基于Arduino的传统医学智能刮痧仪设计

赵一锟 姜 山 王思锐 聂松林 马仲海

（北京工业大学，北京 100124）

0 引言

本项目旨在将智能传感及测控技术与刮痧疗法相结合，利用先进的智能传感技术，设计一种集成过程监测的便携式智能刮痧仪；通过构建基于多个传感器的刮痧仪及监测系统，采集理疗过程中的各类信息，并对理疗专家的经验知识进行学习记录，以构建理疗过程的专家知识库，指导家庭化理疗。本项目设计的便携式智能刮痧仪可以为传统医学（刮痧理疗）的辅助治疗提供一种新技术，在传承并推广传统医学、提高中医治疗效率、促进智慧医疗和提高病人生活质量等方面都具有重要意义。

1 项目设计背景

1.1 研究背景

刮痧疗法是用特制的刮痧器具，依据中医经络腧穴理论，在体表进行相应的手法刮拭以防治疾病的中医外治法，对于疼痛性疾病、骨关节退行性疾病和神经、肌肉、血管性疾病等均有较好的防治效果。刮痧疗法具有严格的刮拭方向、时间、手法、强度和适应证要求，如操作不规范，就容易出现不适反应，甚至使病情加重，因此，刮痧疗法的规范研究具有重要意义[1]。然而，刮痧疗法极其依赖专家经验及患者反馈，一个经验丰富的专家往往需要长年累月的经验积累，不同专家的疗效也不尽相同。而市场上现有的刮痧设备无专业指导，缺乏专业知识，刮痧治疗效果不明显。因此，为更好地了解和传播专业刮痧治疗手法，本文设计了一款便携式刮痧仪，为传统医学的辅助治疗提供了一种新技术。

1.2 国内外研究现状和发展动态

包括刮痧在内的智能医疗在国内的研究还处于萌芽阶段，开发前景广阔[2]。颜钰铭等人[3]制作出了让使用者可独立进行完整刮痧治疗的手臂自动刮痧器。邱灵慧等人[4]用自制的特殊刮痧板，使刮痧频次等参数保持一致，以不同大小的力进行刮痧，探究了不同力度刮痧对机体的影响。国外对于刮痧的研究深度较浅，不具备参考价值。市场上现有的刮痧治疗仪器无法对刮痧诊疗过程的信息进行有效记录，难以使传统的刮痧疗法普及到普通用户，因此，有必要设计一款可以实现诊疗数据记录与复现的智能刮痧仪。

1.3 创新点与项目特色

本文设计的智能刮痧仪是在传统中医学的理论及临床经验的基础之上提出，利用先进的机电控制与传感技术实现传统中医手法的实时记录，为专家刮痧诊疗手法的研究和学习提供了有效的新途径。在此基础上可以实现理疗过程的专家知识库构建，提高个人健康医疗服务水平，为健康生活、家庭化医疗等领域的智能理疗方式提供了新的发展方向。

2 设计原理

2.1 系统组成

本文设计的智能刮痧仪采用一体化集成设计，由Arduino板、压力传感器、姿态传感器、Zig Bee无线传输模块、系统电源等组成，能实时监测、记录并上传刮痧仪在使用者刮痧过程中的速度、压力及倾斜角，以实现对刮痧操作的量化和数据化。信息传输流程如图1所示。

图1 系统信息传输流程

2.2 运行原理

本文提出的设计方案中，由压力传感器、姿态传感器等收集到的数据经过Arduino处理后通过Zig Bee上传至上位机，在上位机软件中进行可视化展示，并记录保存，用以指导后续刮痧过程。

3 硬件部分设计

3.1 Arduino控制板

本设计中采用Arduino UNOR3控制板，核心是一个ATMega328单片机。控制板还包括14通道数字I/O接口（其中6通道可作为PWM输出）和6通道模拟量输入。工作电压为5V，建议输入电压为7～12V。存储空间方面，板载32kB的内存，2kBSRAM，1kBEEPROM。时钟频率为16MHz。控制板通过USB2.0接口与电脑连接，便于在线进行程序调试[5]。

3.2 压力传感器

本设计采用中诺ZNHM-12T压力测力称重传感器，供电电压为8V，量程为0～20kg，如图2所示。

图2 压力传感器

3.3 姿态传感器

本设计采用维特JY901B十轴陀螺仪传感器模块，如图3所示。供电电压为3.3～5V。量程方面，加速度：±16g；陀螺仪：±2000（°）/s；角度：X±180°，Z±180°，Y±90°；磁场：±2G；气压：300～100hPa。通过TTL串口与Arduino控制板相连。

图3 姿态传感器

3.4 无线传输模块

本设计采用Zig Bee无线传输模块，也称紫蜂，作为低速短距离传输的互联网络的协议，它的最末端是通过IEEE802.15.4标准规范的媒体访问层与物理层。它突出的特征有低速、用电量小、价格低廉、匹配大量网上节点、可靠、安全、复杂度低、高效等[6-7]。同时，它的使用成本比无线网络要低，传输距离比蓝牙远，智能家居多用Zig Bee。为了实现刮痧仪和上位机数据的无线传输，最终本文选取了Zig Bee模块。

3.5 总体布局

经过对刮痧仪内部空间的分析和实验，最终布局如图4所示。

图4 刮痧仪剖面图

4 软件部分设计

本设计中，刮痧仪将采集到的数据通过无线传输设备上传至信息库，由上位机记录并定向保存。通过采集并分析大量诊疗数据中的共同点，并结合专家知识，构建多源信息下的专家知识库，然后将采集到的数据与知识库进行比较，计算出优化方法并通过软件反馈给使用者。刮痧仪上位机软件功能在于显示诊疗过程中的动态数据，软件界面如图5所示。传给上位机，并通过上位机程序将数据可视化显示出来，如图8、图9、图10所示。

图5 软件界面示意图

图6 实验平台

图7 流程图

图8 三轴加速度数据

图9 三轴角度数据

图10 压力数据

6 结语

目前，包括刮痧在内的智能医疗在国内的研究还处于萌芽阶段，现有的刮痧治疗仪器无法对刮痧诊疗

5 实验流程

当电脑UI控制界面设计完毕且刮痧仪组装完毕后，进行软硬件调试。本文设计的软件部分指的是在Py Charm里打开运行的监测系统，硬件部分指的就是组装后的刮痧仪，要想让两者顺利匹配起来并实时更新刮痧仪的信息，需要对软硬件进行匹配，再通过更改参数，来解决改变更新频率、显示等一系列问题。

图6展示的是刮痧仪动态监测系统的实验平台，分别由上位机（电脑）、传输设备Zig Bee、刮痧仪本体和可替换的刮板头组成。具体操作流程如图7所示。

启动电脑端程序和刮痧仪后，将Zig Bee模块接入电脑并与刮痧仪的串口匹配。确认刮痧仪已与电脑连接后，进行正常的刮痧操作。其间压力传感器将持续采集信息，并将采集到的压力信息经过电压放大电路进行放大后传输给单片机，姿态传感器将加速度及旋向等数据传给单片机，单片机把这些数据处理后通过Zig Bee过程的信息进行有效记录。本设计作为一款可以实现诊疗数据记录与复现的智能刮痧仪，能为智能传感系统在中医方向的应用提供一定的参考。