基于Python和传感器的针灸训练系统设计与应用

李正芃，郑 虹

针灸学是一门古老的学科，也是一项重要的中医治疗技术。在现行教学过程中，教学训练方面还存在一些问题。比如，传统的训练手段使用纸垫或棉团等较为落后的教具，指力与速度训练效果不理想；教学手法标准不统一，行针准确性难以把握，补泻手法精确性难以复制［1］，不利于教学培养人才，也不便于考核教学成果；目前新兴的虚拟现实教学方法，教学过程虽可量化，但无法模拟针灸施针手感，不能还原实际场景［2］。鉴于以上情况，该文采用Python和传感器技术，研发设计了一款新型的针灸训练系统，弥补了其他针灸仿真训练装置存在的不足。

1 设计思路与结构

1.1 设计思路设计主要从硬件、软件两方面入手：硬件主要包括传感器、针灸针、仿真皮练针包、导线及上位机。软件主要使用Python语言以及基于该语言系统运算程序。系统着眼于针灸基本手法中的捻、转、提、插要素，将针灸行针方向、角度、力量、频率等［3］，利用加速度、角度以及角速度传感器实时传感得到相应数据，计算得到行针的速度与角度数值。入针速度和角度、捻针角度以波形形式实时输出，捻针速度以数值形式实时输出。训练结束后，将数据保存为csv文件，可随时查看并分析数据（图1，2）。

图1 工作流程图

图2 实物构成图

1.2 系统构成

1.2.1 传感器 MPU-6050姿态传感器，为整合型六轴运动处理组件，该传感器内置了三轴MEMS陀螺仪、三轴MEMS加速度计和数字运动处理引擎（DMP）［4］。优点是体积小、精度高，可准确追踪快速与慢速动作。该研究设计由设计者将MPU-6050加速器计和角速度计、角度的数据换算为物理量并进行解算，传感器精度为：加速度0.0005 g，角速度0.61度/s，角度0.1度。设y轴与针灸针平行，针灸针穿过xoz面，计算x轴角度值为行针角度值、y轴角度值为捻针角度值，y轴速度值为行针速度值。MPU-6050的参考坐标系（图3）。

图3 MPU-6050参考坐标系示图

1.2.2 Python语言开发 Python语言作为一种编程语言，适用于对数据图形化展示、计算统计量，拥有第三方高效数据库［5］。具有开发代码量少、速度快、使用便捷、成本低的优势。pyqtgraph库是一个强大的Python数据可视化库。该系统语言开发是利用Python语言pyqtgraph库进行数据的可视化实时输出，不仅能够实现基本的折线图标的绘制，还实现了数据交互式的实时输出。系统实现了计算结果与实时数据的特征波形同步显示，特征性数据见图4～8。使用csv库进行数据的储存。

1.2.3 特征性数据分析 针刺手法的运用是针灸技术的关键环节，而进针破皮速度和捻针转速是针灸练习的基本功，围绕上述问题以针灸基本手法和经典手法为例进行分析：（1）进针。进针的波形特征呈现尖波曲线，波幅大小与进针速度正相关，当前进针速度为72.81494 m/s（图4）。在临床应用上，针灸进针要求迅速，可以减少人体疼痛。提高进针速度是衡量针灸手法是否成熟的重要指标。（2）捻针。捻针的波形特征是较为规则的尖波曲线，波幅大小与捻针速度正相关。捻针的捻转角度波形特征为较规则的齿状波，波幅大小与捻转角度正相关（图5）。在临床应用上，捻针是针灸技术的重要操作，临床要求达到每分钟200次以上，但用传统方法计数比较困难。（3）烧山火（慢进快出）。速度波形特征呈现双相尖波曲线，波幅大小与进出针速度正相关，波宽与进出针时间正相关。在临床应用方面，烧山火是一种经典的针灸补益手法（图6）。（4）透天凉（快进慢出）。速度波形特征呈现双相尖波曲线，波幅大小与进出针速度正相关，波宽与进出针时间正相关。在临床应用方面，透天凉是一种经典的针灸宣泄手法（图7）。

图4 进针界面图

图5 捻针界面图

图6 烧山火界面图

图7 透天凉界面图

1.2.4 数据储存 波形实时输出基于数组中的数据，实时输出时需要不断更新数组中的数据，使用数据结构中的队列结构，队尾不断输入新的传感数据，队头不断溢出已经使用过的数据，使用定时器定时更新数组。数据实时储存，在被插入队列之前就已经写入csv文件进行储存（图8）。

图8 数据输出和储存

3 讨论

谢国荣教授指出“所谓的针刺手法技巧，就是针入的深浅、旋转的幅度、行针的速度与时间、针力的大小、方向的变化等因素巧妙的结合，其作用于机体后，便可产生补或泻的效果”［6］，一语道出了针刺过程中所要注意的关键点。目前国内外针对针灸训练方法开展了很多研究，主要通过课堂讲解、穴位模拟、老师言传学生意会等方法教学［7］，对于针灸力道和旋转幅度等关键问题还缺乏有益的探讨。

该系统采用传感器和针灸针相结合的方式，运用Python语言对传感数据进行运算储存，实现了对针灸基本手法如进针、捻针、补泻的量化曲线输出和分析，把针灸手法量化为看得到、摸得着的现实存在，改变了传统教学的方式：一是将无法准确感知的进针速度、捻针转速等针灸手法进行可量化、可视化的数据和波形输出，可自行判断手法是否达到标准要求，有效地增加了学生针灸训练的准确性。二是将教师的示范手法作为学生的练习标准，为教学提供可复制的操作规范，增强了学生练习的针对性和可重复性，有利于开展同质化教学，也有利于对学生学习成果的考核。