CN110349661A - 一种针灸远程诊疗系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种针灸远程诊疗系统，包括人体穴位模型生成单元、参数采集单元、数据上传单元、比对分析纠错单元，由传感器采集针灸手法力学参数，通过网络实时同步到远程医院针灸医师，与远端针灸医生对真实患者的针刺手法力学参数实时比对，针灸医师依据比对偏差反馈修正针灸治疗操作，同时远端真实患者针后感应如酸麻胀重实时反馈到针灸专家端的虚拟患者，针灸专家据此不断调整针刺手法。本发明应用生物传感、物联网技术、混合现实MR技术，针灸专家在优质医疗资源集中的头部医院针对由MR展现的虚拟患者实施针灸操作，稀缺针灸专家不再需要旅途奔波，即可高效指导远端针灸医师，实现稀缺优质医疗资源高效共享。

Description

一种针灸远程诊疗系统
技术领域
本发明属于中医针灸的远程诊疗领域，涉及AR技术、数据远程传输，力学传感和光纤传感技术领域。
背景技术
针刺手法是针灸理论中一个重要组成部分，是针灸临床所必须掌握的基本技能,也是决定疗效的关键环节。不同的针刺手法产生不同的临床效应，在针刺治疗过程中，采用适宜的针刺手法是治疗成败的重要因素。由于渊源、师承关系的不同，历代医家形成了各具特色的流派和针刺手法。而由于技术的限制，针刺手法缺乏可遵循的统一客观标准，操作过程无法进行详细的量化，令后学者“在心易了，指下难明”，以致于给后世医家学习、继承和发展带来不必要的困难，也影响临床疗效的客观评价和提高。
目前针灸临床科研教学面临的主要问题是：
① 针刺手法的客观量化。针刺手法客观量化的主要参数有提插、捻转的力度，角度和速度，杨华元等[1]研制出针刺手法参数分析仪，能在人体上进行各种针刺手法操作，并将操作时的针刺手法完整地变换成电信号,使手法参数与针刺效应对应起来，并在此基础上进行针刺手法的受力分析研究[2]，从中寻找运针过程中物理量变化特点和规律,建立计算机针刺手法模拟系统[3]，为针刺手法的规范操作及临床科研提供了新的实验方法。丁光宏等[4，5]应用现代集成电路技术和生物力学原理,研制出能在人活体上测试各种针刺手法并能感受施针者和受针者相互作用力的检测系统，发现针体上的拉压力和扭转力矩的波形及数值可以反映不同手法的针体受力过程,进而能反映不同手法参数。李庆华等[6]研制成功一种检测中医针刺手法的量化传感针。该传感针配合相应的计算机采集硬件和软件系统，能够对针刺手法过程进行实时检测记录和分析。对检测信号进行频谱分析结果表明:针体上的受力在针刺过程中变化十分敏感,输出波形可以清楚识别运针的细节,其变化规律和中医学关于针刺手法的描述相吻合。通过对人体穴位进行均匀提插和捻转操作，实现了针刺过程中针体受力的定量化测量，为针刺手法的研究和针刺疗效的客观描述提供了实验手段和科学依据。但这些对针刺手法的量化只能是操作者手法的客观显示，无法实现远程手法学习和针灸临床指导。
② 针灸的远程医疗教学。目前人们可以进行远程手术会诊、教学；进行中医远程会诊，患者上传症状，检查报告，舌苔脉象等，一个或数个医生讨论确定诊疗方案，然后下传给患者。而针灸临床治疗就很难做到这些，因为每个医生针刺的手法不完全一致，无法客观量化；同时各人针刺手法操作的图谱曲线无法上传，相互之间手法不能对比识别。即上级医生无法直接操作或指导下级医生的针刺手法操作，而下级医生也不能学习或重复专家的针刺手法。
③ AR技术在医学中的应用
AR 技术是将真实世界和虚拟世界信息综合在一起的崭新技术，是虚拟现实（ＶＲ）技术的延伸，它借助光电显示技术、交互技术、计算机图形技术和可视化技术等产生现实环境中不存在的虚拟对象，并将虚拟对象准确地放置在真实的环境中,真实环境和虚拟物体之间重叠之后，能够在同一个画面以及空间中同时存在，增强了使用者与外界交互的感受。AR技术可直接将虚拟建模图像与患者真实情况叠加，减少医生的主观想象，可实现同时观看导航图像和真实患者，进一步提升操作的安全性和精准性，降低操作失败率。
滕玮等[7-8]提出了建立在增强现实技术和针灸专家系统基础上的智能针灸系统，本系统应用双目立体视觉原理，通过表面三维信息重建，可获得具有表面三维信息的真实人体的图像，与已经绘制好的具有穴位的标准虚拟人体立体图像相叠加，获得对应人体各部位的穴位及其相关资料，通过自动控制机械手找到由专家系统确定的需要治疗的腧穴，用激光对人体进行穴位激光投照，进行针灸治疗。但这一技术不能对医生的针刺手法加以量化和实时检测、传输，无法做到远程医疗指导和技术传承，更谈不上客观评价和提高临床疗效。
[1]杨华元，顾训杰，王志煜等 针刺手法参数分析仪研制及其应用[J].上海针灸杂志, 1991, 3: 35-36.
[2]杨华元，夏锦杉，顾训杰等 针刺手法参数测定仪研制及手法受力分析[J].陕西中医学院学报, 1994,17(2): 37-38.
[3]杨华元，夏锦杉，顾训杰等 计算机针刺手法模拟系统[J].上海针灸杂志, 1995,14(1): 35-36.
[4]丁光宏，沈雪勇等 中医针刺过程中针体受力的动态监测系统研制[J].生物医学工程学杂志,2003,20(1):121-124.
[5]丁光宏,沈雪勇,陶岳辉等 针刺手法与针体受力参数的对比研究[J].中国生物医学工程学报,2004,23(4):334-341.
[6] 李庆华,李付国,艾炳蔚.中医针刺手法用传感针的研制[J].传感技术学报,2006；19（2）：285
[7]滕玮，田淮，曾芬芳，等.基于增强现实技术的智能针灸系统的视觉处理[J].华东船舶工业学院学报(自然科学版)，2004，18(1):46-50.
[8]滕玮,曾芬芳.仿射变换在增强现实智能针灸系统中的应用研究[J].江苏科技大学学报(自然科学版),2006(04):55-59.。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提出一种针灸远程诊疗系统。将针刺手法与现代传感技术和互联网技术结合，将针灸专家和基层针灸医生的针刺手法操作数据或图像应用5G通信技术和AR增强现实技术实现数据的远程、快速（实时）传输。既可以让名医资源实现技术共享，远程诊治，同时又可以将针刺手法实现客观量化和精准医疗。
本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：
本发明提出一种针灸远程诊疗系统，包括人体穴位模型生成单元、参数采集单元、数据上传单元、比对分析纠错单元，其中：
人体穴位模型生成单元，用于通过表面三维信息重建,获得具有表面三维信息的真实人体的图像,与已经绘制好的具有穴位的标准虚拟人体模型立体图像相叠加，获得对应人体的各部位的穴位及其相关资料；
参数采集单元，用于在第一现场端实时检测与采集专家针刺手法的力学参数，以及在第二现场端实时检测与采集医师针刺手法的力学参数、针刺时患者穴位处产生的生物医学信号；
数据传输单元，用于将第一现场端采集的针体受力参数，作为手法参数实时动态上传，实现针灸实时影像与治疗操作时间序列的传输；同时，将第二现场端采集的针体受力参数、患者穴位处的生物医学信号回传至第一现场端；
比对分析纠错单元，在获得来自第一现场端和第二现场端的针刺手法检测的所有特征点后，基于人体针灸穴位模型，在第二现场端真实患者针灸现场影像上叠加第一现场端专家针刺手法力学参数的特征点信息，进行匹配和比对；将第二现场端真实患者针后感应实时反馈到第一现场端的人体针灸穴位模型上，由第一现场端的专家据此不断调整针刺手法，第二现场端的医师依据比对偏差反馈修正针灸治疗操作，实现针刺手法及患者感应的虚拟现实展现。
进一步，本发明所提出的一种针灸远程诊疗系统，人体穴位模型生成单元中，标准虚拟人体模型是通过三维建模软件3DS max生成的人体曲面模型。
进一步，本发明所提出的一种针灸远程诊疗系统，参数采集单元中，第一现场端实时检测与采集专家针刺手法的力学参数包括：针刺手法操作时的提插力、捻转力和摇摆力，以及量化针灸治疗操作时间序列，包括行针的穴位、进针深度、捻针角速度。第一现场端实时检测与采集专家针刺时患者穴位处产生的生物医学信号包括：针刺手法操作时穴位的钙离子（Ca2+）含量、氢离子（H+）含量。
进一步，本发明所提出的一种针灸远程诊疗系统，所述数据传输单元将第一现场采集的提插和捻转的角速度及提插力的针体受力参数，通过仪器引导出相应的曲线，通过TST3827动静态应变测试仪连接对捻转提插针刺手法的曲线加以标定，作为手法参数实时动态上传。第一现场端采集的生物医学信号，通过光谱仪对传感探头反射光的频谱进行实时分析获得探头附近的折射率信息，作为生物医学信号参数实时动态上传。
进一步，本发明所提出的一种针灸远程诊疗系统，在比对分析纠错单元中，采取自动提取特征的方法和基于图像特征的匹配，运用Barnard算子来提取特征点；在获得来自第一现场端和第二现场端检测的所有特征点后，实现彼此匹配。
进一步，本发明所提出的一种针灸远程诊疗系统，在匹配时，对于由可能匹配点的邻域的相似性程度所得到的初始匹配概率，利用视差一致性约束来对其进行迭代；当经过一定的松弛迭代次数后，取具有预设匹配概率的可能匹配点作为最终匹配点，从而实现了两幅图像间基于特征点的配准。
进一步，本发明所提出的一种针灸远程诊疗系统，对第一现场端采集的每一特征点与其可能匹配点之间的视差定义一个初始匹配概率，确定两个区域间的灰度分布拟合程度。
进一步，本发明所提出的一种针灸远程诊疗系统，比对分析纠错单元采用微软Holo Lens2展现针刺手法以及患者感应的虚拟现实场景，针灸治疗操作时间序列的混合现实。
进一步，本发明所提出的一种针灸远程诊疗系统，所述数据传输单元采用互联网VPN以及5G网络实现针灸实时影像与治疗操作序列的传输。
本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
（1）远程化 —— 针灸治疗的远程化，使得高级专家不用长途奔波就能进行远程诊断，远程指导，远程治疗。下级医生和患者在家门口也可以享受到专家的指导、治疗。
（2）可视化 —— 专家可以直观并远程操控针刺手法的实施。
（3）一致性 —— 操作者的手法在专家指导下，最大限度地符合（接近）专家或系统已有的得气手法数据。
（4）同步性 —— 知名专家与操作者手法可以同步，专家可以直观并远程操控针刺手法的实施。
附图说明
图1是针刺手法数据采集示意图。
图2是基于5G的数字可视化实时传输示意图。
图3是针灸远程诊疗系统示意图。
图4是针刺手法及患者感应的数据建模和MR镜像图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：
本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语（包括技术术语和科学术语）具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
如图4所示，是本发明的总体实施流程，包括以下步骤：
本发明包括针刺手法参数的采集、数据的上传、AR增强现实技术对图像数据的比对分析纠错，专家远程诊疗等。
1、针刺手法力学参数的实时检测与采集。
在已有专利技术（一种检测中医针刺手法的量化传感针 李庆华 李付国 艾炳蔚专利号：ZL 2005 1 0043040 5，一种能够测量中医针刺手法六分量微力的针灸针 王磊 李付国 艾炳蔚 李潇 汪程鹏 王瑞亭 李浩 专利号：ZL 2012 1 0179195.1 ）基础上，由原来图形、曲线显示改为数字显示，实时显示针刺手法操作时的提插力、捻转力和摇摆力等。
2、针刺时穴位处产生的生物医学信号实时检测与采集。
改良传感器的外形设计，传感器的针头可以为普通针灸针，也可以替换为空心埋线针头（直径0.7mm,长40mm，针尖呈斜破口状），将光纤钙离子传感器、氢离子传感器置于中空的埋线针头内进行固化，并在传感针的上部联接力学传感器的波纹管状弹性元件，组成光纤自诊断机敏结构的传感器网络。将集成固化的传感针分别与TST3827动静态应变测试仪和光谱仪连接，分别测试不同针刺手法下针体受力参数和Ca2+、H+含量。并通过计算机对采集的数据进行后续分析处理。
3、针刺手法以及患者感应的虚拟现实展现。
计划先采用成熟的微软Holo Lens2展现针刺手法以及患者感应的虚拟现实场景。
提插和捻转的角速度及提插力等针体受力参数，通过仪器引导出相应的曲线，可以通过TST3827 动静态应变测试仪连接对捻转提插针刺手法的曲线加以标定，作为手法参数实时动态上传。精确量化针灸治疗操作时间序列的数学模型，比如行针的穴位、进针深度、捻针角速度等，将经验的针灸治疗操作量化、数字化。
针灸治疗操作时间序列的混合现实展现技术。包括以下内容：
精准建模：通过表面三维信息重建,可获得具有表面三维信息的真实人体的图像,与已经绘制好的具有穴位的标准虚拟人体立体图像相叠加（标准虚拟人体模型是通过三维建模软件3DS max生成的人体曲面模型），获得对应人体的各部位的穴位及其相关资料。基于人体针灸穴位模型，在真实患者针灸现场影像上叠加手法参数等特征点信息，在针灸专家和针灸医师面前展现患者针灸治疗的增强场景；研究针灸治疗操作的虚拟和增强展现。
特征点的提取与匹配：采取自动提取特征的方法和基于图像特征的匹配，运用Barnard算子来提取特征点，采用微软Holo Lens2实现针灸治疗操作时间序列的混合现实；在获得来自专家和下级医生的手法检测的所有特征点后，就要实现它们之间的匹配，对于由可能匹配点的邻域的相似性程度所得到的初始匹配概率，可利用视差一致性约束来对其进行迭代。当经过一定的松弛迭代次数后，取那些具有较大匹配概率的可能匹配点作为最终匹配点，从而实现了两幅图像间基于特征点的配准。为了使两幅图像的特征点之间能够实现正确的对应, 对专家手法的每一特征点与其可能匹配点之间的视差定义一个初始匹配概率，确定两个区域间的灰度分布拟合程度。
3.1技术实现途径：
3.1.1 进针穴位和手法由针灸专家依据远程传来的针灸实时影像确定并确认，采用力学或光纤传感器等实现针刺手法参数和生物医学信号的采集；
3.1.2 采用微软Holo Lens2实现针灸治疗操作时间序列的混合现实；
3.1.3 采用互联网VPN以及5G等网络实现针灸实时影像与治疗操作序列的传输。
4、专家远程诊疗
为了解决针刺手法无法完全客观量化的难题，我们采用针刺手法传感加针刺场景混合现实展现相结合的方式，在专家与远端针灸医生以及患者面前展现针刺与患者感应的混合现场场景，专家、针灸医生与患者一如现场针刺，针刺手法通过客观的传感器数据以及直观的针刺视听场景等，在上下级医生之间充分地传递针刺手法与患者感应的信息。也可以多个专家对多个下级医生和患者进行远程会诊讨论和治疗。
本发明借鉴以“达芬奇”为代表的手术机器人设计理念与技术路线，应用生物传感、物联网技术、混合现实MR（Mixed Reality）技术，针灸专家在优质医疗资源集中的头部医院针对由MR展现的虚拟患者实施针灸操作，传感器采集针灸手法力学参数，通过网络实时同步到远程医院针灸医师，与远端针灸医生对真实患者的针刺手法力学参数实时比对，针灸医师依据比对偏差反馈修正针灸治疗操作，同时远端真实患者针后感应如酸麻胀重实时反馈到针灸专家端的虚拟患者，针灸专家据此不断调整针刺手法，就如同在现场针灸。稀缺针灸专家不再需要旅途奔波，即可高效指导远端针灸医师，实现稀缺优质医疗资源高效共享。
以上所述仅是本发明的部分实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种针灸远程诊疗系统，其特征在于，包括人体穴位模型生成单元、参数采集单元、数据上传单元、比对分析纠错单元，其中：
人体穴位模型生成单元，用于通过表面三维信息重建,获得具有表面三维信息的真实人体的图像,与已经绘制好的具有穴位的标准虚拟人体模型立体图像相叠加，获得对应人体的各部位的穴位及其相关资料；
参数采集单元，用于在第一现场端实时检测与采集专家针刺手法的力学参数，以及在第二现场端实时检测与采集医师针刺手法的力学参数、针刺时患者穴位处产生的生物医学信号；
数据传输单元，用于将第一现场端采集的针体受力参数，作为手法参数实时动态上传，实现针灸实时影像与治疗操作时间序列的传输；同时，将第二现场端采集的针体受力参数、患者穴位处的生物医学信号回传至第一现场端；
比对分析纠错单元，在获得来自第一现场端和第二现场端的针刺手法检测的所有特征点后，基于人体针灸穴位模型，在第二现场端真实患者针灸现场影像上叠加第一现场端专家针刺手法力学参数的特征点信息，进行匹配和比对；将第二现场端真实患者针后感应实时反馈到第一现场端的人体针灸穴位模型上，由第一现场端的专家据此不断调整针刺手法，第二现场端的医师依据比对偏差反馈修正针灸治疗操作，实现针刺手法以及患者感应的虚拟现实展现。
2. 根据权利要求1所述的一种针灸远程诊疗系统，其特征在于，人体穴位模型生成单元中，标准虚拟人体模型是通过三维建模软件3DS max生成的人体曲面模型。
3.根据权利要求1所述的一种针灸远程诊疗系统，其特征在于，参数采集单元中，第一现场端实时检测与采集专家针刺手法的力学参数包括：针刺手法操作时的提插力、捻转力和摇摆力，以及量化针灸治疗操作时间序列，包括行针的穴位、进针深度、捻针角速度；同时，第一现场端实时检测与采集专家针刺时患者穴位处产生的生物医学信号包括：针刺手法操作时穴位的钙离子Ca2+含量、氢离子H+含量。
4.根据权利要求1或3所述的一种针灸远程诊疗系统，其特征在于，所述数据传输单元将第一现场采集的提插和捻转的角速度及提插力的针体受力参数，通过仪器引导出相应的曲线，通过TST3827动静态应变测试仪连接对捻转提插针刺手法的曲线加以标定，作为手法参数实时动态上传；同时，第一现场端采集的生物医学信号，通过光谱仪对传感探头反射光的频谱进行实时分析获得探头附近的折射率信息，作为生物医学信号参数实时动态上传。
5.根据权利要求1所述的一种针灸远程诊疗系统，其特征在于，在比对分析纠错单元中，采取自动提取特征的方法和基于图像特征的匹配，运用Barnard算子来提取特征点；在获得来自第一现场端和第二现场端检测的所有特征点后，实现彼此匹配。
6.根据权利要求5所述的一种针灸远程诊疗系统，其特征在于，在匹配时，对于由可能匹配点的邻域的相似性程度所得到的初始匹配概率，利用视差一致性约束来对其进行迭代；当经过一定的松弛迭代次数后，取具有预设匹配概率的可能匹配点作为最终匹配点，从而实现了两幅图像间基于特征点的配准。
7.根据权利要求6所述的一种针灸远程诊疗系统，其特征在于，对第一现场端采集的每一特征点与其可能匹配点之间的视差定义一个初始匹配概率，确定两个区域间的灰度分布拟合程度。
8. 根据权利要求1所述的一种针灸远程诊疗系统，其特征在于，比对分析纠错单元采用微软Holo Lens2展现针刺手法以及患者感应的虚拟现实场景，针灸治疗操作时间序列的混合现实。
9.根据权利要求1所述的一种针灸远程诊疗系统，其特征在于，所述数据传输单元采用互联网VPN以及5G网络实现针灸实时影像与治疗操作序列的传输。
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