简易人体穴位识别治疗仪

第28卷 第 6期 2010年 11月 吉林 大 学学 报 (信 息科 学版) Journal of Jilin University(Information Science Edition) Vo1．28 No．6 NOV．2010 文章编号：1671-5896(2010)06-0609-07 简易人体穴位识别治疗仪 李延泽 ，刘彦博 ，朱凯晖 ，向 睿 ，沈羿禹 ，刘 鑫 (1．哈尔滨工业大学 电子与信息工程学院，哈尔滨 150000；2．吉林大学 电子科学与工程学院，长春 130012) 摘要：为了解决非专业人群寻找穴位难、不准确 、不易操作等难题 ， 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 了一种以 SPCE061A为核心 MCU (Micro Control Unit)的简易人体穴位识别治疗仪。给出了系统结构和实现流程，提出了一种基于层次分析原 理的新型穴位检测方法，并讨论了环境因素对穴位识别结果的影响。通过人体穴位检测实验表明，本系统的 穴位与非穴位正确识别率可分别达到95％和98％以上 ，且输出频率可调、波形可变的脉冲电压可达到模拟中 医针灸治疗的作用。与传统找穴位方法相比，该 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 具有操作简单、功耗低、性价比高等优点。 关键词：穴位识别 ；穴位治疗 ；层次分析法；SPCE061A芯片；微处理器 中图分类号：TP90 文献标识码：A Simple Meridian Acupoint Detecting and Treating Instrument LI Yan．ze ，LIU Yan—bo ，ZHU Kai．hui ，XIANG Rui ，SHEN Yi—yu ，LIU Xin (1．School of Electronics Information Engineering，Haerbin Industry Technology，Harerbin 150000，China； 2．College of Electronic Science and Engineering，Jilin University，Changchun 130012，China) Abstract：To resolve the problem of distinguishing acupuncture point for the unprofessional persons，we design a recognition and detection instrument with SPCE061 A．The principles and diagrams of hardware and software ar— chitecture of the entire system are described．Based on theories of skin resistances on the acupoint resistance，a new acupoint detect instrument containing electrical stimulating is invented．The recognition acuracy on acupunc— ture and non—acupuncture can reach to 95％ and 98％，respectively．Controlled through a MCU (Micro Control Unit)，the apparatus can output biphasic constant current and special pulses for electrical stimulation．The theo— ry of meridians is significant for the basic theory of traditional Chinese medicine．The effects of environment on acupoint detection is discussed．Compared with the traditional method，this can improve and simplyfy the opera— tion． Key words：acupoint detector；acupoint treatment；analytic hierarchy process；SPCE06 1 A chip； micro con· trol unit(MCU) 引 言 在当今时代，人体保健越发显得重要，穴位按摩以其简洁、见效快、无副作用深得人们的喜爱。传 统中医的穴位按摩，经穴定位方法主要有体表解剖标志定位法、骨度折量定位法和指寸定位法。前两种 方法以体表解剖和骨节为依据寻找穴位。后一种通过自身手指指寸寻找穴位，多数医疗人员通过后一种 取穴治疗。而对非专业医疗人员而言，穴位不易寻找，无法正确定位，疗效甚微。因此，人体穴位识别 显得尤为重要。 收稿日期：2010-08．17 基金项目：国家大学生创新实验 计划 项目进度计划表范例计划下载计划下载计划下载课程教学计划下载 基金资助项目 (200905206) 作者简介：李延泽 (1950一 )，男，哈尔滨人，哈尔滨工业大学高级工程师，主要从事生物医学工程研究，(Te1)86—13009841950 (E-mail)lyz@hit．edu．con；通讯作者：刘彦博 (1987一 )，男，长春人，吉林大学本科生，主要从事集成电子研究， (Te1)86—13596091775(E—mail)liuybo719@mails．jlu．edu．cn。 6l0 吉林 大 学 学 报(信 息 科 学 版) 第28卷 笔者依据人体穴位伏安特性曲线理论基础 ，结合传统中医理论以及当前的电子技术，设计了以 凌阳SPCE061A芯片为核心的 MCU (Micro Control Unit)和其外围组成控制、阻抗测量和显示电路等构 成的人体穴位识别治疗系统。该系统实现了穴位检测和治疗，并应用层次分析法分析相应的阈值范围， 保证了可行性和可靠性。 1 系统设计 穴位和经络是人体传递信息的纽带。该系统设计原理建立在人体电阻伏安特性的基础上[21。其特 性表现为，经络穴位处呈现低阻抗和高电导率，而非穴位经 络处所表现的性质与上述性质相反。两者相比较，其中电阻 最低的点往往是穴位点。穴位探测正是利用了人体非穴位点 和穴位点呈现在不同阻抗中电压值之间的差异进行判断。 系统结构如图 1所示，外围阻抗测量电路将穴位阻抗信 息转换为电压信号，然后由SPCE061中所带 AD将电信号转 换成数字信号，并对电压值判断确认是否为穴位，再通过液 晶屏显示，由DA转换输出治疗波形，最后经外围治疗电路 刺激人体穴位。 Fi g．1 System function diagram 2 基于层次分析法的穴位探测原理 2．1 层次分析法 美国运筹学家 Satty 在系统工程理论中提出了层次分析法 (AHP：Analytic Hierarchy Process)，这 是一种定性与定量分析相结合的多目标决策分析方法论。AHP法运用了人的分析、判断综合能力，将 定性与定量相结合，提高了系统的逻辑性、系统性、简洁性和实用性，解决了结构较为复杂、决策准则 较多，且不易量化等问题。 AHP中指标的确定和分值的给定具有主观臆断性，为减小主观因素的影响，文献 [4]提出了 1— 9比率标度法表 (见表1)。数据根据本层次与表1中有联系因素的重要性次序赋予权值，求得转化判 断矩阵的特征根和特征向量的最值。 表 1 1～9比率标度法 Tab．】 】 9 ratio scale 标 度 含 义 2，4，6，8 倒数 两个指标相比，具有同样重要性 两个指标相比，前一个指标比后一个指标稍微重要 两个指标相比，前一个指标比后一个指标明显重要 两个指标相比，前一个指标比后一个指标重要得多 两个指标相比，前一个指标比后一个指标极端重要 上述各相邻判断的中间值 若指标i与指标 的重要性之比为b 则 与i的重要性之比为bji=1／b 令A 为n阶判断矩阵的最大特征值。因受多种因素的影响，判断矩阵很难出现严格一致性的情况。 所以在得到A 后，通过 C，指标判断检验矩阵的一致性。 c，= 早 当C，=0时，判断矩阵具有完全一致性。因为当n一定时，c，随A 一n增大而增大，导致判断矩阵 由一致性转向非一致性。为检验判断矩阵是否满足一致性，需要将 c，与平均随机一致性指标尺，(见表2) 进行比较。 第6期 李延泽，等：简易人体穴位识别治疗仪 611 表2 平均随机一致性指标R，值 Tab．2 Average random consistency index 令 c = ，称 c 为随机一致性比率，其中R，为与C，同阶平均随机一致性指标。当C <0．1时，则 n ， 认为判断矩阵具有满意的一致性。否则，必须重新调整判断矩阵中的元素，使判断矩阵具有满意的一致 性。 2．2 穴位探测原理 因为每个人相同穴位的伏安特性曲线不一致，而对单位个体而言由于人体新陈代谢程度差异，不同 穴位间伏安特性曲线也不一致。采用层次分析法分析采集的穴位伏安特性，可确定穴位伏安特性曲线的 浮动范围，并验证阈值范围的合理化。笔者通过电压值测量判断穴位与非穴位的区别，将每个人看成一 个单位，测量每天固定时段的相同穴位电压值，由层次分析法分别求得各组的权重，然后求得每组的平 均电压值，再取算术平均数，相互比较后得到其浮动上下限，确定穴位电压值精确的大致界限，这样可 精简模型。 对Ⅳ种不同穴位在一天的不同时段，共测量 次。得到采样数据 A = 每个穴位测量 次平均值 = M 。 采样数据A根据表 1法则处理后，可得到 B = bl1⋯b1 ⋯ b1 b ．b ．biM bm⋯ bM⋯ bNM 其中bji=1／b ，当i= 时， =1。由I Aj一 l=0得到A特征值，最大特征值A =A ， 记录 混凝土 养护记录下载土方回填监理旁站记录免费下载集备记录下载集备记录下载集备记录下载 下标 i 值。带入 ，、c，后，得到 c 判断是否小于0．1。若小于0．1，则令(A，一 )C =0，得到 A的特征向量 C = Cll⋯ Cli⋯ C1 1⋯ ⋯ CiM CN1’’’CNi‘‘。CNM 最大特征值 A =A 对应 的特征向量 (c ⋯， ，⋯cM)，权重 D = (d ⋯，d ⋯d )， = N ，v cii／∑cji。穴位平均电压值E=∑ 。应用该方法可得到 和E⋯，穴位阈值范围为 (E—E i ，E 一E)。 3 硬件设计 该系统以SPCE06A为核心MCU，主要功能是：1)穴位识别，即通过AD对人体的表皮穴位进行数 据采样，对采集到的穴位信息进行处理并做判断，最终由液晶屏显示识别结果；2)穴位治疗，即通过 612 吉 林 大 学 学 报(信 息 科 学 版) 第28卷 DA输出的电脉冲刺激穴位达到治疗作用。系统主要包括如下模块：采集、传输、识别与显示、治疗。 3．1 阻抗电位测量电路 阻抗电位测量电路将人体阻抗伏安特性 (见图2)转化成电信号。Inputl，Input2分别为穴位探测 点和基准点。R 、滑动变阻器部分电阻R。和 穴位阻值三者并联后经三极管放大，由分压电路将阻抗差异 转化为输入电流差异，控制三极管的开关状态，实现将差别较小的信号转化为相对较容易观测、差异较 大的电压信号。穴位处反映出的电压较低，非穴位处 电压较高 。SPCE061A内部具有 8路 10位 A／D转换 器，在设计 中，穴位传感器输 出的模拟信号通过 SPCE061A的接口IOA4进入内部 AD转换模块进行采 样。 3．2 传输、识别与显示 SPCE061A具有数据处理速度快、低功耗、超小 型、低成本等特点，适合应用于便携式智能仪表。在 设计中，SPCE061A的输入端口接收检测信号、键盘 信息等，输出端 口向外界输送处理结果、显示信息、 控制命令和驱动信号等 J。 图2 穴位探测原理图 Fig．2 Acupoint detection diagram AD单元采用逐次逼近式的 ADC由一个 10位 DAC (Digital—to—Analog Converter)、一个 1O位缓存器 DAR0、一个逐次逼近寄存器SAR和一个比较器 CMOP组成。采集的电信号由接口IOA0～IOA6输入， 经过 AD转换成数字信号 。考虑到提高有效值的采集，减小失真度，多次测量取平均值，信号的有效 Ⅳ 电压 =∑ )／Ⅳ 。其中V(Ⅳ)为周期内所采集的电压值，N为所采集的次数。 显示模块由SPLC501驱动芯片和 LCD12684液晶屏组成。通过硬件驱动程序 SPLC501一IO．asm和 SPLOC501User．C内的参数可设计汉字显示界面 。在设计 中，LCD (Liquid Crystal Display)的接口 D0～D7、EP、RWP、Ao、片选 CS1分别与SPCE061A的接口IOA8～IOA15、IOB6、IOB5、IOB4、IOB9 相对应连接。 3．3 治疗电路 SPCE061A内部含有 2路 DA，因其输出的电压值 较小，而治疗端所需的电压值较大，因此，需要通过 AD620和 OP-07运算放大器驱动变压器，提高输出信 号幅度 (见图3)。以电极接触不同穴位，通过对输出 电压的控制，模拟传统针灸疗法 ”j。SPCE061A内 阻匹配阻值R =2 MSq。第一级u1的放大增益：AⅢ= 1+R1／Ro，第2级 u2的放大增益：A U2=1+ 4／月3，总 增益：Au=Au ×Au： 200。总增益A 因实际中受功 率、匹配电阻等因素影响，不能达到预期值。实验中 经过多次测量，一般在 20～30之间。DA输出的模拟 电压经 DAC1和 DAC2输出至治疗模块电路中，并可 通过软件设定输出信号的波形，波形可为三角波、方 波和正弦波等。 4 软件流程设计 图 3 治疗原理 图 Fig．3 Treatment diagram 系统软件流程图如图4所示。系统将采集的穴位点数据输入以 SPCE061A芯片为核心的 MCU处理， 自动判断是否满足阈值要求，如果满足则判断为穴位点，否则判断为非穴位点。然后进行穴位治疗。治 疗输出端电压幅值和频率的变化，通过软件编程实现。由于编程时采用C语言和汇编语言相结合的方 第6期 李延泽，等：简易人体穴位识别治疗仪 6l3 式，从而降低了编程复杂度。根据数据采集量、中断方式考虑寄存器的分配，较好地实现了人机交互与 智能化要求。 5 实验结果 图4 软件流程 图 Fig．4 Software flow chart 5．1 穴位测量与数据处理 为了保证 AD转换的精度，采样次数取N =20。笔者对 30名不同年龄段的志愿者选取三问、太阳、 少冲、关冲、合谷、商阳穴位点和3个非穴位点进行测试。测试结果如图5所示。可以看出，不同年龄 段对应的新陈代谢程度不同，穴位的浮动范围存在一定差异。从穴位点电压浮动范围而言，图5a组涵 盖了图5b、图5c组，这说明图5a组的新陈代谢强度大于图5b组和图5c组。 采用第 2．2节给出的层次分析法对数据进行处理。图5a组穴位点电压列向量平均值为 {0．560 32 0．546 25 0．571 25 0．573 75 0．558 75 0．572 03}。对穴位点赋值权重：1、3、5、4、2、6。得到 A = 5 2 9 1 4 j 1 1 1 1 1 3 l 1 7 1 1 ， 计算得 C =0．049 142<0．1，符合 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 。其相应的最大特征值对应的特征向量为 {0．277 1 0．797 6 0．111 8 0．064 7 0．490 2 0．173 4}。求特征向量每个数据所占总和的百分比即为其相应的 权重，用权重乘以各组的平均电压得到参考电位 0．630 441 2 V。应用算法对采样数据进行处理，赋值 不同权重值可相应得到如下参考电压 {0．511 444 1 0．570 959 4 0．521 423 1 0．549 826 9 0．421 441 5 0．494 122 5 0．629 683 1}。求得穴位电压平均值基准值为0．558 667 72 V，上限不超过 0．63 V，下限不小于0．42 V。非穴位电压值大于等于 3 V。经过 AD得到的数字信号，再通过穴位电压 阈值判决，可自动区分是否为穴位。 同理，图5b组的穴位电压平均值为0．584 664 3 V，上限为0．600 222 2 V，下限为0．538 737 8 V； 图5c组的穴位电压平均值为0．600 355 4 V，上限为0．601 763 1 V，下限为0．599 608 7 V。由此可看 出，图5a组的电压浮动范围涵盖了图5b和图5c组。 1 l 7 3 1 1 1 l 3 一3 一4 一3 一7 一5 一2 一9 614 吉 林 大 学 学 报(信 息 科 学 版) 第28卷 图 5 数据拟合图 Fig．5 Data—fitting 5．2 穴位探测的环境依赖性 试验中同时对仪器的环境依赖性进行了测试，其结果如表 3所示。可以看出，当湿度一定且温度升 高时，穴位电压的平均值呈下降趋势；当温度一定且湿度增大时，穴位电压的平均值呈上升趋势。在实 际应用中，需要考虑温度、湿度对探测结果的影响，并依据电压的变化范围，给出正确的识别结果。 表 3 穴位探测的环境依赖性 (青年组) Tab．3 Environmental dependence on acupoint detector 温度／℃ (湿度 45％) 湿度／％ (温度 23'12) T雷 口 目 18 23 45 65 平均值 ／V 0．569 878 8 0．558 667 7 0．558 667 7 0．569 366 上限值 ／V 0．619 952 6 0．630 441 2 0．630 441 2 0．618 964 下限值／V 0．461 441 6 0．421 441 5 0．421 441 5 0．505 591 5．3 穴位识别率与治疗 通过人体穴位识别治疗仪对人体穴位进行探测，得到的检测结果如表4所示。 表4 人体穴位识别率 Tab．4 Body acupuncture point recognition 治疗端输出电压为 16～22 V。可选择方波、三角波、锯齿波进行刺激治疗。 6 结 语 该系统经实际测试，运行效果良好。可对穴位与非穴位的识别测量。以SPCE061A为核心的MCU 处理器集成传统上的 AD和 DA，节省了单元、提高了运算速度，外围电路集成模块化，电磁干扰小， 计算精确，编程维护性强。通过层次分析法验证了系统阈值判决的可靠性。整体上治疗仪体积小，运行 快。使用者只需将探头触碰人体皮肤，系统能判断穴位和非穴位，然后操作面显示结果提示，实现了人 机交互，使用者能较为容易地操作。 参考文献： [1]魏建子，沈雪勇，王霆．穴位电阻的含义与测量 [J]．生物医学杂志，2006，23(3)：509-511． WEI Jian．zi，SHEN Xue yong，WANG Ting．The Resistance of Acupoint and Measurement[J]．Journal of Biomedical Engi— 第6期 李延泽，等：简易人体穴位识别治疗仪 615 neefing，2006，23 (3)：509-511． [2]刘堂义，杨华元，高明．穴位电特性探测存在的问题及新探测方法的设想 [J]．中国针灸，2007，27(1)：23—25． LIU Tang．yi，YANG Hua—yuan，GAO Ming．Problems in Traditional Acupoint Electric Characteristic Detection and Conception of New Acupoint Detection Method[J]．Chinese Acupuncture＆Moxibustion，2007，27(1)：23-25． [3]SAqTY T L．The Analytic Hierarchy Process[M]．New York：[S．n．]，1980． [4]李春好，孙永河 ，贾艳辉，等．变权层次分析法 [J]．系统工程理论与实践，2010，30(4)：723-731． LI Chun。hao，SUN Yong—he，JIA Yah—hui，et a1．Analytic Hierarchy Process Based on VariableVIreights[J]．Systems Engi— neefing—Theory&Practice，2010，30(4)：723-731． [5]IRFAN SYAMSUDDIN，JUNSEOK HWANG．The Application of AHP Model to Guide Decision Makers A Case Study of E— 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