电气学院工学硕士嵌入式中医经脉理疗仪的研究谷应平.docx
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电气学院工学硕士嵌入式中医经脉理疗仪的研究谷应平
学校代号10536学号0810503323
分类号TP216密级公开
硕士学位论文
嵌入式中医经脉理疗仪的研究
学位申请人姓名谷应平
培养单位长沙理工大学
导师姓名及职称徐学军教授
学科专业电路与系统
研究方向智能信息处理与应用
论文提交日期2011年4月10日
学校代号：
10536
学号：
0810503323
密级：
公开
长沙理工大学硕士学位论文
嵌入式中医经脉理疗仪的研究
学位申请人姓名谷应平
导师姓名及职称徐学军教授
培养单位长沙理工大学
专业名称电路与系统
论文提交日期2011年4月10日
论文答辩日期2011年5月18日
答辩委员会主席黎福海教授
StudyofAnembeddedChinesemedicaltherapeuticapparatus
by
GuYingping
B.E.（HunanBusinessCollege）2006
AThesissubmittedinpartialsatisfactionofthe
Requirementsforthedegreeof
MasterofEngineering
in
DisciplineofCircuitandSystem
in
ChangshaUniversityofScience&Technology
Supervisor
ProfessorXuXuejun
April,2011
长沙理工大学
学位论文原创性声明
本人郑重声明：
所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。
除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。
对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。
本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。
作者签名：
日期：
年月日
学位论文版权使用授权书
本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。
本人授权长沙理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。
同时授权中国科学技术信息研究所将本论文收录到《中国学位论文全文数据库》，并通过网络向社会公众提供信息服务。
本学位论文属于
1、保密□，在______年解密后适用本授权书。
√
2、不保密□。
（请在以上相应方框内打“√”）
作者签名：
日期：
年月日
导师签名：
日期：
年月日
摘要
中医是中华民族几千年来防治疾病理论和实践的结晶，具有显著临床疗效；但存在抽象、晦涩等特点，难以借助仪器实现自动诊断和治疗。
嵌入式系统是以实际应用为目标，以计算机技术为基础，软硬件可裁剪，对功能、成本、体积、功耗及可靠性等有严格要求的专用计算机系统。
基于嵌入式系统有望实现智能、便携的中医治疗仪器。
论文根据中医诊断治疗的“四诊合参”原则，结合嵌入式技术，研究一种针对中医治病的专用智能系统。
系统通过摄像头、触摸屏和多传感器对中医的“四诊”信息源进行采集，经智能信息处理后，自动控制理疗仪的相关部件，实现中医治疗的多种疗效。
论文实现了嵌入式中医经脉理疗仪的软硬件整体设计。
在硬件设计方面，设计了系统硬件的组成原理架构，详细研究了理疗仪的脉象输入系统和理疗输出系统；开发了理疗仪核心板和扩展板上的各个模块电路。
在软件方面，根据中医理论搭建交叉编译环境，详细研究了bootloader、系统内核、根文件系统的裁剪和移植，开发了嵌入式中医经脉理疗仪的特定系统软件和特定硬件驱动程序；基于QT设计了图形化应用软件的数据采集、数据处理、输出控制等模块，基于Matlab和嵌入式数据库SQLite的交叉混合编程，实现理疗仪功能，并具有良好人机交互界面。
最后，基于天祥电子ARM920T2440开发板和PC宿主机测试和验证了嵌入式中医经脉理疗仪的有效性。
关键词：
中医；脉象；中医经脉理疗仪；嵌入式系统；ARM；
ABSTRACT
ThetraditionalChinesemedicineisthecrystallizationofthepreventionandcureofdiseasestheoryandpracticeinthethousandsofyearsforChinesenation,hastheremarkableclinicalcurativeeffect.Butwiththecharacteristicsofabstractionandobscuration,itisdifficulttorealizebytheinstrumenttorealizingautomaticdiagnosisandtreatment.Embeddedsystemusedpracticalapplicationforthetarget,takenthecomputertechnologyasthefoundation,withsoftwareandhardwarebeencut,isakindofstrictspecializedcomputersystemforthefunction,reliability,cost,volume,powerconsumption,etc.It’spossibletorealizetheintelligent,portableTCM（TraditionChineseMedicine）treatmentinstrumentsbasedonembeddedsystems.
ThisstudyaimstoresearchatypeofspecialintelligencesysteminChinesemedicinecurebytheembeddedtechnologyonthebasisofthefourdiagnosticsprinciple.Inthesystemthediagnosticinformationiscollectedbytoolsofthecamera,thetouchscreenandkindsofsensorsandthenitisintelligentlyprocessed,therelatedcomponentsareautomaticallycontrolledhopingtorealizethemulti-curativeeffectsoftheTCM.
ItishasbeenrealizedthewholedesignofthehardwareandsoftwarefortheembeddedChinesemedicinetreatmentmachineinthispaper.Intermsofhardware,ithasbeendesignedthehardwarecompositionprincipleofarchitecture,thepulseinputsystemandphysicaltherapyoutputsystemaswellaseachmodulecircuitofthecoreandexpansionboard.Insoftware,akindofcross-compilingenvironmenthasbeenbuiltaccordingtothetraditionChinesemedicinetheory.Thebootloader,systemkernel,rootfilesystemhavebeencutandtransplantedandthesystemsoftwareandcertainspecifichardwaredriverhavealsobeendesigned.ThegraphicalapplicationisdesignedbythetoolofQTcontributingtoawellhuman-machineinterface,thedataacquisition,dataprocessing,outputcontrolmodulesinapplicationaredesignedbycombiningwiththeMatlabandSQLitedatabase.Finally,theeffectivenessofthesystemhasbeenverifiedbythecrossingtestoftheTianXiangelectronicARM920T2440developmentboardandPChostmachine.
KeyWords:
Chinesemedicine;Pulsecondition;TCM;Embeddedsystem;ARM;
目录
摘要I
ABSTRACTII
第一章绪论
1.1课题来源1
1.2中医诊脉仪器的现状和发展趋势2
1.3研究意义和主要工作5
1.4论文结构5
第二章整体设计思想
2.1嵌入式系统知识简介7
2.1.1嵌入式系统7
2.1.2嵌入式微处理器8
2.1.3嵌入式系统开发方法8
2.2脉象信号9
2.3理疗仪整体设计10
2.3.1理疗仪采用嵌入式设计的依据10
2.3.2系统硬件构筑11
2.3.3软件模块分析12
2.4本章小结12
第三章硬件设计
3.1理疗仪微处理器选型13
3.2理疗仪硬件设计原理14
3.2.1脉象输入系统15
3.2.2理疗输出系统16
3.3电路设计18
3.3.1核心板电路设计19
3.3.2存储器电路21
3.3.3扩展板电路设计24
3.4本章小结28
第四章系统软件
4.1设置交叉编译环境29
4.2BootLoader裁剪和移植31
4.2.1BootLoader的启动过程分析31
4.2.2常见BootLoader32
4.2.3BootLoader裁剪和移植33
4.3内核裁剪和移植34
4.4根文件系统37
4.4.1理疗仪所需的根文件系统内容38
4.4.2创建理疗仪的根文件系统39
4.5理疗仪驱动程序设计41
4.5.1LCD驱动42
4.5.2ADC驱动42
4.6本章小结43
第五章应用开发与系统调试
5.1信号和槽机制44
5.2开发环境搭建45
5.3应用程序开发和调试45
5.4.1应用软件设计原理45
5.4.2应用软件设计47
5.4.3应用程序调试56
5.5本章小结57
第六章总结与展望
参考文献60
致谢63
附件A攻读学位期间发表的学术论文64
第一章绪论
1.1课题来源
现代社会健康这个理念是无处不在，无时不有，无论国际推崇的预防医学，还是中国传统观念的最高中医境界治未病思想，都希望能依赖现代科学技术如物流网之类的观念提升人类健康。
中医重视人与自然和谐发展，强调辨证论治的个体化诊疗医学思想，在当今医学模式转变过程中，显示出更加明显的优势和特色。
中医是中华民族几千年来防治疾病实践经验和理论总结的结晶，具有系统理论与丰富实践经验和显著临床疗效，是生命科学中体现中国人文精神特点的一个重要领域。
然而由于它抽象、晦涩，诸多理论都是停留在医生的经验之上。
存在几千年的中医是该“扬”还是该“废”？
自从西方现代医学传入中国之后这个问题就没有停止过论争。
纵观分析，大多是文化哲人和医学工作者站在不同的角度进行斗争。
作为一个信息科学与计算机技术工作者，希望能运用现代信息科学技术对信息科学与生命科学的进一步交融做一点工作。
随着科技不断进步，各种新型技术相继问世，其中嵌入式技术的发展极大的改善了人们的生活质量。
很重要的一个原因就是它充分的利用了现有资源，对软硬件进行紧密结合，针对不同领域设计专有系统，同时使该系统具有智能和方便携带的特性。
传统中医如果能利用嵌入式技术实现其治疗方式的客观化、科学化、智能化和便携式，将会对中医的发展有很大现实意义，对人体生命科学领域有着重大意义。
因此，如何实现中医治疗技术的现代化，使中医专家系统能客观化、智能化和便携式便成了中医、计算机等学科之间的一个重要的跨学科课题。
中医治疗以“四诊合参”为其治疗依据。
所谓“四诊”，其含义就是“望闻问切”。
嵌入式中医经脉理疗仪以中医治病的“四诊合参”原则为基础，对中医的治疗实现客观化、科学化。
论文主要研究“四诊”中的“切”脉的实现。
“切”也就是通常所说的诊脉，又叫脉诊。
脉诊是传统中医判断病情的重要方式之一[1]。
两千多年来，经过诸多医学家反复实践，不断发展成今天的脉象学。
脉象学是一门采集和分析脉象变化从而探究人体五脏六腑健康状况的学问。
早在公元三世纪，我国的《脉经》就记载了最早的脉象学知识，是脉象学发展史上的一个里程碑[2]。
《古今医通》中曾记录：
脉为医之关键，不辩证则无以论治。
然而，脉诊很抽象，导致了它是一门难度大的学问，同时也使得脉象学在教学过程中难易表达，临床脉诊时分歧也较多。
西晋王叔和在《脉经》中曾这样描述：
“脉理精微，其体难辨……在心易了，指下难明”。
这些因素严重阻碍了世界各国对中医特别是诊脉的认识，不利于中医的发展。
因此针对中医经脉治疗的仪器的出现便越来越受到人们的欢迎。
然而，早期由于科技不发达，实现中医经脉治疗仪器的处理器工作频率不高，整体功能不强，难以实现智能化。
在实现同样复杂功能时，设计起来难度很大，体积也庞大，因此，智能化、便携式成了衡量现代新产品是否先进的重要因素。
1.2中医诊脉仪器的现状和发展趋势
先进科学技术促进西方医学的发展，特别是西医诊断设备，然而中国的脉学理论和方法却少有突破，缺乏时代气息。
传统的中医脉诊很大程度上存在着个人主观性，导致在心电图、B超、X光透视、CT、核磁共振等先进设备层出不穷并不断更新之时，中医的脉诊以及相关仪器却发展缓慢。
随着现代科学日新月异的发展，脉诊客观化势在必行。
在西医学、生物学、工程学、力学、数学、电子学等多学科不断向中医领域渗透的趋势下，近来脉诊客观化的研究在多方面取得了进展，主要研究领域体现在仪器研制、临床研究、参数分析等方面，而探索中医脉诊仪器的客观化、规范化方法，成为中医临床研究的重要课题[3]。
诊脉是我国传统中医诊治中独具特色的诊断方式，有其特有的内涵和久经考验的客观效果，使其能历经千年而不衰。
自20世纪50年代初，我国有许多医学界乃至其他学科的学者，对脉学理论、脉学客观化、临床诊断和实验研究等方面进行了科学研究，并做出了艰辛的努力，开展了大量的工作，对脉象形成机制及生理病理等方面有了较深认识，为脉诊客观化研究奠定了一定基础。
而脉象仪是脉诊客观化研究工作的先导，是临床脉诊客观化的基础。
1860年，法国vierordt制造了第一台杠杆式脉搏描记仪研究脉象，使诊脉研究进入示波图阶段，但受当时科技水平的限制，进展不大。
1953年日本藤田六朗教授用麦杆法、电振法和羽毛法试图使脉诊客观化，并详细讨论了其结果和经络动向的一致性[4]。
20世纪50年代初朱颜将脉象仪引用到中医脉诊的客观化研究方面[5]。
石山仁，等利用手术的胶皮手套，把半导体应变计贴于手指部位，作为检测脉搏波的脉波计[6]。
此后，国内在研制中医经脉仪器方面进展很快，尤其是70年代中期，北京、天津、上海等地相继成立了跨学科的经脉研究协作组，多学科共同合作，使中医经脉研究工作进入了一个新的阶段。
八十年代初，李景唐研制出MX-5型多功能中医脉象仪，该仪器设计出27种脉象图谱，但未见后继报道[7]。
1984年台湾汪叔游教授做了大量工作，在把电子计算机运用到脉诊研究方面做了巨大贡献[8]。
1985年浙江大学科仪系的郑行一，研制出一种多维脉象检测系统。
该系统采用压电薄膜PVDF作为传感材料，在手指有效接触面积上制作了7x3敏感点阵，由此设计出21路脉象换能器，在寸、关、尺的三个不同位点，同时描记出63道压力脉图，对脉搏进行多维分析，使脉象研究从波式图阶段进入声像图阶段，并建立了计算机联机脉图处理系统，更准确地反映脉象的各种变化[9]。
自改革开放以来，各种中医理疗仪器如雨后春笋般出现，不断推动理疗学的进步和发展，但随之而来的也有诸多新问题出现：
1.仪器的数量种类繁多，难以选择哪种仪器最有效；
2.质量良莠不齐。
八十年代初，仪器品种增多，但诸多新仪器质量却不尽人意。
有的仪器用不了多久便报废，像音乐电疗仪的耳机跟它的名称就不合，播放音乐时不能治疗，只好在无音乐的情况下治疗。
这怎么能称得上是音乐电疗呢?
传感器技术的发展，给经脉理疗仪器带来了新的血液。
它可以更方便、更客观地实现脉搏信息采集。
随后，国内外相继研制出多种性能各异的经脉理疗仪。
这些经脉理疗仪区别最大的是不同传感器的使用。
传感器可分为压电式、压阻式、电磁式、光电容积式等多种。
根据传感器种类的不同出现了如下几种经脉理疗仪器：
1.MX-11型脉诊仪。
它采用HXM-3C型换能传感器作为固定应变单探头，可以根据脉搏波的频率和振幅以及节奏来综合判断脉象信息，能对脉管施加25-100克的不同压力。
2.BYS-14型心电脉图仪。
采用硅杯脉搏传感器BYS-14，直径为5mm圆形触头，灵敏度很高。
硅杯脉搏传感器触头为向外突出的软膜，与受测部位的皮肤能保持良好的接触，而且触头面积较大，硅杯受力面积较小。
通过压缩弹簧传感器压迫关脉部位，施加50、70和90克的压力，作为浮、中、沉三种取法，脉搏压力经传压膜和硅油传至硅杯，当硅杯受力时，其上的电阻阻值发生变化，转化为对应的电压形成压力脉图。
因此，描记出的脉图既有良好的重复性，又有较高的灵敏度。
3.ZM-1型脉图仪。
硬件由ZM-1型采用单头换能器充当脉象采集部分，系统有软件界面系统和用户者交互。
系统能自动判读所测脉象的“位、数、形、势”，确定中医脉名，推算出受检者的生理年龄、提出心血管系统的功能状态等信息。
4.WD-I型脉象仪。
传感器由青铜片和半导体应变片组成，可将脉搏的搏动信号变换成电信号，并连接计算机，对脉象图进行初步的定量分析和处理。
当脉管周期性搏动作用于触头，使半导体应变片发生形变，从而使电阻值发生相应的变化。
实现半导体应变片把脉搏的波动信号变换成电信号，通过电子仪器记录并描记压力脉图。
因此，这类刚性触头经常出现触头的机械中心不能与脉管中心完全重合的现象，在操作中就需要特别注意触头中心要与脉管中心重合。
5.无创脉波记录仪。
它使用应变式压电传感器测量切脉压力，通过压电式传感器记录脉象信息，将三组换能器固定在一个特制的手套中，通过手指变换压力来记录一脉或三脉，但多脉信息记录之时，误差较大。
使用集成度、精度不高的传感器和工作频率不高的处理器所实现的理疗仪器有如下的问题：
1.信息不全。
脉象形成机理复杂，所包含的信息非常丰富。
它与血管结构特性（血管弹性、血管硬度等）、皮肤组织、管外肌肉、血液特性（血液粘稠度、血流量等）、血液循环系统特性等多种因素都有关，靠功能简单的传感器和工作频率不高的处理器来对采集信息进行处理来实现高效的理疗仪器并非易事。
2.采集方式单一，不能全面表达脉象特征。
中医诊脉时，要根据具体情况定位布指，总按与单按结合，不断调节指力，在整个诊察过程中，是推理辩证与取脉结合进行，而现有的脉象仪不但采用功能受限的传感器来采集，同时传感器的种类也不多，不能进行多种信息同时采集并融合高效处理，自然不能做出适应性的调整。
而且当前脉诊仪大部分只能实现压力脉搏图的描记及分析，得到的信息很片面，虽然传感器已经很发达，但仍然不能实现预期目标。
3.可重复性较差，从而导致诊脉仪测得的数据有一定的误差。
由于存储器的制造技术受限，难以造出容量大、性能稳定、价格可观的存储系统，因此在理疗仪中对存储器的使用受到很大限制，造成可重复性差。
4.诊脉仪的数据精度、测试的重复性、描记的稳定性能以及足够的灵敏度等无法同时具备，往往是顾此失彼，所以上述的指标对诊脉仪很重要，缺一不可。
21世纪，“生物、心理、社会”新医学模式的产生，带动了整个医药卫生工作观念的变化，人们在关心治病的同时，开始把更多的注意力，放到面向广大健康和亚健康人群的保健、预防和疾患的治疗与康复上，放到如何为提高人的生活质量和生命质量服务上。
我国医疗器械需求迅速膨胀，已成为继美国和日本后世界第三大医疗器械市场，成为带动全球市场增加的主要区域。
这就给物理康复与诊疗技术提出了新的更高的需求，扩大了传统理疗的内涵。
主客观因素推动了智能型、便携式、低功耗、低成本的新型理疗设备的出现。
新型集成化的传感器的出现，使理疗仪器的精度和有效性均上了一个新台阶。
数字技术把中医诊脉仪器的精度、分辨力与测量速度更是提高了几个数量级，为实现测试自动化打下了良好的基础。
计算机的引入，使仪器的功能发生了质的变化，从个别参量的测量转变成测量整个系统的特征参数，从单纯的接受、显示转变为控制、分析、处理、计算与显示输出，从用单个仪器进行测量转变成用测量系统进行测量。
人工智能新技术，计算技术、自然语言处理技术、数据挖掘技术、先进图像获取与处理技术等，将脉象理疗仪器的研制进一步推向智能方向，从而使脉诊客观化研究更上一层楼。
特别是嵌入式技术的产生，更是给理疗仪器的研制带来了新的研发途径。
嵌入式技术在中医领域的应用，不但对脉诊的研究更具有客观性和具体化，同时使得便携式成为可能[10]。
中医理疗仪器的发展趋势是从医院的检验科进入医生的办公室，进而步入家庭，为病人提供便利；技术的发展推动了便携式医疗终端的应用，使患者在家中或外出时可以随时使用医疗设备。
重新全面深入研究传统中医脉诊学，充分理解传统脉诊方法的真谛，从根本上为脉象仪获取全面的客观脉象信息和脉诊客观化研究奠定坚实的基础，从而有效结合中医和嵌入式技术二者的长处，研制出更具现实意义的理疗诊断仪器。
1.3研究意义和主要工作
课题研究的意义旨在设计一种智能的嵌入式中医经脉理疗仪，系统集传感器、摄像头、触摸屏、高性能微处理器、嵌入式操作系统，应用程序于一体，全面实现中医智能诊断、八纲辩证与科学理疗的目的。
本研究主要实现中医治疗四诊中的“切”脉。
系统把采集到的脉象信息进行智能处理，根据处理后的数据控制确定输出部件所能模拟中医治疗的多种治疗效果。
课题的主要工作有：
研究了嵌入式系统以及脉象信息，并给出了嵌入式中医经脉理疗仪的软、硬件设计。
在硬件设计过程中，对微处理器的选型，硬件设计原理作了详细研究，并重点研究了输入采集和输出部件。
根据实际需求，使用模块化设计方式把硬件电路的设计分为
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