基于ARM的嵌入式中医经络检测系统的设计
引言
随着生活方式和环境的不断改变，人们越来越重视自身的健康状况，健康类医疗仪器的需求日益增长。现代科学技术和中医基础理论研究的有效融合，使中医器械中的电测量技术有了快速的发展与应用。通过测量人体经络点的生物电阻抗信息，来检测测试者的健康状况，为中医的“治未病”的实现提供了有效措施，从而帮助人们更好地管理健康[1]。
现有的中医经络检测采用的是穴位检测的方式，通过在人体经络两侧端点的皮肤组织施加电压，检测经络回路的电流值，来完成人体经络信息的判读，中医经络检测仪给出提示信息。在此基础上，掌型经络检测仪是根据手掌经络全息理论，利用手指末端皮肤生物电阻测量技术，获得12条经络的生物电信号。软件系统根据中医经络诊断原理自动解读各条经络数据，推断出受检人当前的健康状态并进行大病预警，是全新的中医检测设备[2-4]。
1 检测原理
人体12条经络在手指的反映区，见图1。图中12条经络的定位方法是取传统中医的（手足三阴三阳经）定位方法，即：从拇指到小指指背和靠近桡骨侧侧面为阳，依次诊察五腑胃、胆、大肠、小肠、膀胱的病气、病变；从拇指到小指指腹和靠近尺骨侧侧面为阴，依次诊察五脏脾、心、肺、肝、肾的病气、病变（“心经”，按中国传统经络应为心包经）。通过手的六经，使手和脉、心、大肠、心包络、小肠、三焦等脏腑密切联系起来。此外，由于经络手经和足经也密切相通，实质上，手和人体的各个脏腑都有着一定的联系。部各种器官。也就是说，整个身体有无异常的情况，可由经穴传递到手的各部位。手在大脑中枢的支配下，从事生产、生活和情志表达。当人体内外的环境平衡被破坏而出现病理状态时，体内的疾病信息会经由自主神经传递给大脑，之后通过脊髓神经反映到手上。故在特定情况下，身体的异常变化就会在手掌上表现出来。大量实验证明，经络诊断的方法在临床诊断上存在一定的意义[8]。
图1 手掌经络简图
测量的手掌检测模型，见图2。穴位电压测量传感器用于采集人体手部的穴位电压值。所述穴位电压测量传感器安装于一手掌模型中。手掌模型的上表面设有与人体手部形状匹配的凹部，在凹部的不同位置，设置有测量电极片，各测量电极片的位置对应人体手部不同穴位的位置。检测过程中，人体手部相当于电阻，测量电极片通过极化而采集到人体手部各穴位的等效电压。中医诊断的基础之一是“知外揣内”。体内脏器和体表组织之间有着密切联系，表象在一定范围内和一定程度上可反映出体内本质所在[5-7]。
图2 手掌检测模型
经络学说显示人的手和体内器官密切联系。在双手上，有12条正经经脉的86个经穴和224个奇穴，说明全身的经穴在手上同样也有，手上集中了跟体内所有器官都有关联的经穴。手掌连接人体前部各种器官，手背连接人体后
2 总体设计方案
掌型经络检测仪的升级设计包括硬件和软件部分。产品组成总体结构图，见图3。在硬件的设计中，采用独立的ARM9核心板运行平台独立进行采集测量的方案，以ARM处理器外接检测电路测量人体经络电阻分得的电压值。硬件组成主要包括测量传感器模块、信号调理电路、模拟多路转换、A/D转换器和监测电路组成测量部分。
测量传感器采集人体手指末端皮肤生物电阻的电压值，在测量电路中，人体相当于是电阻。由测量传感器采集到的电压值，经过信号调整电路的调整到达模拟多路转换开关。模拟多路转换开关将选到的模拟信号经过A/D转换器，完成模拟数字信号的转换。
基于ARM处理系统控制电路完成采集，将接收的数据进行保存和显示。数据显示在LCD触摸显示单元和备用的多路音频显示单元，保存的空间有两处：一是保存在本地的外置硬盘，二是经过路由器/交换机上传到服务器。其中在LCD触摸显示单元显示需要配合加密才能显示，打印机将检测完显示的报告进行打印，键盘、鼠标可以在LCD触摸显示单元基础上提供备用的数据输入。
另外，在此基础上，硬件上增加了关键器件/模块监测电路，可以在监测测量传感器后的信号调整电路、模拟多路转换开关、A/D转换器器件的运行状态，并通过基于ARM的嵌入式处理系统将状态发送到服务器。硬件运行数据可以通过路由器/交换机连接到服务器的计算机处理系统进行监测，并且通过显示器、键盘、鼠标对测量部分及基于ARM的嵌入式处理系统进行远程的版本升级，实现远程的硬件监测和软件升级。该系统能够自动、高效、精确地实时采集记录人体经络电阻值，通过对经络参数进行分析处理而获知人体健康状况[9-10]。
图3 产品组成总体结构图
3 硬件设计
穴位电压测量传感器的电路原理示意图，见图4。该测量传感器由阻值为51 K的精密电阻和测量电极片组成，采用以下公式得到人体手部的穴位电压值U2。U1表示图4中所示V1点的电压，该电压为一恒压值，51 K表示图4中所示电阻R4的阻值，Rx表示被测用户手部的电阻值，根据实验数据，该电阻值的范围为0.02～2.2 m?。
图4 传感器测量原理图
图4所示只是一个穴位采集点的穴位电压测量电路，基于人体手部的穴位数量，本实施例中，共设置有左、右两个手掌模型，各手掌模型与人体手部形状匹配的凹部设置有至少12个测量电极片，共对人体手部的至少24个穴位的电压值进行采集，各电路通过一组多路开关实现开闭控制。在手掌模型内部，安装有加载各电路模块的PCB板，采用恒压测量，其具有采集精度高，受汗腺影响小等优点[11-12]。
穴位电压测量传感器的测量电极片采用加热电极片。在测量电极片与人体手部接触的相反一端面表贴有加热电阻片，从而实现测量电极片的加热。加热电极片一方面可提高被测用户的使用感受，特别是在冬天的时候，使被测用户感受不到冰冷；另一方面是现有的测量传感器在被测用户手部（或使用环境）温度较低的情况下，出现采集无法进行的情况，采用加热电阻片对电极片加热可避免上述情况的发生，从而提高采集的可靠性。
在与人体手部形状匹配的凹部还设有温度传感器，该温度传感器用于检测环境温度及被测用户的手部温度。模型凹部还包括与温度传感器连接的加热控制器，该加热控制器依据温度传感器所检测的温度数据，输出开/闭控制指令至加热电极片的加热电阻片以进行开/关加热动作。
另外，在穴位电压测量传感器的采集回路上还串联有静电阻抗器，由此可以有效地防止在检测通道引入静电高压把器件损坏。信号调整模块与穴位电压测量传感器连接，用于对穴位电压测量传感器所采集的穴位电压值进行放大、滤波处理。
模拟多路转换模块与信号调整模块连接，包括多路输入接口和一路输出接口，用于将输入接口所接收的至少24个穴位电压值逐一切换至输出接口，以进行数据输出。本实施例中，模拟多路转换模块采用型号为ADG731的芯片实现。型号为ADG731的芯片包括32路输入接口，其中预留至少24路用于接收至少24个穴位电压。
A/D转换模块与模拟多路转换模块连接，用于对模拟多路转换模块所输出的经过放大、滤波处理后的至少24个穴位电压值进行模数转换处理。本实施例中，A/D转换模块采用型号为ADC7091的片外芯片，从而可以提高数据处理效率及精度。
图5 故障监测模块原理图
故障监测模块包括两阻值不同且阻值差异较大的定值电阻，见图5。其一电阻一端串接于型号为ADG731芯片的S25接口，另一端接地。另一电阻一端串接于型号为ADG731芯片的S26接口，另一端接地。所述故障监测模块还包括一个比较器电路，该比较器电路用于实现故障检测的功能。ADG731芯片的S25、S26接口将所接收的两定值电阻阻值的电信号传输至A/D转换模块中的ADC7091芯片，再由ADC7091芯片将电信号进行模数转换处理后，输出至比较器电路。
所述比较器电路的接收接口连接于A/D转换模块中型号为ADC7091芯片的输出接口。该比较器电路可实现计时功能，若在规定时间内未接收到ADC7091芯片发来的数据，则表示型号为ADC7091芯片出现故障。计时功能可通过连接时钟芯片或具有计时功能的单片机实现。
若在规定时间内接收到ADC7091芯片发来的数据，则该比较器电路判断模数转换处理后的两电信号是否相等。若相等，则表示ADG731芯片并未进行正常的切换输出过程，表示ADG731芯片出现故障。
主控模块与A/D转换模块连接，基于所采集的至少24个穴位的电压值进行体质辨识和脏腑辨证。主控模块采用型号为MY-I.MX6的核心板，该核心板支持Linux、QT、Android4.2、Ubuntu操作系统。存储模块与主控模块连接，用于存储不同用户的身份信息，以及该用户的穴位电压值以及体质辨识和脏腑辨证结果等。另外，所存储的数据还包括温度传感器采集的环境温度及被测用户的手部温度等数据。存储模块采用外置存储器实现，基于型号为MY-I.MX6的核心板可扩展接口的类型，存储模块可与该核心板采用USB3.0通信或SATA通信等。采用外置存储器可更好地进行数据的迁移和整理，同时减少核心板内部的存储压力。打印机与主控模块连接，用于打印各类数据。触摸显示模块与主控模块连接，用于实时显示主控模块所接收的穴位电压值、体质辨识和脏腑辨证结果，依据上述结果所生成的养生建议和/或疾病预警提示以及被测用户身份信息等数据，还用于将用户通过触摸下达的指令传输至主控模块。
基于主控模块（型号为MY-I.MX6的核心板）的可扩展接口，该系统通过与主控模块连接的网络通信模块，将主控模块与监测控制端通信连接，由此监测控制端可以实现对于掌型健康检测仪装置的监测、数据备份/恢复、远程控制以及在线系统升级等功能。
远程监测模块原理图，见图6。远程通信模块包括与主控模块连接的路由器和交换机、与监测控制端连接的路由器和交换机以及服务器，用于实现掌型健康检测仪装置和监测控制端通过与其各自连接的路由器和交换机访问服务器，以实现通信[13-15]。
4 软件设计
经络检测软件采用嵌入式WinCE系统，应用Embedded Visual C++进行的开发。WinCE是从整体上对于有限资源进行多线程、完整优先权、多任务的操作，开发方便、快速。经络检测界面主要包括：用户主界面、采集主界面、采集动态曲线、疾病风险提示界面（图7）、检测报告生成界面（图8）。
图6 远程监测模块原理图
图7 疾病风险提示界面
图8 检测报告
远程监测软件使用的软件程序用C++语言编写，是在Visual Studio 2008环境下开发的，采用C/S软件结构，使用SQL Server 2008数据库。软件主要包括硬件检测数据处理、用户信息管理、网络通信和数据库[16-18]。通过客户端和服务器端的网络通信，实现对硬件信息的监测以及系统刷新等，见图9。
图9 远程监测界面
5 临床试验
本设备按照《医疗器械临床实验规定》，在长春中医药大学附属医院和中日联谊医院两家医院进行了相关临床实验。
5.1 病例总数
由医生根据中医经络检测仪观察方案随机选取受试者总数共136人，每家医院68例。受试者男女比例1:1。受试者分别通过医生临床判断与经络检测仪检测结果，进行自身前后对照。
5.2 病例选择
（1）入选标准：符合中医经络检测仪临床试验标准范围的人群；年龄在18～70岁，男女不限；签署知情同意书。
（2）排除标准：年龄在18岁以下或70岁以上者；佩戴心脏起搏器者及体内植入金属物者；孕妇、月经期的女性；身体极度衰弱者；服用含激素类药物者；研究者认为不适合入组者。
5.3 分组选择方法
本次临床试验在长春中医药大学附属医院与吉林大学中日联谊医院两家医院进行，由医生根据中医经络检测仪观察方案随机选取受试者136人，两家医院平均分配病例数，每家医院68例。受试者男女比例1:1。
5.4 临床实验方法
受试者来源于医院门诊病例，其诊断结果由中医师依据病史、症状、舌脉、体征等确定受试者的症状虚实。再用中医经络检测仪对受试者进行检测，获得主要问题经络的虚实检测结果，与受试者的症状虚实进行对比，确定中医经络检测仪检测结果的准确率。
5.5 评价方法
将受试者的检测结果与医师诊断结果进行对比，确定准确率。受试者分别评价，将使用中医经络检测仪的检测结果与研究者通过其他途径获得的常规诊断结果进行对比。
评价标准为：“准确、较准确、不准确”三种结论。根据三种结论对“中医经络检测仪”检测结果，进行准确度评价：① 准确：受试人群组中有90%以上的主要经络变化趋势被发现或检出；② 较准确：受试人群组中有70%以上的主要经络变化趋势被发现或检出；③ 不准确：受试人群组中有60%以上的主要经络变化趋势未被发现或检出。
5.6 临床试验结果
本研究136例受试者，其中72例有两种诊断。医师诊断实证为62.5%，虚证为37.5%；检测仪诊断实证为63.9%，虚证为36.1%。检测仪诊断和医师诊断均为实证（a）的为130例，均为虚证（d）的为75例，检测仪诊断为实证但医师诊断为虚证（b）的为3例，检测仪诊断为虚证但医师诊断为实证（c）的为0例。经配对卡方检验P值为0.249，无统计学意义。检测仪诊断和医师诊断一致性较好。
5.7 临床评价分析
检测仪诊断准确的病例占97.8%，不准确的占2.2%。灵敏度、稳定性、易控性、推广性均为优。
5.8 临床结论
从临床试验结果分析可以看出，本次临床试验选取的136名受试者，均符合试验方案要求，对136名受试者检测结果表明，该检测仪诊断准确率达97.8%。该设备操作简便、易于掌握，检测快速、方便，其灵敏度、稳定性、易控性、推广型均达到优。
试验中检测的疾病种类基本反映了人体各大系统易患的疾病范围，检测结果科学、安全、合理、客观，经济适用，准确率较高，检测结果较真实可靠。
6 结论
通过对现有的掌型经络检测仪的硬件软件升级，进行经络检测系统的功能需求分析，改进软硬件系统设计以满足经络检测的用户需求。此外，实现了对经络检测议硬件部分监测和系统软件的更新，便于进行维护和售后操作，达到解决实际问题的目的，使得嵌入式的处理方式更加广泛应用于中医检测器械。
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