一种针刺手法量化系统及方法

摘要

本发明公开了一种针刺手法量化系统，包括，针灸用针，信号获取模块，信号调制模块，信号量化模块，信号传输模块，信号分析模块，一种针刺手法量化方法，包括，S1.使用所述针，进行针刺操作，S2.基于所述信号调制模块，对所述针刺手法电压感应信号进行滤波放大处理，获得所述针刺手法模拟信号，通过所述信号量化模块，将所述针刺手段模拟信号转化为所述数字信号，将所述数字信号，通过所述信号传输模块，传输到所述信号分析模块进行量化处理和分析；本发明利用实验针灸针对磁场所产生的感应电压波动进行分析，从而度量一个人针刺手法是否标准，用电信号来量化采集更加迅速，精准，对针刺手法的基理研究更加深入，透彻。

说明书

技术领域

本发明涉及一种针刺手法量化系统及方法，属于中医教学技术领域。

背景技术

针灸是中国传统医学的瑰宝，是中医学理论体系的奠基石。针刺作为针灸理论的一个重要部分，与现代西医学相比，具有有效、安全、简便、无副作用等优点，千百年来为人类的医疗保健事业做出了巨大的贡献。针刺在中国已有悠久的历史，最早见于中医理论著作《皇帝内经》一书，以阴阳、五行、脏腑、经络、精神和气血等为主要内容论述了针刺操作方法，为针刺手法的学习及传承奠定了理论基础。随着中国影响力的不断提高，东西方文化交流范围不断扩大，中医针刺开始走向世界，目前全世界已有140多个地区开展针刺疗法学习，针刺治疗被给予越来越多关注。

针刺治疗过程实际上是在明辨虚实确定穴位的基础上运用各种手法予以补泻的过程。最早明代《针灸大成》曾记载，“此言补泻之法，非但呼吸，而在乎手之指法也。”说明合理正确的针刺手法对针刺临床疗效具有较大的影响。针刺治疗作为一种物理刺激疗法，在治疗过程中会涉及到刺激量问题。《内经·八正神明论》记载“天寒无刺，天温无疑”，意思是春夏阳气升发，经络气血滑利，针刺易引起经络反应，因此刺激量小；秋冬阴盛阳衰，经络气血涩迟，因此刺激量宜大。因此，针对不同情况选取合适的刺激量对临床效果具有显著影响。然而针刺过程中各流派施术者对刺激量控制的大部分还是经验化的认识，做出判断依据日积月累的医疗经验，往往带有一定的片面性和盲目性，而且针刺手法学习过程或是据师承之法，或者是依据患者描述，这也导致学习者难以准确掌握针刺的手法。因此，如何采用现代的科学技术手段分析针刺手法的特征，对针刺手法刺激量进行量化研究，为针刺治疗以及教学提供科学依据已成为针刺研究的主要内容，也成为针刺研究最前沿课题。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出一种针刺手法量化系统，包括：

针，用于针灸，所述针具有针柄和针身，其中，所述针柄具有防滑结构；所述真身具有非直线结构和直线结构，所述直线结构通过所述非直线结构与所述针柄连接；

信号获取模块，用于获取所述针在针刺过程中产生的感应电压信号；所述信号获取模块，具有激磁单元、感应单元、激励单元、针刺定位单元，其中，所述激磁单元与所述激励单元连接；所述感应单元用于产生所述感应电压信号，与所述激磁单元对称设置；所述针刺定位单元设置在所述激磁单元和所述感应单元之间；

信号调制模块，用于对所述感应电压信号进行预处理，获得针刺手法模拟信号，与所述信号获取模块连接；所述信号调制模块，包括，信号放大单元、二阶低通滤波单元、电压抬升单元、供电单元，其中，所述信号放大单元通过所述二阶低通滤波单元与所述电压抬升单元连接；所述供电单元与所述信号放大单元、二阶低通滤波单元、电压抬升单元连接；

信号量化模块，用于将所述针刺手法模拟信号转化为数字信号，所述信号量化模块，包括，单片机和所述单片机的最小系统；所述信号量化模块与所述信号调制模块连接；

信号传输模块，用于传输所述数字信号，所述信号传输模块与所述信号量化模块连接；

信号分析模块，接收所述数字信号，对所述数字信号进行定量分析，获得针刺手法量化模型，基于所述针刺手法量化模型，实现针刺手法的数字量化，为针刺学习提供依据。

优选地，所述激励单元为10V/50Hz的正弦激励电源；

所述激磁单元为激磁线圈；所述感应单元为感应线圈；

所述激磁线圈和感应线圈具有相同结构和相同尺寸；

所述激磁线圈和感应线圈的线圈骨架长度大于所述针的针刺深度，所述线圈骨架长度为2cm-10cm，所述激磁线圈和感应线圈的骨架内圆直径为所述针的直径的10-50倍；

所述针还可以为针状物，所述针的材料为纯铁。

优选地，所述电压放大单元，包括，第一电阻、第二电阻、第三电阻、第一电容、第二电容、第一放大器；其中，所述第一电阻和第二电阻为10KΩ，所述第三电阻为50KΩ，所述第一电容和第二电容为10μF，所述第一放大器的型号为OP27GP。

优选地，所述二阶低通滤波单元为二阶巴特沃斯低通滤波器，包括，第四电阻、第五电阻、第六电阻、第七电阻、第三电容、第四电容、第五电容、第六电容、低通滤波器；其中，所述第四电阻和第五电阻为50KΩ，所述第六电阻和第七电阻为10KΩ，所述第三电容、第四电容、第五电容和第六电容为10μF。

优选地，所述电压抬升单元，包括，第八电阻、第九电阻、第十电阻、第十一电阻、第七电容、第八电容、第二放大器；其中，所述第八电阻和第十电阻为2KΩ，所述第九电阻为10KΩ，所述第十一电阻为50KΩ，所述第七电容和第八电容为10μF，所述第二放大器的型号为OP27GP。

优选地，所述单片机的采样频率为2kHz，所述感应单元的电压频率为50Hz，在一个正弦周期内，所述单片机采样40个点。

一种针刺手法量化方法，包括以下步骤：

S1.使用所述针，在所述针刺定位单元进行针刺操作，所述针刺操作包括，提插手法和捻转手法，通过所述激磁单元和感应单元，获得针刺手法电压感应信号；

S2.基于所述信号调制模块，对所述针刺手法电压感应信号进行滤波放大处理，获得所述针刺手法模拟信号，通过所述信号量化模块，将所述针刺手段模拟信号转化为所述数字信号，将所述数字信号，通过所述信号传输模块，传输到所述信号分析模块；

S3.所述信号分析模块，通过时域分析法，对所述数字信号进行时域分析，构建所述针刺手法量化模型，包括，构建电压上升时间单元、电压下降时间单元、电压上升与下降时间比例单元、电压变化幅值单元、频率单元、时间单元；

S4.基于所述电压上升时间单元，获得所述提插手法的下插阶段速度；基于所述电压下降时间单元，获得所述提插手法的上提阶段速度；基于所述电压上升与下降时间比例单元，获得所述提插手法的手法属性；基于所述电压变化幅值单元，获得所述针刺手法的深度；基于所述频率单元，获得所述针刺手法在单位时间内的完成次数；基于所述时间单元，获得针刺操作时间；

S5.基于所述下插阶段速度、上提阶段速度、手法属性、深度、完成次数、针刺操作时间，对所述针刺操作进行量化评估，为针灸教学提供了量化依据。

优选地，所述电压变化幅值单元的幅值提取方法包括以下步骤：

S3.1.通过二次差分法提取所述数字信号的正弦波波络线；

S3.2.通过峰值函数获得所述正弦波波络线的峰值点，基于所述峰值点获得所述峰值点电压；

S3.3.提取所述针的电压基准值，通过所述峰值点电压和所述电压基准值，获得所述幅值。

优选地，所述S3.1包括以下步骤：

S3.1.1.对所述数字信号，进行第一次差分处理，获得一次差分信号函数；

S3.1.2.通过符号函数sign，获取所述一次差分信号的信号符号函数；

S3.1.3.基于所述信号符号函数，进行第二次差分处理，获得二次差分信号函数，所述二次差分信号函数由若干差值组成，包括第一差值、第二差值，所述第一差值和等于-2，所述第二差值等于2；

S3.1.4.基于所述第一差值获得上包线路，基于所述第二差值获得下包线路，所述上包线路和下包线路组成所述正弦波波络线。

优选地，基于小波变换模极大值法确定所述针刺操作时间，包括以下步骤：

S4.1.基于所述电压上升时间单元和电压下降时间单元，构建所述时间单元的时间函数模型；

S4.2.通过李氏指数，对所述时间函数模型，进行信号奇异性分析，获得时间函数奇异性模型；

S4.3.基于平滑函数，对所述时间函数奇异性模型进行平滑处理，获得时间函数允许模型，所述时间函数允许模型，由若干函数允许单元组成，包括第一函数允许单元、第二函数允许单元；

S4.4.通过所述时间函数允许模型，基于小波函数，获得小波基函数，对所述第一函数允许单元和第二函数允许单元，进行小波变换，确定小波模极大值，通过所述小波模极大值，确定所述电压上升时间单元和电压下降时间单元的突变点，基于所述突变点之间的时间间隔确定所述针刺操作时间。

本发明公开了以下技术效果：

本发明利用实验针灸针对磁场所产生的感应电压波动进行分析，从而度量一个人针刺手法是否标准。与近几年针刺手法量化的研究方法相比，用电信号来量化采集更加迅速，精准，对针刺手法的基理研究更加深入，透彻。

本发明解决了无准确标准衡量的人为数据测量，手法的量化使我们对针灸的基理有一个深层次的认识，便携式的设备使优秀的传统针刺手法能够更准确的传承下去，在一定程度上避免出现庸医。

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一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明所述的提插手法和捻转手法；

图2为本发明所述的捻转补泻手法；

图3为本发明所述的提插补泻手法；

图4为本发明所述的信号采集原理图；

图5为本发明所述的信号放大电路；

图6为本发明所述的二阶巴特沃斯低通滤波器；

图7为本发明所述的电压抬升电路；

图8为本发明所述的针刺手法量化系统电路图；

图9为本发明所述的提插手法感应电压图；

图10为本发明所述的低通滤波器幅频特性图；

图11为本发明所述的低通滤波前后信号频谱对比图,其中，(a)为滤波前信号频谱图，(b)为滤波后信号频谱图；

图12为本发明所述的感应电压信号包络线图；

图13为本发明所述的二次差分算法流程图；

图14为本发明所述的计算电压幅值流程图；

图15为本发明所述的小波变换模极大值与信号突变点；

图16为本发明所述的小波变换对信号奇异点检测定位流程图；

图17为本发明所述的均匀提插手法的上包络线图；

图18为本发明所述的小波变换对信号奇异点检测图；

图19为本发明所述的不同深度时的电压曲线图。

具体实施方式

提供以下具体实施方式以帮助读者获得对这里所描述的方法、设备和/或系统的全面理解。然而，在理解本申请的公开内容之后，这里所描述的方法、设备和/或系统的各种改变、修改及等同物将是显而易见的。例如，这里所描述的操作的顺序仅仅是示例，其并不限于这里所阐述的顺序，而是除了必须以特定顺序发生的操作之外，可做出在理解本申请的公开内容之后将是显而易见的改变。此外，为了提高清楚性和简洁性，可省略本领域中已知的特征的描述。

如图1-19所示，本发明的目的是提供一种针刺手法量化系统，包括：

针，用于针灸，所述针具有针柄和针身，其中，所述针柄具有防滑结构；所述真身具有非直线结构和直线结构，所述直线结构通过所述非直线结构与所述针柄连接；

信号获取模块，用于获取所述针在针刺过程中产生的感应电压信号；所述信号获取模块，具有激磁单元、感应单元、激励单元、针刺定位单元，其中，所述激磁单元与所述激励单元连接；所述感应单元用于产生所述感应电压信号，与所述激磁单元对称设置；所述针刺定位单元设置在所述激磁单元和所述感应单元之间；

信号调制模块，用于对所述感应电压信号进行预处理，获得针刺手法模拟信号，与所述信号获取模块连接；所述信号调制模块，包括，信号放大单元、二阶低通滤波单元、电压抬升单元、供电单元，其中，所述信号放大单元通过所述二阶低通滤波单元与所述电压抬升单元连接；所述供电单元与所述信号放大单元、二阶低通滤波单元、电压抬升单元连接；

信号量化模块，用于将所述针刺手法模拟信号转化为数字信号，所述信号量化模块，包括，单片机和所述单片机的最小系统；所述信号量化模块与所述信号调制模块连接；

信号传输模块，用于传输所述数字信号，所述信号传输模块与所述信号量化模块连接；

信号分析模块，接收所述数字信号，对所述数字信号进行定量分析，获得针刺手法量化模型，基于所述针刺手法量化模型，实现针刺手法的数字量化，为针刺学习提供依据。

所述激励单元为10V/50Hz的正弦激励电源；

所述激磁单元为激磁线圈；所述感应单元为感应线圈；

所述激磁线圈和感应线圈具有相同结构和相同尺寸；

所述激磁线圈和感应线圈的线圈骨架长度大于所述针的针刺深度，所述线圈骨架长度为2cm-10cm，所述激磁线圈和感应线圈的骨架内圆直径为所述针的直径的10-50倍；

所述针还可以为针状物，所述针的材料为纯铁。

所述电压放大单元，包括，第一电阻、第二电阻、第三电阻、第一电容、第二电容、第一放大器；其中，所述第一电阻和第二电阻为10KΩ，所述第三电阻为50KΩ，所述第一电容和第二电容为10μF，所述第一放大器的型号为OP27GP。

所述二阶低通滤波单元为二阶巴特沃斯低通滤波器，包括，第四电阻、第五电阻、第六电阻、第七电阻、第三电容、第四电容、第五电容、第六电容、低通滤波器；其中，所述第四电阻和第五电阻为50KΩ，所述第六电阻和第七电阻为10KΩ，所述第三电容、第四电容、第五电容和第六电容为10μF。

所述电压抬升单元，包括，第八电阻、第九电阻、第十电阻、第十一电阻、第七电容、第八电容、第二放大器；其中，所述第八电阻和第十电阻为2KΩ，所述第九电阻为10KΩ，所述第十一电阻为50KΩ，所述第七电容和第八电容为10μF，所述第二放大器的型号为OP27GP。

所述单片机的采样频率为2kHz，所述感应单元的电压频率为50Hz，在一个正弦周期内，所述单片机采样40个点。

一种针刺手法量化方法，包括以下步骤：

S1.使用所述针，在所述针刺定位单元进行针刺操作，如图1-3所示，所述针刺操作包括，提插手法和捻转手法，通过所述激磁单元和感应单元，获得针刺手法电压感应信号；

S2.基于所述信号调制模块，对所述针刺手法电压感应信号进行滤波放大处理，获得所述针刺手法模拟信号，通过所述信号量化模块，将所述针刺手段模拟信号转化为所述数字信号，将所述数字信号，通过所述信号传输模块，传输到所述信号分析模块；

S3.所述信号分析模块，通过时域分析法，对所述数字信号进行时域分析，构建所述针刺手法量化模型，包括，构建电压上升时间单元、电压下降时间单元、电压上升与下降时间比例单元、电压变化幅值单元、频率单元、时间单元；

S4.基于所述电压上升时间单元，获得所述提插手法的下插阶段速度；基于所述电压下降时间单元，获得所述提插手法的上提阶段速度；基于所述电压上升与下降时间比例单元，获得所述提插手法的手法属性；基于所述电压变化幅值单元，获得所述针刺手法的深度；基于所述频率单元，获得所述针刺手法在单位时间内的完成次数；基于所述时间单元，获得针刺操作时间；

S5.基于所述下插阶段速度、上提阶段速度、手法属性、深度、完成次数、针刺操作时间，对所述针刺操作进行量化评估，为针灸教学提供了量化依据。

所述电压变化幅值单元的幅值提取方法包括以下步骤：

S3.1.通过二次差分法提取所述数字信号的正弦波波络线；

S3.2.通过峰值函数获得所述正弦波波络线的峰值点，基于所述峰值点获得所述峰值点电压；

S3.3.提取所述针的电压基准值，通过所述峰值点电压和所述电压基准值，获得所述幅值。

所述S3.1包括以下步骤：

S3.1.1.对所述数字信号，进行第一次差分处理，获得一次差分信号函数；

S3.1.2.通过符号函数sign，获取所述一次差分信号的信号符号函数；

S3.1.3.基于所述信号符号函数，进行第二次差分处理，获得二次差分信号函数，所述二次差分信号函数由若干差值组成，包括第一差值、第二差值，所述第一差值和等于-2，所述第二差值等于2；

S3.1.4.基于所述第一差值获得上包线路，基于所述第二差值获得下包线路，所述上包线路和下包线路组成所述正弦波波络线。

基于小波变换模极大值法确定所述针刺操作时间，包括以下步骤：

S4.1.基于所述电压上升时间单元和电压下降时间单元，构建所述时间单元的时间函数模型；

S4.2.通过李氏指数，对所述时间函数模型，进行信号奇异性分析，获得时间函数奇异性模型；

S4.3.基于平滑函数，对所述时间函数奇异性模型进行平滑处理，获得时间函数允许模型，所述时间函数允许模型，由若干函数允许单元组成，包括第一函数允许单元、第二函数允许单元；

S4.4.通过所述时间函数允许模型，基于小波函数，获得小波基函数，对所述第一函数允许单元和第二函数允许单元，进行小波变换，确定小波模极大值，通过所述小波模极大值，确定所述电压上升时间单元和电压下降时间单元的突变点，基于所述突变点之间的时间间隔确定所述针刺操作时间

针刺手法量化系统主要以电路为基础，以单片机与计算机数据采集为核心，实现针刺手法感应电压信号的采集与量化，为针刺手法的学习训练提供一种科学准确的依据。系统总体框图如图4所示。该系统主要由信号获取模块，信号调制模块，信号量化模块和数据传输模块四部分构成，其信号获取部分由激磁线圈、感应线圈及激励电源模块组成，主要实现感应电压信号的获取；信号调制模块主要由信号放大电路、二阶低通滤波电路和电压抬升电路组成，实现对感应电压信号的预处理；信号量化模块由单片机及其最小系统组成，将针刺手法模拟信号转换为数字信号；数据传输模块由蓝牙和计算机组成，其作用是将单片机量化后的数据通过蓝牙传输至计算机。

整个系统的工作原理如下：将形状大小相同的激磁线圈和感应线圈对准轴心水平放置，在激磁线圈侧施加10V/50Hz的正弦激励电源，将由纯铁材料制成的针形物放入感应线圈中，改变针形物进入深度以及针形物的旋转速度，分别获取针刺提插感应电压信号和针刺捻转感应电压信号，将获得的模拟信号经过信号调制模块的放大电路、二阶低通滤波电路和电压抬升电路处理后送至单片机MSP430进行相关运算处理，单片机将模拟信号转换为数字信号，最后通过蓝牙技术把经过处理后的数字信号传送至计算机，计算机采用串口技术接收单片机的量化数字信号。

信号获取模块中激磁线圈侧的正弦交流激励电源是家庭常用220V交流电经小型降压变压器获得的，其降压后的电压有效值为10V，频率为50Hz。激磁线圈和感应线圈为使用绕线机自行绕制的，线圈骨架的长度为4cm，骨架内圆直径为2cm，铜线线径0.5mm。线圈绕制的层数为12层，每层83圈，线圈总匝数为996匝。绕制完成后线圈外圆直径为3.16cm。测量空心线圈的电感量为12mH。线圈的直流电阻为8Ω。

信号调制模块主要包括电压放大电路，二阶低通滤波电路和电压抬升电路。感应线圈侧电压的幅值范围为毫伏级，MSP430单片机工作电压为0～3.3V，信号的幅值达不到单片机工作电压，且微弱信号在传输过程易受到干扰。因此，采用电压放大电路将信号放大到理想幅度。电压放大电路图如图5所示。

图5中U

由式(3.2)可得经放大后输出的电压信号U

本发明所采集的电压信号频率为50Hz，在采集感应电压信号时通常会产生大量的高频噪声信号。因此，为了更加精准地分析感应电压信号的时域特征，需要采用低通滤波电路将噪声信号滤除。理想的低通滤波器能完全滤除高于截止频率的信号，低于截止频率的信号可以不受任何影响地通过，而实际生活中的滤波电路通常难以达到这种理想要求。因此，需要根据不同的实际情况选择合适的滤波器。一阶滤波电路同频带以外的信号衰减速度较慢，本文将采用二阶巴特沃斯低通滤波电路，其特点主要是通频带内的频率响应曲线平坦，没有起伏；阻频带内则逐渐衰减下降为零，衰减速度较快。二阶巴特沃斯滤波电路如图6所示。

图6中U

令R

低通滤波器的电压增益为：

二阶低通滤波器结构简单输入阻抗高，输出阻抗低，在各路参数设置合理的情况下，可以满足系统的精度要求并且达到理想的滤波效果。

根据仿真结果和测试结果可知，感应电压信号的幅值存在负值，由于后期信号量化模块应用的MSP430单片机只能识别和处理正值的电压信号，所以需要电压抬升电路将采集到负值电压部分全部抬升到零值以上，电压抬升电路图如图7所示。

图7中U

信号量化模块采用MSP430单片机的A/D转换功能将经过信号调制电路获得的电压模拟信号转换为数字信号。MSP430单片机是美国TI公司的一种16位的混合处理器，其特点是功耗低，适用于低功率场合。本文中单片机的采样频率为2kHz，感应线圈侧电压频率为50Hz，在一个正弦周期内，单片机将采样40个点，经模数转换后获得的数字信号能够被精准地还原，保证了该系统装置的准确性。MSP430单片机处理后的数字量化信号分为高四位和低八位进行数据传输。

数据传输模块采用蓝牙技术将单片机处理后的量化信号发送到计算机。蓝牙技术是一种短距离无线数字通信技术，一般通信距离大约为10米，能够在较小范围内代替电子设备之间的电缆连接，进行数据的无线传输，减小装置的复杂性。本文将采用HC-06蓝牙串口通讯模块，该模块具有低功耗、高性能的特点，因此本文采用HC-06蓝牙模块作为从模块将MSP430单片机处理后的数字量化信号发送给计算机，而HC-05作为主模块接收数据，保证了信号传输过程的稳定性和快速性。

根据以上分析，设计针刺手法量化系统电路图。如图8所示。

图9为提插手法时感应线圈侧感应电压。由图9中感应电压信号的局部放大图可知感应信号是由一系列的正弦波组成。

(1)针刺手法信号预处理

实验过程中，针形物在感应线圈内部进行提插或捻转手法时，针形物在磁场中运动会产生噪声信号。因此为了更加精确地检测针刺手法量化参数，在对信号进行特征提取之前，设计数字滤波器进行再次滤波。通过对信号进行频域分析发现噪声信号的频率大约为150Hz，而感应电压信号的频率为50Hz。因此，本文中所设计的数字滤波器截止频率为60Hz，设计的低通滤波器的幅频特性如图10所示，其感应电压信号滤波前后对比图如图11所示，为之后量化特征参数的提取奠定基础。

本发明应用时域分析法分析针刺手法感应电压信号。时域分析法是指在输入一组变量时，以输出量的时域为基础，分析信号的瞬态特性和稳态特性。时域分析直接在时间域中对系统进行分析，它以时域抽样原理为基础，因此时域分析法直观易懂，分析方便。对感应电压信号进行时域分析，提取描述某一类特定手法的特征基础参数，如表1所示，作为评价针刺手法的指标从而量化不同针刺手法，为针刺手法的学习提供科学准确依据。

表1

由图9可知，感应电压信号是由一系列的正弦波组成，当针形物进入感应线圈时，其产生的感应电压信号会有明显上升，并且上升速度较快，因此电压上升对应提插手法中的下插过程。当针形物从感应线圈中移出时，感应电压下降，并且下降速度较快，因此电压下降对应提插手法中的上提过程。电压上升时间与下降时间之比，也就是一个周期内上提时间与下插时间的比值，用来判断针刺手法的特征。

为了更加准确获取针刺幅度，本发明首先采用二次差分法提取感应电压信号正弦波的波络线，再次使用峰值函数判断峰值点的位置，最后峰值点电压与针形物未进入感应线圈时的电压基准值做比较，计算电压变化的幅值，也就是针刺深度。差分法的基本思想是：信号函数峰值点之前的差分值大于零，峰值点之后的差分值小于零。假设经过预处理的感应电压信号为x(t)，对信号进行一次差分运算，可得：

假设一次差分后感应电压信号为差分函数，利用符号函数分别求取对应函数的符号，然后对符号函数再次进行差分运算，得到二次差分函数x″(t)。计算公式为：

由式(3.10)可知，二次差分函数x″(t)差值为-2的点对应正弦波上包络线，值为2的点对应正弦波下包络线。正弦感应电压信号包络线如图12所示。二次差分法算法流程如图13所示。

根据感应电压的上包络线的感应电压图，采用峰值函数，计算感应电压信号的峰值，将此值与基础值(针形物未进入感应线圈的感应电压值)相比较，感应电压的变化值即为针刺中的幅度。其算法流程图如14图所示。

由图9可知，针形物进入感应线圈，感应线圈侧的电压会随着进入的长度增加而增大。针形物从感应线圈中慢慢取出，感应电压会随着取出长度的增加而下降。在感应电压上升开始时刻和感应电压下降结束时刻电压波形会出现细微的突变，这种突变导致信号在该点处存在奇异性，并且这种奇异性导致高频分量出现。因此为了获得时域分析中针刺时间的参数，本文采用小波变换模极大值法检测奇异性理论对电压上升开始时刻和电压下降结束时刻进行定位检测，检测结果与峰值电压位置相比较，从而获得针刺时电压上升时间和电压下降时间。

(1)信号奇异性分析

数学上通常用李氏指数(Lipschitz指数)描述函数的局部奇异性，突变点的Lipschitz指数决定小波变换模极大值的变化情况。设函数x(t)在t

|x(t

则称x(t)在t

T

如果x(t)函数n次可微，n阶导数不连续，即函数n+1次不可微，则函数的李氏指数α大于n小于n+1。如果函数x(t)的李氏指数为α，则x(t)的积分的李氏指数为α+1，即随着函数每积分一次，李氏指数便增加1。如果函数x(t)的李氏指数为α，则x(t)微分的李氏指数为α-1，即随着函数每求导一次，李氏指数就会减1。

函数在某一点的李氏指数表明该点的奇异性大小。李氏指数越大，则该点越光滑。李氏指数越小，则该点奇异性越大。如果函数f(t)在某一点可导，则李氏指数α>1。如果函数f(t)在某点不连续但有限，那么李氏指数0<α<1。特别地，对于脉冲函数，α＝1，对于白噪声函数，α<0。

(2)小波变化奇异性检测原理

信号在某点间断或者某阶导数不连续，则称信号在该点处具有奇异性，该点称为奇异点。信号的多分辨率奇异性检测是将信号在不同尺度上用θ(t)平滑函数进行处理，然后对信号一阶或者二阶导数进行分析从而检测出信号突变时刻。

在小波变换理论中，如果函数θ(t)满足以下条件，则称θ(t)为平滑函数。

令

由于φ

根据式(3.15)和式(3.16)可知，φ

由式(3.18)和式(3.19)可知，小波变换的定义式可以分别看做信号函数f(t)尺度经平滑函数处理后的一阶导数和二阶导数。

信号函数f(t)经小波变换用WT

则称(a

|WT

则称点(a

假设信号函数f(t)是一个在t＝t

根据图15可知信号函数f(t)上的奇异点经过小波变换后分别对应信号函数的一阶导数WT

根据式(3.17)可知，凡是满足公式的条件的函数原则上都可以用作小波变换的母函数。因此，用于小波变换的小波函数并不是唯一的。小波变换结果的好坏直接与小波基的选取密切相关，必须根据具体问题选择合适的小波基，否则就难以达到满意的效果。因此，小波基函数的选择是小波应用的关键。

小波函数进行伸缩和平移时有：

其中，a为伸缩因子或尺度因子，τ为平移因子，称Ψ

小波变换能够从信号函数中能够获得信号的突变信息，除具有局部化特性之外，小波函数还应具有去噪性，即小波基函数应能满足一定的区间紧支撑和足够的消失矩阵阶数。Daubechics小波对非平稳信号具有较高的灵敏性，在扰动信号分析中广泛使用。Daubechics小波(简称db小波)是由世界著名小波分析学者Inrid Daubechics构造的小波函数，一般简写为dbN，N是小波的阶数。Daubechics小波具有以下特点：

①小波函数的有效支撑长度为2N-1，小波函数的消失矩阵阶数为N；

②Daubechics—N小波在大多数情况下是对称的；

③小波函数的正则性随着N的增加而增大；

④小波函数具有正交性。

在对几种Daubechics系列小波进行比较后，滤波长度系数为4的db4小波最适合本申请的问题分析。

为了检测感应电压信号电压开始上升时刻和电压下降结束时刻，必须选取合适的分解层数，对信号频带进行合理分解。频带的划分的原则是尽量使信号的基波频率位于最低频带中心，限制基频分量对其他子频带的影响。频带的划分层数的计算公式为：

其中，f为基频频率，f

小波模极大值可以用来表现信号的突变点及奇异性特点，即可以通过小尺度的小波变换的模极大值的位置检测信号奇异点。通过检测突变点，即电压开始上升时刻和电压下降结束时刻的位置，确定针刺作用有效作用时间。在本文中两次突变点之间的时间间隔即为针刺手法的针刺时间。小波变换检测定位的流程图如图16所示。

采用图16中框图的流程，对针刺中均匀提插法进行信号奇异点的定位检测。为了提高实验系统的精度，感应电压信号需要进行二次差分法提取正弦信号包络线，然后再对其上包络线信号进行定位检测。如图17和图18所示。

由图18可知，电压信号在采样点数为0～150之间，电压不变，电压波形没有奇异性，所以小波变换模极大值为0。采样点数为150～223之间，根据局部放大图电压呈微弱阶梯状上升，电压波形具有奇异点，所以存在小波变换模极大值，虽然电压波形具有波动，但并不影响小波模极大值对针形物进入电压开始上升时刻的检测。根据图18可知针形物刺入点为采样点数为153处。采样点数为223～280之间，根据局部放大图可知，电压波形具有波动，但并不影响小波模极大值对针形物完全取出电压下降结束时刻的检测，根据图18可知针形物完全取出是在采样点数为280处。采样点数为280～400之间，电压不变，电压波形没有奇异性，所以小波变换模极大值为0。根据以上分析可知，针形物刺入时刻为采样点数为153处，针形物完全取出的采样点为280处，电压峰值最大点处的采样点数为223处。由于单片机的采样频率为2kHz，因此电压上升时间即均匀提插手法中“插”时间t1＝(223-153)*40/2000＝1.40s，电压下降时间即均匀提插手法中“提”时间t2＝(280-223)*40/2000＝1.14s，其电压上升时间和下降时间之比约为1。针体在感应线圈中运动时，施针者手部抖动和颤动对感应电压产生一定的影响，由于小波变换本身对信号的奇异点较为敏感，因此在进行小波变换模极大值对信号奇异位置检测时，信号微小的电压变化会被放大并显示出来，并不影响对电压初始时刻和电压结束时刻的检测与判断。

系统可行性分析：为了验证针刺手法量化系统可行性，本发明将以中医学常见均匀提插手法为例，对实验系统进行验证。实验过程如下：首先感应线圈侧填充具有皮肤特性的仿真组织(Professional Skin Pad MK2，Limbs&Things Ltd，英国)，然后针刺专家手持特制针形物在感应线圈侧的进针孔处进行均匀提插实验，依次改变针形物在感应线圈的长度，分别为10mm，20mm，30mm，最后分析不同深度时的感应电压幅值。实验结果如图19所示。

图19中横坐标表示采样点数，纵坐标表示电压幅值，该波形共分为I，II，III，IV四个阶段，其中I，IV段为针形物未进入感应线圈时的电压值，即为基准值，II为针形物进入感应线圈的过程阶段，针形物进入感应线圈长度增加，感应电压值缓慢增加，III为针形物从感应线圈取出过程阶段，感应线圈中针形物长度减少，感应电压值逐渐减少。针形物不同长度时对应的感应电压特征参数如表2所示，从表中可以看出当针形物的进入后长度每增加10mm，电压变化0.1V，其系统精度为0.113V/cm，与仿真精度结果具有高度一致性，能够精准量化针刺手法。

表2

本发明基于针刺等效模型设计并搭建针刺手法量化系统，主要包括信号获取模块，信号调理模块，信号量化模块和数据传输模块四大模块，介绍了各模块的工作原理以及工作特点。对针刺不同手法与感应电压信号的相关性进行分析，获得描述某一类特定手法的基础参数，分别是电压上升时间、电压下降时间、电压上升时间与下降时间之比、电压变化幅值、频率及操作时间。根据基础参数，分别采用二次差分法和小波模极大值法分析信号幅值特性与针刺作用有效时间，最后通过针刺提插手法对实验系统可行性进行分析，结果表明实验结果与仿真结果具有较好的一致性，能够量化针刺手法。

以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。