大学生创新创业孵化项目杨风健.docx
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大学生创新创业孵化项目杨风健
附件3
项目编号：
大学生创新创业孵化项目
申报书
申请者姓名：
杨风健
所学专业：
电路及系统
孵化项目名称：
红外线人体穴位区域体
表温度成像系统的研制
项目所属行业：
医疗电子
项目承担单位（公章）：
填报日期：
2013年12月11日
浙江省大学生科技创新活动计划暨新苗人才计划实施办公室制
一、项目简介
项
目
概
况
项目名称
红外线人体穴位区域体表温度成像系统的研制
项目性质
（）基础研究（√）应用基础研究
项目来源
（）自主立题（√）教师指导选题
起止时间
自2014年1月至2014年12月
项目状况
√1、研发阶段2、中试阶段3、批量（规模）生产（选项打√）
申
请
人
姓名
杨风健
性别
男
出生
年月
1987.05
入学
年月
2013.09
所在
院系
电子信息学院
联系
电话
电子
信箱
y
项目组
主要成员
姓名
年龄
性别
专业
具体分工
董聪颖
24
男
电路及系统
电路及单片机程序设计
貌程浩
24
男
电路及系统
上位机软件设计
降国栋
25
男
生物医学工程
图像处理算法设计
程彦泉
25
男
机械电子工程
机械动力系统设计
项
目
指
导
教
师
姓名
刘军
性别
男
出生
年月
1977.09
主要研究方向
集成电路设计及应用系统
近三年获奖成果：
国家级__等奖___项，省部级__等奖___项
近三年科研经费180万元，年均60万元
项
目
主
要
内
容
简
介
人体经穴具有温度特异性，在穴位点处，穴位及非穴位的温度差值可达0.5～1摄氏度，而且在疾病状态下，相关穴位点处的温度特异性更加明显。
本项目提供一种可视化的穴位探测成像装置，能够对穴位附近区域进行温度成像，进而实现穴位的准确定位以及异常穴位点的准确选取，便于医生进行针灸施治。
红外线人体穴位区域体表温度成像系统主要由4个部分组成：
阵列红外测温探头、机械传动装置、嵌入式系统和上位机图像处理软件。
系统通过阵列红外探头采集局部体表温度信息，利用机械传动装置实现探头的运动，进而完成人体穴位附近区域内的温度扫描，嵌入式系统部分实现机械传动装置的驱动及控制，同时采集并传输温度数据到上位机，通过编写上位机软件进行温度数据处理，并进行温度图像的构建及显示。
二、项目的研究目的及意义
1、申请项目的必要性、目的及意义
针灸学是祖国医学的重要组成部分之一，针灸具有协调阴阳、扶正祛邪和疏通经络等作用，通过穴位、经络调节人体脏腑气血，能够达到预防和治疗疾病的目的，针灸疗法是我国特有的一种民族医疗方法，及现代医学的药物和手术疗法相比，具有有效、安全、简便、无副作用等优点，其治疗效果明显，为世界各国人民所接受，成为目前最受欢迎的一种替代和补充疗法，已引起国际医学界的广泛关注[1]。
针灸疗法包含两个方面的内容:
针法和灸法，其中针法是微创的，而且一般要有经验的医生方可施术治疗，其治疗效果快速明显，而灸法是无创的，利用艾条燃烧产生温热效应和适宜于机体的红外线作用于穴位点进行治疗，这种红外线能够为机体细胞代谢活动、免疫功能提供必要的能量，也能为能量缺乏的病态细胞提供活化能，其辐射能谱在0.8um～5.6um之间，具有温散寒邪、温通经络、活血通痹、回阳固脱、消癖散结以及防病保健的功效，因其无创的特点，普通人也可以自行进行灸法的施治[2]。
然而，无论是针法还是灸法，至关重要的一步就是要取穴准确，穴位定位不准确则对于疾病的治疗毫无效果，也会给患者带来痛苦，其次是要对症选穴，根据病症选择恰当的穴位点进行治疗才能起到立竿见影的治疗效果，选穴错误则导致治疗效果不明显，疾病迁延不愈[3]。
对于经验不足的中医来说，经常无法准确确定穴位位置，或者无法找到及疾病相关的穴位进行施治，也就造成了治疗效果不佳，而普通人更无法运用针灸进行保健或者治疗，从而造成了针灸疗法使用的局限性。
中医理论认为，脏腑有疾，则导致某经某穴不通，或者经络对称性的失衡，对经穴特异性的研究发现，经络对称性的失衡同时表现为经络温度的失衡及体表温度分布的失衡，关于体表经络温度信息规律用于诊断脏腑疾患的研究，国内外已有一些报道，在针刺治疗穴位后，温度失衡的情况有所改善，因此脏腑的功能及经络腧穴的温度有着密切的联系[4]，1977年日本的获原晖章发现经穴部位的温度对称性比体表非经穴部位更能反映机体内部的状态，当人体左右相应经穴的温度差超过0.5℃时则会出现患病的不适感[5]。
如何发现疾病及经穴温度的内在联系，如何确定异常穴位点，这对于疾病的诊疗都有着十分重要的意义。
本项目开发一款红外线人体穴位区域体表温度成像系统，其目的及意义如下：
1）根据穴位点的温度特异性，提供一种可视化的经穴探查方案，通过对局部体表温度进行温度成像的方法，快速直观地确定出穴位点的位置。
为普通人自行进行灸法的治疗提供指导，也为中医初学者进行针法的施治提供参考，进而更准确地进行穴位定位。
2）中医理论认为，人体共有12条正经，6脏6腑各1条，同时左右对称地分布于人体两侧。
脏腑疾病会造成经络的不通，不通则痛，按压经络上的穴位点，如果痛感强烈，则说明在此穴位点处发生了经络堵塞，造成该穴位点温度异常情况的加重，通过温度成像的方法能够直观地观察到温度差值较大的点，因此可提供给医生或病人一些具有参考意义的针灸施术穴位，使得针灸治疗具有针对性，提升治疗效果，从而缩短治疗时间。
3）健康人的体表温度分布较均匀，并且循经温度呈对称状态，即左右两侧的同名经络的相同穴位点温度大致相同，而人体在疾病状态下，会产生经络腧穴温度对称性失衡及体表温度分布不均的情况[6]，因此本项目通过测量体表及经穴温度情况可以评估人体的健康状态以及疾病康复情况。
4）研发一种具有足够高的测温精度的人体温度成像仪器，满足对经穴温度探查的精度要求，并具有较低的成本，较快的响应速度，使其可面向普通家庭及中医诊所使用。
2、项目的背景、主要内容、技术水平及应用范围
项目背景
近年来，针对经络腧穴特异性及其实质的课题开展了广泛的研究，其中经络腧穴的温度特异性研究方面，已经取得了一些卓有成效的成果，各研究单位在穴位温度正常值、穴位相对于非穴的体表温度特异性表现、针灸对穴位温度的影响、穴位温度及脏腑病证的相关性等方面做了大量的工作，但还有深入研究的空间，研究发现，循经红外辐射轨迹可能是人体生命活动中普遍存在的一种现象,该轨迹多表现为经络线下表皮层的高温线带,可在腧穴的各种刺激下诱发产生[7]。
李春日等人以肺结核为载体，探讨腧穴反映病症效应及规律，发现肺结核患者，病变脏腑及部位相关经脉、经穴红外温度均呈高温改变；病理效应以经穴为显著，并具有循经特异性的特征[8]。
张栋等人研究任督二脉的上温度分布特点，发现在艾灸的作用下，沿任督二脉有明显的高温带线[9],以上研究充分表明经穴具有温度特异性，并且在疾病状态下，穴位温度特异性更加显著。
红外热成像技术是一个新兴的、发展前景广阔的高技术产业，在国民生活的许多部门都发挥着重要作用。
红外热成像技术在医学领域的应用已有50余年的历史。
1956年，美国外科医师RanLawson用红外扫描技术证实乳腺癌皮肤的温度高于正常部位，由此拉开了红外技术医学临床应用的序幕[10]。
随着光电技术和计算机技术的迅猛发展，红外热像技术在医学领域也得到更广泛、更深入的发展，对于疾病的早期探查、动态观测以及诊断、疗效评价等方面均有着重要作用。
它具有简便、快速、无创、直观、全面、高灵敏度的显著优势[10,11]，为实现中医的可视化研究奠定了基础，同时，也为中医的传承及发展开辟了新路。
利用医用红外热像仪研究疾病及经穴温度的关系发现，某些疾病能够导致人体体表温度分布的失衡，从下图中可以看到治疗前后温度分布的显著变化，治疗前温度分布不均匀，治疗后温度分布较均匀[12]。
因此通过体表温度的成像能够用来评估人体健康情况及康复状况。
某患者治疗前红外热像图治疗后红外热像图
经穴的红外辐射温度承载着重要的病理信息，研究表明,当疾病发生时，相关经脉的循行部位出现瘀阻和不通的表现,温度对称性越差,其两侧穴位的温差较大。
选择温度对称性最差部位的穴位进行针灸治疗,能够起到选穴少、疗程短、痊愈率高的效果[13]。
因此利用温度能够进行穴位探查及疾病选穴，并且有着重要的意义。
利用红外热像技术研究支气管哮喘者肺经及大肠经相关腧穴的体表温度，发现支气管哮喘患者肺经及大肠经的部分腧穴呈现左右失衡现象，热症患者其肺经及大肠经相关腧穴皮肤温度值显著高于正常人[14]，人体腧穴的红外辐射温度可从一定程度上反映人体内部的生理病理信息,那么通过人体腧穴红外辐射温度进行非接触式测量为疾病诊断提供了一种可能的途径。
人体体表温度的测量方法主要包括接触性温度测量和非接触性温度测量两种，接触性温度测量需要一个热量传导并达到平衡的过程，其响应时间较长，显然不被人们所接受。
非接触性温度测量主要采用红外测温的方法，这是一种较先进的测温方法，并具有如下优点：
1）红外测温反应速度快。
它不需要及物体达到热平衡的过程，只要能接收到目标的红外辐射即可测量目标的温度，测量时间一般为毫秒级甚至微秒级。
2）红外测温灵敏度高。
由测温原理知物体的辐射能量及温度的4次方成正比，温度的微小变化，就会引起辐射能量的较大变化，红外探测器即可迅速地检测出来。
3）红外测温准确性高，由于是非接触测量，不会影响物体温度分布状况及运动状态，因此测出的温度比较真实，其测量准确度可达0.1摄氏度以内。
4）红外探测器测温可测摄氏零下几十度到零上几千度的温度范围，因此红外测温几乎可以使用在所有温度测量场合[15]。
目前，进行人体温度测量的装置有红外测温仪、医用红外热像仪，红外测温仪一次只能测量单点的体表温度，用于人体体表一定范围内的多个点的温度测量并不适合。
红外热成像技术在医学临床上的应用始于20世纪50年代后期的乳腺肿瘤诊断，医用红外热像技术是医学技术、红外摄像技术和计算机多媒体技术结合的产物，是一种记录人体热场的影像装置。
该技术开辟了一种以检查功能为主、但不同于放射核素示踪检查的新的医学影像系统，是现代医学影像的一个崭新分支[16]。
红外热像仪使用非接触红外测温原理，可将被测目标各部位的温度在热像图中以颜色进行区分，依据不同的颜色对各部位温度进行判断，从而快速、方便地进行问题点的判断。
红外热成像技术不会给患者身体带来额外负担而且也非常符合健康疗法的理念,可检测范围内细微的温度变化，便于医生做出更准确直接的诊断。
综上，红外热像法在医学的应用具有较多的优点，但因其价格十分昂贵，普通中医诊所及个人根本无法承担，因而无法普及应用。
研究内容
本项目利用非接触式红外测温技术进行人体穴位区域体表温度的扫描成像，采用红外阵列测温探头感知温度数据，并在动力系统的驱动下，使得阵列探头能够在6个方向上自由移动，从而实现某个穴位区域内的体表温度数据扫描，嵌入式系统模块控制机械装置运动并读取温度数据，再将温度数据实时传输给上位机系统，利用计算机软件处理温度数据并构建温度图像，系统具有测量快速、精度高、成本低、测量结果直观可靠、无不适感等特点。
系统框图如图1所示。
图1系统框图
结合研究目标及系统框图详细描述各个部分设计难点及主要研究内容：
（1）阵列红外探头的设计，阵列探头的设计情况直接影响测温分辨率、测温精度及成像效果，因此合理放置传感器，才能实现良好的温度采集及成像效果。
红外探测器拟采用测温精度0.1摄氏度，测温分辨率0.02摄氏度，物距比12：
1的医用测温探头[17]，物距比反映的是指测温面积及距离的关系，如：
当探头距离人体12cm时，测量的有效面积直径是1cm，因此调整探头及人体的距离就可以调整测量的分辨率。
阵列探头内的单个探测器可采用不同的放置方式，根据具体的实验效果选择适合的摆放方式。
图2探头单列摆放及测温点分布情况
如图2所示，图中1-6代表6个红外测温探头，箭头代表阵列探头运动的方向，探头放置距离人体6cm的高度，因此测温直径减半，完成整个区域内的温度扫描，需要进行两次扫描。
如果高度设置在12cm距离，那么一次即可扫描整个区域，但是以牺牲成像分辨率为代价的。
图3探头双列摆放及测温点分布情况
按图3所示放置探头，测温点如图分布，可以看出按此种方式放置探头，测温点之间并无间隔，因此可简化控制程序及成像算法，同时也会减少机械移动误差带来的测量误差。
（2）机械传动装置的设计，机械传动装置带动阵列探头运动，用以实现温度的扫描，控制电路可精确控制其单步移动步长和移动速度，并且可以使探头在6个方向上进行移动，进而完成整个区域内的温度扫描，探头的运动拟采用步进电机带动，并且需要最少3个电机才能达到本系统的要求，探头运动方式如图4所示。
图4整列探头的运动方式
（3）嵌入式系统设计，拟采用32位的ARM内核单片机STM32F103作为电路的控制核心，其最高工作频率可达72MHz，内部资源丰富，并具有足够多的I/O端口[18]，满足系统应用的要求，辅以外围电路共同搭建硬件电路平台，编写单片机控制程序，完成温度数据的采集和传输，以及电机的驱动和控制，采用合适的数据通信方式及计算机通信，确保数据准确高效的传输。
拟采用电路设计方案如图5所示。
途中的电子开关由单片机控制，通过控制电子开关的通断实现有选择地读取探头的温度数据，使得测温实验更加灵活方便。
图5电路设计方案
（4）开发上位机软件，通过上位机软件能够进行相关参数的设置，比如探头高度、运动步长、扫描方式、扫描长度及宽度等，在软件的控制下，系统自动完成一个区域内的温度扫描，再将接收到的温度数据进行数据处理，达到直观显示体表温度图像的目的。
拟采用不同的成像算法进行实验，如：
温度描记法，根据采集到的温度值的大小及颜色相对应，不同的温度值赋以不同的颜色值，可以构建出温度图像。
或者采用温差描记法，先求出区域温度的平均值，再利用每个探测点温度值平均值做差，根据温差的大小来赋以颜色[19]，也能够完成图像的构建。
每种成像算法的优缺点不同，通过实验寻找恰当的控制方式、数据处理算法及成像算法，使得成像快速，并使得成像结果尽可能地准确。
技术水平
一切温度高于热力学零度的物体都在以电磁波的形式向外辐射能量,其辐射能包括各种波长,其中波长范围在0.76～1000μm之间的称为红外光波。
红外光具有很强的温度效应,这正是辐射测温技术所感兴趣的。
医用红外热成像技术利用红外扫描采集系统接收人体辐射的红外能量，经计算机智能分析和图像处理形成红外热图，以不同的色彩显示人体表面的温度分布，定量地分析温度变化，判断出某些病灶的性质、位置，达到诊断疾病的目的.该技术实现了人体机能及结构多元信息的转换和表达，为人们探索人体机能信息和结构信息的内在联系开辟了新的途径。
目前热成像技术在医学领域内，已有诸多应用，如对乳腺癌及恶性肿瘤的早期诊断、伤口愈合的红外观察、风湿性关节炎和发病状况的诊断、牙科治疗初步研究、耳鼻喉疾病的诊断、胸部肿块的红外诊断等,可以说远红外成像技术在医学中的应用已经成为一种新的诊断手段。
在发现表浅肿瘤如乳腺癌、甲状腺癌、皮肤癌等,对脉管炎以及其他炎症,对骨折、骨髓炎、挫伤、关节炎,对确定烧伤和冻伤边缘,对合理的选择截断部位,对植皮、脏器、移植后排异反应的观察,对妇产科临床如胎盘的定位、针灸的经络穴位温度反应等,都表现出了日益强大的应用能力[20],必将促进医疗卫生事业的快速发展。
在中华人民共和国知识产权网进行专利检索，对涉及人体温度测量及穴位温度探测的相关专利进行检索分析，得到如下结果：
专利检索关键词专利数量发明专利实用新型
人体测温1468
人体温度成像000
穴位温度1257
体温成像000
穴位测温000
共检索到专利36项，下面对相关性较大的专利进行分析。
专利CN1046387A提出了一种穴位温度的电脑检测分析装置，此专利涉及的是一种对经络穴位进行动态监测的装置，用来检测不同穴位的温度变化情况，或者同名经络的两个相同穴位点的温度值，装置具有2个探头，每个探头只能对一个穴位点的温度进行检测，涉及的问题是探头必须时刻对准穴位，而且必须保证穴位定位的准确，装置不具有成像功能，不能探测穴位，及本项目的方案相差较大。
专利CN101617938B提出了一种穴位温度检测装置和方法，其采用两套成像系统，一个用于可见光的成像，一个用于红外辐射的热成像，然后将两个图像进行单元分割处理，计算出温度图像每个单元的温度值，再进行两幅图像的叠加处理，得到具体穴位点的温度值。
专利CN102599895B提出了一种人体穴位温度获取方法、装置及系统，其方法是获取人体的红外成像数据，解析红外成像数据，将测得各点的温度值及预设的温度值进行对比，可以发现温度异常的穴位点，但是系统受预设温度值的影响极大，人体具有个体差异性，所以很难找到适合所有人的不同部位的标准温度值，从而造成测量结果的可信度不高。
专利CN101617938B和专利CN102599895B所采用的红外热像法及传统的热像仪成像原理相同，利用红外探测器和光学成像物镜接受被测目标的红外辐射能量分布图形反映到红外探测器的光敏元件上，从而获得红外热像图，因此其成本极高，及本项目采用红外温度扫描成像有着本质上的区别。
目前，未见报到有专门用于进行穴位区域温度扫描成像的热像装置，因穴位本身的面积直径为1cm，所以不需要过高的分辨率，但需要足够的测温精度，医用红外热像仪恰好相反，具有较高的分辨率，但是每一个像素点的测温精度却不高，在穴位温度的成像方面优势不明显，并且价格较高，仅能在大型医院或科研单位得以使用，本项目开发的红外线人体体表穴位区域温度成像系统，采用红外测温法测量人体穴位区域的体表温度，并且极大地降低了系统的成本，同时具有较高的测温精度，有助于进一步提高经穴温度及疾病关系的认识，促进祖国医学的发展，同时为中医针灸的普及和发扬做出贡献，具有重要的意义。
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（2）.
应用范围
本项目成果可用于在针灸施治时，为穴位定位及对症选穴提供有效的指导，同时，和医用红外热像仪相比，成本大大降低，测温准确度较高，因此可面向普通家庭及中医诊所广泛使用，有着更广泛的受众群体和良好的社会效益。
用于健康人群及亚健康状况人员的体格检査也将具有广阔前景。
当人体处于亚健康状态时，机体没有出现明显的病变，但由于全身或局部的热平衡受到影响，在临床上则可表现出全身或局部组织温度的升高或降低。
因此，测定人体温度的变化，可以成为亚健康状态功能表征的一项重要指标。
用于科学研究，探索脏腑疾病及相关穴位温度之间的关系，并最终达到通过穴位温度进行疾病诊疗的目的。
3、实施该项目所具备的基础、优势和风险
所具备的基础及优势：
1）项目负责人考入本校硕士研究生之前为吉林医药学院教师，在吉林医药学院从事医疗电子方向的教学及科研，在项目开发领域具有丰富研究和开发经验，作为技术负责人完成吉林省教育厅项目-多功能电子药箱开发，已授权实用新型专利2项，作为一作者发表论文5篇，其中1篇被EI收录。
2）项目指导教师具有多年项目经验，已承担/参加国家、省部级项目10余项，并有产业化项目经验，曾合作指导大学本科生挑战杯竞赛获得浙江省赛区一等奖，以一作者身份取得科技论文\发明专利等知识产权成果20余项，作为主要完成者，获浙江省科技奖二等奖一次，浙江省高等学校科研成果奖多次。
3）项目组成员来自电子信息学院、机械工程学院以及生命信息及仪器工程学院，组员各有所长，并对本项目进行了充分的调研，项目具有切实可行性，项目组成员分工明确，具有相关的设计经验，确保项目按时完成。
4）前期调研过程中，项目组及指导老师，已经及杭州市潮鸣寺巷社区医院针灸推拿科达成系统实验和经穴辨识试验、指导合作意向，为系统开发过程中，中医经穴知识和精确辨识实验验证建立了基础。
5）完成系统方案制订、系统架构方法开发，已经初步完成了人体体表温度红外测温实验，取得了满意效果，现已提交了《一种红外阵列测温探头》的发明专利及实用新型专利申请。
现已进入系统样机实现和初测实验阶段。
5）实验室仪器设备齐全，能够满足项目开发设计的需要。
所具有的风险：
1）探头扫描过程中的互相干扰、光斑分布可能出现不均匀的情况，会导致系统成像分析结果的精度，该问题拟结合实验室已经取得“癌细胞检测图像算法”成果基础上，辅以高质量的图像处理技术，降低成像误差，获得可信参数，降低风险。
2）探头响应时间要足够短，否则会影响图像的成像速度，高性能探头价位较高，可能影响产品质量；该问题，项目组拟针对人体不同区域温度分布稳定性差异，选择不同的探头，进行多类型成像系统的研制，未来也可以形成不同需求价格层次的产品，扩
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