手机平台上的中医四诊系统

【作 者】杨骏，刘静，刘冉

1 清华大学医学院生物医学工程系，北京市，100084

2 中国科学院理化技术研究所，北京市，100190

0 引言

中医是中华文明数千年智慧的结晶。一直以来，中医不仅帮助中华民族与疾病作斗争，也不断向世界各国传播，为人类的健康事业作出了巨大的贡献[1]。中医诊断学是中医理论的重要组成部分，主要包括诊法学和辩证学两部分。诊法学着重于对征象的识别，在于获取人体体征信息；而辩证学则强调对证候的辨别和综合分析，以此作出诊断结论[2]。中医常见的诊法包括望诊、闻诊、问诊、切诊，简称“四诊”。其具体内容为：① 望诊，是医生运用视觉观察患者的全身和局部的神色形态、舌象及排出物等，以了解病情；② 闻诊，是通过听患者的语言、呼吸等声音，嗅病体以及排泄分泌物的异常气味，以获得病情的资料；③ 问诊，是询问患者有关疾病的发生、发展情况，当前主要症状等，以进一步掌握病史；④ 切诊，则是切按压患者脉搏及病体的有关部位，以获取具体体征信息。总体而言，中医四诊是中医师用视觉、听觉、嗅觉和触觉等感官获取人体体征信息的方法。

我们知道，人类的感官具有不确定性和不可定量性，这是中医主观性的表现所在，也是其不被现代科学充分认可的原因之一。然而四诊的思想反映的是，人体的病变可以从多个角度加以探知，这一点恰恰值得现代医学遵循。在这种前提下，中医现代化得以被提出，并得到较快发展。其中，中医“舌诊仪”和“脉诊仪”已得到一定研究，并有相关产品问世。然而这些系统需要计算机等硬件设备，存在不便携带、成本高等缺憾。智能手机的出现和广泛使用，为现代医疗技术服务提供了新的解决思路。为此，本文提出利用Android智能手机和对应的辅助外设，实现望、闻、问、切四诊功能，一方面用以获取人体图像、视频、声音、气味、脉搏等信息，同时还能初步提供标准化的问诊项目，并对所获数据加以存储，以便为后续辩证提供重要数据。Android是一种以Linux为基础的开放源代码的嵌入式操作系统。来自市场研究机构Canalys的数据显示，在2011年智能手机整体出货量中， Android系统的智能手机所占份额高达48.76%[3]，系当前使用最为广泛的手机操作系统。这也是本文选择Android平台作为软件开发平台的原因之一。除此之外，Android系统相对其他主流手机操作的另一个优势在于，它是完全开源的智能手机操作系统，有助于对应技术的扩展和普及。

1 手机望诊功能的实现

望诊是中医师利用眼睛诊察病症的方法，也就是通过视觉感受人体神色形态，从中获取病症的方法。用现代的分析方法看，中医师获取的是人体颜色和形状的视觉信息。很显然，视觉信息就是图像或者视频（动态图像）。对于传统的望诊，中医师和患者必须同时同地点同在。若能实现中医师和患者在时间及空间上的分离，则可以利用智能诊断技术辅助中医师进行诊断，从而大大提高疾病诊断的效率，并节约医疗资源。本文编程实现了调用Android手机自带的摄像头传感器拍摄照片和视频，并将其保存到手机存储卡中，实际效果如图1所示。

图1 人体面部照片拍摄和查看示意Fig.1 Demonstration of picture taking and viewing of human face

手机望诊的质量很大程度上取决于手机所配置的摄像头传感器。这里使用的开发手机是HTC HD2（T-Mobile版），其最初的操作系统为微软Windows Mobile 6.5，为了开发程序，我们将其系统更换为Android，系统版本号2.3.7。HD2配置了500万像素的CMOS摄像头传感器，最大支持1290×2560分辨率24位真彩照片的拍摄，以及1280×720分辨率的视频拍摄。如下对此照片拍摄功能进行测试。

图2 手机拍摄的手臂照片Fig.2 Picture of forearm taken by mobile phone

图2是一张近距离(约5 cm)拍摄到的人体手臂照片，从整体上看图片颜色真实，视觉感清晰。可以看出，该不愿透露姓名的受试者手臂上有个类似痤疮的小斑点。由于原始照片大小为1290×2560图2(a)，因此还可将其放大进行详细观察。图2(b)给出了放大一定倍数后的小红斑及其附近区域，可以清晰的看出许多细节。这些情况表明，现代手机图像获取技术已足以不失真地获取人体面色和形状，可以承载中医望诊所需的各种信息。这也为后续发展类似的“舌诊仪”奠定了图像技术基础。

2 手机闻诊功能的实现

闻诊是指中医师借助听觉或嗅觉诊察疾病的方法，包含听声音和嗅气味两方面内容。如下对此分别予以实现。

2.1 听声音功能

中医认为人体发出的声音可以反映脏腑功能活动和气血津液的盛衰变化等，如能识别正常和非正常的声音，可为诊断提供可靠数据。听声音即将声音记录下来，通过编程调用手机内置的麦克风（MIC）传感器，可以实现该目的。录音界面（图3）有一个“Record”按钮，点击之后即可开始录音，并且能在其上方面板上显示录音的时长。再次点击，能够停止录音，并将记录的音频保存在手机存储卡特定的路径下。同时，该路径下的音频文件能够以列表方式展现在“Record”按钮下方。

图3 手机录音界面Fig.3 Mobile phone software interface for auscultation

上述录音的实现方法能够将记录到的声音保存为音频文件，方便将文件保留再次播放。通过手机编程还能读取手机MIC传感器记录的具体数值大小，这些数据即为音频的时域波形。为验证该功能，我们采用16 bit和8000 Hz采样率的录音参数，记录两段短促的不同声音的时域数据。将两段原始数据分别用Matlab截取了时长0.25 s的数据，也就是2000个采样点，并用Matlab绘制显示如图4。在时域上，可看到原始音频数据的波动，可以简单的理解为波动越大，记录的声音越高。不难看出，这两段短促的声响(图4(a)和图4(b))发生的时间点不同，其大小和持续时间也存在差别。为进一步展示出这两段音频在频率上的区别，可对其功率谱作相应计算，结果如图5(a)，图5(b)所示，可清晰看出这两段音频频率分布之间的显著差别。

图4 音频数据段Fig.4 Audio data segmeit

图5 音频数据段功率谱Fig.5 Power spectrum of audio data segment

2.2 嗅气味功能

所谓嗅气味是指利用嗅觉获取人体气味的相关信息，如种类和浓度大小等。人类的嗅觉能够广泛地感受各种有味气体，但并不能给出定量信息。因此有必要采用气味传感器对此予以量化。

图6 嗅气味方案硬件实物图Fig.6 Picture of hardware system for olfaction

嗅气味方案的实现借鉴了手机无线心电监测思路[4]。实现的基本流程为，将气味信息通过气味传感器转换为模拟电信号，再经过A/D模数转换成为数字信号，此后信号通过蓝牙以无线的方式发送给手机，并在其上实时显示。本文所实现的系统实物如图6所示。由此可见，该方案涉及到了除手机以外的硬件设备，如气味传感器、单片机和蓝牙等。控制A/D采样、蓝牙发送和显示等通过单片机端程序及手机接收端软件实现。接下来从硬件和软件对此进行介绍，并开展试验测评。

气味传感器也称为空气质量传感器。本文所采用的QS-01型号是一种二氧化锡半导体气体传感器，对各种空气污染源，如挥发性有机化合物（Volatile Organic Compounds）有很高的灵敏度，且响应时间较快。传感器采用塑料外壳，有3个引脚，可在较低功耗下表现出较好的感应特性。

关于单片机（MCU）开发板，本文采用由ATMEL公司研发的ATmega16L系列，其为8位AVR单片机，内置16K可编程ROM。

蓝牙无线收发模块使用的是市售的HX-07串口蓝牙模块。该模块之所以称之为串口蓝牙，是因其能以串口协议接收和发送数据。该模块基于蓝牙2.0协议，具有自适应跳频、高性能无线收发、体积小、功耗低和成本低等优点。

本文研制的软件系统包括单片机端程序和手机端程序。对于单片机端程序，使用开源工具WinAVR开发。WinAVR包含的编译器avr-gcc，是著名的开源编译器GNU Compiler Collection（GCC）的AVR平台移植版。单片机所完成的基本功能是A/D采样和数据发送。手机端程序基于Android操作系统，实现的功能主要有：查找外设蓝牙(图7(a))；连接蓝牙以及读取外设蓝牙发送数据；将数据实时显示在手机上，并将数据保存于手机的存储卡中（图7(b)）。

图7 嗅气味功能软件的实现Fig.7 Realization of software program for olfaction function

3 手机问诊功能的实现

问诊是指中医师对患者或其陪诊者进行有目的的询问，听取病情，以获得疾病的发生、发展信息。问诊在中医四诊中占有重要地位，可以弥补其他三诊无法提供的疾病信息，有助于更完整全面的了解病况。这是因为疾病的发生、发展、变化经过以及诊疗的过程，患者的自觉症状、个人生活史以及既往病史等只能通过患者自述来获得。问诊还是中医师与患者深入交流的机会，良好的询问方式能使患者与中医师建立信任，还能降低患者的顾虑，有利于疾病的诊疗。当然，本文关注的并非问诊的技巧，而是具体技术，即在手机上展示问诊的内容，以此获取疾病的病症信息。中医理论中有关于问诊内容的详细描述和说明，本文要实现的是将这些内容合理的展示于手机，供用户方便地使用。为此，我们设计了调查问卷式的问诊方案。在进入问诊之前需要建立个人健康档案的基本信息（图8）。这些信息保存在数据库中，以确保其安全，并保护个人隐私。相应数据能通过点击，显示隐藏的编辑框，加以更改。

图8 手机上的个人信息界面Fig.8 Personal information screen on mobile phone

中医中有若干种常见的问诊项目，包括问寒热、问汗、问疼痛、问头身胸腹不适、问饮食口味、问二便、问情绪、问睡眠、问男子、问女子以及问小孩儿等项目。问诊最简单的实现方式是提供输入框，让用户自行输入病症。考虑到手机输入速度的限制，以及输入的病症若无规范性不利于做自动诊断，因此本文使用了调查问卷的形式来实现问诊。以分类和细分的方式展现问诊项目及其子项目，用户只需要通过简单的点击就能完成问诊。通过点击“进入问诊”按钮(图8)就能到达问诊项目的分类界面，见图9(a)。该用户界面展现了常见的九种问诊项目，其中最后一项“问男子”是根据用户的性别自动选择的。也就是说，如果用户是女性的话，则会显示“问女子”的项目。

图9 问诊界面Fig.9 Inquiry interface of mobile phone software

在上述分类的基础上，继续细分每一条问诊项目，以期给出最详细的问诊结果。例如，点击按钮“问寒热”则会展示其所包含的子项目，见图9(b)。这个界面同时会给出“问寒热”的基本含义。用户选择适合自己病症的项目，只需点击一下即可。如果该项目还能继续细分，即还有子项目，程序能自动跳转到显示其子项目的界面，见图9(c)。程序能自动判断是否仍可继续细分，如果可以则继续展示其子项目，否则图9(c)会显示“确定”按钮，点击确定，则能将上述问寒热的结果保存在数据库中。

4 手机切诊功能的实现

所谓“切”，是指用手指触摸按压患者身体某些部位，以此获取疾病信息的诊断方法。通常情况下，切诊可以分为脉诊和按诊，最常见的是脉诊，指的是用手指按压患者腕后挠动脉搏动处，借以体察脉象变化。因此，切诊获取的是血流在血管中流动引起的波动信息。中医认为，脉象的形成与心脏的跳动、脉道的通顺和血气的盈亏直接相关。因此，当脉象出现异常时，则是某些疾病病症的具体体现，这是中医脉诊的理论基础。中医脉象归纳有八个脉象特征，如脉位、脉长等；有数十种脉象的分类，如平脉、数脉等。

被广泛研究的切诊是脉诊，因此本文也主要考虑脉诊的实现，下文中的切诊也仅指脉诊。切诊实际上获取的是脉搏波动的信息，例如常见的“脉诊仪”使用的“触觉感受器”，事实上也就是压力传感器。实际上，目前使用最多的脉搏波描记法，是所谓的光电容积脉搏波描记法，也就是光电脉搏波。光电脉搏波的原理在于，利用血液在组织中（如手指）的变化，来反映脉搏的信息。传统的光电容积脉搏波描记法需要一个由光源和光电传感器组成的传感器。光源发射一定频率的光，光电传感器接收出射光或反射光。由于血液对光的吸收等作用，当手指中血流量变化时，光电传感器接收到的光强发生变化，通过后续的处理电路，以此来描计脉搏波。传统的光电脉搏波描记法需要光源、光强感受器、单片机等硬件外设的辅助，才能实现脉搏波的描记。本文的出发点是使用手机自带的闪光灯作为补光的光源，利用手机的摄像头作为获取光强变化的传感器。可以想象，当把手指接触式地放在手机的摄像头前，同时打开闪光灯以增加光强。光透过手指进入手机摄像头传感器，当手指中血流变化时，摄像头传感器感受到的光强必定会产生变化。

通过编程，利用手机摄像头不断获取图像，由此计算图像强度的信息，可进一步描计脉搏波并以此来计算心率。以上三个步骤在手机程序上需要三个线程来实现（图10）。

主线程的操作包括摄像头传感器Camera初始化，开启Camera预览功能，并获取每一张预览的图像。Camera初始化主要包括设置预览图像的大小，预览的帧率即每秒多少帧，以及打开闪光灯增加光强。经过这些操作之后主线程处于等待状态，每获取一张预览图像就将其显示在手机界面上。当该线程接收到脉搏数据时将其以波形方式显示在坐标纸上，接收到心率数据时将其显示在手机界面上。

主线程每获取到一张图像，实际上是一个经过编码之后的图像数据数组，则将其加入到图像解析线程中。图像解析线程获取到数组后，计算图像灰度值的总和，并将其加入到心率计算线程。因为摄像头获取预览图像的速率并不是固定的，可能有微小的差异，因此图像解析线程还会将获取到数据的时间点加入到心率计算线程。

心率计算线程，首先会抛弃前约4 s的数据，然后将数据和时间点保存在两个数组中。对数据数组进行平移和压缩，平移操作是将数组中的数据减去当前的最小值，压缩是将平移后的数据压缩到0到255，这一点主要考虑到手机屏幕大小的限制。平移和压缩之后的数据就能返回到主线程，用以绘制图线。由于每两次获取图像的时间间隔并不完全一样，因此为了更准确的描述脉搏波，画图时需要考虑时间间隔的影响，而不是简单的等间隔画图。一般情况下，获取图像的时间间隔为数10 ms，因此使用每一个像素点对应10 ms来画图。例如，第一个点和第二个点时间间隔为50 ms，绘图时这两个在屏幕上间隔5个像素点。每更新若干个数据之后计算一次心率，返回到主线程，用以更新心率。

图10 切诊手机端程序线程结构Fig.10 Structure of the threads of mobile software for pulse-taking

图11 切诊使用方法和运行界面Fig.11 Mobile phone usage and software interface for pulse-taking

本文实现的手机切诊即手机描绘脉搏波的方案不需要辅助的硬件外设，直接使用手机自带的摄像头和闪光灯实现。用户使用时，只需要将手指贴放在手机的摄像头上，见图11(a)，就能实现脉搏波描记，并给出可供参考的心率。

切诊界面，见图11(b)，左上角框实际上是摄像头所获取的预览图像的显示，其右边的数字“68”表示计算出来的心率是68次，下方的图线为脉搏波的实时波形。从切诊界面，可见，该波形基本上反映了光电容积脉搏波所能测量的波形，因此具有一定的可靠性。

5 小结

望、闻、问、切四诊是中医师在缺乏现代医学仪器的情况下诊断病症的基本手段，体现了将人体作为一个整体来看待的思想。当人体处于疾病状态时，病症会以多种形式表现出来，因而完整的诊断应从多个角度加以感知。

本文从中医四诊的基本思想出发，对应实现了基于Android智能手机的望、闻、问、切数据采集和初步分析功能，展示了相应技术的应用价值。但仍有诸多问题有待展开，比如数据的规范性和有效性，以及数据挖掘和智能诊断等。中医博大精深，同时也具有一定主观性和不确定性。作为一项初步尝试，本文不期望能对此作全面系统的研究，因此在相应诊断事项上均做了一定简化，进一步的完善还有待于更多努力。

作者相信，随着时代的发展，个体化的健康管理将成为医疗卫生事业发展的必然[5]。随着手机软硬件技术的进步，以手机为平台的现代中医诊断与健康管理系统正在成为可能。

[1]周欣.中医药国际化的发展及趋势研究[D].广州: 广州中医药大学,2011

[2]王忆勤.中医诊断学[M].北京: 高等教育出版社,2006

[3]杨占海.2012年智能手机市场更趋成熟与普及[DB/OL]. http://article.pchome.net/content-1468961.html,2012-02-23.

[4]于洋,刘静.手机无线心电监测技术系统的实现及性能测评[J].中国医疗器械杂志,2010,34(6): 391-395.

[5]刘静,于洋,刘琳.手机平台上的生物医学工程学: 原理及应用[M].北京: 科学出版社,2011