CN109011140B - 一种多模式的智能电子针灸理疗仪 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多模式的智能电子针灸理疗仪，包括电刺激设备，所述电刺激设备包括微控制器，所述微控制器与脉冲变压器相连，所述微控制器用于控制脉冲变压器产生一交变的双极性脉冲序列并传输至电极，由电极来刺激人体相应穴位进行针灸理疗；人体相应穴位处还设置有压电式传感器，所述压电式传感器用于检测电刺激后穴位附近肌肉收缩状况转换成电信号并反馈至微控制器；所述微控制器还与主控制器相连，所述主控制器与云端服务器相连，所述云端服务器和主控制器内同时存储有客户信息数据库表。
Description
技术领域
本发明属于电子设备领域，尤其涉及一种多模式的智能电子针灸理疗仪。
背景技术
针灸是发源于中国的一种疾病理疗手段，距今已有5000多年的历史。根据中医理论，人体是一个完整统一的系统，各内脏之间由经络连接，生理上相互依存，病理上相互影响。针灸是通过一定强度的热、电流、压力等方式刺激经络上的穴位，可引起细胞的兴奋或产生动作电位，进而激发经络和各内脏的功能。同时，理疗师针对不同类型人群的穴位受到刺激后人体反应的不同，可做出对其身体状况及可能所患疾病的推测。
由于针灸具有理疗效果快、副作用小、适用症广泛等特点，作为一种常用手段已被广泛用于中医理疗体系中，逐渐成为一种理疗诊断各类疾病的辅助手段和预防疾病的保健手段。随着电子技术的发展，电刺激理疗及其设备由于具有无创性、理疗效果好、方便实施等优势正逐渐在临床上取代传统针灸。
然而，目前的电刺激理疗设备存在如下缺陷：
(1)中医针灸理疗师需要经过大量手法和诊断经验的培训才能对患者进行理疗。资质优秀的电子理疗师(简称理疗师)数量稀少，难以满足目前临床和保健行业对于大量优秀针灸理疗师的需要。
(2)目前商用及临床使用的电刺激装置往往只能调节刺激强度及动作频率，无法调整电子脉冲的局部频率，因而，无法对中医理疗过程中的手法进行完全模拟，理疗效果大打折扣。
(3)中医讲究个性化理疗，对于一种病症根据患者情况往往要同时刺激多组穴位，并且每组穴位给予不同的刺激幅度和刺激方式，依靠人力对多名患者的身体状况及理疗手法数据进行管理存在很大困难。
(4)目前市面上的电刺激理疗过程缺乏有效反馈，理疗师无法根据客户接受理疗时的情况总结规律从而协助诊断病情并给出客户合理的建议，这与中医讲求预防的理念相矛盾。
发明内容
为了解决现有技术的不足，本发明提供了一种多模式的智能电子针灸理疗仪，其能够有效解决目前现有设备及技术无法满足对理疗效果、数据管理和诊断病情分析需求的问题。
本发明的一种多模式的智能电子针灸理疗仪，包括电刺激设备，所述电刺激设备包括微控制器，所述微控制器与脉冲变压器相连，所述微控制器用于控制脉冲变压器产生一交变的双极性脉冲序列并传输至电极，由电极来刺激人体相应穴位进行针灸理疗；人体相应穴位处还设置有压电式传感器，所述压电式传感器用于检测电刺激后穴位附近肌肉收缩状况转换成电信号并反馈至微控制器；所述微控制器还与主控制器相连，所述主控制器与云端服务器相连，所述云端服务器内存储有客户信息数据库表，用户信息数据库也同时保存在主控制器中，在没有联网的情况下，使用主控制器中的数据库。
进一步的，脉冲变压器为升压脉冲变压器，其包括初级线圈和次级线圈，所述初级线圈分别通过相同的开关管电路与微控制器相连，所述开关管电路包括两个串联连接的晶体管。
其中，升压脉冲变压器通过对微控制器PWM接口进行编程产生一系列可调占空比及频率的方波序列，以控制晶体管的导通与关断，进而控制脉冲变压器初级线圈的得电与否。初级线圈在PWM高电平时得电，使变压器铁芯磁通量增大，而初级线圈在PWM低电平时失电，使变压器铁芯磁通量减小。根据电磁感应定律，磁通量的变化会产生感应电势，从而在每个初级线圈输入电压的跳变沿，脉冲变压器次级线圈处都能感应出一交变的双极性脉冲序列。
进一步的，所述电刺激设备还包括开启整个电刺激设备的脚踏开关以及选择手动/自动模式的模式开关。
其中，微控制器还与显示模块相连。在手动模式下，在操作电刺激设备中设置好相关理疗参数并下载到电刺激设备后，通过脚踏开关启动对患者的理疗，通过监控界面或者设备自身配置的显示模块监控本次理疗过程，并可手动调整理疗参数。
进一步的，所述微控制器还与蜂鸣器相连，所述蜂鸣器用于提示理疗的进度。
在自动模式下，通过设置好相关理疗参数后，通过脚踏开关开始理疗，电刺激设备通过电刺激效果检测及反馈装置自动调整理疗参数。电刺激设备单次理疗的设定时间到达后，自动切换到下一个穴位通道，所有的穴位通道执行完成后，电刺激设备中蜂鸣器响起，提示本次理疗结束。
进一步的，所述微控制器通过USB接口与主控制器相连。
进一步的，所述微控制器通过蓝牙通信接口与主控制器相连。
本发明的主控制器通过USB接口或蓝牙通信接口与电刺激设备的串行通信接口相连，实现与电刺激设备之间的通信。
进一步的，所述云端服务器还与客户端相连，所述客户端用于调取云端服务器内的客户信息数据库表及将客户信息输入至客户信息数据库表中。客户相关信息同时保存在主控制器中。
进一步的，所述云端服务器还被配置为：
根据客户的年龄、职业、地区、身体状况、每次理疗时的参数、接受理疗时的反馈信息和理疗后的情况信息来分别建立与客户唯一相对应的客户信息数据库表。
进一步的，所述云端服务器设置有访问权限设置模块，所述访问权限设置模块用于实现每个客户仅仅只能查询其自己对应的客户信息数据库表。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)本发明的多模式智能电子针灸理疗仪，通过电刺激设备的微控制器输出的占空比以及周期可调的脉冲使得电刺激设备具有连续和点刺两种刺激方式，能够模拟专业中医针灸理疗师的理疗手法。
(2)本发明的多模式智能电子针灸理疗仪的电刺激强度、动作频率和脉冲频率均在一定范围内连续可调，理疗自由度高。
(3)本发明利用云端数据库管理不同客户的信息和理疗参数，且云端数据库调用方便，能够减轻针灸理疗师的负担。在没有网络的情况下，使用主控制器中保存的用户数据库信息。
(4)本发明采用直接检测穴位处受到刺激后压力的变化对客户在理疗时的状态进行反馈，能够还原实际生活中针灸理疗师目前最常用的方法，获得的结果参考价值更高。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。
图1是多模式的智能电子针灸理疗仪的结构示意图；
图2是电刺激设备的结构示意图；
图3是电刺激设备的核心电路示意图；
图4是多模式的智能电子针灸理疗仪的工作流程图。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
图1是多模式的智能电子针灸理疗仪的结构示意图。
如图1所示，本发明的一种多模式智能电子针灸理疗仪，包括电刺激设备，如图2所示，所述电刺激设备包括微控制器，所述微控制器与脉冲变压器相连，所述微控制器用于控制脉冲变压器产生一交变的双极性脉冲序列并传输至电极，由电极来刺激人体相应穴位进行针灸理疗；人体相应穴位处还设置有压电式传感器，所述压电式传感器用于检测电刺激后穴位附近肌肉收缩状况转换成电信号并反馈至微控制器；所述微控制器还与主控制器相连，所述主控制器与云端服务器相连，所述云端服务器内存储有客户信息数据库表。
具体地，本发明将压电薄膜传感器贴在待测区域，由于穴位受到电刺激以后穴位附近的肌肉会收缩，压电薄膜会产生形变。压电薄膜的形变会转换成电信号从而实现刺激效果的检测。
其中，云端服务器还与客户端相连，所述客户端用于调取云端服务器内的客户信息数据库表及将客户信息输入至客户信息数据库表中。
所述云端服务器还被配置为：
根据客户的年龄、职业、地区、身体状况、每次理疗时的参数、接受理疗时的反馈信息和理疗后的情况信息来分别建立与客户唯一相对应的客户信息数据库表。
所述云端服务器设置有访问权限设置模块，所述访问权限设置模块用于实现每个客户仅仅只能查询其自己对应的客户信息数据库表。
如图3所示，电刺激设备的电路核心为一升压脉冲变压器，通过对微控制器PWM接口进行编程产生一系列可调占空比(D)及频率(f)的方波序列，以控制晶体管的导通与关断，进而控制脉冲变压器初级线圈的得电与否。初级线圈在PWM高电平时得电，使变压器铁芯磁通量增大，而初级线圈在PWM低电平时失电，使变压器铁芯磁通量减小。根据电磁感应定律，磁通量的变化会产生感应电势，从而在每个初级线圈输入电压的跳变沿，脉冲变压器次级线圈处都能感应出一交变的双极性脉冲序列。
在电刺激设备中，通过对微控制器PWM接口编程，不仅可以控制PWM的占空比(反映到理疗效果中，代表强度)和周期(频率)，而且可以控制PWM信号的有无，从而可以实现两种输出模式：连续模式和点刺模式。点刺模式可以模拟针灸理疗师的点刺手法。
其中，电刺激设备包含手动/自动模式设置开关和脚踏开关，在手动模式下，在操作电刺激设备配套计算机软件中设置好相关理疗参数并下载到电刺激设备后，理疗师通过脚踏开关启动对患者的理疗，通过计算机软件中的监控界面或者设备自身配置的液晶显示模块监控本次理疗过程，并可手动调整理疗参数。
在自动模式下，理疗师通过计算机软件设置好相关理疗参数后，通过脚踏开关开始理疗，电刺激设备通过电刺激效果检测及反馈装置自动调整理疗参数。电刺激设备单次理疗的设定时间到达后，自动切换到下一个穴位通道，所有的穴位通道执行完成后，电刺激设备中蜂鸣器响起，提示本次理疗结束。
本发明中的主控制器可采用计算机来实现。
其中：计算机通过USB接口或蓝牙通信接口与电刺激设备的串行通信接口相连，实现与电刺激设备之间的通信。
计算机的软件组成部分包括登录界面，本地用户信息数据库，客户管理系统，参数设置系统，监控界面，与电刺激设备和云服务器的通信软件接口。
在每次理疗时，如果电刺激设备连入互联网，则软件先与云服务器中的云端数据库建立通信以同步数据，并检索本次待理疗的客户是否为新客户，若为新客户，则在本地和云端数据库内建立新客户的数据库表。若为老客户，软件则从云端数据库中下载并在软件界面中显示聚类器给出的建议本次理疗的最佳参数，理疗师可根据经验对参数做适当调整。
如果电刺激设备没有连入互联网，则软件在本地用户数据库中检索本次待理疗的客户是否为新客户，若为新客户，则在本地数据库内建立新的数据库表。
若为老客户，则软件将本地数据库中该客户以往接受理疗时的参数在软件界面中显示。在理疗师设置完毕本次理疗的参数后，软件将参数下传至电刺激设备，开始本次理疗并将理疗过程显示在监控界面上。
理疗结束后，软件更新本地数据库表，在电刺激设备连入互联网的情况下将更新后的本地数据库表上传至云端数据库，完成对云端数据库的更新。软件工作流程图如图4所示。
理疗过程中，理疗师要在施加压力的同时，对接受理疗的人的反应和身体状况进行初步诊断，从而调整自己的手法。这个过程是通过理疗师自己的触觉进行完成的，而本发明采用压电薄膜传感器，将受刺激后穴位附近肌肉收缩状况转换为电信号，通过适当的电路处理后将这个电信号反馈给微控制器，从而自动调整理疗参数，代替理疗师的整个过程。本发明采用压电薄膜传感器检测人体穴位处肌肉收缩力度和压力变化情况将客户接受理疗时的反应情况反馈给电刺激设备。电刺激设备基于反馈信号和云端服务器内的聚类器给出的最佳参数建议自动调整其刺激参数，最大限度地确保在保证客户在理疗时的舒适程度下使理疗效果最优化。
云端数据库：云端数据库在电刺激设备连入互联网的情况下，与本地数据库通过电刺激设备配套计算机软件进行数据库间的通信。云端数据库在云服务器上针对不同患者单独建立数据库表，对其年龄、职业、地区、身体状况、每次理疗时的参数、接受理疗时的反馈信息、理疗后的情况进行管理。患者可通过访问云服务器对其数据库表进行访问，且每一患者无法访问其他患者的数据库表。理疗师具有最高权限，能够访问所有患者的数据库表。
聚类器：聚类器在从云端数据库表中提取合理特征的前提下，对大量不同类型客户的数据进行数据挖掘和聚类分析，实现从大量数据中发现隐含的、有效的、有价值的模式，在联网模式下将结果传至电刺激设备配套计算机软件，为理疗师提供疾病诊断决策的依据和下一次理疗的最佳参数建议。
采用CURE(clustering using representatives)算法，对云端数据库中的数据进行聚类，采用抽样技术先对数据集D随机抽取样本S，再采用分区技术对样本进行分区，然后对每个分区局部聚类，最后对局部聚类进行全局聚类。步骤如下：
A：对数据库中的数据集D进行随机抽样，得到一个样本S
从N个记录中随机取出n个取样记录(蓄水池采样法)的步骤如下：
1.从N个记录中找出第N-n+1条记录。将第N-n+1条记录前的n条记录选出作为初始样本S’。
2.从第N-n+1条记录开始，对初始样本S’做下列操作。设当前处理的是第t个记录(n+1≤t≤N)，u是产生的一个随机数(u∈(0，t-1))，若u<n，则把初始样本S’中第u个记录替换成N个记录中的第t个记录。
3.重复2，至t＝N，将经过2.处理后的样本记为S。
B：将样本S分成p个分区，每个分区大小为在每个分区内作层次聚类，直到分区内的簇的个数为/>q>1。创建初始聚类簇。
层次聚类的步骤如下：
1.初始化，将分区内每个数据视为一个聚类簇。
2.计算任意两个聚类簇之间的距离；每次选取距离最小的两个聚类簇，其中，距离指欧式距离。
3.合并2.中选择的两个聚类簇作为新的聚类簇，并删除被合并的两个原聚类簇。
4.重复2，3至聚类簇的个数为个。
C：在每个聚类簇中，找出尽可能分散的k个代表点。
在聚类簇M中找出k个代表点的步骤如下：
1.在聚类簇M中任取一点k1。
2.找出在聚类簇M中离k1距离最远的点，记为k2，其中，距离指欧氏距离。
3.找出在聚类簇M中同时距离点k1，k2最远的点k3。
4.在3的基础上，依次类推，至总点数为k。
D：对每个簇选择出的k个代表点，通过系数α向簇中心收缩，其中0<α<1。
E：遍历整个数据库中数据集的所有点p，将其放到与之距离最近的聚类簇中，其中，距离指该点到聚类簇的代表点之间的欧氏距离。
如图4所示，本发明的多模式智能电子针灸理疗仪的工作原理和过程为：
1.电刺激设备初始化：理疗师操作电刺激设备面板手动/自动开关，设置手动模式或自动模式。理疗师操作电刺激设备配套计算机软件，设置电刺激设备参数。
2.电刺激设备根据参数产生相应强度和频率的电压脉冲信号来完成对人体穴位的刺激理疗过程。
3.电刺激设备在理疗过程中采用压电式传感器，通过检测人体穴位受到刺激后穴位处肌肉压力变化情况实时调节电刺激设备参数和理疗模式。
4.电刺激设备在联网模式下，通过互联网将本次理疗数据上传至云端，对每个客户在云端数据库中单独管理。
5.聚类器对大量客户的理疗数据进行数据挖掘和聚类分析，并将分析结果通过联网模式下的电刺激设备配套软件发送给理疗师，为理疗师提供疾病诊断决策的依据和下一次理疗时的最佳参数建议。
下面以一次对肩周炎患者的理疗过程为例。
手动模式下，对患者肩周炎的理疗步骤为：
1.理疗师或客户将电刺激设备各输出通道电极放置在患者风池穴、天柱穴、肩耦穴、肩贞穴、天宗穴处皮肤表面，静卧等待理疗。
2.理疗师通过操作电刺激设备及其配套软件，开始对患者进行理疗。
理疗师操作的具体步骤为：
(a)在软件登录界面输入其用户名和密码，通过检验后，进入客户管理系统。
(b)设置客户本次理疗参数(包括理疗部位，穴位，电刺激强度，模式，通断时间，次数等)。本例参数为每次点刺通电3秒钟，断2秒钟。点刺100～200次。
(c)将电刺激设备面板上手动/自动开关设置为手动模式，利用设备上的脚踏开关对客户实施理疗，并通过监控界面监控本次理疗过程和调整理疗参数。
3.理疗师将本次理疗数据上传到本地数据库对应客户的数据库表中，在联网模式下用本地数据库信息更新云端数据库，为客户下一次理疗做准备。
自动模式下，对客户肩周炎的理疗步骤为
1.理疗师或客户将电刺激设备各输出通道的电极和压电式传感器放置在患者风池穴、天柱穴、肩耦穴、肩贞穴、天宗穴处皮肤表面，静卧等待理疗。用信号线连接刺激效果检测装置与电刺激设备。
2.理疗师通过操作电刺激设备及其配套软件，开始对患者进行理疗。
理疗师操作的具体步骤为：
(a)在软件登录界面输入其用户名和密码，通过检验后，进入客户管理系统。
(b)设置客户本次理疗参数(包括理疗部位，穴位，电刺激强度，模式，通断时间，次数等)。本例参数为每次点刺通电3秒钟，断2秒钟。点刺100～200次。
(c)将电刺激设备面板上手动/自动开关设置为自动模式，利用设备上的脚踏开关开始客户本次理疗过程，理疗过程参数由连接着压电式传感器的电刺激设备自动调节。
(d)等待电刺激设备单次理疗的设定时间到达，电刺激设备蜂鸣器响起，本次理疗结束。
3.理疗师将本次理疗数据上传到本地数据库对应客户的数据库表中，在联网模式下用本地数据库信息更新云端数据库，为客户下一次理疗做准备。
本发明利用聚类器和数据挖掘的思想对大量客户的理疗数据进行分析并总结规律，能够弥补不同针灸理疗师经验上的差距，提高整个行业的总体理疗效果。
本发明的多模式的智能电子针灸理疗仪，通过电刺激设备的微控制器输出的占空比以及周期可调的脉冲使得电刺激设备具有连续和点刺两种刺激方式，能够模拟专业中医针灸理疗师的理疗手法。
本发明的多模式智能电子针灸理疗仪的电刺激强度、动作频率和脉冲频率均在连续范围内可调，理疗自由度高。
本发明利用云端数据库管理不同客户的信息和理疗参数，且云端数据库调用方便，能够减轻针灸理疗师的负担。
本发明采用直接检测穴位处受到刺激后压力的变化对客户在理疗时的状态进行反馈，能够还原实际生活中针灸理疗师目前最常用的方法，获得的结果参考价值更高。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。
Claims (9)
1.一种多模式的智能电子针灸理疗仪，其特征在于，包括电刺激设备，所述电刺激设备包括微控制器，所述微控制器与脉冲变压器相连，所述微控制器用于控制脉冲变压器产生一交变的双极性脉冲序列并传输至电极，由电极来刺激人体相应穴位进行针灸理疗；人体相应穴位处还设置有压电式传感器，所述压电式传感器用于检测电刺激后穴位附近肌肉收缩状况转换成电信号并反馈至微控制器；
所述脉冲变压器为升压脉冲变压器，包括初级线圈和次级线圈，所述初级线圈分别通过相同的开关管电路与微控制器相连，所述开关管电路包括两个串联连接的晶体管；升压脉冲变压器通过对微控制器PWM接口进行编程产生一系列可调占空比及频率的方波序列，以控制晶体管的导通与关断，进而控制脉冲变压器初级线圈的得电与否；初级线圈在PWM高电平时得电，使变压器铁芯磁通量增大，而初级线圈在PWM低电平时失电，使变压器铁芯磁通量减小；根据电磁感应定律，磁通量的变化会产生感应电势，从而在每个初级线圈输入电压的跳变沿，脉冲变压器次级线圈处都能感应出一交变的双极性脉冲序列；在电刺激设备中，通过对微控制器PWM接口编程，控制PWM的理疗强度、频率和PWM信号的有无，实现两种输出模式：连续模式和点刺模式；
所述微控制器还与主控制器相连，所述主控制器与云端服务器相连，所述云端服务器和主控制器内同时存储有客户信息数据库表；
聚类器从云端数据库表中提取特征，对大量不同类型客户的数据进行数据挖掘和聚类分析，实现从大量数据中发现隐含的、有效的、有价值的模式，在联网模式下将结果传至电刺激设备配套计算机软件；采用CURE算法，对云端数据库中的数据进行聚类，采用抽样技术先对数据集D随机抽取样本S，再采用分区技术对样本进行分区，然后对每个分区局部聚类，最后对局部聚类进行全局聚类。
2.如权利要求1所述的一种多模式的智能电子针灸理疗仪，其特征在于，所述压电式传感器采用压电薄膜传感器。
3.如权利要求1所述的一种多模式的智能电子针灸理疗仪，其特征在于，所述电刺激设备还包括开启整个电刺激设备的脚踏开关以及选择手动/自动模式的模式开关。
4.如权利要求1所述的一种多模式的智能电子针灸理疗仪，其特征在于，所述微控制器还与蜂鸣器相连，所述蜂鸣器用于提示理疗的进度。
5.如权利要求1所述的一种多模式的智能电子针灸理疗仪，其特征在于，所述微控制器通过USB接口与主控制器相连。
6.如权利要求1所述的一种多模式的智能电子针灸理疗仪，其特征在于，所述微控制器通过蓝牙通信接口与主控制器相连。
7.如权利要求1所述的一种多模式的智能电子针灸理疗仪，其特征在于，所述云端服务器还与客户端相连，所述客户端用于调取云端服务器内的客户信息数据库表及将客户信息输入至客户信息数据库表中。
8.如权利要求1所述的一种多模式的智能电子针灸理疗仪，其特征在于，所述云端服务器还被配置为：
根据客户的年龄、职业、地区、身体状况、每次理疗时的参数、接受理疗时的反馈信息和理疗后的情况信息来分别建立与客户唯一相对应的客户信息数据库表。
9.如权利要求8所述的一种多模式的智能电子针灸理疗仪，其特征在于，所述云端服务器设置有访问权限设置模块，所述访问权限设置模块用于实现每个客户仅仅只能查询其自己对应的客户信息数据库表。
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