集成中醫(yī)舌診的便攜式家用健康監(jiān)測儀

文秀靜　宋曉煒　洪瓊

摘? 要：舌診可以用于疾病的預(yù)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(yī)或想要及時了解自己身體狀況的人群設(shè)計一個集成中醫(yī)舌診的便攜式家用健康監(jiān)測儀。該監(jiān)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(jìn)行舌診識別，具有較好的識別精度，可以較為準(zhǔn)確地識別測試者的身體狀況并給出相應(yīng)的建議。

關(guān)鍵詞：舌診；健康監(jiān)測；預(yù)防疾病；YOLOv3

中圖分類號：TP183；TP391.41；TH77 ? 文獻(xiàn)標(biāo)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(yī)診斷中占有重要地位，它是通過對舌的形狀、色澤、質(zhì)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(guān)系，所以對患者的舌部進(jìn)行觀察有助于醫(yī)生了解患者身體各部位的健康狀況。從中醫(yī)理論來看，舌頭被視為五臟六腑之海，舌象能展現(xiàn)人體內(nèi)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(guān)。中醫(yī)認(rèn)為舌為臟腑經(jīng)絡(luò)投射區(qū)域，舌象可反映不同臟腑之狀態(tài)。醫(yī)生通過對患者舌象的觀察，不僅能夠?qū)颊叩哪承┎“Y做出明確的診斷，而且還能為其他相關(guān)癥狀提供一定的參考依據(jù)。故舌象之觀察與分析在中醫(yī)診療中具有舉足輕重的作用。隨著現(xiàn)代醫(yī)學(xué)模式的轉(zhuǎn)變，舌診越來越受到醫(yī)學(xué)界的重視，并逐漸應(yīng)用于臨床各科的診療當(dāng)中。作為中醫(yī)診斷中較為傳統(tǒng)的手段，舌象具有如下重要性：

1）疾病診斷。中醫(yī)醫(yī)生可通過觀察患者舌頭的形態(tài)、顏色和其他特點來判斷患者的身體狀況（包括患者內(nèi)臟的功能情況、氣血情況、疾病發(fā)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(fā)展的各個階段及病情嚴(yán)重程度，為中醫(yī)臨床醫(yī)師提供重要的參考和依據(jù)。

3）指導(dǎo)治療。舌象也能用以引導(dǎo)中醫(yī)醫(yī)生擬定適當(dāng)?shù)闹委煼桨福?，中醫(yī)醫(yī)生可透過患者舌頭的色彩、質(zhì)地及其他特點進(jìn)行針灸、藥物和其他處理方法的選擇。

4）預(yù)防保健。醫(yī)生通過對患者舌象的觀察與分析，能夠及時發(fā)現(xiàn)患者可能出現(xiàn)的健康問題，由此采取相應(yīng)的防治措施，做到未病先防、既病防變。總之，舌象是中醫(yī)傳統(tǒng)診斷技術(shù)之一，對疾病診斷、判斷病情、指導(dǎo)治療、預(yù)防保健等均具有重要的意義。

近些年來，人工智能在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用越來越廣泛，舌診也概莫能外。采用人工智能技術(shù)可以對大量的舌象數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，提取有效的特征信息，并利用機(jī)器學(xué)習(xí)和深度學(xué)習(xí)等技術(shù)建立高精度的舌診診斷模型，為醫(yī)生提供輔助診斷的工具。其中，基于圖像處理技術(shù)的舌診系統(tǒng)是應(yīng)用比較廣泛的一種。采用計算機(jī)視覺技術(shù)對舌頭圖像進(jìn)行分析和處理，通過提取舌頭形態(tài)、顏色、質(zhì)地等特征，輔助醫(yī)生進(jìn)行舌診分析和診斷。比如，通過深度學(xué)習(xí)算法訓(xùn)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(jìn)行自動識別與分析。此外，基于人工智能技術(shù)的舌診系統(tǒng)還可以結(jié)合語音識別、自然語言處理等技術(shù)，實現(xiàn)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(yīng)用人工智能技術(shù)可以提高舌診的效率和準(zhǔn)確性，為醫(yī)生提供更為準(zhǔn)確的診斷結(jié)果和治療建議，為患者提供更加個性化和科學(xué)化的診療服務(wù)。

本文針對無法及時出門就醫(yī)或想要及時了解自己身體狀況的人群設(shè)計一個集成中醫(yī)舌診的便攜式家用健康監(jiān)測儀。該設(shè)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(jìn)行識別，并給出參考建議。將舌象診斷結(jié)果與測試者體溫、心率相結(jié)合，能夠?qū)y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(shè)備適應(yīng)當(dāng)下快節(jié)奏慢生活人之需要，具有很強(qiáng)的應(yīng)用和推廣價值。

1? 硬件設(shè)計與分析

本設(shè)計的硬件包括Mega2560控制板及其擴(kuò)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(xiàn)相關(guān)功能。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(shù)字輸入/輸出，適合需要大量IO接口的設(shè)計。其處理器核心是ATmega2560，同時具有54路數(shù)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(fù)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(shè)計的需求。既能達(dá)到圖像信號處理的目的，也能完成舌象的辨認(rèn)。

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(shù)，這種方法具有較好的穩(wěn)定性和適應(yīng)性。

本設(shè)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(zhǔn)確地播報出來。

2? 軟件設(shè)計與流程

主控制器模塊對軟件的整體性能發(fā)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(yīng)響應(yīng)。主控制程序流程圖如圖2所示。

將設(shè)備的插頭插上電源即可開機(jī)啟動，顯示屏?xí)疗敛l(fā)出語音提示“健康檢測儀開始工作”，用來提醒用戶可以進(jìn)行體檢了，流程如下：

1）設(shè)備首先檢測用戶是否佩戴口罩。檢測過后，進(jìn)入體檢的下一步。

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

3）接下來，語音提示“請將額頭對準(zhǔn)測溫器”進(jìn)行體溫測量及播報。

4）最后是進(jìn)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(jìn)行測量。

其中識別模塊所執(zhí)行的識別任務(wù)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(shù)據(jù)集的部分圖片如圖3所示。

近些年來，深度學(xué)習(xí)算法在圖像目標(biāo)檢測領(lǐng)域中的應(yīng)用越來越廣泛。隨著人工智能技術(shù)的不斷發(fā)展，各種新理論、新方法層出不窮，使得對圖像目標(biāo)檢測的要求越來越高。我們通過對三種經(jīng)典目標(biāo)檢測網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行mAP值對比來選取合適的檢測網(wǎng)絡(luò)。使用Pascal VOC公共數(shù)據(jù)集進(jìn)行訓(xùn)練，在訓(xùn)練時網(wǎng)絡(luò)參數(shù)都設(shè)置為相同的值。在訓(xùn)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(xué)習(xí)的目標(biāo)檢測算法，可以快速而準(zhǔn)確地檢測出圖像中的目標(biāo)并對其進(jìn)行分類。相較于前代版本YOLOv2，YOLOv3在檢測速度和準(zhǔn)確率上都有了明顯的提升。YOLOv3的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)主要由三部分組成：

1）骨干網(wǎng)絡(luò)。采用DarkNet-53作為YOLOv3的骨干網(wǎng)絡(luò)，由53層卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)組成，可以提取圖像的高層次特征。

2）特征提取層。在骨干網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上，向YOLOv3中加入了三個特征提取層[5]，分別對應(yīng)著三個不同尺度的特征圖，用于檢測不同大小的目標(biāo)。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(qiáng)特征表達(dá)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(biāo)進(jìn)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(biāo)的檢測結(jié)果轉(zhuǎn)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(jié)果。

YOLOv3既快速又準(zhǔn)確，對小物體有較強(qiáng)的探測能力。其多尺度預(yù)測（借鑒了FPN的思路）是通過增加不同卷積層特征來實現(xiàn)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(shè)計中檢測部分用到的網(wǎng)絡(luò)是YOLOv3，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

3? 實驗與結(jié)果分析

系統(tǒng)開機(jī)只要連接上電源，就可以正常工作。需要先行訓(xùn)練戴口罩的數(shù)據(jù)集和11種舌頭類型的數(shù)據(jù)集。系統(tǒng)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(xù)增加，仍需做好相應(yīng)的防護(hù)措施，檢測到測試者已戴口罩才能繼續(xù)進(jìn)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(jìn)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(shè)備判斷舌頭類型并給出建議，如圖5（b）所示。設(shè)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(fēng)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(jìn)行溫度測量。顯示屏上也會顯示溫度的準(zhǔn)確數(shù)值。若溫度正常，舵機(jī)sg90就會閃爍綠光。舵機(jī)sg90閃爍綠光后，可以進(jìn)行心率的測量。將心率傳感器閃爍綠光的部位對準(zhǔn)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(shù)值。若測試者的心率超過額定數(shù)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(jié)果與體溫、心率相結(jié)合，使其對自己的身體狀況有一個簡單的了解和判斷。

4? 結(jié)? 論

本文的設(shè)計方案借鑒了中醫(yī)舌診的知識，將大部分人的舌象根據(jù)舌的形狀、舌色、舌質(zhì)分成了相關(guān)的十一類，并為每一類的舌象添加對應(yīng)的建議，便于測試者了解自己的身體狀況并進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)理和改善。裝置以Mega2560作為主控板，采用YOLOv3網(wǎng)絡(luò)模型對舌象進(jìn)行識別，結(jié)合測溫模塊和心率檢測模塊構(gòu)建一個集成中醫(yī)舌診的便攜式家用健康監(jiān)測儀。本裝置體積小，成本低，易操作，非常適合人們?nèi)粘Ｊ褂谩?/p>

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作者簡介：文秀靜（1997—），女，漢族，河南新鄉(xiāng)人，碩士研究生在讀，主要研究方向：計算機(jī)視覺、深度學(xué)習(xí)；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(jī)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(xué)習(xí)。

收稿日期：2023-03-20

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