集成中醫舌診的便攜式家用健康監測儀

文秀靜　宋曉煒　洪瓊

摘? 要：舌診可以用于疾病的預防和早期診斷，舌象很大程度上可以反映出我們的身體狀況。針對無法及時出門就醫或想要及時了解自己身體狀況的人群設計一個集成中醫舌診的便攜式家用健康監測儀。該監測儀以Mega2560為主控板，提供口罩識別、舌象診斷、體溫測量和心率檢測等功能；采用YOLOv3進行舌診識別，具有較好的識別精度，可以較為準確地識別測試者的身體狀況并給出相應的建議。

關鍵詞：舌診；健康監測；預防疾病；YOLOv3

中圖分類號：TP183；TP391.41；TH77 ? 文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2023）11-0182-04

Portable Home Health Monitor with Traditional Chinese Medicine Tongue Diagnosis

WEN Xiujing1， SONG Xiaowei1，2， HONG Qiong1

（1.School of Electronic Information， Zhongyuan University of Technology， Zhengzhou? 450007， China;

2.Kaifeng University， Kaifeng? 475004， China）

Abstract： Tongue diagnosis can be used for disease's prevention and early diagnosis， and tongue images can largely reflect our physical condition. Design a portable home health monitor that integrates traditional Chinese medicine tongue diagnosis for people who are unable to go out for medical treatment in a timely manner or want to know their physical condition in a timely manner. The monitor uses Mega2560 as the main control board and provides functions such as mask recognition， tongue imaging diagnosis， body temperature measurement， and heart rate detection; Using YOLOv3 for tongue diagnosis recognition has good recognition accuracy and can accurately identify the physical condition of the tester and provide corresponding suggestions.

Keywords： tongue diagnosis; health monitoring; prevention of disease; YOLOv3

0? 引? 言

舌象在中醫診斷中占有重要地位，它是通過對舌的形狀、色澤、質地和其他特性的觀察來判斷人是否健康。由于人的舌頭與全身各個部位都有一定的關系，所以對患者的舌部進行觀察有助于醫生了解患者身體各部位的健康狀況。從中醫理論來看，舌頭被視為五臟六腑之海，舌象能展現人體內部的陰陽平衡、五臟六腑的功能狀況，此外，舌象又與全身氣血津液的運行密切相關。中醫認為舌為臟腑經絡投射區域，舌象可反映不同臟腑之狀態。醫生通過對患者舌象的觀察，不僅能夠對患者的某些病癥做出明確的診斷，而且還能為其他相關癥狀提供一定的參考依據。故舌象之觀察與分析在中醫診療中具有舉足輕重的作用。隨著現代醫學模式的轉變，舌診越來越受到醫學界的重視，并逐漸應用于臨床各科的診療當中。作為中醫診斷中較為傳統的手段，舌象具有如下重要性：

1）疾病診斷。中醫醫生可通過觀察患者舌頭的形態、顏色和其他特點來判斷患者的身體狀況（包括患者內臟的功能情況、氣血情況、疾病發展等），由此來判斷患者是否患有什么病。

2）判斷病情。舌象可以反映疾病發展的各個階段及病情嚴重程度，為中醫臨床醫師提供重要的參考和依據。

3）指導治療。舌象也能用以引導中醫醫生擬定適當的治療方案，例如，中醫醫生可透過患者舌頭的色彩、質地及其他特點進行針灸、藥物和其他處理方法的選擇。

4）預防保健。醫生通過對患者舌象的觀察與分析，能夠及時發現患者可能出現的健康問題，由此采取相應的防治措施，做到未病先防、既病防變。總之，舌象是中醫傳統診斷技術之一，對疾病診斷、判斷病情、指導治療、預防保健等均具有重要的意義。

近些年來，人工智能在醫學領域中的應用越來越廣泛，舌診也概莫能外。采用人工智能技術可以對大量的舌象數據進行分析和處理，提取有效的特征信息，并利用機器學習和深度學習等技術建立高精度的舌診診斷模型，為醫生提供輔助診斷的工具。其中，基于圖像處理技術的舌診系統是應用比較廣泛的一種。采用計算機視覺技術對舌頭圖像進行分析和處理，通過提取舌頭形態、顏色、質地等特征，輔助醫生進行舌診分析和診斷。比如，通過深度學習算法訓練出舌頭顏色、苔膜等特征的分類器，這樣就可以對舌頭圖像進行自動識別與分析。此外，基于人工智能技術的舌診系統還可以結合語音識別、自然語言處理等技術，實現對患者語音輸入和自然語言描述的解析，從而更加全面地了解患者的病情。總的來說，應用人工智能技術可以提高舌診的效率和準確性，為醫生提供更為準確的診斷結果和治療建議，為患者提供更加個性化和科學化的診療服務。

本文針對無法及時出門就醫或想要及時了解自己身體狀況的人群設計一個集成中醫舌診的便攜式家用健康監測儀。該設備提供口罩識別、舌象診斷、體溫測量和心率檢測等功能。其中，舌象診斷功能用于對測試者舌頭的顏色和形狀進行識別，并給出參考建議。將舌象診斷結果與測試者體溫、心率相結合，能夠對測試者的身體狀況有一個簡單的了解和判斷。舌象很大程度上可以反映出我們的身體狀況，舌診對于疾病的判定也非常有意義。因此該輔助設備適應當下快節奏慢生活人之需要，具有很強的應用和推廣價值。

1? 硬件設計與分析

本設計的硬件包括Mega2560控制板及其擴展板，還有HuskyLens模塊、heart rate sensor模塊、中文語音合成模塊、測溫模塊以及液晶顯示屏等。Mega2560控制板作為控制核心，通過與各個模塊的連接來實現相關功能。系統結構框架圖如圖1所示。

Arduino Mega2560[1]是采用USB接口的核心電路板，具有54路數字輸入/輸出，適合需要大量IO接口的設計。其處理器核心是ATmega2560，同時具有54路數字輸入/輸出口（其中15路可作為PWM輸出，15路模擬輸入，4路UART接口，1個16 MHz晶體振蕩器，1個USB口，1個電源插座，1個ICSP header和1個復位按鈕）。

視覺模塊采用的是HuskyLens，由于其功能完備，操作方便，體積小巧，本身具有2.0寸IPS顯示屏的功能等，因此可滿足本設計的需求。既能達到圖像信號處理的目的，也能完成舌象的辨認。

heart rate sensor模塊采用的是PPG（Photo Plethysmo Graphy）[2]，通過檢測血液中血紅蛋白隨著心臟跳動吸收氧氣的變化量來檢測人的心率參數，這種方法具有較好的穩定性和適應性。

本設計使用GY-906紅外線溫度計傳感器。這款模塊非常便宜，易于集成，支持帶有10K上拉電阻的I2C接口。傳感器的誤差范圍約為0.5 ℃。

語音合成模塊使用了SYN6288中文語音合成芯片[3]，它是一種非常實用的語音合成芯片，對于日常生活中的常用文本都可以快速準確地播報出來。

2? 軟件設計與流程

主控制器模塊對軟件的整體性能發揮著十分重要的作用，既要匯總和分析各模塊的信息，又要控制各模塊做出相應響應。主控制程序流程圖如圖2所示。

將設備的插頭插上電源即可開機啟動，顯示屏會亮屏并發出語音提示“健康檢測儀開始工作”，用來提醒用戶可以進行體檢了，流程如下：

1）設備首先檢測用戶是否佩戴口罩。檢測過后，進入體檢的下一步。

2）口罩檢測過后，體檢機會語音播報“請拉下口罩，進行舌診”。此時用戶即可伸出舌頭對準攝像頭進行舌診。體檢機會播報用戶所對應的舌象并給出相應的生活建議。

3）接下來，語音提示“請將額頭對準測溫器”進行體溫測量及播報。

4）最后是進行心率的測量，將心率測量器貼近手指、手腕或耳垂等皮膚裸露處進行測量。

其中識別模塊所執行的識別任務分為口罩識別和舌診識別。其中舌象的分類與特征如表1所示，數據集的部分圖片如圖3所示。

近些年來，深度學習算法在圖像目標檢測領域中的應用越來越廣泛。隨著人工智能技術的不斷發展，各種新理論、新方法層出不窮，使得對圖像目標檢測的要求越來越高。我們通過對三種經典目標檢測網絡進行mAP值對比來選取合適的檢測網絡。使用Pascal VOC公共數據集進行訓練，在訓練時網絡參數都設置為相同的值。在訓練完成以后，對比三種檢測算法的mAP值，如表2所示。

從表2中可以看出，YOLOv3[4]的mAP值最高（即檢測精度最高）。YOLOv3（You Only Look Once version 3）是一種基于深度學習的目標檢測算法，可以快速而準確地檢測出圖像中的目標并對其進行分類。相較于前代版本YOLOv2，YOLOv3在檢測速度和準確率上都有了明顯的提升。YOLOv3的網絡結構主要由三部分組成：

1）骨干網絡。采用DarkNet-53作為YOLOv3的骨干網絡，由53層卷積神經網絡組成，可以提取圖像的高層次特征。

2）特征提取層。在骨干網絡的基礎上，向YOLOv3中加入了三個特征提取層[5]，分別對應著三個不同尺度的特征圖，用于檢測不同大小的目標。這三個特征提取層分別包含1×1卷積層、3×3卷積層和1×1卷積層，用于降低特征圖的維度和增強特征表達能力。

3）檢測層。最后，YOLOv3通過三個不同尺度的特征圖，對圖像中的目標進行檢測和分類。每個檢測層都包含了1×1卷積層、3×3卷積層和最后的全連接層。檢測層會將每個目標的檢測結果轉化為邊界框、類別概率和置信度等信息，通過非極大抑制（NMS）算法篩選出最終的檢測結果。

YOLOv3既快速又準確，對小物體有較強的探測能力。其多尺度預測（借鑒了FPN的思路）是通過增加不同卷積層特征來實現的，通過FPN實踐，既使用不同特征圖單獨檢測又對不同尺度特征圖融合后重新檢測。因此本設計中檢測部分用到的網絡是YOLOv3，網絡結構圖如圖4所示。

3? 實驗與結果分析

系統開機只要連接上電源，就可以正常工作。需要先行訓練戴口罩的數據集和11種舌頭類型的數據集。系統先檢測被測試者是否佩戴口罩，若測試者未佩戴口罩，則提示“未帶口罩請檢查”，反之則提示“已戴口罩”，如圖5（a）所示。目前流感病例仍在持續增加，仍需做好相應的防護措施，檢測到測試者已戴口罩才能繼續進行接下來的檢測。

口罩檢測通過后，測試者摘下口罩伸出舌頭進行舌診。伸舌時要自然，口盡量張大使舌體充分暴露。如伸舌過分用力或舌體緊張、蜷曲，都會影響舌頭的氣血運行而引起舌色改變。設備判斷舌頭類型并給出建議，如圖5（b）所示。設備給出的建議如“您的舌象為正常形狀白膩舌，建議您避免風寒濕冷，注意保暖；飲食清淡，忌肥甘厚味、生冷食品；戒煙酒，勞逸適度”。被測試者測完舌頭后，會聽到“請將額頭靠近測溫器”的提示，此時測試者按照語音將手腕或者額頭靠近測溫器，進行溫度測量。顯示屏上也會顯示溫度的準確數值。若溫度正常，舵機sg90就會閃爍綠光。舵機sg90閃爍綠光后，可以進行心率的測量。將心率傳感器閃爍綠光的部位對準手臂上的血管，如圖5（c）所示。等待一會兒，便可以聽到語音播報“您的心率為×××”。測量心率時屏幕上會顯示具體的數值。若測試者的心率超過額定數值會提醒“心率過快”。

通過以上的流程，測試者可以將舌象診斷的結果與體溫、心率相結合，使其對自己的身體狀況有一個簡單的了解和判斷。

4? 結? 論

本文的設計方案借鑒了中醫舌診的知識，將大部分人的舌象根據舌的形狀、舌色、舌質分成了相關的十一類，并為每一類的舌象添加對應的建議，便于測試者了解自己的身體狀況并進行相應的調理和改善。裝置以Mega2560作為主控板，采用YOLOv3網絡模型對舌象進行識別，結合測溫模塊和心率檢測模塊構建一個集成中醫舌診的便攜式家用健康監測儀。本裝置體積小，成本低，易操作，非常適合人們日常使用。

參考文獻：

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[5] 彭繼慎，孫禮鑫，王凱，等.基于模型壓縮的ED-YOLO電力巡檢無人機避障目標檢測算法 [J].儀器儀表學報，2021，42（10）：161-170.

作者簡介：文秀靜（1997—），女，漢族，河南新鄉人，碩士研究生在讀，主要研究方向：計算機視覺、深度學習；宋曉煒（1978—），男，漢族，山西大同人，教授，博士，主要研究方向：圖像處理、計算機視覺；洪瓊（1999—），女，漢族，安徽黃山人，碩士研究生在讀，主要研究方向：深度學習。

收稿日期：2023-03-20

基金項目：中原科技創新領軍人才（214200510013）；河南省高校重點科研項目（21A520052）；校內重大項目成果培育計劃（K2020ZDPY02）