集成中医舌诊的便携式家用健康监测仪

文秀静　宋晓炜　洪琼

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）11-0182-04

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、药物和其他處理方法的选择。

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。

Arduino Mega2560[1]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。

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。

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。

从表2中可以看出，YOLOv3[4]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测出图像中的目标并对其进行分类。相较于前代版本YOLOv2，YOLOv3在检测速度和准确率上都有了明显的提升。YOLOv3的网络结构主要由三部分组成：

1）骨干网络。采用DarkNet-53作为YOLOv3的骨干网络，由53层卷积神经网络组成，可以提取图像的高层次特征。

2）特征提取层。在骨干网络的基础上，向YOLOv3中加入了三个特征提取层[5]，分别对应着三个不同尺度的特征图，用于检测不同大小的目标。这三个特征提取层分别包含1×1卷积层、3×3卷积层和1×1卷积层，用于降低特征图的维度和增强特征表达能力。

3）检测层。最后，YOLOv3通过三个不同尺度的特征图，对图像中的目标进行检测和分类。每个检测层都包含了1×1卷积层、3×3卷积层和最后的全连接层。检测层会将每个目标的检测结果转化为边界框、类别概率和置信度等信息，通过非极大抑制（NMS）算法筛选出最终的检测结果。

YOLOv3既快速又准确，对小物体有较强的探测能力。其多尺度预测（借鉴了FPN的思路）是通过增加不同卷积层特征来实现的，通过FPN实践，既使用不同特征图单独检测又对不同尺度特征图融合后重新检测。因此本设计中检测部分用到的网络是YOLOv3，网络结构图如图4所示。

3  实验与结果分析

系统开机只要连接上电源，就可以正常工作。需要先行训练戴口罩的数据集和11种舌头类型的数据集。系统先检测被测试者是否佩戴口罩，若测试者未佩戴口罩，则提示“未带口罩请检查”，反之则提示“已戴口罩”，如图5（a）所示。目前流感病例仍在持续增加，仍需做好相应的防护措施，检测到测试者已戴口罩才能继续进行接下来的检测。

口罩检测通过后，测试者摘下口罩伸出舌头进行舌诊。伸舌时要自然，口尽量张大使舌体充分暴露。如伸舌过分用力或舌体紧张、蜷曲，都会影响舌头的气血运行而引起舌色改变。设备判断舌头类型并给出建议，如图5（b）所示。设备给出的建议如“您的舌象为正常形状白腻舌，建议您避免风寒湿冷，注意保暖；饮食清淡，忌肥甘厚味、生冷食品；戒烟酒，劳逸适度”。被测试者测完舌头后，会听到“请将额头靠近测温器”的提示，此时测试者按照语音将手腕或者额头靠近测温器，进行温度测量。显示屏上也会显示温度的准确数值。若温度正常，舵机sg90就会闪烁绿光。舵机sg90闪烁绿光后，可以进行心率的测量。将心率传感器闪烁绿光的部位对准手臂上的血管，如图5（c）所示。等待一会儿，便可以听到语音播报“您的心率为×××”。测量心率时屏幕上会显示具体的数值。若测试者的心率超过额定数值会提醒“心率过快”。

通过以上的流程，测试者可以将舌象诊断的结果与体温、心率相结合，使其对自己的身体状况有一个简单的了解和判断。

4  结  论

本文的设计方案借鉴了中医舌诊的知识，将大部分人的舌象根据舌的形状、舌色、舌质分成了相关的十一类，并为每一类的舌象添加对应的建议，便于测试者了解自己的身体状况并进行相應的调理和改善。装置以Mega2560作为主控板，采用YOLOv3网络模型对舌象进行识别，结合测温模块和心率检测模块构建一个集成中医舌诊的便携式家用健康监测仪。本装置体积小，成本低，易操作，非常适合人们日常使用。

参考文献：

[1] 牛犇，朱文章，沈汉鑫，等.基于ATmega2560的多传感器红外遥控智能LED控制器 [J].照明工程学报，2015，26（5）：37-41.

[2] 郭和飞.红外测温仪与热像仪的藻红外急性毒性测试比较研究 [D].重庆：重庆大学，2015.

[3] 孙海波，齐顺利，孙平，等.智慧医疗系统设计与实现 [J].网络安全技术与应用，2021，250（10）：130-131.

[4] 赵甜甜，王梦娇，谢韬，等.基于LD3320的语音识别车配虚拟人系统的设计 [J].信息化建设，2016，215（4）：329.

[5] 彭继慎，孙礼鑫，王凯，等.基于模型压缩的ED-YOLO电力巡检无人机避障目标检测算法 [J].仪器仪表学报，2021，42（10）：161-170.

作者简介：文秀静（1997—），女，汉族，河南新乡人，硕士研究生在读，主要研究方向：计算机视觉、深度学习；宋晓炜（1978—），男，汉族，山西大同人，教授，博士，主要研究方向：图像处理、计算机视觉；洪琼（1999—），女，汉族，安徽黄山人，硕士研究生在读，主要研究方向：深度学习。

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）