CN109242369A - 一种针刺捻转手法教学的实时、在体评定方法及装置 - Google Patents

Abstract

本申请属于中医针灸领域，具体涉及一种针刺捻转手法教学的实时、在体评定方法及装置，方法包括：采集每个学生与教师行针时的手法特征值，基于Shannon熵连续变量互信息方法分别获取每个学生与教师间手法特征值的互信息值；在手法特征值中基础性手法特征值的互信息值评分排序的基础上，再结合关联性手法特征值的互信息值评分排序进行综合评分排序，确定每个学生的成绩。装置包括信号采集模块、特征值处理模块和综合评分模块。本发明为针刺捻转手法的教学提供客观化、标准化、规范化的评判标准，实时、客观、系统、科学地展示学生的掌握效果，并及时指出缺陷与改进方向，利于针刺捻转手法的教学、传承与发展。

Description

一种针刺捻转手法教学的实时、在体评定方法及装置

技术领域

本发明属于中医针灸领域，具体涉及一种针刺捻转手法教学的实时、在体评定方法及装置。

背景技术

在科学技术高度发展的今天，当人们享受高科技、新技术带来的现代文明及舒适生活的同时，也品尝到环境污染、生态失衡以及化学合成药物毒副作用的恶果。人们越来越意识到回归自然，寻求无毒副作用、无污染疗法的重要性，迫切希望有效的绿色疗法成为医学发展的主流。随着国际上WHO、NIH等对针灸的有效性、安全性和科学性给予的充分肯定，针灸医学已成为世界医学的重要组成部分，而针灸学科的生命线在于疗效。

《黄帝内经》是当代许多针法的理论起源，《灵枢·官能篇》：“泻必用具，切而斡之，其气乃行；疾而徐出，邪气乃出，伸而迎之，遥大其穴，气出乃疾。补必用方，外引其皮，令当其门，左引其枢，右推其肤，微旋而徐推之，必端以正、安以静、坚心无解(懈)，欲微以留，气下而疾出之，推其皮，盖其外门，真气乃存。”《素问·离合真邪论》中也提到：“吸则内针，无令气忤，静以久留，无令邪布，吸则转针，以得气为故，候呼引针，呼尽乃去，大气皆出，故命曰泻。”可知捻转手法远出上古。捻转手法作为一种针刺治疗手法，其内涵即是《内经》调气、导气理论的具体运用和发展。

针灸临床循证诊疗决策分析主要集中在两方面：一方面，根据患者症状和体征进行诊断和辨证决策；另一方面，分析腧穴运用规律并综合针灸疗效、刺激方法、治疗时间等多种相关因素，得到最优化的针刺治疗方案。

当前的针刺手法特征参数采集仪器一般均在“空载”情况下进行数据采集，即在“模拟人体”上进行手法操作、数据采集。而在实际临床操作中，必须在“负载”情况下(即在病人身体上)实施针灸操作，因此，当操作者将针灸针刺入人体穴位后，必须让病人先“得气”，而“得气”则是针刺产生治疗作用的关键，是判定针刺操作正确与否、患者经气盛衰、疾病预后转归、临床治疗效果有无的重要依据，也是针刺过程中进一步实施手法的基础；除了促使“得气”、加强针刺感应，还需适当地配合各种行针手法，针刺捻转手法即是常用的手法之一。然而，在针刺捻转手法的传承和推广中，存在以下问题：对具体操作过程中的频率、节率、强度、时间等物理量缺少量化的指标，手法操作较为主观随意，没有统一的标准，给临床的疗效评估和课堂的手法教学评价都造成了一定的困难。医学生在学习捻转手法时，一方面对捻转手法的理解往往仅停留于文字阶段，而缺少直观的印象，另一方面在练习过程中也缺少一个可以参考的指标，难以对训练过程中手法的正确性和熟练度做出相对客观准确的评价，不利于捻转手法的学习。因此，对针刺捻转手法参数进行采集，建立规范化模型对于中医针刺事业的发展和传承有着重要的意义。

近年来，随着计算机信息理论的发展，如黑箱理论、数据挖掘、人工智能等，由于其较好地符合中医药学体系的全息性、系统性和非线性等特性，已被应用于一些中医药专业领域。然而，要精准获取学生针刺捻转手法与教师手法之间的相关性还存在较大的困难，例如针刺捻转时施加的力度，既不因力度太小起不到治疗作用，又不因力度太大对人体造成危险；针对某一疾病采用何种补泻手法作最佳疗法，且能保证学生与教师间的相似性；检测用传感器的安放位置及表面积大小，必须适用于数据的正确获取；数据获取后采用何种相关性评价方法，才能准确得到学生与教师间的比较结果，这些都在很大程度上限制了针刺捻转手法的教学、传承与发展。

为此，研发一种针刺捻转手法教学的实时、在体评定方法及装置，准确提取针刺捻转手法的特征参数，并分析学生与教师之间针刺捻转手法之间的相关性，对学生针刺捻转手法的掌握给予客观、系统、科学的评定，并指出缺陷和改进方向，提高针刺捻转手法教学的效果，有利于针刺捻转手法的教学、传承与发展。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种针刺捻转手法教学的实时、在体评定方法及装置，该评定方法及装置可用于针刺捻转手法的临床教学，实时、客观、系统、科学地评定学生的掌握效果，并及时指出缺陷和改进方向，利于针刺捻转手法的教学、传承与发展。

本发明的技术方案为，一种针刺捻转手法教学的实时、在体评定方法，步骤包括：

(1)采集每个学生与教师行针时的手法特征值，基于Shannon熵连续变量互信息方法分别获取每个学生与教师间手法特征值的互信息值；

(2)在手法特征值中基础性手法特征值的互信息值评分排序的基础上，再结合关联性手法特征值的互信息值评分排序进行综合评分排序，确定每个学生的成绩。

所述步骤(1)中，基于Shannon熵连续变量互信息方法采用如下公式：X指学生，Y指教师，ρ为X，Y的相关系数；分别获取每个学生与教师间手法特征值的互信息值。

所述步骤(2)中，手法特征值包括捻搓最大压力和搓放最大压力的基础性手法特征值，以及捻搓周期和搓放时间的关联性手法特征值。

所述步骤(1)中，每个学生与教师行针时手法特征值的获取方法包括以下步骤：

a.采集每个学生与教师行针时手指压力变化信号转换成的模拟电信号；

b.模拟电信号经放大、滤波、采样保持与A/D转换，获取数字电信号；

c.下位机采集数字电信号并上传至上位机；

d.上位机将获取的数字电信号储存到数据库，提取每个学生与教师行针时的手法特征值。

所述步骤a中，将压力传感器固定到食指与针具的接触面上，所述压力传感器为薄膜柔性压力传感器，行针时，采用的薄膜柔性压力传感器将采集的手指压力变化信号转换成模拟电信号。

所述步骤b中，模拟电信号采用差分放大器进行放大处理。

所述步骤b中，采用巴特沃兹滤波器进行除噪滤波处理。

所述步骤(2)中，先结合基础性手法特征值捻搓最大压力和搓放最大压力，进行评分排序；再结合关联性手法特征值捻搓周期和搓放时间，进行综合评分排序。

一种采用针刺捻转手法教学的实时、在体评定方法的评定装置，包括信号采集模块，用于采集每个学生与教师行针时的手法特征值，和特征值处理模块，通过Shannon熵连续变量互信息方法分别获取每个学生与教师间手法特征值的互信息值，以及综合评价模块，将不同的手法特征值的互信息值进行综合评分排序，得到每个学生的成绩情况。

所述信号采集模块包括设置在操作者的食指与针具的接触面上的薄膜柔性压力传感器；所述手法特征值包括每个操作者的捻搓最大压力和搓放最大压力的基础性手法特征值，以及每个操作者的捻搓周期和搓放时间的关联性手法特征值。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

本发明针刺捻转手法教学的实时、在体评定方法及装置，可对临床行针教学进行实时评价，客观、系统、科学地展示学生的掌握效果，并可及时指出缺陷和改进方向，为针刺捻转手法的教学提供客观化、标准化、规范化的评判标准，并为实现针刺捻转手法教学的数字化、自动化提供技术支持，利于针刺捻转手法的教学、传承与发展。

附图说明

图1为本发明学生与教师间针刺捻转手法相关性评定流程示意图。

图2为本发明学生与教师间针刺捻转手法相关性评定原理示意图。

图3为本发明薄膜柔性传感器的应变电桥电路示意图。

图4为本发明模拟电信号电压放大电路示意图。

图5为本发明针刺捻转手法的示意图。

图6为本发明单点薄膜压力传感器。

图7为本发明实例飞法手法实测波形图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例进一步说明本发明的技术方案。

按照图1与图2所示过程，实时、在体采集针刺捻转手法的特征参数，并在学生与教师之间进行手法相关性分析，实现针刺捻转手法教学过程中的成绩评定，有针对性的指出手法操作存在问题和解决方向，提高手法教学效果等功能，具体过程如下：

(1)针刺捻转时，如图5所示，将面积合适的薄膜柔性传感器(图6)贴合固定到针具与操作者食指的接触面上，并外套橡胶手套加以固定；薄膜柔性传感器将采集的手指压力变化信号转换成模拟电信号，并由屏蔽线连接输出。

薄膜柔性传感器将采集的手指压力变化信号转换成模拟电信号，其使用的应变电桥电路如图3所示，其中第一桥臂接应变电阻(指薄膜柔性传感器)Rg1，其他三个桥臂接固定电阻R2、R3、R4。当应变片Rg1末发生应变时，由于没有阻值变化，电桥维持初始平衡条件的Rg1×R3＝R2×R4，因而输出为零，即e₀＝A(Rg1×R3-R2×R4)＝0。当应变片产生应变时，应变片产生△Rg1的电阻变化，电桥处于不平衡状态，此时，

假设并考虑到电桥初始平衡条件省略去分母中的微量则上式可写成 从式中可以得到，输出电压正比于应变片发生应变时产生的电阻变化量，其中E为电桥电压，e₀为输出电压。

(2)模拟电信号经放大、滤波、采样保持与A/D转换，得到数字电信号，具体为：

a.模拟电信号经电压放大电路放大、整形，得到符合要求的电压变化信号；

电压放大电路如图4所示，由三个运算放大器组成的固定增益的差分输入放大器，其中，增益为

具有高输入阻抗、高共模抑制比、精确的高增益之特点。

b.电压变化信号经沃兹滤波器去除噪声信号，得到去除噪声的电压变化信号；

由巴特沃兹设计的多节有源滤波器是一种比简单滤波器的特性更陡峭的高通或低通滤波器。一般说来，特性的截止陡度随滤波器节数的增加而趋于理想特性。简单而言，对巴特沃兹滤波器进行设计的基本条件是在交叉点处(角频率ω_x)增益的数值|A|为-3dB或巴特沃兹滤波器是由具有这种特性的、单级或多级串联的二次有源滤波器组成。二次滤波器的传递函数或增益表示为

对于单个二次滤波器来说，如其b值为则

一个二次滤波器的频率响应与一个二级巴特沃兹滤波器的特性相同，所以，本方法采用巴特沃兹滤波器具有比较好的滤除噪声信号的作用。

c.去除噪声的电压变化信号经多路采样保持与A/D转换模块，转换成数字电信号。

(3)下位机采集数字电信号并储存，同时通过USB通讯口将数字电信号上传至上位机，具体为：

a.下位机与上位机通过USB通讯口建立通讯；

b.下位机采集数字电信号并储存和处理；

c.上位机向下位机发送命令，下位机将数字电信号上传至上位机。

(4)上位机将获取的数字电信号储存到数据库，提取学生与教师的手法特征值，基于Shannon熵的互信息软件分析不同学生X_i对同一教师Y的手法特征值的互信息值I(X_i；Y)，基于Shannon熵的互信息软件采用的连续变量X，Y的互信息计算公式为 对不同学生X_i的手法特征值的互信息值I(X_i；Y)进行综合评分，确定不同学生X_i的成绩，指出手法操作存在问题和解决方向。

手法特征值包括捻搓最大压力、搓放最大压力、捻搓周期和搓放时间。

不同学生X_i的手法特征值的互信息值I(X_i；Y)进行综合评分的方法为：在捻搓最大压力的互信息值与搓放最大压力的互信息值间总评分的基础上，再结合捻搓周期的互信息值与搓放时间的互信息值进行综合评分，确定不同学生X_i的成绩，并指出不同学生X_i相对教师Y在捻搓最大压力、搓放最大压力、捻搓周期或搓放时间上存在的问题和解决方向，提高手法教学效果。

利用连续变量的Shannon熵的互信息，将学生与教师的手法进行对比，并对互信息进行计算，直观、快速的评价学生与教师手法的相关性，并从理论上支持相关结果的准确性。基于连续变量X，Y的互信息计算公式为 的分析过程如下：

基于Shannon熵的互信息。设n个特征变量用X₁，X₂，.....X_n表示，其概率密度函数分布用p(x¹)，p(x²)，.....p(xⁿ)，Ω_j是变量X_i(i＝1，2，...，n)的定义域，X_i和X_j的联合概率分布密度是p(xⁱ，x^j)(i＝1，2，...，n，j＝1，2，...，n)，当变量X_i(i＝1，2，...，n)是连续变量时，变量X_i的Shannon熵可写成：

当变量X_i(i＝1，2，...，n)和X_j(j＝1，2，...，n)都是连续变量时，联合熵为：

联合熵可以推广到N≤n个变量的情况。

X_i与X_j之间的互信息表示为：

I(X_i，Y_j)＝H(X_i)+H(X_j)-H(X_i，X_j)

两个连续随机变量之间的相关分析方法。已知两个连续随机变量X，Y，他们都服从正态分布，分布函数分别为：

上式中，μ_x，μ_y分别是随机变量X，Y的数学期望；σ_x，σ_y分别是随机变量X，Y的标准差。

X，Y的联合概率分布可表示成如下形式：

上式中，ρ为X，Y的相关系数。

所以，变量X，Y的熵及其联合熵为：

同理，

令：则

连续变量X，Y的互信息为：

实例

以辅助手法-“飞法”手法操作为例。此手法由操作者用刺手的拇指和食指持针，细细捻搓数次，然后张开两指，使针颤动，一搓一放，反复数次，状如飞鸟展翅，适用于肌肉丰厚部位的腧穴。

按照上述方法，实时、在体采集针刺捻转手法的特征参数，并将其转换成数字电信号储存至数据库，定性、定量地评价每位学生与专家的“飞法”特征参数相关性。

(1)定性分析，获取具有飞法特征的波形：连续几个波峰较矮、斜率较小的锯齿状波形后跟随一个波峰较高、斜率较大的波形，分别对应飞法操作中“细细捻搓数次”和“张开两指，一搓一放”的操作，如图7所示。

(2)定量分析，获取飞法操作的频率、强度、速率等特征值

1)捻搓周期：锯齿状波形中两个连续波峰之间的横轴距离(即时间)；

2)捻搓频率：即捻搓周期的倒数；

3)捻搓时手指的最大压力：锯齿状波形波峰的纵轴高度(即压力值)，即捻搓时手指的最大压力

4)搓放时手指的最大压力：单个高耸波形波峰的纵轴高度(即压力值)，即搓放时手指的最大压力；

5)搓放时间：单个高耸波形的横轴距离(即从搓放动作开始到完全放手、手指不再接触针柄所用时间)；

6)捻搓时手指的平均压力：锯齿状波形的平均值；

7)飞法操作作用周期内的平均压力值：完整一个飞法操作过程的平均值；

8)飞法操作的节率：两个高耸波形波峰之间的横轴距离。

运用上述基于连续变量X，Y的Shannon熵互信息评价学生与教师在捻搓周期、捻搓最大压力、搓放最大压力与搓放时间等特征值的相关性值(即互信息值)，结果如表1至表5所示。

表1捻搓周期(单位：S)

由表1可知，同教师捻搓周期接近程度大小的排序为学生4、学生1、学生3和学生2，且学生2和学生3的相关性值偏低。

表2捻搓频率(单位：Hz，次/秒)

表3捻搓时手指的最大压力(单位：N)

由表3可知，同教师捻搓最大压力接近程度大小的排序为：学生4、学生3、学生1和学生2，且学生4的相关性明显高于其他学生。

表4搓放时手指的最大压力(单位：N)

由表4可知，同教师搓放时最大压力接近程度大小的排序为：学生4、学生3、学生2和学生1，且学生4的相关性明显高于其他学生。

表5搓放时间(单位：S)

由表5可知，同教师搓放时间接近程度大小的排序为：学生1、学生2、学生3和学生4，且学生4的相关性最小。

根据表1至表5所示的每个学生与教师之间手法特征值的相关性值，对每个学生进行综合评分，由捻搓最大压力的相关性值与搓放最大压力的相关性值进行评分，确定学生4的成绩最好；再结合捻搓周期的相关性值和搓放时间的相关性值进行综合评分，确定学生4的手法成绩最好，同教师最接近，但搓放时间控制性差，仍需提高搓放时间的稳定性。

本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明的目的，而并非用作对本发明的限定，只要在本发明的实质范围内，对以上所述实施例的变化、变型都将落在本发明的权利要求的范围内。

Claims (10)

1.一种针刺捻转手法教学的实时、在体评定方法，其特征在于，步骤包括：

(1)采集每个学生与教师行针时的手法特征值，基于Shannon熵连续变量互信息方法分别获取每个学生与教师间手法特征值的互信息值；

(2)在手法特征值中基础性手法特征值的互信息值评分排序的基础上，再结合关联性手法特征值的互信息值评分排序进行综合评分排序，确定每个学生的成绩。

2.根据权利要求1所述的实时、在体评定方法，其特征在于，所述步骤(1)中，基于Shannon熵连续变量互信息方法采用如下公式：X指学生，Y指教师，ρ为X，Y的相关系数；分别获取每个学生与教师间手法特征值的互信息值。

3.根据权利要求1所述的实时、在体评定方法，其特征在于，所述步骤(2)中，手法特征值包括捻搓最大压力和搓放最大压力的基础性手法特征值，以及捻搓周期和搓放时间的关联性手法特征值。

4.根据权利要求1所述的实时、在体评定方法，其特征在于，所述步骤(1)中，每个学生与教师行针时手法特征值的获取方法包括以下步骤：

a.采集每个学生与教师行针时手指压力变化信号转换成的模拟电信号；

b.模拟电信号经放大、滤波、采样保持与A/D转换，获取数字电信号；

c.下位机采集数字电信号并上传至上位机；

d.上位机将获取的数字电信号储存到数据库，提取每个学生与教师行针时的手法特征值。

5.根据权利要求4所述的实时、在体评定方法，其特征在于，所述步骤a中，将压力传感器固定到食指与针具的接触面上，所述压力传感器为薄膜柔性压力传感器，行针时，采用的薄膜柔性压力传感器将采集的手指压力变化信号转换成模拟电信号。

6.根据权利要求4所述的实时、在体评定方法，其特征在于，所述步骤b中，模拟电信号采用差分放大器进行放大处理。

7.根据权利要求4所述的实时、在体评定方法，其特征在于，所述步骤b中，采用巴特沃兹滤波器进行除噪滤波处理。

8.根据权利要求3所述的实时、在体评定方法，其特征在于，所述步骤(2)中，先结合基础性手法特征值捻搓最大压力和搓放最大压力，进行评分排序；再结合关联性手法特征值捻搓周期和搓放时间，进行综合评分排序。

9.一种采用如权利要求1所述方法的评定装置，其特征在于，包括信号采集模块，用于采集每个学生与教师行针时的手法特征值，和特征值处理模块，通过Shannon熵连续变量互信息方法分别获取每个学生与教师间手法特征值的互信息值，以及综合评价模块，将不同的手法特征值的互信息值进行综合评分排序，得到每个学生的成绩情况。

10.如权利要求9所述的评定装置，其特征在于，所述信号采集模块包括设置在操作者的食指与针具的接触面上的薄膜柔性压力传感器；所述手法特征值包括每个操作者的捻搓最大压力和搓放最大压力的基础性手法特征值，以及每个操作者的捻搓周期和搓放时间的关联性手法特征值。