感器在被測用戶手部（或使用環(huán)境）溫度較低的情況下，出現(xiàn)采集無法進(jìn)行的情況，采用加熱電阻片對電極片加熱可避免上述情況的發(fā)生，從而提高采集的可靠性。

在與人體手部形狀匹配的凹部還設(shè)有溫度傳感器，該溫度傳感器用于檢測環(huán)境溫度及被測用戶的手部溫度。模型凹部還包括與溫度傳感器連接的加熱控制器，該加熱控制器依據(jù)溫度傳感器所檢測的溫度數(shù)據(jù)，輸出開/閉控制指令至加熱電極片的加熱電阻片以進(jìn)行開/關(guān)加熱動作。

另外，在穴位電壓測量傳感器的采集回路上還串聯(lián)有靜電阻抗器，由此可以有效地防止在檢測通道引入靜電高壓把器件損壞。信號調(diào)整模塊與穴位電壓測量傳感器連接，用于對穴位電壓測量傳感器所采集的穴位電壓值進(jìn)行放大、濾波處理。

模擬多路轉(zhuǎn)換模塊與信號調(diào)整模塊連接，包括多路輸入接口和一路輸出接口，用于將輸入接口所接收的至少24個穴位電壓值逐一切換至輸出接口，以進(jìn)行數(shù)據(jù)輸出。本實(shí)施例中，模擬多路轉(zhuǎn)換模塊采用型號為ADG731的芯片實(shí)現(xiàn)。型號為ADG731的芯片包括32路輸入接口，其中預(yù)留至少24路用于接收至少24個穴位電壓。

A/D轉(zhuǎn)換模塊與模擬多路轉(zhuǎn)換模塊連接，用于對模擬多路轉(zhuǎn)換模塊所輸出的經(jīng)過放大、濾波處理后的至少24個穴位電壓值進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換處理。本實(shí)施例中，A/D轉(zhuǎn)換模塊采用型號為ADC7091的片外芯片，從而可以提高數(shù)據(jù)處理效率及精度。

圖5 故障監(jiān)測模塊原理圖

故障監(jiān)測模塊包括兩阻值不同且阻值差異較大的定值電阻，見圖5。其一電阻一端串接于型號為ADG731芯片的S25接口，另一端接地。另一電阻一端串接于型號為ADG731芯片的S26接口，另一端接地。所述故障監(jiān)測模塊還包括一個比較器電路，該比較器電路用于實(shí)現(xiàn)故障檢測的功能。ADG731芯片的S25、S26接口將所接收的兩定值電阻阻值的電信號傳輸至A/D轉(zhuǎn)換模塊中的ADC7091芯片，再由ADC7091芯片將電信號進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換處理后，輸出至比較器電路。

所述比較器電路的接收接口連接于A/D轉(zhuǎn)換模塊中型號為ADC7091芯片的輸出接口。該比較器電路可實(shí)現(xiàn)計時功能，若在規(guī)定時間內(nèi)未接收到ADC7091芯片發(fā)來的數(shù)據(jù)，則表示型號為ADC7091芯片出現(xiàn)故障。計時功能可通過連接時鐘芯片或具有計時功能的單片機(jī)實(shí)現(xiàn)。

若在規(guī)定時間內(nèi)接收到ADC7091芯片發(fā)來的數(shù)據(jù)，則該比較器電路判斷模數(shù)轉(zhuǎn)換處理后的兩電信號是否相等。若相等，則表示ADG731芯片并未進(jìn)行正常的切換輸出過程，表示ADG731芯片出現(xiàn)故障。

主控模塊與A/D轉(zhuǎn)換模塊連接，基于所采集的至少24個穴位的電壓值進(jìn)行體質(zhì)辨識和臟腑辨證。主控模塊采用型號為MY-I.MX6的核心板，該核心板支持Linux、QT、Android4.2、Ubuntu操作系統(tǒng)。存儲模塊與主控模塊連接，用于存儲不同用戶的身份信息，以及該用戶的穴位電壓值以及體質(zhì)辨識和臟腑辨證結(jié)果等。另外，所存儲的數(shù)據(jù)還包括溫度傳感器采集的環(huán)境溫度及被測用戶的手部溫度等數(shù)據(jù)。存儲模塊采用外置存儲器實(shí)現(xiàn)，基于型號為MY-I.MX6的核心板可擴(kuò)展接口的類型，存儲模塊可與該核心板采用USB3.0通信或SATA通信等。采用外置存儲器可更好地進(jìn)行數(shù)據(jù)的遷移和整理，同時減少核心板內(nèi)部的存儲壓力。打印機(jī)與主控模塊連接，用于打印各類數(shù)據(jù)。觸摸顯示模塊與主控模塊連接，用于實(shí)時顯示主控模塊所接收的穴位電壓值、體質(zhì)辨識和臟腑辨證結(jié)果，依據(jù)上述結(jié)果所生成的養(yǎng)生建議和/或疾病預(yù)警提示以及被測用戶身份信息等數(shù)據(jù)，還用于將用戶通過觸摸下達(dá)的指令傳輸至主控模塊。

基于主控模塊（型號為MY-I.MX6的核心板）的可擴(kuò)展接口，該系統(tǒng)通過與主控模塊連接的網(wǎng)絡(luò)通信模塊，將主控模塊與監(jiān)測控制端通信連接，由此監(jiān)測控制端可以實(shí)現(xiàn)對于掌型健康檢測儀裝置的監(jiān)測、數(shù)據(jù)備份/恢復(fù)、遠(yuǎn)程控制以及在線系統(tǒng)升級等功能。

遠(yuǎn)程監(jiān)測模塊原理圖，見圖6。遠(yuǎn)程通信模塊包括與主控模塊連接的路由器和交換機(jī)、與監(jiān)測控制端連接的路由器和交換機(jī)以及服務(wù)器，用于實(shí)現(xiàn)掌型健康檢測儀裝置和監(jiān)測控制端通過與其各自連接的路由器和交換機(jī)訪問服務(wù)器，以實(shí)現(xiàn)通信[13-15]。

4 軟件設(shè)計

經(jīng)絡(luò)檢測軟件采用嵌入式WinCE系統(tǒng)，應(yīng)用Embedded Visual C++進(jìn)行的開發(fā)。WinCE是從整體上對于有限資源進(jìn)行多線程、完整優(yōu)先權(quán)、多任務(wù)的操作，開發(fā)方便、快速。經(jīng)絡(luò)檢測界面主要包括：用戶主界面、采集主界面、采集動態(tài)曲線、疾病風(fēng)險提示界面（圖7）、檢測報告生成界面（圖8）。

圖6 遠(yuǎn)程監(jiān)測模塊原理圖

圖7 疾病風(fēng)險提示界面

圖8 檢測報告

遠(yuǎn)程監(jiān)測軟件使用的軟件程序用C++語言編寫，是在Visual Studio 2008環(huán)境下開發(fā)的，采用C/S軟件結(jié)構(gòu)，使用SQL Server 2008數(shù)據(jù)庫。軟件主要包括硬件檢測數(shù)據(jù)處理、用戶信息管理、網(wǎng)絡(luò)通信和數(shù)據(jù)庫[16-18]。通過客戶端和服務(wù)器端的網(wǎng)絡(luò)通信，實(shí)現(xiàn)對硬件信息的監(jiān)測以及系統(tǒng)刷新等，見圖9。

圖9 遠(yuǎn)程監(jiān)測界面

5 臨床試驗(yàn)

本設(shè)備按照《醫(yī)療器械臨床實(shí)驗(yàn)規(guī)定》，在長春中醫(yī)藥大學(xué)附屬醫(yī)院和中日聯(lián)誼醫(yī)院兩家醫(yī)院進(jìn)行了相關(guān)臨床實(shí)驗(yàn)。

5.1 病例總數(shù)

由醫(yī)生根據(jù)中醫(yī)經(jīng)絡(luò)檢測儀觀察方案隨機(jī)選取受試者總數(shù)共136人，每家醫(yī)院68例。受試者男女比例1:1。受試者分別通過醫(yī)生臨床判斷與經(jīng)絡(luò)檢測儀檢測結(jié)果，進(jìn)行自身前后對照。

5.2 病例選擇

（1）入選標(biāo)準(zhǔn)：符合中醫(yī)經(jīng)絡(luò)檢測儀臨床試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)范圍的人群；年齡在18～70歲，男女不限；簽署知情同意書。

（2）排除標(biāo)準(zhǔn)：年齡在18歲以下或70歲以上者；佩戴心臟起搏器者及體內(nèi)植入金屬物者；孕婦、月經(jīng)期的女性；身體極度衰弱者；服用含激素類藥物者；研究者認(rèn)為不適合入組者。

5.3 分組選擇方法

本次臨床試驗(yàn)在長春中醫(yī)藥大學(xué)附屬醫(yī)院與吉林大學(xué)中日聯(lián)誼醫(yī)院兩家醫(yī)院進(jìn)行，由醫(yī)生根據(jù)中醫(yī)經(jīng)絡(luò)檢測儀觀察方案隨機(jī)選取受試者136人，兩家醫(yī)院平均分配病例數(shù)，每家醫(yī)院68例。受試者男女比例1:1。

5.4 臨床實(shí)驗(yàn)方法

受試者來源于醫(yī)院門診病例，其診斷結(jié)果由中醫(yī)師依據(jù)病史、癥狀、舌脈、體征等確定受試者的癥狀虛實(shí)。再用中醫(yī)經(jīng)絡(luò)檢測儀對受試者進(jìn)行檢測，獲得主要問題經(jīng)絡(luò)的虛實(shí)檢測結(jié)果，與受試者的癥狀虛實(shí)進(jìn)行對比，確定中醫(yī)經(jīng)絡(luò)檢測儀檢測結(jié)果的準(zhǔn)確率。

5.5 評價方法

將受試者的檢測結(jié)果與醫(yī)師診斷結(jié)果進(jìn)行對比，確定準(zhǔn)確率。受試者分別評價，將使用中醫(yī)經(jīng)絡(luò)檢測儀的檢測結(jié)果與研究者通過其他途徑獲得的常規(guī)診斷結(jié)果進(jìn)行對比。

評價標(biāo)準(zhǔn)為：“準(zhǔn)確、較準(zhǔn)確、不準(zhǔn)確”三種結(jié)論。根據(jù)三種結(jié)論對“中醫(yī)經(jīng)絡(luò)檢測儀”檢測結(jié)果，進(jìn)行準(zhǔn)確度評價：① 準(zhǔn)確：受試人群組中有90%以上的主要經(jīng)絡(luò)變化趨勢被發(fā)現(xiàn)或檢出；② 較準(zhǔn)確：受試人群組中有70%以上的主要經(jīng)絡(luò)變化趨勢被發(fā)現(xiàn)或檢出；③ 不準(zhǔn)確：受試人群組中有60%以上的主要經(jīng)絡(luò)變化趨勢未被發(fā)現(xiàn)或檢出。

5.6 臨床試驗(yàn)結(jié)果

本研究136例受試者，其中72例有兩種診斷。醫(yī)師診斷實(shí)證為62.5%，虛證為37.5%；檢測儀診斷實(shí)證為63.9%，虛證為36.1%。檢測儀診斷和醫(yī)師診斷均為實(shí)證（a）的為130例，均為虛證（d）的為75例，檢測儀診斷為實(shí)證但醫(yī)師診斷為虛證（b）的為3例，檢測儀診斷為虛證但醫(yī)師診斷為實(shí)證（c）的為0例。經(jīng)配對卡方檢驗(yàn)P值為0.249，無統(tǒng)計學(xué)意義。檢測儀診斷和醫(yī)師診斷一致性較好。

5.7 臨床評價分析

檢測儀診斷準(zhǔn)確的病例占97.8%，不準(zhǔn)確的占2.2%。靈敏度、穩(wěn)定性、易控性、推廣性均為優(yōu)。

5.8 臨床結(jié)論

從臨床試驗(yàn)結(jié)果分析可以看出，本次臨床試驗(yàn)選取的136名受試者，均符合試驗(yàn)方案要求，對136名受試者檢測結(jié)果表明，該檢測儀診斷準(zhǔn)確率達(dá)97.8%。該設(shè)備操作簡便、易于掌握，檢測快速、方便，其靈敏度、穩(wěn)定性、易控性、推廣型均達(dá)到優(yōu)。

試驗(yàn)中檢測的疾病種類基本反映了人體各大系統(tǒng)易患的疾病范圍，檢測結(jié)果科學(xué)、安全、合理、客觀，經(jīng)濟(jì)適用，準(zhǔn)確率較高，檢測結(jié)果較真實(shí)可靠。

6 結(jié)論

通過對現(xiàn)有的掌型經(jīng)絡(luò)檢測儀的硬件軟件升級，進(jìn)行經(jīng)絡(luò)檢測系統(tǒng)的功能需求分析，改進(jìn)軟硬件系統(tǒng)設(shè)計以滿足經(jīng)絡(luò)檢測的用戶需求。此外，實(shí)現(xiàn)了對經(jīng)絡(luò)檢測議硬件部分監(jiān)測和系統(tǒng)軟件的更新，便于進(jìn)行維護(hù)和售后操作，達(dá)到解決實(shí)際問題的目的，使得嵌入式的處理方式更加廣泛應(yīng)用于中醫(yī)檢測器械。