CN107153760B - 针刺手法与穴位效应的量化分析系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种针刺手法与穴位效应的量化分析系统，该系统的专家针刺手法检测单元由针刺手法参数测定仪构成，针刺穴位效应检测单元由温度传感器、血流量传感器、肌电传感器组成，针刺手法量化机器手由嵌入式控制器，伺服驱动器，机械针刺手，反馈检测单元构成闭环控制结构。依据中医针灸专家构建专家针刺手法——穴位效应数据库，以该数据库为依据编写针刺手法量化机器手控制程序，通过对机械针刺手的控制和对针刺穴位效应的检测实现对针刺手法的量化以及针刺穴位效应的量化。有益效果是该系统实现了针刺手法的量化模拟和针刺穴位效应的检测相结合，为中医针灸腧穴配伍、针刺手法特异性及其量化、穴位效应特异性及其量化等方面的研究通了一种新型的实验仪器。

Description

针刺手法与穴位效应的量化分析系统

技术领域

本发明涉及中医针灸学领域，特别是一种针刺手法与穴位效应的量化分析系统。

背景技术

中医作为现代世界医疗体系中的重要分支，相对于西医而言，中医更针对“病根”的治疗，治标又治本，毒副作用小，且其在一些疑难杂症方面的疗效是西医无法匹及的。目前，中医针灸治疗已在很多国家被列入医保范围。随着针灸学发展的国际化、标准化不断加强，它已经成为了中国传统医学走向世界的名片。

然而，即使我国具有该方面研究的绝对优势，依然没有在中医针灸作用机理的研究方面取得突破性进展。要解决当前针灸医学发展与传承所面临的困境，必须从针灸过程的标准化出发，对传统的针刺手法以及针刺作用所引起的穴位生物物理效应进行量化，分析针刺作用手法与效应之间的量化关系。

目前仍未有一种仪器或设备能够从针刺手法量化及针刺穴位效应量化两个角度同时出发对针刺作用进行检测、量化、研究。运动控制技术发展日趋成熟，各种传感技术发展迅猛，将运动控制技术应用于专家针刺手法复现及分析，将多种传感器应用于针刺穴位效应检测，可以为针刺手法以及针刺穴位效应的量化分析提供一种有力工具。

发明内容

本发明的目的在于提供一种针刺手法与穴位效应的量化分析系统，利用针刺手法参数测定仪检测专家手法参数，利用温度传感器、血流量传感器、肌电传感器检测针刺穴位效应，利用嵌入式控制器闭环控制伺服电机带动针刺针动作，模拟专家手法或修改过的专家手法进行提插和捻转动作，实现对专家手法的量化、模拟和复现，并能能够通过对专家手法参数的修改研究某单一参数对穴位效应的影响。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是提供一种针刺手法与穴位效应的量化分析系统，其中：该系统包括有相互连通的专家针刺手法检测单元、针刺穴位效应检测单元、PC上位机、针刺手法量化机器手。

所述的专家针刺手法检测单元通过USB与所述PC上位机进行通讯，所述PC上位机采用Labview程序开发环境构建上位机界面，对所采集专家针刺手法参数进行记录。

所述的针刺穴位效应检测单元通过串口与所述PC上位机进行通讯，所述PC上位机采用Labview程序开发环境构建上位机界面，对针刺穴位效应进行显示、记录。

所述PC上位机与所述针刺手法量化机器手中的嵌入式控制器通过串口进行通讯，接受所述PC上位机所发送的控制指令。所述针刺手法量化机器手由嵌入式控制器、伺服驱动器、机械针刺手、反馈检测单元组成，所述嵌入式控制器的4路GPIO端口配置为两两互补的PWM输出接口，6路GPIO端口配置为编码器信号输入接口，所述伺服驱动器具有PWM信号输入接口、编码器信号输入接口，所述嵌入式控制器的PWM信号输出接口与伺服驱动器的PWM信号输入接口通过导线直接连接。

所述伺服驱动器包括提插伺服驱动器和捻转伺服驱动器。

所述机械针刺手包括提插伺服电机、捻转伺服电机、机械装置、针刺针，所述提插伺服电机安装在所述机械装置上，所述捻转伺服电机安装在所述机械装置上，所述针刺针安装在所述机械装置上。

所述反馈检测单元包括提插脉冲编码器、捻转脉冲编码器，所述提插脉冲编码器安装在所述提插伺服电机上，所述捻转脉冲编码器安装在所述捻转伺服电机上。

所述提插伺服驱动器通过导线与所述提插伺服电机连接，所述捻转伺服驱动器通过导线与所述捻转伺服电机连接，所述提插脉冲编码器通过导线与所述提插伺服驱动器的编码器输入信号接口连接，所述提插脉冲编码器通过导线与所述嵌入式控制器的编码器输入信号接口连接，所述捻转脉冲编码器通过导线与所述捻转伺服驱动器的编码器输入信号接口连接，所述捻转脉冲编码器通过导线与所述嵌入式控制器的编码器输入信号接口连接。

所述机械装置包括针刺手本体、联轴器、滚珠丝杠、滑台、悬臂、夹具，机械臂下端固定在底座上，所述针刺手本体固定在机械臂的上端，所述提插伺服电机固定在针刺手本体上，并通过所述联轴器与滚珠丝杠连接，所述滑台安装在滚珠丝杠上，所述悬臂固定在滑台上，所述捻转伺服电机固定在悬臂上，并通过所述联轴器与夹具连接，所述针刺针固定在夹具上。

本发明的效果是：

第一、本系统集成了针刺手法参数测定仪和穴位效应检测传感器，能够通过对专家针刺手法的检测构建专家手法——穴位效应数据库；

第二、本系统采用双闭环控制方式，通过提插伺服电机和捻转伺服电机带动针刺针运动，以专家针刺手法参数为依据对专家针刺手法进行量化与模拟；

第三、本系统不仅能够在模拟传统针刺手法的机械运动的基础上实现对针刺刺激的量化，而且能够在针刺刺激的同时实现对针刺穴位效应的量化。

第四、本系统的上位机软件具有对比专家针刺手法与机器针刺手法、专家针刺效应与机器针刺效应的功能，并且可以利用修改过的专家针刺手法参数控制机器针刺手。

第五、本系统能够实现对针刺手法及其穴位效应的量化分析，通过控制变量法的应用实现对单一针刺参数对于穴位效应影响的研究。

附图说明

图1为本发明的针刺手法与穴位效应的量化分析系统结构示意图；

图2为本发明的针刺手法量化机器手机构示意图；

图3为本发明的机械针刺手示意图；

图4为本发明的上位机软件操作界面示意图。

图中：

1.针刺手法检测单元 2.针刺穴位效应检测单元 3.PC上位机 4.针刺手法量化机器手 5.嵌入式控制器 6.伺服驱动器 7.机械针刺手 8.反馈检测单元 9.提插伺服驱动器10.捻转伺服驱动器 11.提插伺服电机 12.捻转伺服电机 13.提插脉冲编码器 14.捻转脉冲编码器 15.机械装置 16.针刺针 17.针刺手本体 18.联轴器 19.滚珠丝杠 20.滑台21.悬臂 22.夹具 23.机械臂24.底座 25.操作台 26.针刺手法参数显示区 27.针刺穴位效应显示区 28.专家手法修改区 29.开始检测专家手法参数及穴位效应按钮 30.导入专家手法参数及穴位效应按钮 31.开始按钮 32.停止按钮

具体实施方式

结合附图对本发明的针刺手法与穴位效应的量化分析系统结构做进一步说明。

本发明的针刺手法与穴位效应的量化分析系统包括有相互连通的专家针刺手法检测单元、针刺穴位效应检测单元、PC上位机、针刺手法量化机器手。针刺手法检测单元对专家针刺过程中的手法参数进行检测，针刺穴位效应检测单元检测专家针刺过程中的穴位效应和机器针刺手针刺过程中的穴位效应。PC上位机向嵌入式控制器发送控制参数并实时显示针刺过程中的参数信息及穴位效应信息。

如图1所示，本发明的针刺手法与穴位效应的量化分析系统结构是，该系统包括有相互连通的专家针刺手法检测单元1、针刺穴位效应检测单元2、PC上位机3、针刺手法量化机器手4。

所述的专家针刺手法检测单元1由针刺手法参数测定仪构成，通过USB与PC上位机3进行通讯，用于检测专家针刺过程中的进针速度、进针深度、提插力、捻转力矩和捻转频率，所述PC上位机3采用程序开发环境Labview软件构建上位机界面，对所采集的专家针刺手法参数进行记录。

所述的穴位针刺效应检测单元2由温度传感器、血流量传感器和肌电传感器组成，通过串口与PC上位机3进行通讯，用于检测专家针刺过程和机器手针刺过程中的穴位效应信息，所述PC上位机3采用程序开发环境Labview软件构建上位机界面，对所采集的专家针刺手法参数进行显示、记录。

所述PC上位机3与所述针刺手法量化机器手4中的嵌入式控制器5通过串口进行通讯，接收所述PC上位机3发送的控制指令，所述针刺手法量化机器手4包括嵌入式控制器5、伺服驱动器6、机械针刺手7、反馈检测单元8。所述的嵌入式控制器5采用TI公司生产的TMS320C28X系列浮点DSP控制器TMS320F28335，该控制器具有150MHz的高速处理能力，具有多达18路的PWM输出，12位16通道ADC，运算速度快，功能强大。所述的伺服驱动器6、提插伺服电机11、捻转伺服电机12采用富士品牌的伺服套装。嵌入式控制器的4路GPIO端口配置为两两互补的PWM输出接口，6路GPIO端口配置为编码器信号输入接口，伺服驱动器6具有PWM信号输入接口、编码器信号输入接口，嵌入式控制器的PWM信号输出接口与伺服驱动器6的PWM信号输入接口通过导线直接连接。

所述伺服驱动器6包括提插伺服驱动器9和捻转伺服驱动器10；

所述机械针刺手7包括提插伺服电机11、捻转伺服电机12、机械装置15、针刺针16，所述提插伺服电机11安装在所述机械装置15上，所述捻转伺服电机12安装在所述机械装置15上，所述针刺针16安装在所述机械装置15上。

所述反馈检测单元8包括提插脉冲编码器13、捻转脉冲编码器14，所述提插脉冲编码器13安装在所述提插伺服电机11上，所述捻转脉冲编码器14安装在所述捻转伺服电机12上。

所述提插伺服驱动器9通过导线与所述提插伺服电机11连接，所述捻转伺服驱动器10通过导线与所述捻转伺服电机12连接，所述提插脉冲编码器13通过导线与所述提插伺服驱动器9的编码器输入信号接口连接，所述提插脉冲编码器13通过导线与所述嵌入式控制器5的编码器输入信号接口连接，所述捻转脉冲编码器14通过导线与所述捻转伺服驱动器10的编码器输入信号接口连接，所述捻转脉冲编码器13通过导线与所述嵌入式控制器5的编码器输入信号接口连接。

如图2所示，所述嵌入式控制器5根据PC上位机3的给定参数和提插脉冲编码器13、捻转脉冲编码器14的实时反馈向伺服驱动器6输入控制信号，构成控制系统的外闭环。伺服驱动器6比较嵌入式控制器5的输出信号和插脉冲编码器13、捻转脉冲编码器14的实时反馈，驱动提插伺服电机11、捻转伺服电机12完成针刺动作，构成控制系统的内闭环。伺服驱动器6内置的速度调节器和电流调节器实现系统的内环控制，外环控制通过向嵌入式控制器写入数字PID调节算法实现。双闭环控制在一定程度上减小了系统的位置跟踪滞后误差，提高了系统的控制精度。

如图3所示，所述的机械装置包括包括针刺手本体17、联轴器18、滚珠丝杠19、滑台20、悬臂21、夹具22，机械臂23下端固定在底座24上，针刺手本体17固定在机械臂23的上端，提插伺服电机11固定在所述针刺手本体17上，并通过联轴器18与滚珠丝杠19连接，滑台20安装在滚珠丝杠19上，悬臂21固定在滑台20上，捻转伺服电机12固定在悬臂21上，并通过联轴器18与夹具22连接，针刺针16固定在夹具22上。所述机械臂23具有4个自由度，实验开始前，通过机械臂23将所述机械针刺手7固定在操作台25上方的适宜位置，实验过程中，PC上位机3向针刺手法量化机器手发送控制参数，通过嵌入式控制器5和伺服驱动器6向提插伺服电机11和捻转伺服电机12发送电压信号，控制其位置和转速，所述提插伺服电机11通过联轴器18带动滚珠丝杠19旋转，进而带动所述滑台20和悬臂21上下运动，悬臂21带动捻转伺服电机12上下运动，进而带动针刺针16完成提插动作，所述捻转伺服电机12通过联轴器18带动夹具22旋转，进而带动针刺针16完成捻转动作。

所述的PC上位机3通过串口与针刺手法量化机器手4中的嵌入式控制器5进行通讯。如图4所示，上位机界面的编写采用Labview集成开发环境进行，该集成开发环境采用图形化编程语言，操作简便，功能完善。如图4所示，上位机软件界面设计包括：针刺手法参数显示区26、针刺穴位效应显示区27、专家针刺手法修改区28、开始检测专家手法参数及穴位效应按钮29、导入专家手法参数及穴位效应按钮30、开始按钮31、停止按钮32。具体操作过程如下：

第一步、点击开始检测专家手法参数及穴位效应按钮29，上位机软件自动将所采集的专家针刺手法参数及穴位效应存入数据库。

第二步、点击导入专家手法参数及穴位效应按钮30，软件自动打开数据库，选择所要量化分析的专家手法，系统自动将该手法在针刺过程中的参数及其穴位效应显示在针刺手法参数显示区26和针刺穴位效应显示区27，其中进针速度和进针深度以数字的形式显示，提插力、捻转力矩、捻转频率、穴位温度、血流量和肌电效应特征以白色实线显示。肌电效应特征为对肌电传感器所采集到的原始肌电信号进行特征提取所得到的特征量。

第三步、点击开始按钮31，针刺手法量化机器手4对所导入的专家针刺手法进行模拟，并将机器手针刺过程所检测到的穴位效应以白色虚线显示在针刺穴位效应显示区27。

第四步、若需要对所导入专家针刺手法进行修改，则在专家针刺手法修改区28勾选是否修改专家手法复选框，输入要修改的参数以及相应的时刻，点击保存按钮，修改后的进针深度和进针速度参数会覆盖原有专家参数，提插力、捻转力矩和捻转频率会以白色虚线的形式显示在针刺手法参数显示区26，然后点击开始按钮31，针刺手法量化机器手4将根据修改后的参数进行针刺动作。

第五步、针刺动作完成后，针刺手法量化机器手4停止针刺动作并返回至原始位置。

上述实施例用来解释说明本发明，而不是对发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明做出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种针刺手法与穴位效应的量化分析系统，其特征是：该系统包括有相互连通的专家针刺手法检测单元(1)、针刺穴位效应检测单元(2)、PC上位机(3)、针刺手法量化机器手(4)；

所述的专家针刺手法检测单元(1)通过USB与所述PC上位机(3)进行通讯，所述PC上位机(3)采用Labview程序开发环境构建上位机界面，对所采集的专家针刺手法参数进行记录；所述专家针刺手法检测单元(1)对专家手法的进针速度、进针深度以及行针过程中每一时刻的提插力、捻转力矩、捻转频率进行检测，所述PC上位机(3)将相关数据存储至数据库，在检测专家针刺手法参数的同时所述针刺穴位效应检测单元(2)对针刺作用所引起的穴位效应，包括穴位温度、血流量、肌电效应进行检测，所述PC上位机(3)将针刺效应信息与针刺手法一一对应存储至数据库；

所述的针刺穴位效应检测单元(2)通过串口与所述PC上位机(3)进行通讯，所述PC上位机(3)采用程序开发环境Labview软件构建上位机界面，对针刺穴位效应进行显示、记录；

所述PC上位机(3)与所述针刺手法量化机器手(4)中的嵌入式控制器(5)通过串口进行通讯，接收所述PC上位机(3)发送的控制指令，所述针刺手法量化机器手(4)包括嵌入式控制器(5)、伺服驱动器(6)、机械针刺手(7)、反馈检测单元(8)，所述嵌入式控制器(5)中的4路GPIO端口配置为两两互补的PWM输出接口、6路GPIO端口配置为编码器信号输入接口，所述伺服驱动器(6)具有PWM信号输入接口、编码器信号输入接口，所述嵌入式控制器(5)的PWM信号输出接口与伺服驱动器(6)的PWM信号输入接口通过导线直接连接；所述PC上位机(3)根据专家手法参数以及设定参数将控制信号下载至所述嵌入式控制器(5)，所述嵌入式控制器(5)根据反馈检测单元(8)的实时反馈向伺服驱动器(6)输入控制信号，构成控制系统的外闭环，所述嵌入式控制器(5)采用PID控制算法，伺服驱动器(6)根据嵌入式控制器(5)的输出信号和反馈检测单元(8)的反馈信号控制机械针刺手(7)的动作，构成控制系统的内闭环；

所述伺服驱动器(6)包括提插伺服驱动器(9)和捻转伺服驱动器(10)；

所述机械针刺手(7)包括提插伺服电机(11)、捻转伺服电机(12)、机械装置(15)、针刺针(16)，所述提插伺服电机(11)安装在所述机械装置(15)上，所述捻转伺服电机(12)安装在所述机械装置(15)上，所述针刺针(16)安装在所述机械装置(15)上；

所述反馈检测单元(8)包括提插脉冲编码器(13)、捻转脉冲编码器(14)，所述提插脉冲编码器(13)安装在所述提插伺服电机(11)上，所述捻转脉冲编码器(14)安装在所述捻转伺服电机(12)上；

所述提插伺服驱动器(9)通过导线与所述提插伺服电机(11)连接，所述捻转伺服驱动器(10)通过导线与所述捻转伺服电机(12)连接，所述提插脉冲编码器(13)通过导线与所述提插伺服驱动器(9)的编码器输入信号接口连接，所述提插脉冲编码器(13)通过导线与所述嵌入式控制器(5)的编码器输入信号接口连接，所述捻转脉冲编码器(14)通过导线与所述捻转伺服驱动器(10)的编码器输入信号接口连接，所述捻转脉冲编码器(13)通过导线与所述嵌入式控制器(5)的编码器输入信号接口连接；

所述机械装置(15)包括针刺手本体(17)、联轴器(18)、滚珠丝杠(19)、滑台(20)、悬臂(21)、夹具(22)，机械臂(23)下端固定在底座(24)上，所述针刺手本体(17)固定在机械臂(23)的上端，所述提插伺服电机(11)固定在针刺手本体(17)上，并通过所述联轴器(18)与滚珠丝杠(19)连接，所述滑台(20)安装在滚珠丝杠(19)上，所述悬臂(21)固定在滑台(20)上，所述捻转伺服电机(12)固定在悬臂(21)上，并通过联轴器(18)与夹具(22)连接，所述针刺针(16)固定在夹具(22)上。

2.根据权利要求1所述的针刺手法与穴位效应的量化分析系统，其特征是：所述机械臂(23)具有4个自由度，将所述机械针刺手(7)固定在操作台(25)上方的适宜位置，所述提插伺服电机(11)通过联轴器(18)带动滚珠丝杠(19)旋转，进而带动所述滑台(20)和悬臂(21)上下运动，悬臂(21)带动捻转伺服电机(12)上下运动，进而带动针刺针(16)完成提插动作，所述捻转伺服电机(12)通过联轴器(18)带动夹具(22)旋转，进而带动针刺针(16)完成捻转动作。

3.根据权利要求1所述的针刺手法与穴位效应的量化分析系统，其特征是：所述PC上位机(3)采用Labview集成开发环境构建上位机界面，该上位机界面包括：针刺手法参数显示区(26)、针刺穴位效应显示区(27)、专家手法修改区(28)、开始检测专家手法参数及穴位效应按钮(29)、导入专家手法参数及穴位效应按钮(30)、开始按钮(31)、停止按钮(32)，所述针刺手法参数显示区(26)和针刺穴位效应显示区(27)中的实线代表专家手法参数及其穴位效应，虚线代表修改后的专家手法参数和机器手针刺穴位效应。