基于Python和傳感器的針灸訓練系統設計與應用

李正芃，鄭 虹

針灸學是一門古老的學科，也是一項重要的中醫治療技術。在現行教學過程中，教學訓練方面還存在一些問題。比如，傳統的訓練手段使用紙墊或棉團等較為落后的教具，指力與速度訓練效果不理想；教學手法標準不統一，行針準確性難以把握，補瀉手法精確性難以復制［1］，不利于教學培養人才，也不便于考核教學成果；目前新興的虛擬現實教學方法，教學過程雖可量化，但無法模擬針灸施針手感，不能還原實際場景［2］。鑒于以上情況，該文采用Python和傳感器技術，研發設計了一款新型的針灸訓練系統，彌補了其他針灸仿真訓練裝置存在的不足。

1 設計思路與結構

1.1 設計思路設計主要從硬件、軟件兩方面入手：硬件主要包括傳感器、針灸針、仿真皮練針包、導線及上位機。軟件主要使用Python語言以及基于該語言系統運算程序。系統著眼于針灸基本手法中的捻、轉、提、插要素，將針灸行針方向、角度、力量、頻率等［3］，利用加速度、角度以及角速度傳感器實時傳感得到相應數據，計算得到行針的速度與角度數值。入針速度和角度、捻針角度以波形形式實時輸出，捻針速度以數值形式實時輸出。訓練結束后，將數據保存為csv文件，可隨時查看并分析數據（圖1，2）。

圖1 工作流程圖

圖2 實物構成圖

1.2 系統構成

1.2.1 傳感器 MPU-6050姿態傳感器，為整合型六軸運動處理組件，該傳感器內置了三軸MEMS陀螺儀、三軸MEMS加速度計和數字運動處理引擎（DMP）［4］。優點是體積小、精度高，可準確追蹤快速與慢速動作。該研究設計由設計者將MPU-6050加速器計和角速度計、角度的數據換算為物理量并進行解算，傳感器精度為：加速度0.0005 g，角速度0.61度/s，角度0.1度。設y軸與針灸針平行，針灸針穿過xoz面，計算x軸角度值為行針角度值、y軸角度值為捻針角度值，y軸速度值為行針速度值。MPU-6050的參考坐標系（圖3）。

圖3 MPU-6050參考坐標系示圖

1.2.2 Python語言開發 Python語言作為一種編程語言，適用于對數據圖形化展示、計算統計量，擁有第三方高效數據庫［5］。具有開發代碼量少、速度快、使用便捷、成本低的優勢。pyqtgraph庫是一個強大的Python數據可視化庫。該系統語言開發是利用Python語言pyqtgraph庫進行數據的可視化實時輸出，不僅能夠實現基本的折線圖標的繪制，還實現了數據交互式的實時輸出。系統實現了計算結果與實時數據的特征波形同步顯示，特征性數據見圖4～8。使用csv庫進行數據的儲存。

1.2.3 特征性數據分析 針刺手法的運用是針灸技術的關鍵環節，而進針破皮速度和捻針轉速是針灸練習的基本功，圍繞上述問題以針灸基本手法和經典手法為例進行分析：（1）進針。進針的波形特征呈現尖波曲線，波幅大小與進針速度正相關，當前進針速度為72.81494 m/s（圖4）。在臨床應用上，針灸進針要求迅速，可以減少人體疼痛。提高進針速度是衡量針灸手法是否成熟的重要指標。（2）捻針。捻針的波形特征是較為規則的尖波曲線，波幅大小與捻針速度正相關。捻針的捻轉角度波形特征為較規則的齒狀波，波幅大小與捻轉角度正相關（圖5）。在臨床應用上，捻針是針灸技術的重要操作，臨床要求達到每分鐘200次以上，但用傳統方法計數比較困難。（3）燒山火（慢進快出）。速度波形特征呈現雙相尖波曲線，波幅大小與進出針速度正相關，波寬與進出針時間正相關。在臨床應用方面，燒山火是一種經典的針灸補益手法（圖6）。（4）透天涼（快進慢出）。速度波形特征呈現雙相尖波曲線，波幅大小與進出針速度正相關，波寬與進出針時間正相關。在臨床應用方面，透天涼是一種經典的針灸宣泄手法（圖7）。

圖4 進針界面圖

圖5 捻針界面圖

圖6 燒山火界面圖

圖7 透天涼界面圖

1.2.4 數據儲存 波形實時輸出基于數組中的數據，實時輸出時需要不斷更新數組中的數據，使用數據結構中的隊列結構，隊尾不斷輸入新的傳感數據，隊頭不斷溢出已經使用過的數據，使用定時器定時更新數組。數據實時儲存，在被插入隊列之前就已經寫入csv文件進行儲存（圖8）。

圖8 數據輸出和儲存

3 討論

謝國榮教授指出“所謂的針刺手法技巧，就是針入的深淺、旋轉的幅度、行針的速度與時間、針力的大小、方向的變化等因素巧妙的結合，其作用于機體后，便可產生補或瀉的效果”［6］，一語道出了針刺過程中所要注意的關鍵點。目前國內外針對針灸訓練方法開展了很多研究，主要通過課堂講解、穴位模擬、老師言傳學生意會等方法教學［7］，對于針灸力道和旋轉幅度等關鍵問題還缺乏有益的探討。

該系統采用傳感器和針灸針相結合的方式，運用Python語言對傳感數據進行運算儲存，實現了對針灸基本手法如進針、捻針、補瀉的量化曲線輸出和分析，把針灸手法量化為看得到、摸得著的現實存在，改變了傳統教學的方式：一是將無法準確感知的進針速度、捻針轉速等針灸手法進行可量化、可視化的數據和波形輸出，可自行判斷手法是否達到標準要求，有效地增加了學生針灸訓練的準確性。二是將教師的示范手法作為學生的練習標準，為教學提供可復制的操作規范，增強了學生練習的針對性和可重復性，有利于開展同質化教學，也有利于對學生學習成果的考核。