智能针灸模型及智能针灸训练系统的制作方法

本发明涉及电子医疗技术领域，具体而言，涉及一种智能针灸模型及智能针灸训练系统。

背景技术：

在中医针灸的教学过程中，穴位的定位以及穴位的解剖讲解受限于文字说明和二维的图片展示，给学生的理解带来了困难，因此多采用标明了针灸穴位的模型辅助教学。

目前应用于针灸教学的模型辅具多为刚性材料制作而成，例如金属、木头等，其穴位的定位方法可以分为以下两类：

1、通过彩绘或者雕刻的方式直接在模型辅具的表面标识出所有的穴位和经络走向。这种方式最为简单直接，但只能用于穴位位置学习，无法进行穴位位置考核。

2、通过在模型辅具内部的穴位位置处安装感应器，用户可以将特制的笔与感应器接触的方式对穴位进行定位。这种方式可以用于穴位位置学习和考核，但是特制的笔与感应器接触的触感，与真实的针灸扎针过程存在较大的差异。

上述方法均无法满足在模型辅具上进行针灸针的针刺训练需求。

技术实现要素：

本发明解决的是现有针灸模型辅具无法满足进行针灸针的针刺训练需求的问题。

为解决上述问题，本发明提供一种智能针灸模型，包括可刺入型人体模型、定位传感器及控制器；所述定位传感器设置于所述可刺入型人体模型的预定穴位的表皮之下；所述定位传感器包括至少两层非连接的线圈，其中一层所述线圈与所述控制器连接，至少另一层所述线圈与工作电压连接；在针灸针刺入所述定位传感器时，与所述控制器连接的所述线圈、与所述工作电压连接的所述线圈导通；所述控制器用于接收所述定位传感器输出的电压信号，及将所述电压信号发送至显示装置，以使所述显示装置显示所述预定穴位是否被针灸针刺入。

可选地，所述定位传感器包括上下两层线圈；各层线圈所在平面均与所述预定穴位对应的直刺方向垂直。

可选地，所述定位传感器为直刺型传感器；所述直刺型传感器的上层线圈、下层线圈在直刺方向上的投影重叠。

可选地，所述定位传感器为斜刺型传感器或平刺型传感器；所述斜刺型传感器或所述平刺型传感器的上层线圈、下层线圈在竖直方向上的投影不重叠；在针灸针刺入所述斜刺型传感器且所述针灸针与直刺方向的夹角为40°-50°时，所述上层线圈、所述下层线圈由所述针灸针连通；在针灸针刺入所述平刺型传感器且所述针灸针与直刺方向的夹角为10°-20°时，所述上层线圈、所述下层线圈由所述针灸针连通。

可选地，还包括与所述控制器连接的测距传感器；所述测距传感器设置于所述可刺入型人体模型内且与所述预定穴位相对；在针灸针刺入所述定位传感器的深度小于或等于预设深度阈值时，所述测距传感器输出第一信号；在针灸针刺入所述定位传感器的深度大于所述预设深度阈值时，所述测距传感器输出第二信号。

可选地，多层所述线圈分别与不同的工作电压连接；在针灸针刺入所述定位传感器时，若与所述控制器连接的所述线圈、多个与所述工作电压连接的所述线圈导通，则向所述控制器输出较高的所述工作电压。

可选地，所述定位传感器还包括外层封装，各所述线圈均设置于所述外层封装内。

可选地，还包括转接芯片；所述转接芯片连接于所述控制器及显示装置之间。

本发明提供一种智能针灸训练系统，包括上述智能针灸模型及训练终端；所述训练终端用于接收所述控制器输出的电压信号，以及根据所述电压信号确定所述预定穴位是否正确针刺；在正确针刺的情况下，所述训练终端用于显示所述预定穴位的文字介绍信息及三维解剖结构信息。

可选地，所述训练终端还用于输出待考核穴位，以及比较所述待考核穴位、所述控制器输出的电压信号对应的穴位是否相同；若相同，则所述训练终端确定所述待考核穴位考核正确。

本发明提供了一种智能针灸模型，包括可刺入型人体模型以及设置于可刺入型人体模型的预定穴位的表皮之下的定位传感器，可以对针灸针是否正确刺入预定穴位进行判断，不仅可用于针灸定位训练，也可用于针灸定位考试，并提供真实的针刺手感，满足进行针灸针的针刺训练需求。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例中一种智能针灸模型的硬件结构示意图；

图2为本发明实施例中一种直刺型传感器的剖面示意图；

图3为本发明实施例中一种斜刺型传感器的剖面示意图；

图4为本发明实施例中一种平刺型传感器的剖面示意图；

图5为本发明实施例中一种智能针灸模拟训练系统的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明实施例提供一种可以进行针灸穴位定位的智能针灸模型。该智能针灸模型包括专门设计的传感器，利用单片机进行信号收集和处理，与真实的可刺入型人体模型(例如硅胶人体模型)相结合，在为用户提供更加真实的针刺体验的同时，与上位机进行实时通讯，展示对应穴位的三维解剖结构，达到虚实融合的针灸教学与实训效果，极大地丰富学习的趣味性，提高学习效率。

虚实融合的智能针灸模拟训练系统可以帮助老师和学生在针灸教学过程中既能在虚拟的环境中展示和学习穴位的解剖结构，又能在真实的器具上进行真实的针刺操作。在传统的针灸铜人上，由于其材料的刚性较大，通常无法采用真实的针灸针在铜人模型上进行任意位置的穿刺训练，更加无法将用户在模型上的针刺结果与训练系统产生通信，从而进行联动教学。

本发明实施例设计了新型传感器，并将其埋放在人体模型的对应穴位的表皮之下，使用户可以利用真实的针灸针对该处穴位进行针刺，针刺正确之后产生的信号变化通过单片机进行收集和处理之后与训练系统的软件上位机进行联动，可以在训练系统上展示所针刺穴位的具体信息和虚拟的三维解剖结构，进一步可以通过虚实的联动进行穴位的考试。这种方式可以极大地提高教学的效率，丰富教学的手段，同时提高对学生知识掌握情况的考察全面性。对学生而言，可以增强学习的趣味性，既可以直观立体的学习穴位解剖，又可以锻炼针刺的手法。

本发明实施例提供了一种智能针灸模型，包括可刺入型人体模型、定位传感器及控制器。该可刺入型人体模型，可以由针灸针可刺入的材料制成，例如硅胶等与人体的皮肤肌肉类似针刺手感的材料。

其中，定位传感器设置于可刺入型人体模型的预定穴位的表皮之下。可选地，在人体模型的多个穴位的表皮之下均设置有上述定位传感器，从而进行多穴位的针刺训练。

具体地，定位传感器可以包括至少两层非连接的线圈，其中一层线圈与上述控制器连接，至少另一层线圈与工作电压连接。各线圈之间为非连接状态，可以通过绝缘材料将各线圈隔离开。例如，若仅有两层非连接的线圈，则一层线圈与控制器连接，另一层线圈与工作电压连接；若有三层非连接的线圈，则一层线圈与控制器连接，另外两层线圈与分别与不同的工作电压连接。

在针灸针刺入定位传感器时，与控制器连接的线圈、与工作电压连接的线圈导通。在此需要说明的是线圈具有一定的覆盖面积，且被针灸针穿过时，线圈与针灸针接触而电导通。若针灸针同时穿过两层线圈，则该两层线圈通过针灸针而电导通。

控制器可以接收定位传感器输出的电压信号，及将该电压信号发送至显示装置，以使显示装置显示预定穴位是否被针灸针刺入。由于一层线圈与工作电压连接，当与控制器连接的线圈、与工作电压连接的线圈导通时，定位传感器输出高电平信号，否则输出低电平信号。控制器基于上述高电平或低电平信号可以确定线圈之间是否导通，若导通则表示针灸针正确刺入了预定穴位。

可选地，该控制器可以是单片机等控制芯片，若人体模型中设置有多个上述定位传感器，通过各定位传感器接入单片机的引脚不同，单片机可以确定是哪个预定穴位的定位传感器被触发导通，从而验证是否正确的穴位被刺入。

本实施例提供的智能针灸模型，包括可刺入型人体模型以及设置于可刺入型人体模型的预定穴位的表皮之下的定位传感器，可以对针灸针是否正确刺入预定穴位进行判断，不仅可用于针灸定位训练，也可用于针灸定位考试，并提供真实的针刺手感，满足进行针灸针的针刺训练需求。

参见图1所述的智能针灸模型的硬件结构示意图，以控制器为单片机、定位传感器包括两层线圈为例进行说明。其中示出了多个定位传感器分别与单片机、vcc(voltcurrentcondenser，电路的工作电压)连接。

具体地，上述多个定位传感器预先埋入硅胶人体模型的指定穴位处，当用针灸针刺该穴位时，针灸针将埋于此穴位处的定位传感器的上下层两线圈导通，单片机读取到此时的数据为vcc数值即1；当针灸针拔出时或未刺入时，上下两线圈处于默认断开状态，单片机读取到的数值为0。

单片机可以将读取到的数值通过串口通信方式发送到计算机用户界面，计算机用户界面即可显示此时穴位的针灸状态，从而实现了针灸穴位的精确定位和实时反馈。

以下实施例以定位传感器包括上下两层线圈为例进行说明。上述定位传感器包括上下两层线圈；各层线圈所在平面均与预定穴位对应的直刺方向垂直。定位传感器还可以包括外层封装，各线圈均设置于外层封装内，该外层封装可以采用硅胶制作。定位传感器整体可以呈圆柱体或者长方体，上述线圈所在平面可以与圆柱体的底面或者长方体的某个侧面平行，在将定位传感器埋入硅胶人体模型的指定穴位的表皮下时，可以灵活根据该指定穴位的朝向埋设定位传感器，将上述底面或者侧面垂直于直刺方向设置。

根据穴位的针灸角度不同，定位传感器设计有三种类型：直刺型传感器、斜刺型传感器、平刺型传感器，分别对应针灸的三种角度：直刺(90°左右)，斜刺(45°左右)，平刺(15°左右)。

直刺型传感器的上层线圈、下层线圈在直刺方向上的投影重叠。在针灸针刺入直刺型传感器且针灸针与直刺方向的夹角为90°左右时，上层线圈、下层线圈由针灸针连通。参见图2所示的直刺型传感器的剖面示意图，圆柱体的传感器主体内设置有上下两层线圈，在直刺方向(即图2中的竖直方向)上，上层线圈与下层线圈相重叠，因此在针灸针直刺时，可以同时穿过上下两层线圈，从而将两者导通。

针灸直刺穴位时，直刺型传感器的上下层线圈距离为1cm(0.3寸)，只有针灸深度达到0.3寸时，直刺型线圈可以理想地完成定位和反馈；如果采用斜刺型和平刺型线圈，通过直刺方式都不能使上下线圈导通，因此具有唯一排他性。

斜刺型传感器的上层线圈、下层线圈在竖直方向上的投影不重叠。在针灸针刺入斜刺型传感器且针灸针与直刺方向的夹角为40°-50°时，上层线圈、下层线圈由针灸针连通。参见图3所示的斜刺型传感器的剖面示意图，在直刺方向上，下层线圈与上层线圈不重叠，下层线圈分成三段式，中间用绝缘层包裹，这样斜刺角度只有在45度左右时上下线圈才会导通，实现斜刺定位反馈。

针灸斜刺穴位时，斜刺型传感器的上层线圈只有中间一部分可导电线圈，下层线圈的中间部分采用绝缘材料隔绝，绝缘材料长度为1cm，只有两侧部分可导电线圈，上下层线圈的距离固定为0.5cm，采用这种斜刺型传感器能实现针灸斜刺角度训练，而采用直刺型和平刺型显然不能实现，因此具有唯一排他性。

平刺型传感器的上层线圈、下层线圈在竖直方向上的投影不重叠。在针灸针刺入平刺型传感器且针灸针与直刺方向的夹角为10°-20°时，上层线圈、下层线圈由针灸针连通。参见图4所示的平刺型传感器的剖面示意图，平刺方式下，同斜刺相似，只是上下层线圈的距离有变化，为0.134cm，可以保证平刺的角度为15度左右时上下线圈才会导通，实现平刺定位反馈。

针灸平刺穴位时，平刺型传感器的上层线圈只有中间一部分可导电线圈，下层线圈的中间部分采用绝缘材料隔绝，绝缘线长度为1cm，只有两侧部分线圈可导电，上下层线圈的距离固定为0.134cm，采用这种平刺型定位传感器能实现针灸平刺角度训练，而采用直刺型和斜刺型显然不能实现，同样唯一排他。

考虑到针灸时针灸针必须刺入人体至合适深度，作为一种可行的实施方式，上述智能针灸模型还包括与控制器连接的测距传感器，该测距传感器可以测量针灸深度。

具体地，测距传感器可以设置于可刺入型人体模型内且与预定穴位相对；在针灸针刺入定位传感器的深度小于或等于预设深度阈值时，测距传感器输出第一信号；在针灸针刺入定位传感器的深度大于预设深度阈值时，测距传感器输出第二信号。该测距传感器可以采用红外测距传感器，该预设深度阈值例如是0.3寸-0.4寸(1cm-1.4cm)。

例如，测距传感器可以固定于硅胶头模型内的底部。在固定好测距传感器后，首先测量穴位内定位传感器与测距传感器的距离，作为已知值，定义为l1(cm)。调整此测距传感器的测距范围，测距传感器默认的最大测距范围为10-80cm，将测距传感器可测量的最大值调为l1-0.3(cm)。

测试深度适用于直刺方式下，定位传感器竖直方向上厚度是0.3寸(1cm)，当针灸针刺入的深度大于0.3寸而小于0.4寸(1.3cm)时，针灸针与测距传感器的距离大于测距传感器可测量的最大值，此时测距传感器没有测量值；当针灸针的深度达到0.4寸以后，测距传感器可测到针灸针，此时有测量值。因此，测试显示有两种，一种是默认状态(当上下线圈导通，但测距传感器无显示值的时候，针灸针的默认深度为0.3寸)，另一种是测距传感器的测量换算后的深度即大于等于0.4寸。

作为另一种可行的实施方式，上述智能针灸模型还可以基于定位传感器的输出电压测量针灸深度。

具体地，定位传感器的多层线圈分别与不同的工作电压连接；在针灸针刺入定位传感器时，若与控制器连接的线圈、多个与工作电压连接的线圈导通，则向控制器输出较高的工作电压。在各线圈与工作电压之间设置有单向导通元件。若多个与工作电压连接的线圈均与上述与控制器连接的线圈导通，则输出较高的工作电压。该工作电压例如可以是5v、3.3v等。

本发明实施例还提供了一种智能针灸模拟训练系统，包括上述智能针灸模型及训练终端。

其中，训练终端用于接收上述控制器输出的电压信号，以及根据该电压信号确定预定穴位是否正确针刺；在正确针刺的情况下，训练终端用于显示预定穴位的文字介绍信息及三维解剖结构信息。

进一步，训练终端还用于输出待考核穴位，以及比较待考核穴位、控制器输出的电压信号对应的穴位是否相同；若相同，则训练终端确定待考核穴位考核正确。

参见图5所示的智能针灸模拟训练系统的结构示意图，示出了训练终端与黑盒连接，黑盒连接多个定位传感器。

其中，黑盒包括stm32单片机及ch340转接芯片，stm32单片机通过ch340转接芯片与训练终端连接。多个定位传感器埋设于硅胶模型的不同穴位处，且通过vusb连接线与训练终端连接。

训练终端的usb接口完成数据转换同时提供vusb电源(整个系统的供电)。

usb接口与黑盒的连接口是miniusb，引脚有vcc，gnd，d+，d-，nc五个，其中vcc和gnd用于系统供电，d+，d-用于数据传送。芯片ch340是usb与串口转换芯片，usb的d+，d-，vcc，gnd接到ch34o芯片；单片机的rx，tx接到ch34o，从而实现串口数据与usb数据转换。

单片机stm32通过gpio口读取定位传感器的高低电平，从而判断定位传感器是否导通，导通为1，不导通为0。单片机stm32将gpio读取到的定位传感器的当前状态值(1或0)，通过串口通信方式发送到训练终端；训练终端通过串口显示程序或自编的程序显示读取的数值，实现定位传感器状态的实时读取，即针灸穴位的实时状态反馈。

用针灸针直刺某一已有定位传感器的穴位处，由于定位传感器有上下两个缠绕线圈，当针刺入穴位处的一定深度，将通过第一线圈刺到第二线圈，从而使上下线圈导通，此时单片机stm32的gpio口将读到此穴位处的线圈数值为1，表明针灸穴位准确定位。

软件实现中，单片机stm32以gpio口中断方式读取定位传感器数值；任何gpio口有数值变化的时候都会调动串口服务程序。串口服务程序完成定位传感器数值传送。

在图5所示的智能针灸模拟训练系统的基础上，还可以增加红外测距传感器，用于测量针灸深度。

可选地，红外测距传感器有三个引脚，分别是vo、gnd、vcc。红外测距传感器与单片机通过adc(analogtodigitalconverter，模拟数字转换器)连接，stm32的adc可以采用12位逐次逼近型模拟数字转换器。红外测距传感器的精度和采集的ad位数以及转化计算公式相关，10ad一般能到0.1cm，而stm32的ad是12位的，故测量精度大于0.1cm。

红外测距传感器的vcc和gnd是同样来自上述vusb，而vo就是测量距离，输出值为电压值(模拟量)，通过转换公式转换为实际的距离值，用l表示，单位是cm，计算公式为：实际距离(l2)＝80/vcc*vo，单位为cm。

针灸针的深度测量：定位传感器到红外测距传感器的距离在开始时已经测出为l1(cm)，而刚测得的当前的针灸针的实际距离为l2(cm)，则针灸针的深度计算为：(0.3+(l1-l2)*0.3)，单位为寸。

本发明实施例提供的智能针灸模拟训练系统，可精确定位穴位、测定针灸角度、测量针灸深度、实时反馈针灸穴位及针灸深度、用于针灸定位学习、用于针灸定位考试以及提供真实的针刺手感。

在本发明中可以采用硅胶头模型实现，还可以采用全身硅胶模型实现。

当然，本领域技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程度来指令控制装置来完成，所述的程序可存储于一计算机可读取的存储介质中，所述程序在执行时可包括如上述各方法实施例的流程，其中所述的存储介质可为存储器、磁盘、光盘等。

在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

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。