[0001] 本实用新型涉及轨迹检测技术领域，尤其涉及一种针体运动轨迹检测装置和系统。

[0002] 针灸作为一种传统的中医诊疗方法，其中，针对针刺手法的教学和规范化，一直依靠经验“口口相传”，难以传承和推广，是制约针刺手法科学化的一大瓶颈。针刺手法使用的针是一种微小的物体，难以对其进行量化分析。

[0003] 研究表明，临床上针刺手法的刺激量对治疗效果有直接影响，在针灸治疗过程中，针体的运动情况，以及针体刺入身体的深度没有一种科学的方法对其进行系统化的整理。例如：不同的手法刺激量(例如：针刺的方向、针刺深度、针刺补泄)针体的运动轨迹刺入深度对于是否能够产生效应、产生何种效应以及效应的大小如何。目前国内的针刺手法量化的主要困难有：一、在临床研究和课堂教学中，传统的腧穴定位和针刺手法依赖于专家经验，并且在传授过程中，仍以文字/口头表达为主, 缺乏定量的方法来描述针刺手法的运针过程，限制了针灸的传承；二、缺乏一种对专家针刺过程中的针体检测设备以实现对针刺穴位效应的检测和量化。
实用新型内容

[0004] (一)要解决的技术问题

[0005] 鉴于现有技术的上述缺点、不足，本实用新型提供一种针体运动轨迹检测装置和系统，其解决了现有技术难以对针刺过程的针体的运动轨迹和最终刺入身体的深度进行检测和量化的技术问题。

[0006] (二)技术方案

[0007] 为了达到上述目的，本实用新型采用的主要技术方案包括：

[0008] 一方面，本实用新型实施例提供一种针体运动轨迹检测装置，所述针体设置于距离所述针体运动轨迹检测装置的预设范围内，所述针体运动轨迹检测装置包括：支架和轨迹检测板；所述轨迹检测板可拆卸地设置于所述支架上；

[0009] 所述轨迹检测板包括：

[0010] 基板；

[0011] 用于获取预设范围内运动针体的图像的相机模组；所述相机模组安装在所述基板上，

[0012] 用于对相机模组传输的图像进行处理的图像调整电路；所述图像调整电路安装在基板上，且与所述相机模组电连接；

[0013] 用于和控制平台交互的微处理器；所述微处理器控制连接所述相机模组和图像调整电路。

[0014] 可选地，所述相机模组为支持USB3.0的双目相机。

[0015] 可选地，所述针体运动轨迹检测装置还包括：用于对相机模组中的双目相机进行定标的相机标定组件，所述相机标定组件在定标中与预设的棋盘格装置匹配。

[0016] 可选地，所述图像调整电路包括：颜色空间转换子电路、图像去噪子电路以及高通滤波子电路；

[0017] 用于将针体运动的图像转换到RGB空间的颜色空间转换子电路；

[0018] 用于去除针体运动的图像的孤立像素点的图像去噪子电路；

[0019] 用于对所述针体运动的图像的边缘进行锐化的高通滤波子电路。

[0020] 可选地，所述基板上还设有均与所述微处理器连接的像素控制电路、模拟信号处理电路、模数转换电路以及输出格式控制电路。

[0021] 可选地，所述基板为集成电路板；所述集成电路板的接口协议为UVC 协议，工作电压为4.8～5.2V，工作电流小于280mA，工作温度为0～60℃。

[0022] 可选地，所述支架包括：底座、机械臂以及夹爪；

[0023] 所述机械臂一端与所述底座转动连接，所述机械臂的另一端与所述夹爪转动连接；

[0024] 所述夹爪用于夹持所述轨迹检测板。

[0025] 可选地，所述机械臂包括：第一支臂和第二支臂；

[0026] 所述第一支臂的一端与所述底座转动连接；

[0027] 所述第二支臂的一端与所述第一支臂的另一端转动连接；

[0028] 所述第二支臂的另一端与所述夹爪转动连接。

[0029] 另一方面，本实用新型实施例还提供一种针体运动轨迹检测系统，包括：如上所述的一种针体运动轨迹检测装置和控制平台，所述针体运动轨迹检测装置与所述控制平台通信连接。

[0030] 可选地，所述系统还包括：标记物；所述标记物设置于所述针体的一端，以用于标记针体位置。

[0031] (三)有益效果

[0032] 本实用新型创新性地设计了对于传统针刺手法针体运动轨迹采集的装置，独创性地设计了对于针灸针体这类微小物体地标记，并对标记点进行了跟踪监测得到了针体在针刺过程中的运动轨迹以及对于针刺手法过程中针体刺入身体深度的检测。使用方便，并不会对医生在针刺过程中有任何影响，并且可以准确地获取数据。

[0044] 为了更好地解释本实用新型，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式，对本实用新型作详细描述。

[0045] 如图1和图2所示，本实用新型实施例提出的一种针体运动轨迹检测装置，针体设置于距离装置的预设范围内，装置包括：支架20和轨迹检测板10；如图3和图4所示，轨迹检测板10可拆卸地设置于支架20 上；轨迹检测板10包括：基板11和设置于在基板11上的微处理器、相机模组12以及图像调整电路，相机模组12和图像调整电路均与微处理器连接。相机模组12用于获取针体运动原始图像，并传输至微处理器；微处理器通过图像调整电路对针体运动图像进行调整，得到针体运动图像并传输至预设的控制平台进行分析处理，进而得到针体运动轨迹的每个像素点的位置信息。

[0046] 目前针刺手法的教学和临床研究基本依靠于专家经验，并且在传授过程中，仍以书本记载或是口口相传的方式为主。本实用新型对于针刺手法中针体的运行轨迹，针体刺入深度做了科学的量化处理，对针刺手法学习者和临床研究都有着重要意义，提高了学习效率。

[0047] 本实用新型创新性地设计了对于传统针刺手法针体运动轨迹采集的装置，独创性地设计了对于针灸针体这类微小物体地标记，并对标记点进行了跟踪监测得到了针体在针刺过程中的运动轨迹以及对于针刺手法过程中针体刺入身体深度的检测。该装置使用方便，并不会对医生在针刺过程中有任何影响，并且可以准确地获取针刺过程中针体运行轨迹和针刺深度。

[0048] 为了更好地理解上述技术方案，下面将参照附图更详细地描述本实用新型的示例性实施例。虽然附图中显示了本实用新型的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本实用新型而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更清楚、透彻地理解本实用新型，并且能够将本实用新型的范围完整的传达给本领域的技术人员。

[0049] 其中，相机为支持USB3.0的双目相机，该相机是USB3.0全速设备，数传超过100兆字节/秒，高帧率相机可达200兆字节/秒，兼容USB2.0。两个摄像头借助PCB板固定，可保证光轴平行且成本低，设备为时序精度同步，因此相机又为定基线双目相机。

[0050] 进一步地，装置还包括：相机标定组件，相机标定组件用于与预设的棋盘格装置配合来对双目相机进行标定。相机标定分为：(1)从世界坐标系转换为相机坐标系，从三维点到三维点的转换，主要用到相机外参；(2)从相机坐标系转为图像坐标系，从三维点到二维点的转换，主要用到相机内参。从三维坐标向二维坐标转换的过程，称为投影透视过程，其过程可以描述为小孔成像原理，孔为相机坐标系，图像平面为图像坐标系，物点平面即棋盘所在平面，成像为倒立影像。

[0051] 进一步地，图像调整电路包括：颜色空间转换子电路、图像去噪子电路以及高通滤波子电路；颜色空间转换子电路用于将针体运动原始图像转换到RGB空间；图像去噪子电路用于去除针体运动原始图像的孤立像素点；高通滤波子电路用于对针体运动原始图像的边缘进行锐化。

[0052] 在上述步骤中，颜色空间转换子电路先把图片转换到hsv空间，通过 hsv的颜色阈值进行区分，颜色阈值设置提取指定颜色的掩膜(mask)。对掩膜的取值范围进行设定，取值范围为hsv空间的颜色范围；图像去噪子电路去除图片中的影响图像的孤立的小像素点，并且保证图像的整体形状位置保持不变。较佳地，图像调整电路集成在DSP中，具体包含如下功能：边缘锐化(二维高通滤波器)、颜色空间转换(原始信号到RGB 或者YUV/YCbYCr)、RGB色彩矩阵以消除串扰、色相和饱和度的控制、黑/白点补偿、降噪、镜头补偿、可编程的伽玛以及十位到八位数据转换。

[0053] 如图2所示，基板11上还设有均与微处理器连接的像素控制电路、模拟信号处理电路、模数转换电路以及输出格式控制电路。在使用中，外界光照射相机模组12，微处理器通过向像素控制电路发送指令选通相机模组12中的像素单元，相机模组12将生成的原始图像数据依次传输到模拟信号处理电路、模数转换电路、图像调整电路和输出格式控制电路。其中，模拟信号处理所有模拟功能，并包括：模拟放大(AMP)、增益控制、通道平衡和平衡控制等；原始的信号经过模拟放大后，分G 和BR两路进入一个10位的A/D转换器，A/D转换器工作频率高达20M，与像素频率完全同步(转换的频率和帧率有关)。除A/D转换器外；输出格式控制电路按设定优先级控制图像的所有输出数据及其格式。

[0054] 进一步地，基板11为集成电路板。并且，集成电路板的接口协议为 UVC协议，工作电压为4.8～5.2V，工作电流小于280mA，工作温度为 0～60℃。

[0055] 进一步地，如图1所示，基板11上还设有供电传输端13，用于为相机模组12和图像调整电路供电；同时，供电传输端13通过数据线连接电脑等控制平台进行数据传输。该供电传输端13均支持USB3.0通信接口，能够输出彩色、不压缩的双目720P/960P高清图像，且传输的图像数据帧率不低于30帧/秒。

[0056] 接着，支架20包括：底座21、机械臂以及夹爪24；机械臂一端与底座21转动连接，机械臂的另一端与夹爪24转动连接；夹爪24用于夹持轨迹检测板10，且夹爪24上设有锁紧组件。

[0057] 继而，机械臂包括：第一支臂22和第二支臂23；第一支臂22的一端与底座21转动连接；第二支臂23的一端与第一支臂22的另一端转动连接；第二支臂23的另一端与夹爪24转动连接。

[0058] 在一具体实施例中，本实用新型基板11上集成了OV2640芯片及外围电路。如图5所示，相机模块自带了有源晶振，用于产生12M时钟作为OV2640的XVCLK输入。同时自带了稳压芯片，用于提供OV2640稳定的2.8V和1.3V两个电压。模块通过一个2*9的双排排针(P1)与外部通信，OV2640输出JPEG数据的读取过程如下：等待VSYNC为高电平等待HREF为高电平等待PCLK的上升沿读取JPEG数据等待HREF 为高电平等待PCLK的上升沿读取JPEG数据等待HREF为高电平…… VSYNC为低电平完成一帧JPEG数据读取。表1示出了各芯片管脚的用途。

[0059] 表1

[0060] 信号 作用描述 信号 作用描述VCC3.3 接3.3V电源 OV_HREF 行参考信号
GND 模块地线 OV_RESET 复位信号
OV_SCL SCCB通信时钟信号 OV_PCLK 像素时钟
OV_SDA SCCB通信数据信号 OV_PWDN 掉电模式控制
OV_D[7:0] OV2640输出数据口(8位) OV_VSYNC 帧同步信号

[0061] 此外，本实用新型还公开一种针体运动轨迹检测系统，包括：如上所述的一种针体运动轨迹检测装置和控制平台，针体运动轨迹检测装置与控制平台通信连接。

[0062] 针体运动轨迹检测装置用于采集处于预设范围内的针体运动图像，并传输至控制平台；

[0063] 控制平台用于控制针体运动轨迹检测装置采集针体运动图像，也用于对针体运动图像进行分析处理，得到针体运动轨迹。

[0064] 值得一提的是，如图6所示，系统还包括：标记物30，该标记物30 可以为球体或其他形状的物体。标记物30设置于针体的一端，以用于通过标记物30来醒目标记针体位置。

[0065] 如果选择球体来作为标记物30，就需要通过霍夫圆检测对小球的位置进行检测，以确定小球在二维图像上的位置以及圆心的坐标。霍夫圆检测可以分为两个部分，即圆心检测和半径检测；检测圆心，计算图形的梯度，并确定圆周线，其中圆周的梯度就是它的法线。计算图形的梯度直线，坐标点累加和的值越大，该点上直线相交的次数越多，越有可能是圆心。在霍夫空间的4邻域内进行非最大值抑制。设定一个阈值，霍夫空间内累加和大于该阈值的点就对应于圆心；半径检测，设定阈值，定义为最大半径和最小半径。对距离进行排序，找到距离相同的那些值，并计算相同值的数量。设定阈值，只有相同值的数量大于该阈值，才认为该值是该圆心对应的圆半径。对每一个圆心，进行上述过程得到所有半径。

[0066] 在另一具体实施例中，针体运动轨迹采集装置长为7.5cm，宽为 2.5cm，高为30‑40cm。该装置通过相机进行图像采集，通过连接电脑对图像数据进行处理。摄像头，单个像元尺寸3μm*3μm，感光谱段 380‑1060nm，标配镜头3.6mm焦距，畸变<0.3％，水平62°垂直
38°；集成电路板，接口协议为UVC协议，电压5V，电流小于280mA，工作时温度要求0℃‑60℃。
数据传输装置，将双目相机通过数据线与电脑连接，通过支架20并将双目相机固定，打开照相上位机，转动摄像头进行聚焦，在电脑上得到清晰图像，调试阶段结束。通过电脑对各模块程序进行控制，包括相机标定程序，图像预处理程序，三维坐标检测程序。通过上位机软件对棋盘进行拍照，照片15‑20张。使用自动白平衡与自动曝光，设置参数。相机分辨率设置为1280*480。将照片添加至相机标定程序中，对棋盘格大小进行设置，此处设置为25mm，生成相机标定示意图和误差显示，删除误差较大图片，最后生成此时相机参数。包括径向畸变参数，切向畸变参数，内参矩阵，将结果填入参数设置程序。点击主程序，设置视频写入帧数
30，定义图像上显示的文字内容为球心的三维坐标单位为cm，字体大小为0.4字体颜色为红色，字体厚度默认1。装置5针体标记红色小球固定于针体末端，运行主程序开始记录针体运行轨迹。自动运行图像预处理程序和三维坐标检测程序，此时实时记录针体标记处的圆心坐标，并显示在电脑上。针刺结束后关闭程序，将记录到的数据送入数据处理程序得到针体的运行轨迹并计算针刺的刺入深度。

[0067] 综上所述，本实用新型公开了一种针体运动轨迹检测装置和系统。如图7所示，该装置在获取针刺手法针体运动轨迹时，对针体上做红球标记，以红球球心作为基准以确定针体位置，先经过相机标定组件标定，之后通过相机模组12获取原始信号，接着通过微处理器控制图像调整电路调整原始信息，最后将所得到的数据传输给控制平台进行分析处理。本装置克服了针灸手法对于针体的运动无法实时跟踪的功能问题。本实用新型对于识别针体这样细小物体的运动情况提供了一种思路，并且可以根据针体运动轨迹的不同和刺入的深度不同对针灸手法进行识别，为针灸手法的智能识别和科学分类打下了基础。

[0068] 在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本实用新型的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

[0069] 在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连；可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

[0070] 在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”，可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”，可以是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”，可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度低于第二特征。

[0071] 在本说明书的描述中，术语“一个实施例”、“一些实施例”、“实施例”、“示例”、“具体示例”或“一些示例”等的描述，是指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

[0072] 尽管上面已经示出和描述了本实用新型的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本实用新型的限制，本领域的普通技术人员在本实用新型的范围内可以对上述实施例进行改动、修改、替换和变型。