CN114220306B - 一种基于虚实结合技术的中医针刺手法训练系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于虚实结合技术的中医针刺手法训练系统及方法；该系统包括模拟人压力、角度传感器、模拟人传输器、接收器、计算机、传输器、VR头盔接收器、VR头盔。本发明以全三维动画的形式模拟整个针刺过程，学生通过虚实结合的形式与系统进行互动，完成对针刺操作前准备（医者手的消毒方法和患者体位选择）、局部消毒、针具选择和持针手法、进针、行针、及各种针刺补泻手法及效应的相关知识点的掌握；并对其技能操作能力进行测评，提供反馈纠错、智能指导、智能评价，帮助学生掌握针刺补泻操作的正确完整流程。
Description
技术领域
本发明涉及中医针刺训练系统相关的技术领域，具体来讲涉及的是一种基于虚实结合技术的中医针刺手法训练系统及方法。
背景技术
针灸学作为中医学的重要组成部分，是中国传统医学走向世界的先锋。而刺法灸法学是针灸学体系中联系针灸基础理论与临床治疗的一个桥梁学科。针灸防病治病的目的是通过具体的刺灸法来实现的，离开了刺灸方法，针灸治病便无从谈起。而且刺灸方法是否运用得当，直接关系到针灸疗效的优劣。因此，刺法灸法学在针灸学人才培养中占有举足轻重的地位。刺法灸法学的教学当中针刺手法是重点，其中针刺补泻手法的教学因其难以直观量化的特点更是成为重点中的难点，若要高质量完成这部分内容的教学，实现卓越针灸人才的培养目标，在教学中引入网络化的虚拟仿真实验技术是有效路径之一。
在传统中医教学中，利用人体模型辅助针灸教学，这种方法可以很清晰给学生讲解穴位的位置，让学生实操针灸手法，但是不能很立体的展现人体结构，并无法给出对应反馈，教学目的也仅仅能停留在手法练习，不能训练学生的中医临床思维能力。同时人体模型费用较高，且重复利用性较差，费用较高，学生不能实时、反复练习。而使用虚拟技术（电脑、手机）制作的针灸教学软件，可达到反复练习的效果，且可在课件中学习解剖相关知识，但这些课件仅能帮助学生了解相关知识点，缺不能让学生达到练习针灸手法的效果，无法切身实际的感受针灸方向、力度、手法的变化与不同。
发明内容
因此，为了解决上述不足，本发明在此提供一种基于虚实结合技术的中医针刺手法训练系统及方法；以全三维动画的形式模拟整个针刺过程，学生通过虚实结合的形式与系统进行互动，完成对针刺操作前准备（医者手的消毒方法和患者体位选择）、局部消毒、针具选择和持针手法、进针、行针、及各种针刺补泻手法及效应的相关知识点的掌握；并对其技能操作能力进行测评，提供反馈纠错、智能指导、智能评价，帮助学生掌握针刺补泻操作的正确完整流程。
本发明是这样实现的，构造一种基于虚实结合技术的中医针刺手法训练系统，其特征在于；该系统包括模拟人压力、角度传感器：用于测定针刺作用力的方向、作用力的大小、手法操作所持续的时间参数以及2次操作间隔时间，数据获得后进行传输；
该系统还包括模拟人传输器：将模拟人压力、角度传感器所采集数据传输至接收器，传输方式为蓝牙传输；
所述接收器用于接收模拟人传输器传来的数据，包括模拟人所收到的压力和角度信息；
该系统包括计算机：用于计算接收器所收集的信息，随后通过计算，将压力换算为VR软件中针刺入深度，将角度换算为VR软件中针与皮肤之间的角度，并将角度与深度制作成VR画面进行传输；
该系统包括传输器：将计算机换算出的刺入深度与针与皮肤之间的角度传输至VR头盔接收器；
该系统包括VR头盔接收器：接收传输器所传输来的VR画面；
该系统包括VR头盔：将VR头盔接收器所接收的VR画面进行处理，展示对应的VR画面。
根据本发明所述一种基于虚实结合技术的中医针刺手法训练系统，其特征在于；计算机计算方式为；
其中：X为针的位移，F为针所受到力的总和，Fstif为弹力，Ffric为摩擦力，fcut为切割力，frad为径向力，fc为软组织上刺入点的受力，fb为皮肤组织能承受的径向力极限。
一种基于虚实结合技术的中医针刺手法训练方法，其特征在于；具体实现过程为；
1、针刺手法理论学习：
（1）学生佩戴3D眼镜，结合巨幕播放,了解行针刺补泻手法时，针体进入腧穴之后的细微运动路径和产生的生物效应，感受临床针刺的情景，增强对理论学习的感性认识；
（2）学生佩载VR头盔或使用裸眼3D手机自主独立观看3D演示视频，并进行手法学习；
2、针刺手法实训：
（1）准备针刺模拟人，将之实时采集的针刺手法及其各项参数职能分析的结果均实时传递到VR虚拟场景中的，并显示出来；
针刺模拟人可以实时采集针刺手法，并以波形图的形式显示在一坐标轴中，实时反映出针刺手法波形的各种参数实际数值；可以将采集的针刺手法各项参数进行智能分析，包括：针刺手法中提插、捻转、摇摆力的大小；提插的速度、位移；捻转的角速度；摇摆的角度；并且可以显示腹式手法的分层操作；
（2）学生佩戴VR头盔，完成定位；
（3）启动VR程序，佩戴VR头盔者可识别针刺模拟人的位置，并在头盔中生成一个对应的3D人物，其身高与模拟人保持一致；3D人物可通过程序切换，查看其解剖结构，精确显示其穴位；
（4）VR操作者模拟针灸患者，利用三维空间跟踪定位器进行针灸操作，其针刺手法和各项参数均实时反馈到头盔中的虚拟场景中，并通过预设的脚本命令虚拟患者给出对应的效应；
针刺模拟人上进行不同针刺补泻手法的训练，以波形频率、幅度的形式实时显示，通过与预设的标准波形进行对比，帮助学生及时矫正手法偏差，最终掌握正确、规范的针刺补泻手法操作技能。
本发明具有如下优点：本发明在此提供一种基于虚实结合技术的中医针刺手法训练系统及方法。当使用者在操作本系统时，针对不同病例和穴位，选择不同的针型和针刺方法，系统会对使用者的操作进行判断和考核，当操作出现错误时，系统会在虚拟场景中的人物给出对应的反馈。使用者完成整个操作时，系统将做出正确的反馈，根据使用者针灸手法给出对应的判定结果和分析。
整个项目以全三维动画的形式模拟整个针刺过程，学生通过虚实结合的形式与系统进行互动，完成对针刺操作前准备（医者手的消毒方法和患者体位选择）、局部消毒、针具选择和持针手法、进针、行针、及各种针刺补泻手法及效应的相关知识点的掌握；并对其技能操作能力进行测评，提供反馈纠错、智能指导、智能评价，帮助学生掌握针刺补泻操作的正确完整流程。
VR技术是当代前沿科技之一， 将其与中医针灸进行有机结合，将有利于提高教学效率， 推广中医针灸的普及和应用。本发明通过设定多种病例，结合虚拟人体模型，建立仿真医疗情景，既可让受训者在虚拟场景中沉浸式学习针灸手法，还可以展现3D人体解剖图像，帮助学生精准定位，同时还可以模拟病例患者的病情演变及患者复诊等流程。同时，本发明还可实时显示记录并展示操作者针刺角度、力度、手法等多个数据。本发明以《刺法灸法学》在针灸学人才培养中的重要地位为背景，以《刺法灸法学》中针刺补泻手法的教学难以直观量化的难点为切入点，以学生为中心，以培养学生扎实的针灸临床实践能力为宗旨，将针刺补泻手法实训和虚拟现实相结合，实现全程实训教学的可视化、可量化，有效解决了针刺手法教学中安全性、标准化可重复性等问题，让学生真实感受到临床针刺的情景,并应用针刺模拟人仿真训练，实现学生针刺手法操作的可重复性和规范化。
附图说明
图1是本发明功能实现框图；
图2是本发明训练系统结构示意图；
图3是本发明系统流程示意图。
其中：模拟人压力、角度传感器1.1；模拟人传输器1.2；接收器2.1；计算机2.2；传输器2.3；VR头盔接收器3.1；VR头盔3。
具体实施方式
下面将结合附图1-图3对本发明进行详细说明，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明通过改进在此提供一种基于虚实结合技术的中医针刺手法训练系统及方法。如图2所示；该系统包括：模拟人压力、角度传感器1.1：用于测定针刺作用力的方向、作用力的大小、手法操作所持续的时间参数以及2次操作间隔时间，数据获得后进行传输。
模拟人传输器1.2：将模拟人压力、角度传感器1.1所采集数据传输至接收器2.1，传输方式为蓝牙传输。
接收器2.1：用于接收模拟人传输器1.2传来的数据，包括模拟人所收到的压力（N）和角度（°）信息。
计算机2.2：用于计算接收器所收集的信息，随后通过计算，将压力（N）换算为VR软件中针刺入深度（cm），将角度（°）换算为VR软件中针与皮肤之间的角度（°），并将角度与深度制作成VR画面进行传输。计算公式参见软组织针刺的力学模型。
传输器2.3：将计算机换算出的刺入深度（cm）与针与皮肤之间的角度（°）传输至VR头盔接收器3.1。
VR头盔接收器3.1：接收传输器2.3所传输来的VR画面。
VR头盔3：将VR头盔接收器3.1所接收的VR画面进行处理，展示对应的VR画面。
针法中最主要的就是配合患者体位，在正确掌握针刺方向和深度的基础上，通过患者的反应，把握针刺的角度、方向和深度，以便增强针感、促进痊愈、防止异常现象。掌握针刺角度、方向和深度需要大量的训练，是训练医疗师的主要内容。
采用现在比较流行的开发模式，首先，在3Ds Max建模软件中建立比较完整的病例仿真医疗场景，人体和银针模型。 3Ds Max是一个基于PC系统的三维动画渲染和制作软件，通过FBX插件，将建立好的模型导入多平台综合型游戏开发工具Unity3D中。在Unity3D平台中，通过C#语言编写脚本代码，实现相关的功能。
当使用者在操作本系统时，针对不同病例和穴位，选择不同的针型和针刺方法，系统会对使用者的操作进行判断和考核，当操作出现错误时，系统会在虚拟场景中的人物给出对应的反馈。使用者完成整个操作时，系统将做出正确的反馈，根据使用者针灸手法给出对应的判定结果和分析。
传感器信息与时间关系的绘制：将针刺模拟人上采集到的传感器信息，导入Excel软件当中，通过阈值分割、区域确定、曲线拟合，将针刺模拟人的X、Y、Z轴采样信息分别绘制电压-时间关系图。根据石学敏院士提出的针刺手法量学概念和捻转补泻手法的四大要素，从关系上判断：①作用力的方向（捻转方向）；②作用力的大小；③手法操作所持续的时间参数；④2次操作间隔时间的最佳参数，得到具有较高生物仿真度的针刺受力模型。
边界条件及载荷设置：参考手术针刺入软组织的过程，可以将针刺手法刺入穴位的过程按照是否进入皮肤组织分为刺入前和刺入后的2个阶段，而这2个阶段对针和所进入组织位置的受力方式进行分析，可以达到完全不一样的结果。如以针作为研究对象，针在刺入皮肤时候的受力按照是否沿着针杆的方向延伸，可将针所受到的力分为针尖受力和针杆受力。刺破皮肤以前的针只受到来自皮肤表面的弹性力，随着针刺疗法用针的进一步刺入组织，在针尖施加给表皮的力达到极限时，表皮破裂、针尖受力显著下降。而在针刺入组织以后，针体所受到的力包括针分开组织的切割力、针体受到组织的摩擦力和针杆周围的软组织对针杆的压力。软组织针刺的力学模型可表达为：
其中：X为针的位移，F为针所受到力的总和，Fstif为弹力，Ffric为摩擦力，fcut为切割力，frad为径向力，fc为软组织上刺入点的受力，fb为皮肤组织能承受的径向力极限。
如图3所示，系统流程具体实现过程为：
1、针刺手法理论学习：
（1）学生佩戴3D眼镜，结合巨幕播放,了解行针刺补泻手法时，针体进入腧穴之后的细微运动路径和产生的生物效应，感受临床针刺的情景，增强对理论学习的感性认识。
（2）学生也可佩载VR头盔或使用裸眼3D手机自主独立观看3D演示视频，并进行手法学习。
2、针刺手法实训：
（1）准备针刺模拟人，将之实时采集的针刺手法及其各项参数职能分析的结果均实时传递到VR虚拟场景中的，并显示出来。
针刺模拟人可以实时采集针刺手法，并以波形图的形式显示在一坐标轴中，实时反映出针刺手法波形的各种参数实际数值；可以将采集的针刺手法各项参数进行智能分析，包括：针刺手法中提插、捻转、摇摆力的大小；提插的速度、位移；捻转的角速度；摇摆的角度；并且可以显示腹式手法的分层操作。
（2）学生佩戴VR头盔，完成定位。
（3）启动VR程序，佩戴VR头盔者可识别针刺模拟人的位置，并在头盔中生成一个对应的3D人物，其身高与模拟人保持一致。3D人物可通过程序切换，查看其解剖结构，精确显示其穴位。
（4）VR操作者模拟针灸患者，利用三维空间跟踪定位器进行针灸操作，其针刺手法和各项参数均实时反馈到头盔中的虚拟场景中，并通过预设的脚本命令虚拟患者给出对应的效应。
（5）针刺模拟人上进行不同针刺补泻手法的训练，以波形频率、幅度的形式实时显示，通过与预设的标准波形进行对比，帮助学生及时矫正手法偏差，最终掌握正确、规范的针刺补泻手法操作技能。
整个项目以全三维动画的形式模拟整个针刺过程，学生通过虚实结合的形式与系统进行互动，完成对针刺操作前准备（医者手的消毒方法和患者体位选择）、局部消毒、针具选择和持针手法、进针、行针、及各种针刺补泻手法及效应的相关知识点的掌握；并对其技能操作能力进行测评，提供反馈纠错、智能指导、智能评价，帮助学生掌握针刺补泻操作的正确完整流程。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (2)
1.一种基于虚实结合技术的中医针刺手法训练系统，其特征在于；
该系统包括模拟人压力、角度传感器（1.1）：用于测定针刺作用力的方向、作用力的大小、手法操作所持续的时间参数以及2次操作间隔时间，数据获得后进行传输；
该系统还包括模拟人传输器（1.2）：将模拟人压力、角度传感器（1.1）所采集数据传输至接收器（2.1），传输方式为蓝牙传输；
所述接收器（2.1）用于接收模拟人传输器（1.2）传来的数据，包括模拟人所收到的压力和角度信息；
该系统包括计算机（2.2）：用于计算接收器所收集的信息，随后通过计算，将压力换算为VR软件中针刺入深度，将角度换算为VR软件中针与皮肤之间的角度，并将角度与深度制作成VR画面进行传输；
该系统包括传输器（2.3）：将计算机换算出的刺入深度与针与皮肤之间的角度传输至VR头盔接收器（3.1）；
该系统包括VR头盔接收器（3.1）：接收传输器（2.3）所传输来的VR画面；
该系统包括VR头盔（3）：将VR头盔接收器（3.1）所接收的VR画面进行处理，展示对应的VR画面；
该系统基于虚实结合技术的中医针刺手法训练的具体实现过程为；
1、针刺手法理论学习：
（1）学生佩戴3D眼镜，结合巨幕播放,了解行针刺补泻手法时，针体进入腧穴之后的细微运动路径和产生的生物效应，感受临床针刺的情景，增强对理论学习的感性认识；
（2）学生佩载VR头盔或使用裸眼3D手机自主独立观看3D演示视频，并进行手法学习；
2、针刺手法实训：
（1）准备针刺模拟人，将之实时采集的针刺手法及其各项参数职能分析的结果均实时传递到VR虚拟场景中的，并显示出来；
针刺模拟人可以实时采集针刺手法，并以波形图的形式显示在一坐标轴中，实时反映出针刺手法波形的各种参数实际数值；可以将采集的针刺手法各项参数进行智能分析，包括：针刺手法中提插、捻转、摇摆力的大小；提插的速度、位移；捻转的角速度；摇摆的角度；并且可以显示腹式手法的分层操作；
学生佩戴VR头盔，完成定位；
启动VR程序，佩戴VR头盔者可识别针刺模拟人的位置，并在头盔中生成一个对应的3D人物，其身高与模拟人保持一致；3D人物可通过程序切换，查看其解剖结构，精确显示其穴位；
VR操作者模拟针灸患者，利用三维空间跟踪定位器进行针灸操作，其针刺手法和各项参数均实时反馈到头盔中的虚拟场景中，并通过预设的脚本命令虚拟患者给出对应的效应；
针刺模拟人上进行不同针刺补泻手法的训练，以波形频率、幅度的形式实时显示，通过与预设的标准波形进行对比，帮助学生及时矫正手法偏差，最终掌握正确、规范的针刺补泻手法操作技能。
2.根据权利要求1所述一种基于虚实结合技术的中医针刺手法训练系统，其特征在于；计算机（2.2）计算方式为；
其中：X为针的位移，F为针所受到力的总和，Fstif为弹力，Ffric为摩擦力，fcut为切割力，frad为径向力，fc为软组织上刺入点的受力，fb为皮肤组织能承受的径向力极限。
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