基于Arduino的傳統醫學智能刮痧儀設計

趙一錕 姜 山 王思銳 聶松林 馬仲海

（北京工業大學，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測系統，采集理療過程中的各類信息，并對理療專家的經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醫學（刮痧理療）的輔助治療提供一種新技術，在傳承并推廣傳統醫學、提高中醫治療效率、促進智慧醫療和提高病人生活質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，依據中醫經絡腧穴理論，在體表進行相應的手法刮拭以防治疾病的中醫外治法，對于疼痛性疾病、骨關節退行性疾病和神經、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，如操作不規范，就容易出現不適反應，甚至使病情加重，因此，刮痧療法的規范研究具有重要意義[1]。然而，刮痧療法極其依賴專家經驗及患者反饋，一個經驗豐富的專家往往需要長年累月的經驗積累，不同專家的療效也不盡相同。而市場上現有的刮痧設備無專業指導，缺乏專業知識，刮痧治療效果不明顯。因此，為更好地了解和傳播專業刮痧治療手法，本文設計了一款便攜式刮痧儀，為傳統醫學的輔助治療提供了一種新技術。

1.2 國內外研究現狀和發展動態

包括刮痧在內的智能醫療在國內的研究還處于萌芽階段，開發前景廣闊[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診療數據記錄與復現的智能刮痧儀。

1.3 創新點與項目特色

本文設計的智能刮痧儀是在傳統中醫學的理論及臨床經驗的基礎之上提出，利用先進的機電控制與傳感技術實現傳統中醫手法的實時記錄，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理療過程的專家知識庫構建，提高個人健康醫療服務水平，為健康生活、家庭化醫療等領域的智能理療方式提供了新的發展方向。

2 設計原理

2.1 系統組成

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、姿態傳感器、Zig Bee無線傳輸模塊、系統電源等組成，能實時監測、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，以實現對刮痧操作的量化和數據化。信息傳輸流程如圖1所示。

圖1 系統信息傳輸流程

2.2 運行原理

本文提出的設計方案中，由壓力傳感器、姿態傳感器等收集到的數據經過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。控制板還包括14通道數字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的內存，2kBSRAM，1kBEEPROM。時鐘頻率為16MHz。控制板通過USB2.0接口與電腦連接，便于在線進行程序調試[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的互聯網絡的協議，它的最末端是通過IEEE802.15.4標準規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、匹配大量網上節點、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絡要低，傳輸距離比藍牙遠，智能家居多用Zig Bee。為了實現刮痧儀和上位機數據的無線傳輸，最終本文選取了Zig Bee模塊。

3.5 總體布局

經過對刮痧儀內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據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據中的共同點，并結合專家知識，構建多源信息下的專家知識庫，然后將采集到的數據與知識庫進行比較，計算出優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數據，軟件界面如圖5所示。傳給上位機，并通過上位機程序將數據可視化顯示出來，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 三軸加速度數據

圖9 三軸角度數據

圖10 壓力數據

6 結語

目前，包括刮痧在內的智能醫療在國內的研究還處于萌芽階段，現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，進行軟硬件調試。本文設計的軟件部分指的是在Py Charm里打開運行的監測系統，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，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監測系統的實驗平臺，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采集信息，并將采集到的壓力信息經過電壓放大電路進行放大后傳輸給單片機，姿態傳感器將加速度及旋向等數據傳給單片機，單片機把這些數據處理后通過Zig Bee過程的信息進行有效記錄。本設計作為一款可以實現診療數據記錄與復現的智能刮痧儀，能為智能傳感系統在中醫方向的應用提供一定的參考。