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(duì)無(wú)法及時(shí)出門(mén)就醫(yī)或想要及時(shí)了解自己身體狀況的人群設(shè)計(jì)一個(gè)集成中醫(yī)舌診的便攜式家用健康監(jiān)測(cè)儀。該監(jiān)測(cè)儀以Mega2560為主控板，提供口罩識(shí)別、舌象診斷、體溫測(cè)量和心率檢測(cè)等功能；采用YOLOv3進(jìn)行舌診識(shí)別，具有較好的識(shí)別精度，可以較為準(zhǔn)確地識(shí)別測(cè)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(cè)；預(yù)防疾?。籝OLOv3

中圖分類(lèi)號(hào)：TP183；TP391.41；TH77 ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：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(guò)對(duì)舌的形狀、色澤、質(zhì)地和其他特性的觀察來(lái)判斷人是否健康。由于人的舌頭與全身各個(gè)部位都有一定的關(guān)系，所以對(duì)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(lái)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(yáng)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(yùn)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(guò)對(duì)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(lái)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(guò)觀察患者舌頭的形態(tài)、顏色和其他特點(diǎn)來(lái)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(lái)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(gè)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?，例如，中醫(yī)醫(yī)生可透過(guò)患者舌頭的色彩、質(zhì)地及其他特點(diǎn)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(guò)對(duì)患者舌象的觀察與分析，能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)患者可能出現(xiàn)的健康問(wèn)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(duì)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(lái)，人工智能在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，舌診也概莫能外。采用人工智能技術(shù)可以對(duì)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(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)對(duì)舌頭圖像進(jìn)行分析和處理，通過(guò)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(guò)深度學(xué)習(xí)算法訓(xùn)練出舌頭顏色、苔膜等特征的分類(lèi)器，這樣就可以對(duì)舌頭圖像進(jìn)行自動(dòng)識(shí)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(yǔ)音識(shí)別、自然語(yǔ)言處理等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)患者語(yǔ)音輸入和自然語(yǔ)言描述的解析，從而更加全面地了解患者的病情?？偟膩?lái)說(shuō)，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(gè)性化和科學(xué)化的診療服務(wù)。

本文針對(duì)無(wú)法及時(shí)出門(mén)就醫(yī)或想要及時(shí)了解自己身體狀況的人群設(shè)計(jì)一個(gè)集成中醫(yī)舌診的便攜式家用健康監(jiān)測(cè)儀。該設(shè)備提供口罩識(shí)別、舌象診斷、體溫測(cè)量和心率檢測(cè)等功能。其中，舌象診斷功能用于對(duì)測(cè)試者舌頭的顏色和形狀進(jìn)行識(shí)別，并給出參考建議。將舌象診斷結(jié)果與測(cè)試者體溫、心率相結(jié)合，能夠?qū)y(cè)試者的身體狀況有一個(gè)簡(jiǎn)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(duì)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(jià)值。

1? 硬件設(shè)計(jì)與分析

本設(shè)計(jì)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(yǔ)音合成模塊、測(cè)溫模塊以及液晶顯示屏等。Mega2560控制板作為控制核心，通過(guò)與各個(gè)模塊的連接來(lái)實(shí)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(jì)。其處理器核心是ATmega2560，同時(shí)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(gè)16 MHz晶體振蕩器，1個(gè)USB口，1個(gè)電源插座，1個(gè)ICSP header和1個(gè)復(fù)位按鈕）。

視覺(jué)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(mǎn)足本設(shè)計(jì)的需求。既能達(dá)到圖像信號(hào)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(guò)檢測(cè)血液中血紅蛋白隨著心臟跳動(dòng)吸收氧氣的變化量來(lái)檢測(cè)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(jì)使用GY-906紅外線(xiàn)溫度計(jì)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(yǔ)音合成模塊使用了SYN6288中文語(yǔ)音合成芯片[3]，它是一種非常實(shí)用的語(yǔ)音合成芯片，對(duì)于日常生活中的常用文本都可以快速準(zhǔn)確地播報(bào)出來(lái)。

2? 軟件設(shè)計(jì)與流程

主控制器模塊對(duì)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(kāi)機(jī)啟動(dòng)，顯示屏?xí)疗敛l(fā)出語(yǔ)音提示“健康檢測(cè)儀開(kāi)始工作”，用來(lái)提醒用戶(hù)可以進(jìn)行體檢了，流程如下：

1）設(shè)備首先檢測(cè)用戶(hù)是否佩戴口罩。檢測(cè)過(guò)后，進(jìn)入體檢的下一步。

2）口罩檢測(cè)過(guò)后，體檢機(jī)會(huì)語(yǔ)音播報(bào)“請(qǐng)拉下口罩，進(jìn)行舌診”。此時(shí)用戶(hù)即可伸出舌頭對(duì)準(zhǔn)攝像頭進(jìn)行舌診。體檢機(jī)會(huì)播報(bào)用戶(hù)所對(duì)應(yīng)的舌象并給出相應(yīng)的生活建議。

3）接下來(lái)，語(yǔ)音提示“請(qǐng)將額頭對(duì)準(zhǔn)測(cè)溫器”進(jìn)行體溫測(cè)量及播報(bào)。

4）最后是進(jìn)行心率的測(cè)量，將心率測(cè)量器貼近手指、手腕或耳垂等皮膚裸露處進(jìn)行測(cè)量。

其中識(shí)別模塊所執(zhí)行的識(shí)別任務(wù)分為口罩識(shí)別和舌診識(shí)別。其中舌象的分類(lèi)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(lái)，深度學(xué)習(xí)算法在圖像目標(biāo)檢測(cè)領(lǐng)域中的應(yīng)用越來(lái)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(duì)圖像目標(biāo)檢測(cè)的要求越來(lái)越高。我們通過(guò)對(duì)三種經(jīng)典目標(biāo)檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行mAP值對(duì)比來(lái)選取合適的檢測(cè)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(shí)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(duì)比三種檢測(cè)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(cè)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(cè)算法，可以快速而準(zhǔn)確地檢測(cè)出圖像中的目標(biāo)并對(duì)其進(jìn)行分類(lèi)。相較于前代版本YOLOv2，YOLOv3在檢測(cè)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(gè)特征提取層[5]，分別對(duì)應(yīng)著三個(gè)不同尺度的特征圖，用于檢測(cè)不同大小的目標(biāo)。這三個(gè)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(cè)層。最后，YOLOv3通過(guò)三個(gè)不同尺度的特征圖，對(duì)圖像中的目標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)和分類(lèi)。每個(gè)檢測(cè)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(cè)層會(huì)將每個(gè)目標(biāo)的檢測(cè)結(jié)果轉(zhuǎn)化為邊界框、類(lèi)別概率和置信度等信息，通過(guò)非極大抑制（NMS）算法篩選出最終的檢測(cè)結(jié)果。

YOLOv3既快速又準(zhǔn)確，對(duì)小物體有較強(qiáng)的探測(cè)能力。其多尺度預(yù)測(cè)（借鑒了FPN的思路）是通過(guò)增加不同卷積層特征來(lái)實(shí)現(xiàn)的，通過(guò)FPN實(shí)踐，既使用不同特征圖單獨(dú)檢測(cè)又對(duì)不同尺度特征圖融合后重新檢測(cè)。因此本設(shè)計(jì)中檢測(cè)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(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

系統(tǒng)開(kāi)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(lèi)型的數(shù)據(jù)集。系統(tǒng)先檢測(cè)被測(cè)試者是否佩戴口罩，若測(cè)試者未佩戴口罩，則提示“未帶口罩請(qǐng)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(cè)到測(cè)試者已戴口罩才能繼續(xù)進(jìn)行接下來(lái)的檢測(cè)。

口罩檢測(cè)通過(guò)后，測(cè)試者摘下口罩伸出舌頭進(jìn)行舌診。伸舌時(shí)要自然，口盡量張大使舌體充分暴露。如伸舌過(guò)分用力或舌體緊張、蜷曲，都會(huì)影響舌頭的氣血運(yùn)行而引起舌色改變。設(shè)備判斷舌頭類(lèi)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(cè)試者測(cè)完舌頭后，會(huì)聽(tīng)到“請(qǐng)將額頭靠近測(cè)溫器”的提示，此時(shí)測(cè)試者按照語(yǔ)音將手腕或者額頭靠近測(cè)溫器，進(jìn)行溫度測(cè)量。顯示屏上也會(huì)顯示溫度的準(zhǔn)確數(shù)值。若溫度正常，舵機(jī)sg90就會(huì)閃爍綠光。舵機(jī)sg90閃爍綠光后，可以進(jìn)行心率的測(cè)量。將心率傳感器閃爍綠光的部位對(duì)準(zhǔn)手臂上的血管，如圖5（c）所示。等待一會(huì)兒，便可以聽(tīng)到語(yǔ)音播報(bào)“您的心率為×××”。測(cè)量心率時(shí)屏幕上會(huì)顯示具體的數(shù)值。若測(cè)試者的心率超過(guò)額定數(shù)值會(huì)提醒“心率過(guò)快”。

通過(guò)以上的流程，測(cè)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(duì)自己的身體狀況有一個(gè)簡(jiǎn)單的了解和判斷。

4? 結(jié)? 論

本文的設(shè)計(jì)方案借鑒了中醫(yī)舌診的知識(shí)，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(lèi)，并為每一類(lèi)的舌象添加對(duì)應(yīng)的建議，便于測(cè)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(duì)舌象進(jìn)行識(shí)別，結(jié)合測(cè)溫模塊和心率檢測(cè)模塊構(gòu)建一個(gè)集成中醫(yī)舌診的便攜式家用健康監(jiān)測(cè)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(jiǎn)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(jì)算機(jī)視覺(jué)、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(jì)算機(jī)視覺(jué)；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(xiàng)目：中原科技創(chuàng)新領(lǐng)軍人才（214200510013）；河南省高校重點(diǎn)科研項(xiàng)目（21A520052）；校內(nèi)重大項(xiàng)目成果培育計(jì)劃（K2020ZDPY02）