新型耳穴检测系统的研制.doc

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1、新型耳穴检测系统的研制*宫琴1,2，陈曦1，刘京雷1，关添2，彭诚2（1清华大学生物医学工程系北京100084；2清华大学深圳研究生院生物医学工程研究中心深圳518055）摘要：耳廓上分布着的耳穴与人体的内脏器官在形态上往往呈现”投影”的相似对应关系。当人体器官出现病症或在患病早期时，可导致与患病器官相对应的特定耳穴上呈现电阻降低等病理性阳性反应。目前存在的耳穴检测仪功能单一，缺乏对耳穴电阻值的定量测量、统计分析和对耳穴电阻值地形图的伪彩色图像的直接表征；而且，缺乏对解剖分区和神经分区内的穴位点电阻值的统计处理和穴位所对应的器官及神经功能的综合分析诊断。设计研发了新型耳穴检测系统，实现了用3种

2、不同功能对人体耳穴阻值的定量检测；对解剖分区和神经分区的耳穴阻值分别进行统计计算和分析；另外，利用伪彩色图像的方法表征出了耳穴等阻值区间的分布图，为临床的定量、直观检测提供了方便。关键词：耳穴电阻；耳穴检测；解剖分区；神经分区；伪彩色图像中图分类号：TH776R318文献标识码：A国家标准学科分类代码：310.61Development of new type auricular point detection systemGong Qin1,2, Chen Xi1, Liu Jinglei1, Guan Tian2, Peng Cheng2(1 Department of Biomedica

3、l Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084, China; 2 Research Center ofBiomedical Engineering, Graduate School at Shenzhen, Tsinghua University, Shenzhen 518055, China)Abstract：Auricular points on the auricle have projection and similarity relationships with the internal organs. When a perso

4、n is sick or in the early stage of illnesses, low resistance and other abnormal appearances can be found on the auricular points that have corresponding relationships with the diseased organs. Now most auricular point detection instruments have many disadvantages, such as single detection function a

5、nd lacking of quantitative auricular point resistance measurement, statistic analysis and visual display of equal resistance range using pseudo-color image. Moreover, most current detection instruments can not carry out statistic analysis of auricular point resistance in the anatomic and neural suba

6、reas. We designed a new type of auricular point detection system. The new system implements three different functions for measuring the resistance quantitatively, calculating and analyzing the resistance values in the anatomic and neural subareas statistically. In addition, it can display the auricu

7、lar points with equal resistance range using pseudo-color image. The new system provides quantitative and visualized results for clinical detection.Key words：auricular point resistance; auricular point detection; anatomic subarea; neural subarea; pseudo-color mapping1引言收稿日期：2009-03Received Date：2009

8、-03*基金项目：国家自然科学基金(60871083)、北京市自然科学基金(3082012)资助项目人体耳廓上分布着大量能反映人机体生理功能和病理变化的小的部位区域，称为耳穴。耳穴是耳廓皮肤表面与人体脏腑、经络、组织器官、四肢百骸相互沟通的部位，也是脉气输注的所在1，中医可通过这些信息进行疾病的诊断和治疗。耳廓上分布着的耳穴与人体的内脏器官在形态上往往呈现“投影”的相似对应关系，在耳廓前的外侧面上，耳穴的排列像一个在子宫内倒置的胎儿，头部器官所对应的耳穴位于耳廓朝下的部位，臀部及四肢器官所对应的耳穴位于耳廓朝上的部位，胸部及躯干的器官所对应的耳穴位于耳廓的中间部位，这就是人体的耳穴图。当人的脏

9、腑、四肢、百骸、五官等器官患病时，即可导致与脏腑相应的耳穴及其特定耳穴呈现病理阳性反应，如电阻值改变，出现变色、变形、血管变化、丘疹、脱屑等2。大量的研究工作证明了耳穴电阻特性具有反映病变的特异性和多元性的特征1-3。以食道癌的检测和诊断为例，耳穴的电阻R、电容C和电位E能够反映食道癌病变。经统计分析，癌病组和对照组相比，耳穴“食道区”的电特性3个变量均具有显著差异，这表现了耳穴的特异性。此外，除食道区外，还有贲门、胃、肝、胰胆、肾、交感和肿瘤特区等9个耳穴，部分变量也具有显著性。即在癌病变脏器相应穴位之外还存在多个穴位，以不同程度的显著性反应癌病变。这提示耳穴反应癌病变的特异性存在多元性和复

10、杂性4。因此，可以通过检测耳穴电阻的异常进行疾病的诊断；耳穴电阻值提供了一个对人体器官疾病进行早期定量诊断的方法。耳穴检测系统是根据人体患病时耳穴电阻降低的原理设计的。可通过检测低电阻及超低电阻区耳穴的位置，给出低电阻区耳穴所对应的人体生理器官的诊断信息，以便用于对人体器官疾病的早期诊断和身体健康状况的大规模普查，期望在多发病及癌症的普查筛选等领域中有特定的诊断价值和发展潜力。耳穴检测方法具有客观、无损、快速、无副作用等特点，而且对于老人、小孩、精神敏感者、惧痛的患者均适用。目前存在的耳穴检测仪大多采用灯光和声音来定性表示耳穴电阻值与基准点阈值之间的相对定性关系（大于或小于阈值），功能单一，缺

11、乏对耳穴电阻值的定量测量和统计分析。而且最主要的是，缺乏对全部及部分耳穴电阻值的分布区间图像的直观显示，从而为临床的定量、直观的检测、诊断带来不便。为了适应临床检测的定量性和直观性的需要，本文设计研发的新型耳穴检测系统，实现了用3种不同功能对人体耳廓上的耳穴阻值进行定量检测和统计分析；并采用三角形面片的方法来表征耳穴电阻分布的地形图的伪彩色图像，为临床的定量、直观检测提供了方便5。2新型耳穴检测系统的组成和功能5新型耳穴检测系统由硬件和软件两部分组成，系统组成框图如图1所示。图1耳穴检测系统组成框图Fig.1 Block diagram of the auricular point detec

12、tion system系统硬件主要负责信号的获取和发送，即检测得到耳穴电阻值，并将测量结果发送给计算机。和其他的生物电阻抗测量类似，其基本方式是通过体表电极向检测对象施加安全的激励电流，并使用体表电极检测相应的电压变化，获取相关信息7。系统硬件部分包括2个模块，分别为测量模块、转换和发送模块。测量模块完成的功能和顺序是：用户根据软件提示，手握探笔，将探笔的笔尖与病人耳廓上的穴位接触，测量该点的阻值。当接触力量和部位合适并准确时，按下探笔上的开关，将此穴位点电阻值采集并存储进入前置的数据采集盒，然后进入转换和发送模块。转换和发送模块将模拟信号转换为数字信号；当所执行功能的所有测试点均采集完毕后，

13、通过USB接口与计算机进行通信，把所有穴位点阻值发送给计算机进行分析处理。硬件测量模块主要由测量探笔及其外围电路组成，负责检测耳廓的电阻并将其传递到转换和发送模块中。测量模块电路原理见图26。高频信号源由RC电路产生高频正弦振荡信号，高频振荡信号的输出经放大后，施加于待测耳穴电阻Rx和标准电阻Rn串联的电路中，待测耳穴电阻和标准电阻分别经过测量、放大、检波和电压调整后，得到待测电压信号和参考电压信号。图2测量模块电路原理Fig.2 Principle of the measurement module转换和发送模块由带A/D转换功能的STC12C5410AD单片机芯片和能将数据按照USB通信协

14、议直接发送到计算机USB口的CP2102芯片系统及外围电路组成，其硬件电路的原理图如图3所示。当探笔上的按键按下时，将测量模块中得到的待测电压和参考电压信号送入单片机的A/D口进行模数转换，然后单片机将获取的测量结果经USB通信口送入PC中。图3转换和发送模块电路原理图Fig.3 Principle of the conversion and transmission modules软件部分是整个耳穴检测系统的核心部分，其流程如图4所示。系统软件主要实现按3种不同功能进行耳穴电阻的测量（全部测量、部分测量、随机测量）；对采集的耳穴数据进行分析、统计处理、图像显示；根据组织器官和神经分区对定量测

15、量到的耳穴阻值按不同分区进行统计计算和分析，并用伪彩色图像来表征耳穴等阻值区间的耳穴电阻的分布图；负责病历及数据的存储和打印检测报告的输出等。图4系统软件流程图Fig.4 Flowchart of the system software2.1系统耳穴图中穴位点的编号和坐标定位本次研究采用的耳穴图基于1993年制订的中华人民共和国国家标准GB/T13734-92耳穴名称与部位耳穴图，同时参照了程红峰、程凯的耳穴图8。为了对各耳穴及分区内各穴位的电阻值的伪彩色图像的直观表征，首先定义了正面耳穴图、背面耳穴图和侧面耳穴图的大小并确定了所使用的穴位及名称；定义了耳穴图中用于测量和显示的110个穴位点的

16、编号和平面坐标；然后，按照解剖结构对耳廓分区，得到了10个解剖分区、解剖区域分界线、每个解剖分区包含的穴位点；同时，按照神经分布对耳廓进行分区，得到了4个神经分区、神经区域分界线、每个神经分区包含的穴位点。另外，为了实现用伪彩色插值的方法对耳穴电阻进行等阻值区间图的表征，对穴位点进行了三角形面片划分，将相邻的3个耳穴划为一组，一共得到182个分组。最后整理出的系统耳穴图如图5所示，其中，正面、背面、侧面3幅耳穴图分别以各自的左上角为坐标原点，每个穴位点的坐标就是相对于坐标原点的距离。正面、背面、侧面耳穴图中穴位点的名称与编号之间的对应关系分别在表1、2、3中给出。图5系统耳穴图穴位点编号Fig

17、.5 Map of auricular points and their numbering表1正面耳穴图穴位点名称和坐标编号之间的对应关系Table 1 The relationship between the name and number of the auricular points in the front map穴位点编号穴位点编号穴位点编号穴位点编号穴位点编号耳中1肩20角窝中39食道58高血压点81直肠2锁骨21新眼340贲门59屏尖前82尿道3跟22便秘点41新眼260脑干83外生殖器4趾23神门42肺61缘中84交感5踝24盆腔43脾62对屏尖85肛门6膝25艇角44气管6

18、3额86耳尖7髋26膀胱45心64颞87枕小神经8坐骨神经27输尿管46三焦65枕88新眼49臀28肾47内分泌70屏尖后89结节10热穴29胰胆48新眼171低血压点90轮111腰骶椎30大肠49外耳72牙91轮212腹31艇中50心脏点73舌92轮313胸椎32胰腺炎点51屏尖74颌93轮414胸33阑尾52渴点75垂前94肾炎点15颈34小肠53咽喉76眼95指16甲状腺35十二指肠54饥点77面颊96风溪17颈椎36肝55外鼻78内耳97腕18角窝上37胃56肾上腺79扁桃体98肘19内生殖器38口57内鼻80表2背面耳穴图穴位点的名称和坐标编号的之间的对应关系Table 2 The

19、relationship between the name and number of the auricular points in the back map穴位点编号穴位点编号穴位点编号穴位点编号穴位点编号上耳根99耳背脾102失眠穴105耳背肾107下耳根109耳背心100明亮103耳迷根106后眼1108后眼110耳背肺101耳背肝104表3侧面耳穴图中穴位点的名称与坐标编号之间的对应关系Table 3 The relationship between the name and number of the auricular points in the side map穴位点编号穴位点

20、编号穴位点编号穴位点编号穴位点编号睾丸66兴奋点67皮下质68卵巢692.2系统耳穴图的解剖分区和神经分区的定义根据中国标准耳穴图和耳廓的解剖位置，将耳廓正面的区域划分为9个解剖区域，这些区域和其在图5中对应的颜色依次为：耳轮（红色）、耳舟（黄色）、对耳轮（绿色）、三角窝（浅蓝色）、耳甲艇（深蓝色）、耳甲腔（紫色）、耳屏（咖啡色）、对耳屏（橙色）、耳垂（棕色），另外，将耳背作为第10个区，如图5中标识的浅粉色区。这样，根据穴位点在耳廓上的解剖位置，全部110个穴位点被分到10个区中，第1区(耳轮)包括的穴位点编号从1到15共15个穴位点；第2区(耳舟)包括的穴位点编号从16到21共6个穴位点；

21、第3区（对耳轮）包括的穴位点编号从22到36共15个穴位点；第4区(三角窝)包括的穴位点编号从37到43共7个穴位点；第5区(耳甲艇)包括的穴位点编号从44到59共16个穴位点；第6区(耳甲腔)包括的穴位点编号从60到71共12个穴位点；第7区（耳屏）包括的穴位点编号从72到82共11个穴位点；第8区(对耳屏)包括的穴位点编号从83到89共7个穴位点；第9区(耳垂)包括的穴位点编号从90到98共9个穴位点；第10区（耳背）包括的穴位点编号从99到110共12个穴位点。耳穴图中神经分区是根据耳廓实际神经的分布进行划分的。耳垂、耳轮、耳舟及对耳轮区，主要是脊神经，也就是由耳大神经和枕小神经支配。耳

22、甲区为脑神经，也就是耳颞神经和迷走神经耳支、舌咽神经与面神经的混合分布支支配。三角窝内神经分布极为丰富，几乎所有支配耳廓的神经都有分支至三角窝内。根据上述神经分布对全部110个穴位点按照所处的神经位置进行分区，得到4个神经分区包含的穴位点编号分别为：第1神经分区（枕小神经）包含穴位点编号：710，1618，2226，99，100；第2神经分区（三叉神经的耳颞神经下颌支）包含穴位点编号：16，3743，72，73，7582，90，91，94，99，100，104，107110；第3神经分区（面神经、舌咽神经和迷走神经的混合支）包含穴位点编号：4470，101103，105107；第4神经分区（耳

23、大神经）包含穴位点编号：1015，1821，2736，8398。2.3耳穴电阻地形图的伪彩色的表征方法在耳穴检测系统中，可使用3种不同功能进行测试：全部测量、部分测量和随机测量。测量中首先得到的是各个穴位点的阻值，在全部测量和部分测量中为了方便临床上对各个穴位点阻值及分区阻值的全面直观的观察，采用伪彩色图像来表征耳穴电阻地形图。表征耳穴电阻的伪彩色图像时，首先根据伪彩色映射关系将待计算的图像中所有穴位点的阻值转换为颜色值。其次采用三角形面片插值的方法，将相邻每3个耳穴点分为1组，构成1个三角形面片，获取三角形3个顶点的颜色，根据这3点的颜色，推测出三角形内的其他区域的情况；然后计算出整个图像区

24、域中每一个像素的颜色值。最后，对插值得到的耳廓图进行裁剪，全部测量时裁减掉耳廓外的部分；部分测量时裁剪后需要保留测量的区域；随机测量由于只计算和显示穴位点处的颜色，不计算其他区域的像素颜色，因此不对其进行裁减。3系统功能的实现和检测结果5耳穴检测系统主要负责完成：输入病人信息，根据用户选择的检测功能获取检测结果，转换并发送检测结果，计算、分析和显示测量结果，保存、打印和病案管理等功能。测试开始时，首先要求输入受试者的基本信息，并统一存储于info.dat文件中，此文件可通过在菜单栏中选择“编辑管理数据”菜单打开，以查看所有病人的基本信息。然后用户根据测试需要，选择一种测量功能，点击“测量”按键

25、即可开始测量。测量中，可以根据需要随时暂停、重测和继续测量。当测量完毕后，测试结果以.dat的形式存储下来，文件名为用户名+病历号。然后，可以对测量结果进行计算、分析并显示均值、方差、各种类型（超低阻点、低阻点和正常点）的耳穴数目、各个电阻分段（以10 k为一段）的电阻数等统计信息，并根据所选择的不同功能计算和显示解剖分区、神经分区的统计信息，将耳穴电阻值分布图结果以伪彩色形式表征并显示。此外，还能够根据用户的需要对某个解剖分区或神经分区的信息进行加亮显示；并能够在用户点击测量结果或将鼠标停留在耳穴伪彩图中某一耳穴的位置时，将该点的测量结果显示出来。对于最后的结果，系统能够将测量结果生成检测报

26、告，给出病人基本信息、测量中低阻点的值、按解剖分区和神经分区的得到统计信息、医嘱等，并能够直接打印出来。在病案管理中，能够将受试者的基本信息以统一的格式存储在一个文件中，以便使用本软件或记事本等通用软件查看。在选择测试功能时，若点击“全部测量”标签，就进入到全部测量界面，对全部110个穴位点的电阻进行测试并实时显示。如图6(a)所示，左侧“测量”框中的上方和下方分别给出了控制测试的功能标签，如“开始测量”、“暂停”、“重测”、“保存”、“显示结果”等，中间的“测量结果”列表始终将最新测量的穴位电阻数据及与基准穴位点比较的结果放在最新一行，并能够对页面进行自动刷新。全部穴位测量完毕后，可以点击“

27、显示结果”标签，给出图6(a)右侧显示的测试结果，在耳穴等阻值区间分布图中：从左到右，由上到下分别为用伪彩色表示的正面耳廓、背面耳廓和侧面耳廓的耳穴等阻值区间分布图。在耳穴等阻值区间分布图的右侧给出了全部测量的110个穴位点的统计信息，包括均值，方差，最大、最小阻值编号及其阻值，超低电阻、低电阻和正常电阻穴位点数目；在图6(a)右侧“结果”框中的下方，给出了3个测试结果列表：10个解剖分区的穴位阻值的均值和方差，4个神经分区的穴位阻值的均值和方差，各个电阻段的穴位点数目。点击“打印预览”或“打印”按键可进行相应的操作，打印的结果包括病人信息（姓名、病历号、年龄、性别、病史），测量点中的低阻点，

28、以及在不同的测量方式中给出的统计信息。在测量结果区的表格中点击鼠标时，能够在耳廓相应穴位处显示阻值；在解剖分区或神经分区的下拉框中选择某一区域后，选中的区域能够被加亮显示。当鼠标停留在图中耳穴点上时，也能对该点的测量结果进行显示。点击“部分测量”标签，可以进入到分区测量界面，测量一个或几个耳廓解剖分区的耳穴阻值。如图6(b)所示，左侧“测量”框的上方给出了10个可测区域的复选框，用户可以根据需要进行选择，以选中2、3、6、10区为例，点击“开始测量”标签后就进入到测量环节，中间的“测量结果”列表功能与图6(a)相似，不再赘述。测量完成后，在右侧“结果”框中，能够对耳廓解剖分区中的第2、3、6、

29、10区采用伪彩色进行耳穴等阻值区间分布图显示，其他区域空白。在此功能下，除了不能显示神经分区的统计结果外，其他显示和处理功能与“全部测量”功能的图6(a)类似。若点击“随机测量”标签，用户可根据需要选择待测点，和其他2种测试功能类似，能够在左侧“测量结果”列表中实时看到每个测量点的结果。测量完毕后，在右侧“结果”框中，能够看到以伪彩色显示的穴位点阻值分布图和各种统计信息，如图6(c)所示。(a)全部测量(a)All-detection function(b)部分测量(b)Partial-detection function (c)随机测量(c)Random-detection function

30、图63种方式测量的功能界面Fig.6 Interface windows of three types ofmeasurement functions在全部测量和部分测量时，能够选择某个神经区域或某个解剖分区进行加亮显示。即对不需要显示的分区，将阻值映射为灰度值，从而突出显示所需分区。4结论本文设计研发了一套新的能方便临床使用的耳穴检测系统，实现了用3种不同功能对人体耳廓上的耳穴阻值进行定量检测；并根据组织器官和神经分区对定量测量得到的耳穴阻值分别进行统计计算和分析；另外，利用伪彩色图像的方法表征了耳穴阻值区间的分布图，为临床的定量、直观检测提供了方便。通过对测量结果的统计分析，大大方便了耳穴

31、检测和医生的诊断，从而实现了对疾病的早期检测、中期诊断和治疗跟踪。该系统建立在中医经典理论的基础之上，应用先进的测量方法和计算机技术，是传统医学与现代科技的结合，具有广阔的临床应用前景。致谢非常感谢中国中医研究院针灸研究所朱元根研究员对本项目的大力帮助和许多有益的建议和讨论。参考文献1 黄丽春. 耳穴诊断学M. 北京: 科学技术文献出版社, 2004.HUANG L CH. Diagnostics of auricular pointsM. Beijing: Scientific and Technical Documents Publishing House, 2004.2 刘世佩,陈光裕.

32、 新编耳穴望诊彩色图谱M. 上海:上海科学技术文献出版社, 2002.LIU SH PEI, CHEN G Y. New color map of auricular acupunctures for inspectionsM. Shanghai: Shanghai Science and Technology Publishing House, 2002.3 林志秀,赵百孝,周冰. 近五年国内耳穴诊疗发展概况A.国际耳穴诊治暨美容保健研讨会论文集C. 香港, 2005.LIN ZH X, ZHAO B X, ZHOU B. Introduction to the development of

33、 auricular therapy in the past five yearsA. International Conference of Auricular Therapy and Cosmetology Health CareC. Hong Kong, 2005.4 余明,徐定,朱冰,等. 耳穴电特性反应食道癌病变的特异性J. 南京中医药大学学报:自然科学版, 2002(18): 357-359.YU M, XU D, ZHU B, et al. The specificity of esophagus cancer from the electrical properties of

34、the auricular pointJ. Journal of Nanjing TCM University：Natural Science, 2002(18):357-359.5 陈曦. 耳穴检测系统软件设计D. 北京：清华大学, 2008.CHEN X. Software design of auricular acupuncture measurement systemD. Beijing: Tsinghua University, 2008.6 宫琴. 朱氏耳廓全息检测仪的研制D. 北京航空航天大学, 1994.GONG Q. Design of ZhuShi auricle hol

35、ographic inspection instrumentD. Beijing: Beijing University of Aeronautics and Astronautics, 1994.7 霍旭阳,由富生,史学涛,等. 一种高精度生物阻抗测量系统的设计J. 仪器仪表学报, 2007,28(6):944-997.HUO X Y, YOU F SH, SHI X T, et al. Design of a high precision bio-impedance measurement systemJ. Chinese Joural of Scientific Instrument,

36、2007,28(6):944-997.8 许崇明,张立贵. 现代综合耳廓耳穴图谱M. 青岛: 青岛出版社, 2005.XU CH M, ZHANG L G. From auricular medicine to auricle medicineM. Qingdao: Qingdao Publishing House, 2005.作者简介宫琴（通讯作者），1991年于清华大学获得学士学位，1994年于北京航空航天大学获得硕士学位，2001年于清华大学获得博士学位，现为清华大学生物医学工程系副教授，主要研究方向为听觉和语音信号的感知和处理、听觉神经生物学、耳声发射、耳蜗移植、生物医学仪器设计等。E

37、-mail: gongqinGong Qin(Corresponding author) received B.S. degree from Tsinghua University, M.S. degree from Beijing University of Aeronautics and Astronautics, and PhD degree from Tsinghua University in 1991, 1994 and 2001 respectively. She is now an associate professor in Department of Biomedical

38、Engineering, Tsinghua University. Her research interests include auditory and speech signal processing, hearing perception, speech perception, auditory neurobiology, otoacoustic emissions, cochlear implants and biomedical instrumentation.陈曦，2008年于清华大学获得学士学位，现正在清华大学攻读硕士学位，主要研究方向为听觉生理信号处理等。E-mail: xi-chen04Chen Xi received B.S. degree from Tsinghua University in 2008. She is now pursuing a MSc degree in Tsinghua University. Her research interests are in the field of auditory signal processing.