集成中医舌诊的便携式家用健康监测仪_文秀静.pdf

2023 年 6 月 10 日第 7 卷 第 11 期现代信息科技Modern Information TechnologyJun.2023 Vol.7 No.111821822023.062023.06收稿日期：2023-03-20基金项目：中原科技创新领军人才（214200510013）；河南省高校重点科研项目(21A520052)；校内重大项目成果培育计划（K2020ZDPY02）集成中医舌诊的便携式家用健康监测仪文秀静1，宋晓炜1，2，洪琼1（1.中原工学院 电子信息学院，河南 郑州 450007；2.开封大学，河南 开封 475004）摘 要：舌诊可以用于疾病的预防和早期诊断，舌象很大程度上可以反映出我们的身体状况。针对无法及时出门就医或想要及时了解自己身体状况的人群设计一个集成中医舌诊的便携式家用健康监测仪。该监测仪以Mega2560为主控板，提供口罩识别、舌象诊断、体温测量和心率检测等功能；采用 YOLOv3 进行舌诊识别，具有较好的识别精度，可以较为准确地识别测试者的身体状况并给出相应的建议。关键词：舌诊；健康监测；预防疾病；YOLOv3中图分类号：TP183；TP391.41；TH77 文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2023）11-0182-04Portable Home Health Monitor with Traditional Chinese Medicine Tongue DiagnosisWEN 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 diseases 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;YOLOv30 引 言舌象在中医诊断中占有重要地位，它是通过对舌的形状、色泽、质地和其他特性的观察来判断人是否健康。由于人的舌头与全身各个部位都有一定的关系，所以对患者的舌部进行观察有助于医生了解患者身体各部位的健康状况。从中医理论来看，舌头被视为五脏六腑之海，舌象能展现人体内部的阴阳平衡、五脏六腑的功能状况，此外，舌象又与全身气血津液的运行密切相关。中医认为舌为脏腑经络投射区域，舌象可反映不同脏腑之状态。医生通过对患者舌象的观察，不仅能够对患者的某些病症做出明确的诊断，而且还能为其他相关症状提供一定的参考依据。故舌象之观察与分析在中医诊疗中具有举足轻重的作用。随着现代医学模式的转变，舌诊越来越受到医学界的重视，并逐渐应用于临床各科的诊疗当中。作为中医诊断中较为传统的手段，舌象具有如下重要性：1）疾病诊断。中医医生可通过观察患者舌头的形态、颜色和其他特点来判断患者的身体状况（包括患者内脏的功DOI:10.19850/ki.2096-4706.2023.11.042能情况、气血情况、疾病发展等），由此来判断患者是否患有什么病。2）判断病情。舌象可以反映疾病发展的各个阶段及病情严重程度，为中医临床医师提供重要的参考和依据。3）指导治疗。舌象也能用以引导中医医生拟定适当的治疗方案，例如，中医医生可透过患者舌头的色彩、质地及其他特点进行针灸、药物和其他处理方法的选择。4）预防保健。医生通过对患者舌象的观察与分析，能够及时发现患者可能出现的健康问题，由此采取相应的防治措施，做到未病先防、既病防变。总之，舌象是中医传统诊断技术之一，对疾病诊断、判断病情、指导治疗、预防保健等均具有重要的意义。近些年来，人工智能在医学领域中的应用越来越广泛，舌诊也概莫能外。采用人工智能技术可以对大量的舌象数据进行分析和处理，提取有效的特征信息，并利用机器学习和深度学习等技术建立高精度的舌诊诊断模型，为医生提供辅助诊断的工具。其中，基于图像处理技术的舌诊系统是应用比较广泛的一种。采用计算机视觉技术对舌头图像进行分析和处理，通过提取舌头形态、颜色、质地等特征，辅助医生进行舌诊分析和诊断。比如，通过深度学习算法训练出舌头颜色、苔膜等特征的分类器，这样就可以对舌头图像进行自动识别与分析。此外，基于人工智能技术的舌诊系统还可以1831832023.062023.06第 11期结合语音识别、自然语言处理等技术，实现对患者语音输入和自然语言描述的解析，从而更加全面地了解患者的病情。总的来说，应用人工智能技术可以提高舌诊的效率和准确性，为医生提供更为准确的诊断结果和治疗建议，为患者提供更加个性化和科学化的诊疗服务。本文针对无法及时出门就医或想要及时了解自己身体状况的人群设计一个集成中医舌诊的便携式家用健康监测仪。该设备提供口罩识别、舌象诊断、体温测量和心率检测等功能。其中，舌象诊断功能用于对测试者舌头的颜色和形状进行识别，并给出参考建议。将舌象诊断结果与测试者体温、心率相结合，能够对测试者的身体状况有一个简单的了解和判断。舌象很大程度上可以反映出我们的身体状况，舌诊对于疾病的判定也非常有意义。因此该辅助设备适应当下快节奏慢生活人之需要，具有很强的应用和推广价值。1 硬件设计与分析本设计的硬件包括 Mega2560 控制板及其扩展板，还有HuskyLens 模块、heart rate sensor 模块、中文语音合成模块、测温模块以及液晶显示屏等。Mega2560 控制板作为控制核心，通过与各个模块的连接来实现相关功能。系统结构框架图如图 1 所示。Mega2560控制板视觉识别模块测温模块Heart rate sensor模块液晶屏显语音播报图 1 系统结构框架图Arduino Mega25601是采用 USB 接口的核心电路板，具有 54 路数字输入/输出，适合需要大量 IO 接口的设计。其处理器核心是 ATmega2560，同时具有 54 路数字输入/输出口（其中 15 路可作为 PWM 输出，15 路模拟输入，4 路UART 接口，1 个 16 MHz 晶体振荡器，1 个 USB 口，1 个电源插座，1 个 ICSP header 和 1 个复位按钮）。视觉模块采用的是 HuskyLens，由于其功能完备，操作方便，体积小巧，本身具有 2.0 寸 IPS 显示屏的功能等，因此可满足本设计的需求。既能达到图像信号处理的目的，也能完成舌象的辨认。heart rate sensor 模 块 采 用 的 是 PPG（Photo Plethysmo Graphy）2，通过检测血液中血红蛋白随着心脏跳动吸收氧气的变化量来检测人的心率参数，这种方法具有较好的稳定性和适应性。本设计使用 GY-906 红外线温度计传感器。这款模块非常便宜，易于集成，支持带有 10K 上拉电阻的 I2C 接口。传感器的误差范围约为 0.5。语音合成模块使用了 SYN6288 中文语音合成芯片3，它是一种非常实用的语音合成芯片，对于日常生活中的常用文本都可以快速准确地播报出来。2 软件设计与流程主控制器模块对软件的整体性能发挥着十分重要的作用，既要汇总和分析各模块的信息，又要控制各模块做出相应响应。主控制程序流程图如图 2 所示。Mega2560控制板是否佩戴口罩？舌象判断扬声器播报类别与建议体温监测心率检测开始结束是否图 2 程序流程图将设备的插头插上电源即可开机启动，显示屏会亮屏并发出语音提示“健康检测仪开始工作”，用来提醒用户可以进行体检了，流程如下：1）设备首先检测用户是否佩戴口罩。检测过后，进入体检的下一步。2）口罩检测过后，体检机会语音播报“请拉下口罩，进行舌诊”。此时用户即可伸出舌头对准摄像头进行舌诊。体检机会播报用户所对应的舌象并给出相应的生活建议。3）接下来，语音提示“请将额头对准测温器”进行体温测量及播报。4）最后是进行心率的测量，将心率测量器贴近手指、手腕或耳垂等皮肤裸露处进行测量。其中识别模块所执行的识别任务分为口罩识别和舌诊识别。其中舌象的分类与特征如表 1 所示，数据集的部分图片如图 3 所示。表 1 舌诊分类及特征描述分类特征描述正常形状淡红舌 舌头形状正常，舌色正常正常形状白腻舌舌头形状正常，舌象为苔色白而厚，颗粒坚紧或疏松，可布满全舌，亦可边尖较薄，中、根部较厚正常形状薄黄舌 舌头形状正常，舌象为苔色黄而薄正常形状红绛舌舌头形状正常，舌色较正常，舌色鲜红，且颜色深暗，较红色更进一步正常形状青紫舌 舌头形状正常，舌体局部或全部呈青紫色正常形状瘀斑舌 舌头形状正常，舌体夹有青斑或紫斑裂纹红绛舌舌面上出现形状各异、深浅不一、数量不等的裂纹、裂沟，呈“人”“丨”“井”等形状，舌色较正常，舌色鲜红，且颜色深暗，较红色更进一步文秀静，等：集成中医舌诊的便携式家用健康监测仪1841842023.062023.06第 11期现代信息科技分类特征描述裂纹淡白舌舌面上出现形状各异、深浅不一、数量不等的裂纹、裂沟，呈“人”“丨”“井”等形状，舌色较正常，舌色浅淡，白多红少，甚至全无血色齿痕淡白舌舌头上有齿痕，舌体的边缘见牙齿的痕迹，舌色较正常，舌色浅淡，白多红少，甚至全无血色齿痕淡红舌舌头上有齿痕，舌体的边缘见牙齿的痕迹，舌色正常齿痕红绛舌舌头上有齿痕，舌体的边缘见牙齿的痕迹，舌色较正常，舌色鲜红，且颜色深暗，较红色更进一步图 3 舌诊数据集部分图片近些年来，深度学习算法在图像目标检测领域中的应用越来越广泛。随着人工智能技术的不断发展，各种新理论、新方法层出不穷，使得对图像目标检测的要求越来越高。我们通过对三种经典目标检测网络进行 mAP 值对比来选取合适的检测网络。使用 Pascal VOC 公共数据集进行训练，在训练时网络参数都设置为相同的值。在训练完成以后，对比三种检测算法的 mAP 值，如表 2 所示。表 2 三种检测算法的 mAP 值检测算法mAP/%Retinanet79.36M2Det79.91YOLOv385.45从表 2 中可以看出，YOLOv34的 mAP 值最高（即检测精度最高）。YOLOv3（You Only Look Once version 3）是一种基于深度学习的目标检测算法，可以快速而准确地检