本發(fā)明屬于針刺參數(shù)測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種基于單目相機(jī)實(shí)現(xiàn)三維測(cè)量的非接觸式針刺手法測(cè)量裝置及測(cè)量方法。

背景技術(shù)：

針灸是中華民族傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)瑰寶，經(jīng)歷數(shù)千年的傳承，是中醫(yī)的重要組成部分，在我國(guó)現(xiàn)代醫(yī)學(xué)體系中占有重要地位。并且，針灸在世界多國(guó)醫(yī)學(xué)體系中的重要作用和影響正在積極提升。針灸治療主要通過(guò)提插、捻轉(zhuǎn)、補(bǔ)瀉、循、彈、刮、搖、飛等各種針灸手法針刺身體穴位達(dá)到最佳臨床療效。各種手法之間相差細(xì)微，需要通過(guò)講授者長(zhǎng)時(shí)間的言傳示范和學(xué)習(xí)者大量的臨床實(shí)踐才能體會(huì)并最終掌握各種基本針刺手法。

現(xiàn)代科學(xué)強(qiáng)調(diào)定量化測(cè)量，現(xiàn)代醫(yī)學(xué)教育體系也不例外。對(duì)針刺手法的定量化測(cè)量一直是中醫(yī)院校的工作要點(diǎn)之一?，F(xiàn)已有多項(xiàng)專利旨在完成針刺手法的定量化測(cè)量，我們對(duì)其進(jìn)行了仔細(xì)分析，發(fā)現(xiàn)以下問(wèn)題：公開(kāi)號(hào)為cn2433931的專利中提出了“針刺手法參數(shù)測(cè)定分析儀”，由于針刺過(guò)程為微小力下的變形，其過(guò)程中齒輪傳動(dòng)的誤差對(duì)于數(shù)據(jù)的可靠性影響較大；授權(quán)號(hào)為cn2533851y的發(fā)明專利提出了一種實(shí)時(shí)采集針刺手法的傳感器，其因設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜從而顯著增加了制造成本；公開(kāi)號(hào)為cn1718179a的專利提出了“一種檢測(cè)中醫(yī)針刺手法的量化傳感針”，其僅能測(cè)量提插及捻轉(zhuǎn)手法，且檢測(cè)到的分量信號(hào)相互干擾嚴(yán)重；專利號(hào)為zl200520042994.x的專利公布了一種“檢測(cè)針刺手法的光柵傳感器”，設(shè)計(jì)復(fù)雜度高，且裝置中齒輪之間的摩擦力遠(yuǎn)超人體組織對(duì)在針灸針破皮入體、體內(nèi)捻轉(zhuǎn)過(guò)程中造成的阻力，即測(cè)量設(shè)備干擾了被測(cè)物體的本身特性；專利號(hào)為zl201120200391.3的專利提出了一種五維參數(shù)實(shí)時(shí)采集傳感器，對(duì)“檢測(cè)針刺手法的光柵傳感器”進(jìn)行了改進(jìn)，但是，仍然沒(méi)有解決測(cè)量設(shè)備改變被測(cè)物體運(yùn)動(dòng)特性的問(wèn)題，達(dá)不到真實(shí)測(cè)量的目的。

我們?cè)谇捌诘难芯考芭c中醫(yī)院校的針灸專家的討論中發(fā)現(xiàn)，各種復(fù)雜的針灸手法都是由捻轉(zhuǎn)、提插和搖擺三個(gè)基本動(dòng)作組成。因此，對(duì)捻轉(zhuǎn)、提插和搖擺三個(gè)基本動(dòng)作的測(cè)量是針刺手法定量化的關(guān)鍵。

經(jīng)過(guò)檢索，現(xiàn)有技術(shù)其測(cè)量裝置和方法都是接觸式，通過(guò)測(cè)量裝置和針灸針的接觸實(shí)現(xiàn)行針時(shí)針灸針運(yùn)動(dòng)特性參數(shù)的測(cè)量，而針灸是一種精細(xì)運(yùn)動(dòng)，極易受到外界影響，從而改變運(yùn)動(dòng)特性，造成測(cè)量結(jié)果不準(zhǔn)確。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供了一種基于單目相機(jī)的非接觸式針刺手法測(cè)量裝置及測(cè)量方法，僅利用裝有單目相機(jī)的數(shù)據(jù)采集平臺(tái)，非接觸式地、在不改變施針過(guò)程的情況下，實(shí)時(shí)采集針刺手法數(shù)據(jù)，可以對(duì)針刺手法的參數(shù)量化測(cè)量，測(cè)量真實(shí)準(zhǔn)確。

本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是，基于單目相機(jī)的非接觸式針刺手法測(cè)量裝置，由基于單目相機(jī)的非接觸式數(shù)據(jù)采集平臺(tái)、針刺操作平臺(tái)和針刺手法量化分析顯示平臺(tái)組成；

所述基于單目相機(jī)的非接觸式數(shù)據(jù)采集平臺(tái)，由架體、帶照明的頂板、相機(jī)、定標(biāo)板、進(jìn)針孔和底板組成；所述定標(biāo)板的中心位置設(shè)置有圓形的進(jìn)針孔；帶照明的頂板設(shè)置在架體的頂部，定標(biāo)板設(shè)置在架體的中部，底板設(shè)置在架體的底部；帶照明的頂板為不透明板，中心位置設(shè)置有小孔；相機(jī)固定在帶照明的頂板中心、位于進(jìn)針孔的正上方，相機(jī)的鏡頭深入帶照明的頂板中心的小孔，確保相機(jī)的焦平面與帶照明的頂板的下沿平齊，相機(jī)的鏡頭中心和進(jìn)針孔之間連線垂直于定標(biāo)板，且相機(jī)的焦平面平行于定標(biāo)板；相機(jī)與計(jì)算機(jī)連接；

所述針刺操作平臺(tái)，由帶標(biāo)識(shí)的針刺針、硅膠塊構(gòu)成；硅膠塊上表面與定標(biāo)板的下表面緊密接觸；帶標(biāo)識(shí)的針刺針由輕質(zhì)、不易形變材料制作而成的圓盤、標(biāo)示線和毫針構(gòu)成，圓盤和毫針粘接在一起且垂直于圓盤；圓盤的上表面畫有用于標(biāo)記捻轉(zhuǎn)角度的標(biāo)示線；標(biāo)示線為以圓盤圓心為起點(diǎn)的一條直線；圓盤為藍(lán)色，標(biāo)示線為紅色；

所述針刺手法量化分析顯示平臺(tái)，由相互連接的計(jì)算機(jī)和顯示器組成。

進(jìn)一步的，所述架體由多根豎直設(shè)置且?guī)Э潭鹊牧⒅鶚?gòu)成，每根上刻有相同的刻度，刻度精度為厘米。

進(jìn)一步的，所述帶照明的頂板照明條件滿足以下參數(shù)：色溫度范圍4500～5500k，顯色性>90ra，照度>800lux。

進(jìn)一步的，所述相機(jī)的成像焦平面距圓盤的距離在相機(jī)的焦段之內(nèi)。

進(jìn)一步的，所述相機(jī)采用彩色工業(yè)ccd相機(jī)，相機(jī)幀率大于20幀/秒，分辨率大于100萬(wàn)。

進(jìn)一步的，所述定標(biāo)板上表面為黑色吸光不反光的材料。

本發(fā)明所采用的另一技術(shù)方案是，基于單目相機(jī)的非接觸式針刺手法測(cè)量裝置的測(cè)量方法，具體按照以下步驟進(jìn)行：

步驟1、定標(biāo)：獲得圓盤像素半徑r(i)和真實(shí)世界圓盤半徑r的比例關(guān)系，圓盤像素半徑r(i)和相機(jī)焦平面到圓盤表面真實(shí)世界距離h(i)之間的比例關(guān)系，i為相機(jī)采集的第i幀圖像或者定標(biāo)時(shí)采集的靜止圖像，其中i∈(1,n)，n表示視頻序列中所包含的總幀數(shù)；

步驟2、視頻序列獲?。涸谑┽樥甙凑找环N手法進(jìn)行施針時(shí)，位于帶標(biāo)識(shí)的針刺針正上方的相機(jī)實(shí)時(shí)采集圖像，獲得視頻序列；將視頻序列傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中進(jìn)行下一步的處理；

步驟3、通道提?。簩?duì)視頻序列中的第i幀圖像進(jìn)行通道提取，分別分兩通道提取藍(lán)色和紅色，得到藍(lán)色通道和紅色通道；

步驟4、分割通道圖像得到圓盤區(qū)域和標(biāo)示線區(qū)域：對(duì)得到的藍(lán)色通道和紅色通道圖像分別使用特征提取的方法得到圓盤區(qū)域和標(biāo)示線區(qū)域；

步驟5、計(jì)算圓盤區(qū)域和標(biāo)示線區(qū)域的幾何參數(shù)：首先計(jì)算圓盤區(qū)域半徑的像素長(zhǎng)度r(i)；再以視頻中起始圖像的中心為原點(diǎn)o，以平行于圖像邊緣的直線為軸建立直角坐標(biāo)系；分別求得視頻中圓盤區(qū)域的型心οi和標(biāo)示線區(qū)域型心的在該直角坐標(biāo)系中的像素坐標(biāo)(ni,mi)和(n¹i,m¹i)；

步驟6、計(jì)算捻轉(zhuǎn)、提插和搖擺參數(shù)：

捻轉(zhuǎn)的計(jì)算：

a)、計(jì)算每幀的旋轉(zhuǎn)角度θ(i)：通過(guò)型心的像素坐標(biāo)計(jì)算過(guò)兩點(diǎn)的直線的角度θ(i)，θ(i)的計(jì)算方程式如下：

b)、計(jì)算每一圈捻轉(zhuǎn)的角度參數(shù)σ(q)，q表示實(shí)際的捻轉(zhuǎn)圈數(shù)，q<n：根據(jù)相鄰三幀圖像中標(biāo)示線的夾角大小及方向確定當(dāng)前圈捻轉(zhuǎn)的角度σ(q)，實(shí)際計(jì)算中，為避免誤差，當(dāng)檢測(cè)到︱θ(i)︱﹤︱θ(i+1)︱時(shí)，連續(xù)比較︱θ(i)︱、︱θ(i+1)︱、︱θ(i+2)︱、︱θ(i+3)︱四幀之間的關(guān)系，若︱θ(i)︱小于︱θ(i+1)︱、︱θ(i+2)︱、︱θ(i+3)︱，則系統(tǒng)認(rèn)定轉(zhuǎn)動(dòng)方向轉(zhuǎn)變，第i幀為方向轉(zhuǎn)變標(biāo)志幀，計(jì)算該幀和上一標(biāo)志幀標(biāo)記為m之間角度的差值，則σ(q)＝︱θ(i)-θ(m)︱；

c)、計(jì)算每幀的旋轉(zhuǎn)角速度ω(i)：根據(jù)相鄰幀圖像，即第i幀及第i+1幀圖像中標(biāo)示線的角度θ(i)、θ(i+1)和相機(jī)的幀頻參數(shù)f＝1/n，得到帶標(biāo)識(shí)的針刺針的捻轉(zhuǎn)參數(shù)，即得到針刺針在兩幀之間轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度ω(i)和方向：ω(i)＝(θ(i)-θ(i+1))×f，結(jié)果為正時(shí)，說(shuō)明捻轉(zhuǎn)方向不變，結(jié)果為負(fù)時(shí)，說(shuō)明捻轉(zhuǎn)反向；

提插的計(jì)算：圓盤所占像素?cái)?shù)量和距離相機(jī)焦平面的距離具有線性關(guān)系，通過(guò)計(jì)算每一幀中圓的大小則可以得到帶標(biāo)識(shí)的針刺針的提插量，利用相機(jī)焦平面到圓盤表面真實(shí)世界距離表示提插參數(shù)h(i)；計(jì)算過(guò)程分為以下兩步：首先，通過(guò)定標(biāo)得到圓盤像素半徑r(i)和相機(jī)焦平面到圓盤表面真實(shí)世界距離h(i)的線性關(guān)系表達(dá)式h(i)＝k×r(i)+b，其次，將第i幀圖像中圓盤區(qū)域的像素半徑r(i)帶入公式得到h(i)；

搖擺的計(jì)算：視頻每幀圖像中圓盤圓心的運(yùn)動(dòng)軌跡可以定量表征搖擺量，用p(i)表示，具體過(guò)程為：首先，通過(guò)定標(biāo)得到圓盤像素半徑r(i)和真實(shí)世界圓盤半徑r的線性關(guān)系表達(dá)式r＝l×r(i)+a，比例系數(shù)l表示單位像素長(zhǎng)度對(duì)應(yīng)的真實(shí)長(zhǎng)度；其次，計(jì)算得到圓盤中心在真實(shí)世界中的坐標(biāo)(n×l,m×l)，則p(i)為(n×l,m×l)；

步驟7、存儲(chǔ)和顯示：將得到的數(shù)據(jù)使用計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)單元進(jìn)行存儲(chǔ)并使用計(jì)算機(jī)的顯示器顯示出來(lái)。

進(jìn)一步的，所述步驟1，具體步驟為：

a)、帶標(biāo)識(shí)的針刺針通過(guò)孔插入定標(biāo)板，此時(shí)定標(biāo)板下無(wú)硅膠塊；沿架體保持水平升降調(diào)整定標(biāo)板到4個(gè)不同高度，每個(gè)高度通過(guò)相機(jī)獲得靜態(tài)圖像1張；

b)、對(duì)得到的靜態(tài)圖像，通過(guò)特征提取得到圓盤區(qū)域，然后計(jì)算每張圖片圓盤像素半徑r(i)；

c)、使用一次多項(xiàng)式對(duì)圓盤像素半徑r(i)和相機(jī)焦平面到圓盤表面真實(shí)世界距離h(i)進(jìn)行擬合，得到線性關(guān)系表達(dá)式h(i)＝k×r(i)+b，其中，k為比例系數(shù)，b為常數(shù)項(xiàng)；

d)、使用一次多項(xiàng)式對(duì)圓盤像素半徑r(i)和真實(shí)世界圓盤半徑r進(jìn)行擬合，得到線性關(guān)系表達(dá)式r＝l×r(i)+a，其中，l為比例系數(shù)，a為常數(shù)項(xiàng)。

進(jìn)一步的，所述步驟4中，特征提取的方法包括二值化、中值濾波和膨脹腐蝕三個(gè)步驟。

本發(fā)明的有益效果是：本文由三個(gè)平臺(tái)組成，即：基于單目相機(jī)的非接觸式數(shù)據(jù)采集平臺(tái)、針刺操作平臺(tái)及針刺手法量化分析顯示平臺(tái)。針刺操作在“針刺操作平臺(tái)”完成，被試將毫針插入“針刺操作平臺(tái)”中的進(jìn)針孔，隨后完成施針操作；非接觸式數(shù)據(jù)采集平臺(tái)利用單目相機(jī)記錄施針過(guò)程并通過(guò)數(shù)據(jù)線傳輸至針刺手法量化分析平臺(tái)，針刺手法量化分析平臺(tái)進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理，量化計(jì)算每種手法中捻轉(zhuǎn)、提插和搖擺三個(gè)基本動(dòng)作的參數(shù)，數(shù)據(jù)供臨床教學(xué)和科研使用。針刺手法測(cè)量的核心是對(duì)捻轉(zhuǎn)、提插和搖擺三個(gè)基本動(dòng)作的量化描述，本文利用計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)，僅使用裝有單目相機(jī)的數(shù)據(jù)采集平臺(tái)，非接觸式地、在不改變施針過(guò)程運(yùn)動(dòng)特性的情況下，通過(guò)單目相機(jī)采集施針過(guò)程視頻數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)采集針刺手法數(shù)據(jù)，特殊設(shè)計(jì)的裝置結(jié)構(gòu)使得后期圖像分析算法簡(jiǎn)單準(zhǔn)確，大大降低了計(jì)算時(shí)間、復(fù)雜度。配合計(jì)算機(jī)視覺(jué)及數(shù)字圖像處理技術(shù)，量化計(jì)算針刺過(guò)程中的核心參數(shù)實(shí)現(xiàn)將所有手法用捻轉(zhuǎn)、提插和搖擺三種基本分量表征，即可完成對(duì)針刺手法的參數(shù)量化測(cè)量。有效地避免了測(cè)量?jī)x器本身對(duì)針刺這種精細(xì)運(yùn)動(dòng)過(guò)程的影響；并且，該裝置和方法經(jīng)過(guò)在中醫(yī)院校的大樣本測(cè)試，具有良好的測(cè)量信度，組內(nèi)重測(cè)信度為0.92。

附圖說(shuō)明

為了清楚地說(shuō)明本發(fā)明實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡(jiǎn)單地介紹，顯而易見(jiàn)地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來(lái)講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。

圖1為本發(fā)明實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為本發(fā)明實(shí)施例中基于單目相機(jī)的非接觸式數(shù)據(jù)采集平臺(tái)的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3為本發(fā)明實(shí)施例中針刺操作平臺(tái)的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4為本發(fā)明實(shí)施例中計(jì)算第i幀圖像中針刺手法搖擺、提插參數(shù)的原理圖。

圖5為本發(fā)明實(shí)施例中計(jì)算第i幀圖像中針刺手法捻轉(zhuǎn)參數(shù)的原理圖。

圖6為本發(fā)明實(shí)施例中測(cè)量方法算法流程圖。

圖7為本發(fā)明實(shí)施例中定標(biāo)流程圖。

圖8為本發(fā)明實(shí)施例中特征提取算法的流程圖。

圖9為本發(fā)明實(shí)施例中采集到的平補(bǔ)平瀉手法捻轉(zhuǎn)參數(shù)波形示意圖(20秒)。

圖10為本發(fā)明實(shí)施例中采集到的平補(bǔ)平瀉手法提插參數(shù)波形示意圖(20秒)。

圖11為本發(fā)明實(shí)施例中采集到的平補(bǔ)平瀉手法搖擺參數(shù)波形示意圖(20秒)。

其中，1、架體，2、帶照明的頂板，3、相機(jī)，4、usb數(shù)據(jù)線，5、定標(biāo)板，6、進(jìn)針孔，7、底板，8、帶標(biāo)識(shí)的針刺針，9、硅膠塊，10、計(jì)算機(jī)，11、顯示器，801、圓盤，802、標(biāo)示線，803、毫針。

具體實(shí)施方式

下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒景l(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒(méi)有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。

本發(fā)明實(shí)施例的基于單目相機(jī)的非接觸式針刺手法測(cè)量裝置，結(jié)構(gòu)如圖1所示，由三個(gè)基本平臺(tái)組成：基于單目相機(jī)的非接觸式數(shù)據(jù)采集平臺(tái)(如圖2所示)、針刺操作平臺(tái)(如圖3所示)和針刺手法量化分析顯示平臺(tái)。

其中，基于單目相機(jī)的非接觸式數(shù)據(jù)采集平臺(tái)，由架體1、帶照明的頂板2、相機(jī)3、usb數(shù)據(jù)線4，定標(biāo)板5，進(jìn)針孔6和底板7構(gòu)成。定標(biāo)板5的中心位置設(shè)置有圓形的進(jìn)針孔6；進(jìn)一步的，架體1由多根豎直設(shè)置且?guī)Э潭鹊牧⒅鶚?gòu)成，優(yōu)選四根立柱；每根上刻有相同的刻度，刻度精度為厘米；帶照明的頂板2設(shè)置在架體1的頂部，定標(biāo)板5設(shè)置在架體1的中部，底板7設(shè)置在架體1的底部；帶照明的頂板2為系統(tǒng)光照照明；帶照明的頂板2為不透明板，中心位置設(shè)置有小孔；相機(jī)3固定在帶照明的頂板2中心、位于進(jìn)針孔6的正上方，相機(jī)3的鏡頭深入帶照明的頂板2中心的小孔，確保相機(jī)3的焦平面與帶照明的頂板2的下沿平齊，相機(jī)3的鏡頭中心和進(jìn)針孔6之間連線垂直于定標(biāo)板5，且相機(jī)3的焦平面平行于定標(biāo)板5；usb數(shù)據(jù)線4通過(guò)usb接口一端連接相機(jī)3、另一端連接計(jì)算機(jī)10。優(yōu)選的，帶照明的頂板2照明條件滿足以下參數(shù)：色溫度范圍4500～5500k，顯色性>90ra，照度>800lux；相機(jī)3的成像焦平面距圓盤801的距離在相機(jī)3的焦段之內(nèi)，本實(shí)施例該距離為30-40cm；相機(jī)3數(shù)據(jù)通過(guò)帶usb3.0接口實(shí)時(shí)傳輸至計(jì)算機(jī)10；定標(biāo)板5上表面為黑色吸光不反光的材料，定標(biāo)板5的黑色吸光不反光的材料采用純黑色布料；進(jìn)針孔6直徑為1mm-1.5mm。

其中帶照明的頂板2采用不透明材質(zhì)，原因?yàn)椋?)系統(tǒng)實(shí)測(cè)，室內(nèi)環(huán)境下，室內(nèi)光源投射透明材質(zhì)頂板，會(huì)潛在地影響視屏質(zhì)量，降低目標(biāo)識(shí)別算法準(zhǔn)確性，比較而言，四周的光亮對(duì)目標(biāo)識(shí)別算法穩(wěn)定性無(wú)影響。2)透明材質(zhì)成本較高。另外還需說(shuō)明的是，測(cè)量系統(tǒng)不應(yīng)改變被測(cè)對(duì)象的特性，經(jīng)過(guò)系統(tǒng)實(shí)測(cè)，針灸操作過(guò)程中，帶標(biāo)識(shí)的針刺針8不會(huì)改變針灸操作的運(yùn)動(dòng)特性，即：施針者包可以保持正常施針習(xí)慣，不用目視針灸針，因此，采用不透明頂板對(duì)施針過(guò)程無(wú)影響。

相機(jī)3采用彩色工業(yè)ccd相機(jī)，相機(jī)幀率大于20幀/秒，分辨率大于100萬(wàn)；根據(jù)我們長(zhǎng)期行為學(xué)跟蹤研究，捻針熟練者每30秒的捻針極限是200圈/30秒，根據(jù)奈奎斯特采樣定律，采樣頻率應(yīng)該為被成像對(duì)象的2倍以上，即：幀率應(yīng)該大于13.3幀/秒，從性價(jià)比角度考慮，選擇幀率大于20幀/秒的彩色工業(yè)ccd相機(jī)。

針刺操作平臺(tái)，由帶標(biāo)識(shí)的針刺針8、硅膠塊9構(gòu)成。硅膠塊9為模擬人體表皮的硅膠塊長(zhǎng)方體。硅膠塊9的上表面與定標(biāo)板5的下表面緊密接觸；帶標(biāo)識(shí)的針刺針8由輕質(zhì)、不易形變材料制作而成的圓盤801、標(biāo)示線802和毫針803構(gòu)成，圓盤801和毫針803粘接在一起，且垂直于圓盤801；圓盤801的上表面畫有用于標(biāo)記捻轉(zhuǎn)角度的標(biāo)示線802；標(biāo)示線802為以圓盤801圓心為起點(diǎn)的一條直線；圓盤801的顏色為a，標(biāo)示線802的顏色為b，a、b取色以能將其與視頻中背景信息分開(kāi)為原則。經(jīng)過(guò)系統(tǒng)測(cè)試，在帶照明的頂板2提供照明條件滿足色溫度范圍4500～5500k，顯色性>90ra，照度>800lux為條件下，a取藍(lán)色、b取紅色可正常工作；使用時(shí)，帶標(biāo)識(shí)的針刺針8通過(guò)進(jìn)針孔6垂直插入硅膠塊9的平面，即圓盤801和定標(biāo)板5平面平行。優(yōu)選的，硅膠塊9的高度為10-20cm，長(zhǎng)和寬為30-40cm；圓盤801直徑為2-3cm。

針刺手法量化分析顯示平臺(tái)由相互連接的計(jì)算機(jī)10和顯示器11組成。

計(jì)算機(jī)10的內(nèi)置算法平臺(tái)，按照“針刺手法參數(shù)測(cè)量方法”(流程如圖6所示)計(jì)算待測(cè)參數(shù)。優(yōu)選的，計(jì)算機(jī)10的cpu應(yīng)滿足：主頻在1.8ghz以上，操作系統(tǒng)windowsxp及以上。

我們?cè)谇捌诘难芯考芭c中醫(yī)院校的針灸專家的討論中發(fā)現(xiàn)，各種復(fù)雜的針灸手法都是由捻轉(zhuǎn)、提插和搖擺三個(gè)基本動(dòng)作組成。因此，對(duì)捻轉(zhuǎn)、提插和搖擺三個(gè)基本動(dòng)作的測(cè)量是針刺手法定量化的關(guān)鍵，而現(xiàn)有技術(shù)均未有類似的研究。本發(fā)明利用數(shù)字圖像處理方法，通過(guò)提取“基于單目相機(jī)的非接觸式數(shù)據(jù)采集平臺(tái)”得到的針刺視頻中每一幀內(nèi)圓盤801及標(biāo)示線802的運(yùn)動(dòng)軌跡，實(shí)現(xiàn)對(duì)捻轉(zhuǎn)、提插和搖擺三個(gè)基本動(dòng)作的定量化測(cè)量。

該裝置的使用過(guò)程是：首先，進(jìn)行系統(tǒng)定標(biāo)；隨后，施針者在針刺操作平臺(tái)行針操作帶標(biāo)識(shí)的針刺針8；同時(shí)，相機(jī)3實(shí)時(shí)采集行針視頻，視頻被通過(guò)usb數(shù)據(jù)線4傳輸?shù)接?jì)算機(jī)10，計(jì)算機(jī)10的內(nèi)置算法平臺(tái)按照“針刺手法參數(shù)測(cè)量方法”的步驟對(duì)得到的視頻序列進(jìn)行處理，得到針刺手法參數(shù)，并將上述得到的針刺手法參數(shù)存儲(chǔ)到計(jì)算機(jī)10的存儲(chǔ)單元中，最后，并通過(guò)計(jì)算機(jī)10的顯示器11進(jìn)行顯示采集到的波形示意圖，如圖9、圖10、圖11所示。

采用上述基于單目相機(jī)的非接觸式針刺手法測(cè)量裝置對(duì)針刺手法參數(shù)的測(cè)量方法，流程如圖6所示，具體按照以下步驟進(jìn)行：

步驟1、定標(biāo)：獲得圓盤像素半徑r(i)和真實(shí)世界圓盤半徑r的比例關(guān)系，圓盤像素半徑r(i)和相機(jī)3焦平面到圓盤801表面真實(shí)世界距離h(i)之間的比例關(guān)系，i為相機(jī)采集的第i幀圖像或者定標(biāo)時(shí)采集的靜止圖像，其中i∈(1,n)，n表示視頻序列中所包含的總幀數(shù)。

具體方法為：

a)、帶標(biāo)識(shí)的針刺針8通過(guò)孔插入定標(biāo)板5，此時(shí)定標(biāo)板5下無(wú)硅膠塊9；沿架體1保持水平升降調(diào)整定標(biāo)板5到4個(gè)不同高度，每個(gè)高度通過(guò)相機(jī)3獲得靜態(tài)圖像1張；

該步驟中，因?yàn)閮蓚€(gè)方程式就可以計(jì)算兩個(gè)參數(shù)，兩個(gè)高度就可以定標(biāo)，而另兩個(gè)參數(shù)驗(yàn)證是線性系統(tǒng)，因?yàn)閱文肯鄼C(jī)的測(cè)量實(shí)現(xiàn)3-d的本質(zhì)上是依靠線性系統(tǒng)。

b)、對(duì)得到的靜態(tài)圖像，通過(guò)特征提取得到圓盤區(qū)域，然后計(jì)算每張圖片圓盤像素半徑r(i)(即圓盤區(qū)域半徑的像素長(zhǎng)度)；

c)、使用一次多項(xiàng)式對(duì)圓盤像素半徑r(i)和相機(jī)3焦平面到圓盤801表面真實(shí)世界距離h(i)進(jìn)行擬合，得到線性關(guān)系表達(dá)式h(i)＝k×r(i)+b。其中，k為比例系數(shù)，b為常數(shù)項(xiàng)，

d)、使用一次多項(xiàng)式對(duì)圓盤像素半徑r(i)和真實(shí)世界圓盤半徑r進(jìn)行擬合，得到線性關(guān)系表達(dá)式r＝l×r(i)+a。其中，l為比例系數(shù)，a為常數(shù)項(xiàng)。

步驟2、視頻序列獲?。涸谑┽樥甙凑找环N手法進(jìn)行施針時(shí)，位于帶標(biāo)識(shí)的針刺針8正上方的相機(jī)3實(shí)時(shí)采集圖像，獲得視頻序列；將視頻序列通過(guò)usb數(shù)據(jù)線4傳輸?shù)接?jì)算機(jī)10中進(jìn)行下一步的處理；

步驟3、通道提?。簩?duì)視頻序列中的第i幀圖像進(jìn)行通道提取，分別分兩通道提取顏色a和顏色b，a、b取色以能將其與視頻中背景信息分開(kāi)為原則，得到a通道和b通道。經(jīng)過(guò)系統(tǒng)測(cè)試，a取藍(lán)色、b取紅色可正常工作。

步驟4、分割通道圖像得到圓盤區(qū)域和標(biāo)示線區(qū)域：對(duì)得到的a通道和b通道圖像分別使用特征提取的方法得到圓盤區(qū)域和標(biāo)示線區(qū)域，特征提取的方法包括二值化、中值濾波和膨脹腐蝕三個(gè)步驟，流程如圖7所示。

步驟5、計(jì)算圓盤區(qū)域和標(biāo)示線區(qū)域的幾何參數(shù)：首先計(jì)算圓盤區(qū)域半徑的像素長(zhǎng)度r(i)；再以視頻中起始圖像的中心為原點(diǎn)o，以平行于圖像邊緣的直線為軸建立直角坐標(biāo)系；分別求得視頻中圓盤區(qū)域的型心οi和標(biāo)示線區(qū)域型心的在該直角坐標(biāo)系中的像素坐標(biāo)(ni,mi)和(n¹i,m¹i)，(ni,mi)即為oi的真實(shí)世界坐標(biāo)，(n¹i,m¹i)為的真實(shí)世界坐標(biāo)。

步驟6、計(jì)算捻轉(zhuǎn)、提插和搖擺參數(shù)(如圖4、圖5所示)，具體步驟如下：

視頻每幀圖像中標(biāo)示線802相對(duì)于前幀圖像的轉(zhuǎn)動(dòng)角度，可以定量表征捻轉(zhuǎn)，每幀的旋轉(zhuǎn)角度用θ(i)表示，每幀的旋轉(zhuǎn)角速度用ω(i)表示(輔助參數(shù))，每一圈旋轉(zhuǎn)的角度用σ(q)表示(主要參數(shù))，q表示實(shí)際的捻轉(zhuǎn)圈數(shù)(q<n)；注意：和視頻幀數(shù)不同，此處旋轉(zhuǎn)一圈的定義為：從毫針803捻轉(zhuǎn)方向改變到下一次捻轉(zhuǎn)方向改變之間轉(zhuǎn)過(guò)的角度。針刺刺激時(shí)，每一圈捻轉(zhuǎn)的角度不同。傳統(tǒng)針灸理論認(rèn)為順時(shí)針旋轉(zhuǎn)引導(dǎo)陽(yáng)氣入體，而逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)將陽(yáng)氣瀉出體外，因此，針灸補(bǔ)瀉手法的實(shí)現(xiàn)手段之一便是通過(guò)每圈捻轉(zhuǎn)時(shí)沿著順時(shí)針?lè)较蚧蛘吣鏁r(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)不同角度實(shí)現(xiàn)，如：平補(bǔ)平瀉手法刺激時(shí)每圈沿順時(shí)針和逆時(shí)針?lè)较蚰磙D(zhuǎn)的角度近似相同(如圖9)，捻針補(bǔ)法刺激時(shí)順時(shí)針轉(zhuǎn)的角度大于逆時(shí)針轉(zhuǎn)的角度，捻針瀉法刺激時(shí)順時(shí)針轉(zhuǎn)的角度小于逆時(shí)針轉(zhuǎn)的角度。

a)、計(jì)算每幀旋轉(zhuǎn)角度θ(i)：由圓盤區(qū)域的型心οi的像素坐標(biāo)(ni,mi)和標(biāo)示線區(qū)域型心的像素坐標(biāo)(n¹i,m¹i)計(jì)算得到標(biāo)示線每幀的旋轉(zhuǎn)角度θ(i)，也就是標(biāo)示線在相機(jī)取得該幀圖像時(shí)的方向。計(jì)算過(guò)程分為以下兩步：首先，以圖像中心為原點(diǎn)o建立直角坐標(biāo)系，計(jì)算圓盤區(qū)域的型心οi的像素坐標(biāo)(ni,mi)和標(biāo)示線區(qū)域型心像素坐標(biāo)其次，通過(guò)型心的像素坐標(biāo)計(jì)算過(guò)兩點(diǎn)的直線的角度θ(i)，θ(i)的計(jì)算方程式如下：

b)、計(jì)算每一圈捻轉(zhuǎn)的角度參數(shù)σ(q)：根據(jù)相鄰三幀圖像中標(biāo)示線的夾角大小及方向確定當(dāng)前圈捻轉(zhuǎn)的角度σ(q)。實(shí)際計(jì)算中，為避免誤差，當(dāng)檢測(cè)到︱θ(i)︱﹤︱θ(i+1)︱時(shí)，連續(xù)比較︱θ(i)︱、︱θ(i+1)︱、︱θ(i+2)︱、︱θ(i+3)︱四幀之間的關(guān)系，若︱θ(i)︱小于︱θ(i+1)︱、︱θ(i+2)︱、︱θ(i+3)︱，則系統(tǒng)認(rèn)定轉(zhuǎn)動(dòng)方向轉(zhuǎn)變，第i幀為方向轉(zhuǎn)變標(biāo)志幀，計(jì)算該幀和上一標(biāo)志幀標(biāo)記為m之間角度的差值，則σ(q)＝︱θ(i)-θ(m)︱。

c)、計(jì)算每幀的旋轉(zhuǎn)角速度ω(i)：相鄰幀圖像第i幀及第i+1幀圖像中標(biāo)示線的角度θ(i)、θ(i+1)和相機(jī)的幀頻參數(shù)f＝1/n，得到帶標(biāo)識(shí)的針刺針的捻轉(zhuǎn)參數(shù)，即得到針刺針在兩幀之間轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度ω(i)和方向：ω(i)＝(θ(i)-θ(i+1))×f，結(jié)果為正時(shí)，說(shuō)明捻轉(zhuǎn)方向不變，結(jié)果為負(fù)時(shí)，說(shuō)明捻轉(zhuǎn)反向。

提插的計(jì)算：圓盤801所占像素?cái)?shù)量和距離相機(jī)3焦平面的距離具有線性關(guān)系，通過(guò)計(jì)算每一幀中圓盤801的大小則可以得到帶標(biāo)識(shí)的針刺針8的提插量，在本實(shí)施例中，利用相機(jī)3焦平面到圓盤801表面真實(shí)世界距離表示提插參數(shù)h(i)。計(jì)算過(guò)程分為以下兩步：首先，通過(guò)定標(biāo)得到圓盤像素半徑r(i)和相機(jī)3焦平面到圓盤801表面真實(shí)世界距離h(i)的線性關(guān)系表達(dá)式h(i)＝k×r(i)+b，其次，將第i幀圖像中圓盤區(qū)域的像素半徑r(i)帶入公式得到h(i)。本示例中實(shí)際采集波形圖如圖10所示。

搖擺的計(jì)算：視頻每幀圖像中圓盤801圓心的運(yùn)動(dòng)軌跡可以定量表征搖擺量，在本實(shí)施例中用p(i)表示，具體過(guò)程為：首先，通過(guò)定標(biāo)得到圓盤像素半徑r(i)和真實(shí)世界圓盤半徑r的線性關(guān)系表達(dá)式r＝l×r(i)+a。比例系數(shù)l表示單位像素長(zhǎng)度對(duì)應(yīng)的真實(shí)長(zhǎng)度；其次，計(jì)算得到圓盤中心在真實(shí)世界中的坐標(biāo)(n×l,m×l)，則p(i)為(n×l,m×l)。本示例中實(shí)際采集波形圖如圖11所示。

步驟7、存儲(chǔ)和顯示：將得到的數(shù)據(jù)使用計(jì)算機(jī)10的存儲(chǔ)單元進(jìn)行存儲(chǔ)并使用計(jì)算機(jī)的顯示器11顯示出來(lái)。

總結(jié)而言，針刺各種手法通過(guò)對(duì)針刺針的精細(xì)操控實(shí)現(xiàn)，這個(gè)過(guò)程易受到外界干擾而改變運(yùn)動(dòng)特性。但是，現(xiàn)有的針刺手法測(cè)量裝置及方法通過(guò)測(cè)量設(shè)備和針刺針接觸實(shí)現(xiàn)，測(cè)量過(guò)程引入的阻力對(duì)施針過(guò)程影響明顯，顯著性地改變運(yùn)針過(guò)程的運(yùn)動(dòng)參數(shù)。本裝置和方法實(shí)現(xiàn)通過(guò)單目相機(jī)采集被試在針刺操作平臺(tái)上的施針過(guò)程，結(jié)合計(jì)算機(jī)視覺(jué)和數(shù)字圖像處理，即軟硬件相結(jié)合的方式，實(shí)現(xiàn)針刺手法的測(cè)量。采用非接觸式測(cè)量方法的有益效果是，能夠在不改變針刺運(yùn)動(dòng)特性的情況下完成準(zhǔn)確測(cè)量。單目相機(jī)的有益效果是：傳統(tǒng)三維測(cè)量通過(guò)雙目或多目相機(jī)實(shí)現(xiàn)，本文中，因?yàn)槌上裨O(shè)備和被攝對(duì)象的位置關(guān)系(相機(jī)3的鏡頭中心和帶標(biāo)識(shí)的針刺針8連線垂直于定標(biāo)板5)確保不同成像系統(tǒng)為線性系統(tǒng)，因此，可以將雙目相機(jī)或者多目相機(jī)的簡(jiǎn)化為單目相機(jī)測(cè)量，這樣大大降低了系統(tǒng)成本，及后期計(jì)算機(jī)視覺(jué)算法的復(fù)雜度；

本文裝置部分參數(shù)的選擇，是經(jīng)過(guò)多次實(shí)驗(yàn)得到的。本專利對(duì)帶照明的頂板2照明條件及帶標(biāo)識(shí)的針灸針8有嚴(yán)格要求，是重要保護(hù)部分，其中，在本文所涉及的照明參數(shù)范圍內(nèi)(色溫度范圍4500～5500k，顯色性>90ra，照度>800lux；)，對(duì)帶標(biāo)識(shí)的針灸針8上的藍(lán)色圓盤801、紅色標(biāo)志線803成像，可以保證后續(xù)算法僅僅采用簡(jiǎn)單的顏色通道提取算法實(shí)現(xiàn)目標(biāo)和背景的分離。這樣的裝置參數(shù)大大降低了算法的復(fù)雜度，提高了其準(zhǔn)確定，是不可分割的整體。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例，并非用于限定本發(fā)明的保護(hù)范圍。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。