专利名称：智能针灸教学模拟系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种针灸教学用的针灸模拟系统，尤指利用计算机进行数据处理、人机对话的针灸模拟系统。
背景技术：
针灸是我国传统医学的重要组成部分，这一祖国医学家族中的瑰宝，历经六千多年的发展和更新，为人类健康作出了重大贡献。但数千年来，针灸一直靠手工操作，并且讲究用穴的准确和进针量的深浅，用穴的准确与否和针灸的深度都直接影响针灸治疗的效果。因此，针灸者对人体穴位掌握的准确与否，用针深浅掌握的准确与否，直接关系到针灸治疗的效果的好坏。而在目前的针灸教学上，绝大部分内容仍然维持在传统的模式上，主要靠老师的示范，学生的感悟。由于针灸学本身在理论上相对抽象，加之教学方法抽象，学生因受教学实体(即用于针灸练习的人体)的限制不能得到较好的实践，这就使学生对该学科难以有效掌握。这不但使得针灸教学时间较长，效率较低，而且使得学生难以较好掌握针灸的精髓。
发明内容
本发明的目的是提供一种便于学生自我学习、能准确提供人体的针灸穴位、提示针灸深度和针灸准确度、并能进行人机交流的智能针灸教学系统。
本发明的目的是通过如下技术解决方案实现的本发明所述的智能针灸教学模拟系统，由正常成人人体穴位模型、穴位传感器、信号放大跟随电路、穴位矩阵键盘电路、矩阵键盘扩展电路、中央处理器、终端PC机及控制软件所组成，其特点是(1)穴位传感器设置在正常成人人体穴位模型的各个对应穴位内，它由一耐形变的、中间为空腔的非导电体构成，其长度大于相应穴位允许针刺到达的最大深度，其上表面层设置有一带引出端的导电层；其内部空腔中在对应相应穴位的表层位置(即“针刺接触到穴位”的位置)设置有第一导电膜层，在对应相应穴位针刺到达的最佳位置(即针灸“的气”位置)设置有第二导电膜层，在对应相应穴位允许针刺到达的最大位置(即“偏离穴位”的位置)设置有第三导电膜层；各穴位传感器的第二导电膜层引出端串接一电阻后与第一导电膜层引出端并接，然后相互并接，形成第一采样信号输出端；第三导电膜层的引出端串接一电阻后相互并接，形成第二采样信号输出端；各穴位传感器并接后形成两信号输出端，分别与相应的两信号放大跟随电路之信号输入端相接；各穴位传感器的第一导电膜层串接一电阻后接入供电电源；(2)两信号放大跟随电路的信号输出端与中央处理器的两控制信号输入端对应相接；更具体地，该两信号放大跟随电路均由一集成运算放大器和一反相器组成，集成运算放大器的信号输入端与各穴位传感器的相应信号输出端相接，集成运算放大器的信号输出端与反相器的信号输入端相接，反相器的信号输出端分别与中央处理器的相应控制信号输入端相接；(3)穴位矩阵键盘电路由各穴位传感器的引出端构成，其中各穴位传感器被分成若干组，每组穴位传感器按若干个为一行，若干个为一列构成一个穴位矩阵键盘；在每个矩阵键盘中，每行的穴位传感器第一导电膜层引出端并接后，一路串接一电阻与电源相接，另一路与矩阵键盘扩展电路的相应信号输出端口相接，矩阵键盘扩展电路的相应信号输入端与中央处理器相应的PA口，即行扫描信号输出口相接；每列的穴位传感器上表面导电层引出端相互并接，并接后的输出端分别与一译码器的对应信号输出端相接；译码器的译码信号输入端与矩阵键盘扩展电路的相应信号输出端口相接，矩阵键盘扩展电路与之对应的信号输入端与中央处理器相应的PC口，即列扫描信号输出口相接；(4)中央处理器对本系统的控制，包括主控程序和中断控制子程序，其相应的控制信号输出端输出的信号，经过电平转换电路转换成终端PC机标准通讯控制电平，输入终端PC机相应控制信号输入端。
更具体地中央处理器主控程序包括系统初始化、穴位键盘式矩阵电路扫描、针刺判断、参数处理、串口通讯、通讯结束与否判断、系统等待、调用中断子程序等控制过程；中断控制子程序包括中断信号判断、中断程序初始化、参数(穴位码)识别、控制系统驱动、调用串口通讯子程序、通讯结束与否判断、中断返回等控制过程。终端PC机中储存有人体各个穴位的图解模型和文字说明、穴位针灸传导原理、治疗病症介绍，动画演示针灸手法、针刺深度、注意事项和相应的语音播放系统；储存有针灸练习题库；并设置有人机对话界面，在学员进行针灸练习时，可提示学员针刺是否正确；这些功能受控于终端PC机主控程序和中央处理器控制信号。
本发明的优点是(1)本系统的穴位传感器设置准确，便于学员准确地掌握人体针灸的针刺穴位，可大大缩短学员学习和掌握针灸技术的学习时间；(2)本系统设有人际对话界面，使得传统的针灸教学由抽象难董变得具体直观，解决了长期以来针灸老师教学学员难以理解和掌握的难题，使的老师教学变得简单易行，可提高教学效果和教学质量；(3)本系统终端计算机内设置有大量的针灸穴位模型、针灸图解和练习题，学员可随时学习，便于自学，而且使传统的教学必需依靠一定的教学场地的教学模式被打破；(4)本系统在学员练习针灸时，可实时提示学员针刺是否得穴、是否的气、是否偏离穴位，并有针灸动画演示，使的没有足够针灸常识的人员也可借助于本系统进行自学。本系统的推广应用，对于发扬光大祖国传统针灸技术、普及针灸常识有重要现实意义。
图1是本发明一实施例的穴位传感器的结构剖视图；图2、图2-1、图2-2是各穴位传感器电连接的电原理图；图3是本发明一实施例的系统结构电原理图；图4是图3中的中央处理器与终端PC机串行通讯电平转换电路的电原理图；图5是图3中的中央处理器的主控程序流程图；图6是图3中的中央处理器中断控制子程序流程图。
具体实施例方式
如图1所示，本发明所述的穴位传感器，它由耐形变的、中间为空腔的圆柱状塑料件1、套装于塑料件1内腔中的第一内滑套2、套装于第一内滑套2中的第二内滑套3构成，并通过塑料件1外设置的固定螺钉孔4固定在正常成人人体穴位模型的各个对应穴位内，其长度大于相应穴位允许针刺到达的最大深度。其中，塑料件1的上表面上设置有一橡胶导电层11，其引出端C接地，第一内滑套2的上表面上(即与相应穴位“针刺接触到穴位”的位置相对应的位置)设置有第一导电膜层5，第二内滑套3的上表面上(即与相应穴位针刺到达的最佳位置，也即针灸“的气”位置相对应的位置)设置有第二导电膜层6，第二内滑套3的下表面上(即与相应穴位允许针刺到达的最大位置，也即“偏离穴位”的位置)设置有第三导电膜层7。上述导电膜层由导电橡胶制成。第二导电膜层6、第三导电膜层7的引出端各串接一电阻R61、R62后形成两采样信号输出端A1和B1。
图2给出了各穴位传感器的电连接原理图。其中，每个穴位传感器的第二导电膜层6引出端串接一电阻后(见图中的R61、R62、-----R6n)与第一导电膜层5的引出端并接，然后相互并接，形成第一采样信号输出端OUT1；第三导电膜层的引出端串接一电阻(见图中的R71、R72、----R7n)后相互并接，形成第二采样信号输出端OUT2；两采样信号输出端OUT1和OUT2分别与相应的两信号放大跟随电路图2-1、图2-2之信号输入端相接。
图2-1、图2-2所示的两信号放大跟随电路，均由一型号为LM324的集成运算放大器(T2、T4)和一型号为74LS04的反相器(T3、T5)组成，集成运算放大器(T2、T4)的信号输入端与各穴位传感器的相应信号输出端(OUT1、OUT2)相接，集成运算放大器(T2、T4)的信号输出端与反相器(T3、T5)的信号输入端相接，反相器(T3、T5)的信号输出端分别与中央处理器U1(CPU)的相应控制信号输入端P3.2、P3.3相接。
图3所示的实施例中，由于人体的穴位多达400余个，而中央处理器的输入接口有限。为实现本发明，首先将各穴位传感器分成若干组，图中给出了一个组的矩阵键盘阵列，为8×8矩阵，即64个穴位传感器为一组。每组穴位传感器按八个为一行，八个为一列构成一个穴位矩阵键盘8；在每个矩阵键盘8中，每行的穴位传感器第一导电膜层5的引出端C相互并接，并接后一路串接一电阻(见图中的R5-R12)与电源相接，另一路与矩阵键盘扩展电路9(图中给出了一个，可根据穴位传感器的个数选定为一个或多个)的相应信号输出端口PA0-PA7相接，矩阵键盘扩展电路9为一型号为8511的集成电路，其相应信号输入端AD0-AD7与中央处理器10相应的PA口，即行扫描信号输出口P00-P07相接；每列的穴位传感器之上表面导电层11的引出端G相互并接，并接后分别与译码器U4(为一型号为4LS138的集成电路)的对应信号输出端Y0-Y7相接；译码器U4的译码信号输入端A、B、C与矩阵键盘扩展电路9的相应信号输出端口PC3-PC5相接，矩阵键盘扩展电路9与之对应的信号输入端与中央处理器相应的PC口，即列扫描信号输出口相接。同样，其余各组穴位传感器的矩阵键盘阵列接法与之相同，图中的矩阵键盘扩展电路9的信号输入端口PB0-PB7还可接入一组穴位传感器矩阵键盘阵列。如果矩阵键盘扩展电路8的接口不能满足穴位传感器的矩阵键盘阵列组数的要求，可以增加矩阵键盘扩展电路8，至达到要求，接法与之相同。
中央处理器10(U1)为一带4K片内ROM的MCS51集成电路，对本系统的控制，包括主控程序和中断控制子程序，其相应的控制信号输出端P3.0、P3.1(串行口输出端RXD、TXD)输出的信号为TTL电平，与终端计算机RS-232标准串行接口电气规范不一致，必须进行电平转换，经过电平转换电路转换成终端PC机标准通信控制电平，输入终端PC机相应信号串行输入端口。相应的电平转换电路见图4，为一MAX232C电平转换集成电路。其转换信号输入端接入中央处理器10相应的串行口输出信号输出端P3.0、P3.1(RXD、TXD)，转换后的信号输出端接入终端计算机串行输入端口。
中央处理器对本系统的主控程序包括系统初始化、穴位传感器矩阵键盘电路扫描、针刺判断、参数处理、串口通讯、系统等待、调用中断子程序等控制过程；中断控制子程序包括中断信号判断、中断程序初始化、参数(穴位传感器的矩阵编码值)识别、控制系统驱动、调用串口通讯子程序、通讯结束与否判断、中断返回等控制过程。终端PC机中储存有人体各个穴位的图解模型和文字说明、穴位针灸传导原理、治疗病症介绍，动画演示针灸手法、针刺深度、注意事项和相应的语音播放系统；储存有针灸练习题库；并设置有人机对话界面，在学员进行针灸练习时，可提示学员针刺是否正确；这些功能受控于终端PC机终端PC机信息管理系统。
本发明的工作原理如下启动本系统，则中央处理器10、终端计算机在预置程序控制下，处于待机状态，中央处理器10在主控程序控制下，由PA口输出行扫描信号，PC口输出列扫描信号，并通过矩阵键盘扩充电路9的PA0-PA7端口、P3-P5端口及其译码器U4，扫描穴位传感器矩阵键盘8。当针灸学习者将银针刺入某一穴位时，银针接触到相应穴位传感器的第一导电膜层5，此时在银针的作用下，该穴位传感器的第一导电膜层5、上表面导电层11接通，中央处理器10扫描口通过矩阵键盘扩充电路检测到该穴位传感器的矩阵编码，并通过串行口P3.0、P3.1与终端计算机产生一次串行通信，将相应穴位传感器的矩阵编码值发送给终端计算机，终端计算机在相应的主控程序控制下，根据矩阵编码值，调用相应穴位的“报告子程序”，报告“找到相应穴位”(报告方式为屏幕显示和/或语音提示)。当针灸学习者将银针进一步刺入时，银针接触到该穴位传感器的第二导电膜层6，此时处于“的气”状态(即针灸处于最佳位置)，在银针的作用下，该穴位传感器的第一、第二导电膜层5和6与上表面导电层11接通，中央处理器10扫描口通过矩阵键盘扩充电路仍然保持对该穴位传感器的矩阵编码的检测状态，该穴位传感器的第二导电膜层引出端A1有信号输出，送至放大跟随电路的信号输入端，经T1放大、T3反向后，形成低电平信号，送至中央处理器的P3.2口，产生一次外部中断，中央处理器带参数(该穴位传感器的矩阵编码值)调用中断子程序，由中断子程序发起一次与终端计算机的串行通信，此时终端计算机调用“说明子程序”，提示当前处于“的气”状态，并详细介绍该穴位的基本情况。当针灸学习者将银针再进一步刺入，直至银针接触到相应穴位传感器的第三导电膜层7时，此时处于“偏离”状态(即银针刺入深度超过“的气”深度)，在银针的作用下，该穴位传感器的第一、第二、第三导电膜层5、6和7与上表面导电层11接通，中央处理器10扫描口通过矩阵键盘扩充电路还仍然保持对该穴位传感器的矩阵编码的检测状态，该穴位传感器的第三导电膜层引出端B1有信号输出，送至放大跟随电路的信号输入端，经T4放大、T5反向后，形成低电平信号，送至中央处理器的P3.3口，产生一次外部中断，中央处理器带参数(该穴位传感器的矩阵编码值)调用中断子程序，由中断子程序发起一次与终端计算机的串行通信，此时终端计算机调用“偏离子程序”，提示当前处于“偏离”状态，并给出相应说明。
本系统中央处理器的主控程序如图5所示，其控制过程如下开机后，系统初始化，然后进入穴位矩阵键盘循环扫描程序段，以固定的周期，扫描穴位传感器矩阵键盘电路，检测是否某一传感器处于针刺状态。若有针刺，进行参数处理，然后调用“报告串口通信子程序”，将获得的穴位的矩阵编码值发送给终端计算机，通信完毕后，系统处于等待状态，以等待外部中断0(“的气”状态的中断信号)或外部中断1(“偏离”状态的中断信号)，若有中断，则调用中断子程序，若超过设定的等待时间，系统判定为超时，返回到系统初始化状态，等待下一次针刺开始。
本系统中央处理器的中断子程序如图6所示，其控制过程如下本系统的中断分为外部中断0(P3.2)和外部中断1(P3.3)两种。其中外部中断0为“的气”状态，对应中断程序0；外部中断1为“偏离”状态，对应中断程序1。
当有外部中断0(P3.2有低电平信号)时，调用中断程序0，中断程序初始化，识别穴位传感器的矩阵键盘编码，启动模型控制系统，调用“的气串口通信子程序”，与终端计算机进行串行通信，终端计算机进入“的气”状态程控段，通信成功后，终端计算机发回效验码，本次通信结束，中断程序返回。
当有外部中断1(P3.3有低电平信号)时，调用中断程序1，中断程序初始化，识别穴位传感器的矩阵键盘编码，启动模型控制系统，调用“偏离串口通信子程序”，与终端计算机进行串行通信，终端计算机进入“偏离”状态程控段，通信成功后，终端计算机发回效验码，本次通信结束，中断程序返回。
终端PC机的软件包含一套完整的信息管理系统和通信系统。终端PC机中储存有人体各个穴位的图解模型和文字说明、穴位针灸传导原理、治疗病症介绍，动画演示针灸手法、针刺深度、注意事项和相应的语音播放系统；储存有针灸练习题库；并设置有人机对话界面，在学员进行针灸练习时，可提示学员针刺是否正确；这些功能受控于终端PC机信息管理系统。通信系统采用多线程管理机制，能获得中断的优先权，保证中央处理器在发送串行通信请求时能得到实时反映及通信的可靠性。当串行通信请求发生时，建立通信连接，接受数据。根据接受到的数据，判别出穴位传感器矩阵编码值，同时识别出为“报告”、“的气”、“偏离”三种状态，分别调用相应的子程序，作出相应反应。
权利要求
1.智能针灸教学模拟系统，由正常成人人体穴位模型、穴位传感器、信号放大跟随电路、穴位矩阵键盘电路、矩阵键盘扩展电路、中央处理器、终端PC机及控制软件所组成，其特点是(1)穴位传感器设置在正常成人人体穴位模型的各个对应穴位内，它由一耐形变的、中间为空腔的非导电体构成，其长度大于相应穴位允许针刺到达的最大深度，其上表面层设置有一带引出端的导电层(11)；其内部空腔中在对应相应穴位的表层位置(即“针刺接触到穴位”的位置)设置有第一导电膜层(5)，在对应相应穴位针刺到达的最佳位置(即针灸“的气”位置)设置有第二导电膜层(6)，在对应相应穴位允许针刺到达的最大位置(即“偏离穴位”的位置)设置有第三导电膜层(7)；各穴位传感器的第二导电膜层(6)引出端串接一电阻后与第一导电膜层(5)引出端并接，然后相互并接，形成第一采样信号输出端(OUT1)；第三导电膜层(7)的引出端串接一电阻后相互并接，形成第二采样信号输出端(OUT2)；各穴位传感器并接后形成两信号输出端，分别与相应的两信号放大跟随电路之信号输入端相接；各穴位传感器的第一导电膜层串接一电阻后接入供电电源；(2)两信号放大跟随电路的信号输出端与中央处理器(10)的两控制信号输入端(P3.0、P3.1)对应相接；(3)穴位矩阵键盘电路由各穴位传感器的引出端构成，其中各穴位传感器被分成若干组，每组穴位传感器按若干个为一行，若干个为一列，构成一个穴位矩阵键盘(8)；在每个矩阵键盘(8)中，每行的穴位传感器第一导电膜层(5)引出端并接后，一路串接一电阻与电源相接，另一路与矩阵键盘扩展电路(9)的相应信号输出端口(PA0-PA7)相接，矩阵键盘扩展电路(9)的相应信号输入端(PD0-PD7)与中央处理器(10)相应的PA口，即行扫描信号输出口相接；每列的穴位传感器上表面导电层引出端相互并接，并接后的输出端分别与一译码器(U4)的对应信号输出端相接；译码器的译码信号输入端与矩阵键盘扩展电路(9)的相应信号输出端口(PC3-PC5)相接，矩阵键盘扩展电路(9)与之对应的信号输入端与中央处理器(10)相应的PC口，即列扫描信号输出口相接；(4)中央处理器(10)对本系统的控制，包括主控程序和中断控制子程序，其相应的控制信号输出端(P3.0、P3.1)输出的信号，经过电平转换电路转换成终端PC机标准通讯控制电平，输入终端PC机相应控制信号输入端。
2.根据权利要求1所述的针灸教学模拟系统，其特征在于所述的两信号放大跟随电路均由一集成运算放大器和一反相器组成，集成运算放大器的信号输入端与各穴位传感器的相应信号输出端相接，集成运算放大器的信号输出端与反相器的信号输入端相接，反相器的信号输出端分别与中央处理器(10)的相应控制信号输入端(P3.2、P3.3)相接。
3.根据权利要求1或2所述的针灸教学模拟系统，其特征在于中央处理器(10)主控程序包括系统初始化、穴位键盘式矩阵电路扫描、针刺判断、参数处理、串口通讯、通讯结束与否判断、系统等待、调用中断子程序等控制过程；中断控制子程序包括中断信号判断、中断程序初始化、参数(穴位码)识别、控制系统驱动、调用串口通讯子程序、通讯结束与否判断、中断返回等控制过程。
4.根据权利要求1或2所述的针灸教学模拟系统，其特征在于终端PC机中储存有人体各个穴位的图解模型和文字说明、穴位针灸传导原理、治疗病症介绍，动画演示针灸手法、针刺深度、注意事项和相应的语音播放系统；储存有针灸练习题库；并设置有人机对话界面；这些功能受控于终端PC机信息管理系统。
5.根据权利要求3所述的针灸教学模拟系统，其特征在于终端PC机中储存有人体各个穴位的图解模型和文字说明、穴位针灸传导原理、治疗病症介绍，动画演示针灸手法、针刺深度、注意事项和相应的语音播放系统；储存有针灸练习题库；并设置有人机对话界面；这些功能受控于终端PC机信息管理系统。
6.根据权利要求1或2所述的针灸教学模拟系统，其特征在于各穴位传感器分成若干组，每组穴位传感器按八个为一行，八个为一列，构成一个8×8矩阵穴位矩阵键盘(8)。
7.根据权利要求3所述的针灸教学模拟系统，其特征在于各穴位传感器分成若干组，每组穴位传感器按八个为一行，八个为一列，构成一个8×8矩阵穴位矩阵键盘(8)。
8.根据权利要求4所述的针灸教学模拟系统，其特征在于各穴位传感器分成若干组，每组穴位传感器按八个为一行，八个为一列，构成一个8×8矩阵穴位矩阵键盘(8)。
9.根据权利要求5所述的针灸教学模拟系统，其特征在于各穴位传感器分成若干组，每组穴位传感器按八个为一行，八个为一列，构成一个8×8矩阵穴位矩阵键盘(8)。
全文摘要
本发明为一智能针灸教学模拟系统，由人体穴位模型、穴位传感器、信号放大跟随电路、穴位矩阵键盘电路、矩阵键盘扩展电路、中央处理器、终端PC机及控制软件所组成，其特点是每个穴位传感器设有三层导电膜层，对应针灸“接触穴位”、“的气”、“偏离穴位”三种状态，并分组构成矩阵键盘电路，中央处理器扫描矩阵键盘电路、检测传感器状态信号，判断出某个穴位有针灸，并控制终端PC机提示针灸“接触穴位”、“的气”、“偏离穴位”三种状态及该穴位相关资料。优点是可使学员准确地掌握人体针灸穴位及针灸技术，使抽象难董的针灸教学由变得具体直观，大大缩短教学时间。可广泛用于针灸教学。
文档编号G09B23/00GK1512464SQ0215729
公开日2004年7月14日 申请日期2002年12月31日 优先权日2002年12月31日
发明者田芝亮, 陶玲, 杨剑云, 朱国鸣, 倪光夏 申请人:田芝亮