推拿手法数据手套及数据采集系统的研发

谢俊成，陈洁，徐刚，李少雄，刘堂义△

（1.上海中医药大学，上海 201203；2.长沙市第八医院，湖南 长沙 410199）

推拿又称“按摩”、“导引”、“按跷”等，有着悠久的历史。《素问·异法方宜论篇》中明确记载：“中央者，其地平以湿，天地所以生万物也众，其民食杂而不劳，故其病多痿厥寒热，其治宜导引按跷，故导引按跷者，亦从中央出也。”提示推拿可以治疗痿痹、厥逆、伤热等疾病。推拿产生疗效的关键在于手法，推拿手法量化问题是解决目前推拿诸多问题的关键点，是促进手法操作从经验化到客观化、规范化转变的关键[1]。

有学者认为目前研制成功的手法测定仪仅能在仪器上进行手法操作并检测，但在人体身上操作时并不能加以检验，忽略了临床因素，因此促进手法的量化需要进行大量的基础研究[2]，量化推拿手法的相关参数传统的测量仪器[3-4]多为离体试验、单式手法测定试验，如使用TDL-Ⅰ型手法动态力测定器、FZ-Ⅰ型推拿手法测力分析仪等测力平台，操作者在测力平台上进行手法操作，通过测力平台得出手法的相关参数，容易忽略真实操作环境中对人体进行手法操作时，受试者的主观反馈、环境影响等因素，增大了数据误差。为解决既往研究手段的不足，本研究拟研发一款可实时在体测定推拿手法参数的手套式测定仪器，并对其数据采集功能、数据分析功能、手套性能进行一系列测定和评估，为推拿手法参数量化提供一种新的研究手段。

1 推拿手法数据手套及数据采集系统的研发流程

推拿手法数据手套的关键设备与技术支持是多点式柔性薄膜压力传感器和ELVIS技术，主要由信息采集模块和数据分析模块两个部分构成（如图1）。基于多点式柔性薄膜压力传感器和ELVIS技术的“推拿手法数据手套”主要用于在PC端实时显示操作手的手法物理学参数和保存数据以供日后量化研究，协助推拿操作者进行教学和临床考核。信息采集模块由弹性手套、柔性薄膜压力传感器和电阻转换模块组成，操作手可以通过穿戴配置有传感器的手套直接在人体各个部位操作，转换模块则通过与传感器连接，将电阻信号转换为模拟输出信号（A0）信号并传送到信息采集系统。信息采集系统包括硬件和软件两部分，硬件部分负责接收A0信号并转换成电压信号，然后经过电脑PC端传送到软件端，接收信号处理与分析，最终在PC界面实时显示以及后台存储数据。

图1 “推拿手法数据手套及数据采集系统”系统框图

2 推拿手法数据手套

2.1 主要材料 弹性手套、I-motion IMS-C10A型电阻式薄膜压电传感器、43x17x18.5mm电阻转换模块、WT-500系列电子数显弹簧拉压试验机。

2.2 制作方法 参考既往文献[5-8]运用WT-500系列电子数显弹簧拉压试验机对传感器进行定标，同时读取力值和电压值，运用SPSS21.0统计软件得出x值（电压）和y值（力值）的回归方程：y=-7.68x+38.5，以便在软件用户操作界面直接读取到实时力值。完成定标后，将7枚传感器分别放置于小鱼际侧面、小鱼际背侧和大拇指指腹处（1和4、2和5、3和6一一对应），并通过用热缩套管进行塑封及固定的杜邦线与电阻转换模块相连接，制成“推拿手法数据手套”。数据手套通过ELVISⅡ套件与Labview2017连接，构成“推拿手法数据手套及数据信息采集系统”。结构如图2、图3所示。

图2 推拿手法数据手套

图3 推拿手法数据手套及采集系统实物图

3 推拿手法数据分析模块

3.1 硬件部分 本课题硬件系统采用美国国家仪器公司（NI）研发的ELVISⅡ型模板，主要利用ELVISⅡ的AI接口接收与IMS-C10A型传感器配套电阻转换模块输出的AO信号，并将AO信号转换成计算机可识别的模拟信号，ELVISⅡ的模GROUND接口与电阻转换模块的外接GND接口连接，ELVISⅡ的±5V接口与电阻转换模块VCC电源接口相连接，EL‐VISⅡ的USB接口与PC端的USB接口连接，将转换的模拟信号传输到Labview软件，具体连接示意图如图4。“推拿数据手套”有7枚传感器，每个传感器感测的信号都与电阻转换模块连接，引入线0-6分别接入通道ai0-ai6，如图5所示。

图4 ELVISⅡ电路板、转换模块、PC连接图

图5 推拿手法数据手套采集装置

3.2 软件开发 本研究使用的编程软件为美国NI仪器公司开发的一款可视化编程软件——Labview 2017。本系统软件分为基础设置程序、数据接收程序、数据分析程序三个部分。基础设置程序包括通路设置、定时设置和记录设置，单点式柔性薄膜压电传感器感触的电阻信息经过电阻转换模块转换为AO信号传送到ELVISⅡ程序板上后，基础设置程序负责配置ELVISⅡ的采样模式、需要接收的传感器通道、采样率和数据的存储。采样模式为连续采样。数据接收程序将推拿手法数据手套传输给ELVISⅡ的模拟信号，实时转换为电压信息并在软件用户界面显示。数据分析程序则负责将电压信息通过函数等代码换算为力值、频率、幅值等物理学参数。

4 “推拿手法数据手套及数据采集系统”性能检测

4.1 舒适度测试

4.1.1 研究目的 通过试验测试系统操作的舒适度。

4.1.2 试验对象 上海中医药大学及附属医院针灸推拿专业学生和老师各20名、共40名。

4.1.3 测试方法 准备好不受干扰的测试房间，提前预约受试者参加测试，采用单盲法，所有受试者测试时间隔开，互不沟通，告知所有受试者测试目的是想了解佩戴手套进行推拿操作是否舒适。测试前受试者在测试房间安静休息两分钟，排除外界因素干扰，受试者带上手套后在志愿者身上进行㨰法和揉法操作各5分钟，操作结束后收集受试者对手套的感受，并嘱咐志愿者隔2-3天由其他操作者进行手法操作。

4.1.4 测试结果 推拿手法数据手套的主观舒适度分为舒适、较舒适、和不舒适三种，结果如下图6所示：20名教师中，13人佩戴推拿手法数据手套进行手法操作感觉舒适，6人觉得较舒适，1人觉得不舒适。20名学生中，15人感觉佩戴手套操作感觉舒适，5人觉得较舒适。总体来说，97.5%的人佩戴该手套感觉舒适度较好，不会影响推拿手法操作。

图6 老师和学生舒适度调查

4.2 数据采集的稳定性研究

4.2.1 研究目的 通过试验研究系统数据采集的稳定性。

4.2.2 试验对象 本课题的研究对象为从事临床工作10年以上的专业医师1名、无明显推拿手法禁忌症的健康志愿者1名。

4.2.3 测试方法 测试前连接好手套和数据采集软件，打开ELVISⅡ总电源开关和原型板开关，软件端设置采样率1000Hz。提前1天通知推拿医师不要进行剧烈运动。测试时推拿医师戴好推拿手法数据手套，为避免心理因素干扰，推拿医师安静休息5min后开始在志愿者身上手法操作，按照高等教材《推拿手法学》[9]中丁式㨰法的操作要求进行操作。手法采集系统实时采集、记录并保存手法过程中术者第小鱼际附近6个传感器与受试者皮肤之间压力变化的时间-力曲线。操作者每次连续操作3min，连续采集5次，每次采集时间间隔为3 min。选取医师丁式㨰法操作较稳定阶段的500个力值数据，使用SPSS 21.0统计软件，对操作手法力值的平均值、峰值、谷值进行量化分析，数据采用均数±标准差（±s）表示。

4.2.4 测试结果

①时间-力值曲线图：图7为随机选取的5次㨰法操作时6个通道的力值曲线图，从曲线图可以看出来，每条通路的力值大小不同，通路ai1、3、4、6手法变化有规律，波峰、谷峰相对较稳定。通路ai2和ai5力值偶有增高，考虑可能是操作者手法瞬间加力习惯的影响所致。剔除掉通路2和5，就5次操作的力值曲线图的整个走势而言，丁式㨰法的最大值、最小值以及平均力值一直维持在一定水平，三种力量的变化都较平稳，说明该手套获取的数据具有可重复性（注意：通道ai2和ai5的数据出现漂移，但是每次数据重复性好，漂移问题在后文将提出解决方案）。

图7 力值曲线图

②推拿手法量化指标：由表1、图8的数据可以得知，剔除掉通路2和5，丁式㨰法通道ai1、3、4和6的平均作用力分别为（0.593±0.034）kg、（0.567±0.02）kg、（0.577±0.023）kg、（0.606±0.002）kg。最大作用力分别为（0.6±0.035）kg、（0.579±0.045）kg、（0.594±0.062）kg、（0.619±0.03）kg。最小作用力分别 为（0.586±0.003）kg、（0.56±0.019）kg、（0.57±0.024）kg、（0.599±0.03）kg。丁式㨰法操作时，测得的各通道五次操作的最大力、最小力和平均力值基本稳定，离散度小，说明推拿手法数据手套及数据采集系统具有可重复性。

表1 滚法各通路力值参数（±s，kg）

表1 滚法各通路力值参数（±s，kg）

平均值最大值最小值例数5 5 5 Ai1 0.593±0.034 0.6±0.035 0.586±0.003 Ai3 0.567±0.02 0.579±0.045 0.56±0.019 Ai4 0.577±0.023 0.594±0.062 0.57±0.024 Ai6 0.606±0.002 0.619±0.03 0.599±0.03

图8 丁氏㨰法力值参数（kg）

4.3 “推拿手法数据手套”的矫正与调试

4.3.1 矫正目的 调试通路ai2和ai5力值传感器，减小飘移误差。

4.3.2 矫正方法 重新调整传感器位置，加大传感器之间的位移。

4.3.3 矫正结果 按照章节3.2中的方法重新测量三次，结果如图9，丁式㨰法6个通路的最大值、最小值以及平均力值一直维持在一定水平，三种力量的变化都较平稳，说明经矫正后该手套获取的数据更稳定。

图9 㨰法力值轨迹图

5 讨论

推拿是中医外治法之一，基于经络原理，以手法在人体体表进行规范性操作，以求达到防治疾病的目的[10]。从上世纪80年代，王国才[8]基于力学原理将推拿作用于人体的力按照X.Y.Z三个方向分解并加以测定，选用垂直力感受器、横向水平力感受器、纵向水平力感受器等组成测力器。李义凯、毕胜[13-14]等人采用ABAQUS6.1有限元软件建立腰椎L4-L5有限元模型，但此模型只包括椎体、终板、小关节和韧带，并没有将相关神经、皮肤、血管等包括在内，忽视了推拿是基于经络原理通过手法产生治疗作用，部分手法可通过一定的频率和施力范围产生向人体内部渗透的“热”[11-12]。陈守吉、许世雄等[15]将三个刚体O1O2（上臂）、O2O3（小臂）、O3O4（手掌）通过铰链连接，模拟手臂进行手法操作，以此描述手法操作中的运动学量，但因其在操作过程中始终成握拳状，且小指关节始终与接触部位固定不变，手法操作过于机械化，只能为推拿手法的量化研究提供一个研究思路。在之后，张延海[16]建立6自由度刚体胸-腰椎生物力学模型，运用MAT‐LAB/Simulink进行仿真，认为振荡激励腰椎推拿斜扳法比脉冲激励腰椎推拿斜扳法更安全，研究结果为医生提供一个比较合理的振荡激励腰椎推拿斜扳法操作参数的范围。严晓慧[17-18]应用推拿手法测试系统、三维运动解析系统以及用C#和MATLAB开发的配套数据软件对手法动力学三维力的大小、频率、周期进行研究，对既往文献研究参数数值进一步具体化，但脱离人体操作，使用视频技术难免会受环境影响，且只是通过机器采样，不能模拟真实的临床环境，从而导致部分数据存在误差。方磊[19]通过使用表面肌电图（sEMG）测定MF、IEMG、CR，了解施术者上肢的肌电信号，得出结论认为在手法操作过程中存在核心肌群，上肢核心肌群的运动存在规律，为手法达到“持久”的要求提供量化手段，但表面肌电图（sEMG）在推拿领域的样本量小、研究时间较短，技术尚不成熟[20]。张广明[25]使用MFF压力测试系统对一指禅推法的轻、中、重三个压力度进行研究，为一指禅推法的动力学参数和相应的压力曲线提供相关数据。通过对既往研究可以发现，不同医家在对推拿手法参数研究中运用不同的手段进行研究，如建立数学模型[21-22]、运用表面肌电图[23-24]、采用传统测定仪等，为现代化研究手段提供不同研究思路，完善了推拿手法参数数据，但同时也存在不足，如易受环境因素影响、离体试验、仅能对单式手法进行研究、不同手段研究的参数和手法单一、多从动力学和运动学角度进行研究等。

本研究研发的“推拿手法数据手套及数据采集系统”由信息采集模块和数据分析模块共同构成。具备以下功能及特点：①多点数据采集。以搭载经过定标后的多枚传感器为主的体表部信息采集模块，在穿戴手套后可直接操作手法作用于体表部，并对手法操作时多个接触部位的力值、频率、周期等相关参数进行实时采集，对手法操作的更多技术细节描述更加详实，克服了传统测定仪器对手法操作细节的忽视，同时避免了环境因素导致数据误差。②基于真实环境的推拿手法数据采集，体验感强。因自制手套体积小、便于携带，因此可实时在体采集数据，避免了离体试验对于受试者主观感受的忽视，使获取的数据更加符合真实的临床环境。③应用于推拿手法操作的学习和评价。同步、动态显示操作手在操作过程不同部位的参数变化曲线，直观反应推拿手法的操作过程，通过本系统采集的手法操作轨迹、频率、周期等参数对学生手法进行矫正，并可以用于推拿手法操作的考核，避免主观考核带来的误差。

基于实用性与适用性的考虑，本课题对自制手套进行舒适度及稳定性测试，在对佩戴手套操作者中感觉舒适的人占97.5%，同时对同一操作者丁氏㨰法不同通路的最大值、最小值、平均值进行初步测定，结果显示波形稳定，数据重复性好，总体可以认为“推拿手法数据手套及数据采集系统”具有较高的实用性和适用性。由于本项研究初步研制成功，尚处于基础阶段，在后续优化中，可考虑优化算法模型，丰富采集的参数类型，如㨰法进行前摆和回摆时的皮温差、3D运动轨迹、手法运力方向等；增加传感器数量，便于获取其它手法参数，扩大手法样本量，基于临床考虑，发掘在临床治疗某类疾病的最优手法组合；优化手套固定材料，兼顾实用与美观。

总之，目前基于多点式柔性薄膜压力传感器和ELVIS技术的“推拿手法数据手套及数据采集系统”初步研制成功，主要用于在PC端，实时采集、同步显示操作手的手法物理学参数和保存数据，以供日后量化研究，同时可以用于推拿操作的教学和教学效果评估。