学校：郑州大学

团队队员：陈博威、王弛、徐玉慧、周阿满、胡智谱
    当前儿童青少年视力不良检出率持续上升且低龄化现象明显，2016 年 10 月，《“十三五”全国眼健康规划（2016—2020 年）》首次提出眼健康概念，并将“儿童青少年中开展屈光不正的筛查与科学矫正”作为“十三五”时期的工作目标之一。为了帮助广大儿童青少年缓解眼部疲劳，保护视力健康，我们基于中医科学院提供的提供的多种穴位，并结合相关论文，研发了这一款多感结合视力防护理疗仪，该理疗仪基于中医腧穴按摩理论及五行音疗理论设计而成，包括视觉识别穴位模块、EMS 电刺激面膜模块、机械与气囊按摩模块、VR 视觉疗法与耳部五行音疗模块和微信小程序模块五大部分。视觉识别穴位模块识别面部信息，得到面部穴位图；EMS电刺激面膜通过阵列电极片进行穴位微电流刺激；机械与气囊按摩模块通过直流电机带动偏心轴承进行机械按摩，气泵对气囊充放气进行气囊按摩；VR 视觉疗法与耳部五行音疗模块通过VR眼镜播放3D视力训练片源放松眼球，通过VS1053解码音乐文件播放五行音乐缓解疲劳；微信小程序实现对各功能的选择。通过我们的理疗仪可以实现对头部及面部穴位的有效按摩，穴位按摩的同时结合眼部视频和耳部音乐，多感官全方位的为使用者的视力健康保驾护航。


关键字：青少年 视力保护  中医   穴位  理疗仪  多感结合

一、设计背景

近视是我国及全世界的严重公共卫生问题，预计 2050 年，近视患病人数将会达到约 47 亿^[1]。儿童青少年视力不良检出率持续上升且低龄化现象明显,视力不良的原因多见于近视、远视、散光等屈光不正以及其他眼病(如弱视、斜视等)，其中近视是儿童青少年眼健康受损的最常见原因^[2]。据 2021 年 3 月 31 号发布的《儿童青少年眼健康管理研究现状》介绍，全球有1900 万儿童视力不良，其中 1280 万 5~15 岁的儿童由于未矫正的屈光不正而视力受损，其中东南亚和中国的发病率最高^[3]。

截止2020年，我国近视人数高达6亿，将近总人口数的一半，高近视率将严重影响下一代的视力健康，现在有数据表明，高度近视对下一代的遗传几率可达90%之高，不考虑环境及用眼不良习惯的因素从遗传的角度想，近视率已达90%。高近视率使航空航天、精密制造、军事等领域面临巨大的劳动力缺口，国防部对《应征公民体格检查标准》的历次修订，国家对征兵的“视力要求”不断降低，对保卫国家产生影响，最终将危害国家安全。

^{中医系统整体观认为，眼与五脏六腑都有密切联系，与肝的关系最为密切，如《素问·阴阳应象大论》说：“肝主目。 ”[4]在文献[4]中提到，肝“主疏泄”、“主藏血”，肝脏贮存极为丰富的血液,肝血可营养眼睛保护视力，而在现代医学上肝是人体重要的免疫器官，是人体中特异性与非特异性免疫细胞产生及成熟重要场所，其攘外安内功能对于某些感染性眼病和与自身免疫性疾病相关眼病以及眼部原发性的根本防治具有重要意义。[5]因此通过增强肝脏的生理性功能不仅可以保护视力，且可以防治部分眼部疾病。而在中医五行音乐中，五音对应着五脏，肝对应的角调式音乐曲调可以疏肝沥胆、保肝养目、清凉祛火、主理肝胆、安魂定魄，有助于消除失眠、移转性情、增强精神。[6-7]聆听角调式音乐增强肝脏的生理功能以达到护目的效果，聆听角调式音乐可以调节情绪降郁去燥、减少肝的负担间接从护肝到护目。}

长时间用眼过度，使眼睛经常处于紧张状态，久而久之就成了近视眼。在整个人体中，经络系统与血液循环系统相似，也是分布于全身的。如果某个部位发生障碍，就会产生疾病。穴位按摩，就是起到排除障碍的作用，使经络疏通，属于物理疗法。这种微弱的穴位按摩刺激，可以通过神经的反射，加强整体组织的新陈代谢，改善和增进血液循环，消除和调节眼部紧张， 恢复人体的生理机能，从而起到预防近视眼的作用。

^{对头部穴位进行按摩的同时结合中医五行音疗，最大限度的调动脏腑的功能、调畅情志，调理脏腑、阴阳、气血[1], 能够疏通经络气血 ,增强眼部循环,松弛眼内肌肉,改善神经营养,解除眼轮匝肌、睫状肌的痉挛[3],缓解视疲劳及心理疲劳和亚健康[1]。}

图２.面部按摩穴位图

二、设计思路

1.作品按摩的穴位

我们基于中医科学院提供的多种穴位，并结合网上的相关论文，筛选出了球后穴、瞳子髎、阳白穴、鱼腰穴、率谷穴、百会神聪、太阳穴、睛明穴、四白穴、攒竹穴、翳明穴以及风池穴作为我们的按摩穴位，总体按摩的位置涵盖了面部，颈部以及头部，故而我们寻求全方位多感官的刺激，并能通过机械与 EMS 电刺激等进行配伍疗法，这是市面上正常仪器所达不到的。

2.系统设计

2.1 总体设计 

明瞳卫士——多感结合视力防护理疗仪，是基于中医腧穴按摩理论，针对青少年的眼健康所研发而成。产品涉及视觉识别穴位模块、机械按摩模块、气囊按摩模块、EMS 电刺激面膜模块、VR 视觉疗法、语音识别模块、小程序开发等。整体设计框图如图2所示。

 模块介绍：

耳部五行音疗模块可通过VS1053音频解码模块播放五行音乐；VR视觉疗法通过VR眼镜播放3D视频缓解眼部疲劳；视觉识别穴位模块得到面部穴位信息图；机械按摩模块与气囊按摩模块进行穴位按摩，EMS电刺激面膜模块基于视觉识别穴位模块获得的面部穴位图进行穴位EMS微电流刺激。各个模块相互独立工作，可根据用户需要通过微信小程序选择使用。

 

2.2 视觉识别穴位模块 

本项目通过成熟应用软件——“寻艾”APP进行面部穴位识别，用户按提示上传自己的面部图片，我们对面部图片所需按摩的穴位进行标定，便可指导用户根据输出的按摩位置安装 EMS 电刺激面膜上的电极片，从而为后续相对精准的穴位按摩提供保障。

2.3 EMS 电刺激面膜模块 

产品开发出了一款 EMS 电机阵列式面膜，通过之前视觉识别穴位模块所识别出来的穴位进行相应点处的针对性电刺激，从而能够保证电刺激的效果。EMS 电刺激面膜还配备有加热模块，能够加速血液流动，提升按摩效果。另外，EMS 电刺激面膜还配备有肌电传感器模块，能够实时监测用户的面部肌电信号，预防用户面部因为电刺激而发生肌肉痉挛。

2.4机械按摩模块与气囊按摩模块 

为达到更好的按摩效果，根据穴位位置的不同，将按摩模块分为机械按摩模块与气囊按摩模块。按摩百会神聪穴我们采用直流电机驱动偏心轴承，带动按摩钉进行按摩，其通过中间的微型马达、偏心轴、偏心套等，带动顶部硅胶头 360 度按压。机械结构现阶段均采用高精度3d打印件，重量较轻，易制作。两侧率谷穴则采用气泵控制气囊充放气带动按摩钉振动进行按摩。

2.5VR 视觉疗法与耳部五行音疗模块 

产品将 VR 视觉疗法与耳部五行音疗也集于理疗仪之上。我们使用VR眼镜观看特定的３D理疗视频，利用定制的3D视力训练片源，让使用者在观看时通过光线、色彩、图形的变换和3D立体效果，改变角膜曲率和晶状体的僵化状态逐渐提高双眼调节力。使用耳机播放有助于身心放松的中医专业性五行音律进行辅助治疗且可隔绝外界与设备工作时的噪音。

3.小程序开发

最终，我们将各种功能一一列举于微信小程序之上，可以通过小程序进行音乐选择，视频选择，按摩模式选择，音量调节等多种功能，并配有效果报告模块等功能，帮助使用者指定自己的使用方案，实现真正的产品智能化。

三、软件实现手段

我们通过软件APP——“寻艾”来实现穴位识别，该软件使用ASM算法进行面部穴位识别，主动形状模型(ASM)是一个基于统计学的人脸定位算法，以所需检测的物体的外形边缘作为训练样本进而进行识别定位的方法，通过对构建的形状与物体边缘不断的贴近，最终与目标形状相符合。我们应用它进行了人体脸部同身寸的计算，提出了计算方法，并进行了改进。 

 

1.ASM模型的训练

为了通过人脸图像达到面部取穴的功能，不可避免的需要获得人脸的五官轮廓等特征点位置信息。首先，为样本图像进行特征点标定。通过对多幅人脸图片的特征点进行人工特征点标定，来制作训练样本。 接下来通过训练样本建立起的 n 个点的局部灰度模型，该灰度模型反映的是每个点附近一定区域内的灰度情况。具体方法是对每个点为中心，沿法线方向取 k 个像素的灰度，用 k*k 面积的灰度平均值作为该点灰度值。 

 

2.ASM模型的搜索过程

ASM 模型的搜索过程就是对人脸照片的穴位标定。首先要对人脸的初始形状做出估计，确定出人眼的位置，求出两眼间距离，将这个距离与训练时模型的双眼距离进行计算，计算出缩放因子，和旋转因子。利用马氏距离搜索每个边界点沿当前模型轮廓的法线方向，马氏距离最小的点，就是搜索点的新位置。这样就完成了人脸特征点（第一类穴位）的搜索。根据搜索结果，我们可以获得五官的位置。

 

3. Canny 及中值滤波算法确定人脸边界

将被检测图像利用 Canny 算法提取边缘，可以准确获得人脸图像的边缘。由于边缘检测算法有时候会产生些许突兀的曲线，与预期结果不相符，存在较大误差（如左下图所示）。我们所以我们使用中值滤波发消除这部分突起，实践结果表明其可以在保留清晰边缘的同时对三棱髻（突起）进行有效的消除（右下图）。三、软件实现手段
我们通过软件APP——“寻艾”来实现穴位识别，该软件使用ASM算法进行面部穴位识别，主动形状模型(ASM)是一个基于统计学的人脸定位算法，以所需检测的物体的外形边缘作为训练样本进而进行识别定位的方法，通过对构建的形状与物体边缘不断的贴近，最终与目标形状相符合。我们应用它进行了人体脸部同身寸的计算，提出了计算方法，并进行了改进。 
 
1.ASM模型的训练
为了通过人脸图像达到面部取穴的功能，不可避免的需要获得人脸的五官轮廓等特征点位置信息。首先，为样本图像进行特征点标定。通过对多幅人脸图片的特征点进行人工特征点标定，来制作训练样本。 接下来通过训练样本建立起的 n 个点的局部灰度模型，该灰度模型反映的是每个点附近一定区域内的灰度情况。具体方法是对每个点为中心，沿法线方向取 k 个像素的灰度，用 k*k 面积的灰度平均值作为该点灰度值。 
 
2.ASM模型的搜索过程
ASM 模型的搜索过程就是对人脸照片的穴位标定。首先要对人脸的初始形状做出估计，确定出人眼的位置，求出两眼间距离，将这个距离与训练时模型的双眼距离进行计算，计算出缩放因子，和旋转因子。利用马氏距离搜索每个边界点沿当前模型轮廓的法线方向，马氏距离最小的点，就是搜索点的新位置。这样就完成了人脸特征点（第一类穴位）的搜索。根据搜索结果，我们可以获得五官的位置。
 
3. Canny 及中值滤波算法确定人脸边界
将被检测图像利用 Canny 算法提取边缘，可以准确获得人脸图像的边缘。由于边缘检测算法有时候会产生些许突兀的曲线，与预期结果不相符，存在较大误差（如左下图所示）。我们所以我们使用中值滤波发消除这部分突起，实践结果表明其可以在保留清晰边缘的同时对三棱髻（突起）进行有效的消除（右下图）。

4.  同身寸计算及穴位标定 

通过边缘提取我们可以得到发际点，那么它与眉心点做连线就是骨度分寸法中“眉心到前发际的距离折合3寸”，通过简单计算可以计算出同身寸距离 d

再结合不同穴位的位置特征，即可找到对应穴位。例如承浆穴，位于口唇下 0.5 寸，根据特征点定位中找到的下唇正中点的坐标和同身寸长度，即可找到对应图像的承浆穴（第二类穴位）。

5. 基于神经网络的穴位定位 

上述方法解决了位置与器官重叠的穴位以及位置需要参照器官与身体比例的穴位的取穴工作。依靠的是特征点定位算法边缘提取算法，然而该方法并不是适用于所有穴位的。除了上述两类穴位之外，有些穴位（第三类穴位）的位置依靠生理特征的来提取的。为了完善这部分，我们根据神经网络对穴位的位置进行预测，取穴时只需要清晰的正面人像即可。

BP 网络又称反向传播神经网络，它是根据误差反向传播的多层前馈网络。利用样本数据对网络进行训练，不断调整网络中各个神经元的权值和阈值，使误差函数沿负梯度方向下降，逐渐接近期望输出。BP网络可以不断摸索映射关系，逼近期望值。其特征非常适合第三类穴位的位置预测。

四、硬件及小程序实现手段

1.机械部分

头部穴位复杂，我们查询相关文献后针对需要按摩的穴位进行设计与构架，在注重舒适度的同时，考虑完善按摩的贴合以及针对不同人群的调整能力。

2.近视预防仪多级功能分层

为了充分按摩穴位，我们的整体按摩方式采用分段式以及多功能结合。分段式设计主要分为三段：头部，面部与颈部，功能方面采用 EMS，气囊，机械等按摩方式。

头顶部的百会神聪穴：按摩百会神聪穴我们采用直流电机驱动偏心轴承，带动按摩钉进行按摩。其通过中间的微型马达、偏心轴、偏心套等，带动顶部硅胶头 360 度按压。

头侧部的率谷穴、翳明穴以及颈部的风池穴：主要通过后部挡板上的气囊带动上百个按摩钉振动按摩。挡板上的气囊位置对应我们熟知的风池穴，气囊的振动由贴合在挡板后部的电机提供。

头部模块以及颈部模块总体通过耳机模块进行连接，耳机模块内部分为两层，可有效隔绝外部机械构件运行等产生的噪音。

五、功能效果

1.机械头部穴位按摩与EMS面部穴位刺激：

通过头顶的龙爪手与推杆电机对头顶穴位进行机械按摩，通过气泵，电磁阀，气囊充放气对颈部穴位进行气囊按摩，通过面部EMS阵列电极片产生EMS微电流对面部穴位进行电刺激。

通过我们理疗仪对穴位的按摩和刺激，可以有效缓解眼部疲劳，保护视力健康。中医学认为，近视的病理特点是“阴有余，阳不足”。近视取穴位置主要分布于眼周及三阳经循行部位，如承泣、翳明、睛明、四白、球后、丝竹空、肩中俞、头维、光明。十二经脉上通于耳，耳通过经脉与眼建立密切联系。 通过对耳穴的贴压，可达到矫正视力的目的。 另外，耳穴治疗对轻度近视及睫状肌痉挛的假性近视有明显的治疗效果[6]，无毒副作用。 常取穴位有眼、肝、肾、目 1、目 2。 气功可放松眼肌，使眼部气血循环畅通增强眼的调节能力从而到达矫正视力的效果。除此，气功联合耳穴压丸或眼周穴位按摩，都对视力的改善有明显效果，同时可有效预防近视。

2.眼部VR视觉贝茨疗法与耳部五行音疗疗法：

本产品将VR视觉疗法与耳疗模块也集于理疗仪之上，满足多层次多感官的全方位刺激。VR视觉疗法通过VR眼镜播放缓解视力疲劳的贝茨视频，耳疗模块播放有助与身心放松的中医专业性音律进行辅助治疗，使得预防近视的系统整体性得到增强，一方面通过聆听音乐增强肝脏的生理功能以达到护目的效果，另一方面聆听音乐可以调节情绪降郁去燥、减少肝的负担间接从护肝到护目。除此之外，气囊在对头部穴位进行按摩的同时结合中医五行音疗，最大限度的调动脏腑的功能、调畅情志，调理脏腑、阴阳、气血,能够疏通经络气血,增强眼部循环,松弛眼内肌肉,改善神经营养,解除眼轮匝肌、睫状肌的痉挛,缓解视疲劳及心理疲劳和亚健康。

3.痉挛检测：

在面膜表面我们还配有检测面部痉挛的模块，当使用者的面部出现痉挛后，我们将紧急停止电刺激，可以保护使用者的安全。

4.人机交互控制：

为了更方便用户使用我们的产品，我们开发了微信小程序对理疗仪进行控制，通过微信小程序用户可以自由选择按摩方式，按摩强度，EMS电刺激方式及强度，除此以外还可以选择耳疗模块所播放的音频等多种功能。

六、应用前景

明瞳卫士——多感结合视力防护理疗仪基于热敷和按摩增加了ems面膜、vr视觉疗法、中医五行音疗等模块，在保障使用者安全的情况下，扩大了对使用者的缓解视疲劳的效果，并且针对青少年起到预防近视的作用。在全国范围内需求量越来越大。

明瞳卫士主要应用于青少年休息时间放松眼睛，且适用于全年龄人群，在应用场景上多样，支持居家、学校、工作等场景使用在政策支持上，十三五期间，国家出台了十三五眼健康规划纲要，将视力保健行业纳入到医保体系，把眼健康的关注度推到了前所未有的高度；2018年，教育部等八部委联合印发《综合防控儿童青少年近视实施方案》并正式施行，各地政府纷纷将儿童青少年近视防控工作、总体近视率和体质健康状况纳入绩效考核范畴；2019年，党的十九大提出的“实施健康中国战略”，把全面提高人民健康水平、促进人民健康发展，建设健康中国等具体行动放在重要位置。

而据数据统计，我国是世界上眼盲和视觉损伤患者数量最多的国家之一。年龄相关性眼病患病率提高，青少年屈光不正等问题日益突出，据国际防盲协会披露，截止至2015年我国盲人有618万人，中重度视力损伤患者有5287万人。令人欣慰的是，随着社会经济的发展、国民生活方式的改变，大家对眼健康的关注度正在加强，目前，眼健康的问题已经被世界卫生组织确定为人类生存质量的三大问题之一。