穴周力学阵列与针组织交互响应采集系统及数据处理方法与流程

本发明涉及柔性传感、针刺生物力学测量和多源同步数据采集，具体而言，涉及一种围绕进针点贴附的柔性多模态力学阵列、用于限定进针区域的低约束定位结构、针体运动的穴周力学阵列与针组织交互响应采集系统及数据处理方法。

背景技术：

1、针刺操作中的进针、提插、捻转和停针会使针体与皮肤及软组织发生摩擦、粘附和牵拉，进而在进针点周围产生法向压陷或隆起、沿进针点径向传播的牵拉以及沿圆周方向分布的剪切响应。对这些组织响应进行定量记录，有助于形成可重复的针-组织交互力学数据。

2、现有针刺参数采集装置多聚焦于针体位移、速度、转角、轴向力或扭矩，难以直接获得进针点周围不同位置和不同方向的组织响应。通用柔性压力阵列可以记录多点法向压力，但难以区分径向牵拉和周向剪切，并容易受到贴片粘附预载、皮肤曲率、呼吸、脉搏和肢体整体运动的影响。

3、此外，连续柔性基底会将一个位置的变形传递至相邻感测单元，从而形成机械串扰；刚性进针导向件若直接压接于感测区域，还会将导向件载荷传递至阵列并限制中央区域皮肤的自然变形。外部针体运动数据与阵列信号若缺乏统一时间基准，也难以建立具体针刺动作与局部组织响应之间的对应关系。

4、因此，需要一种能够在保留进针空间的同时，同步获取法向压力、径向应变和周向应变，并通过机械隔离、外侧参考感测和多源时间同步降低串扰及共模干扰的采集系统。

技术实现思路

1、本说明书提供一种穴周力学阵列与针组织交互响应采集系统及数据处理方法，用以解决现有装置方向信息不足、相邻通道机械串扰、粘贴预载和整体机械扰动难以分离、进针定位结构干扰中央组织变形以及针体运动数据与组织响应难以精确对齐的问题。

2、根据本说明书实施例的第一方面，提供一种穴周力学阵列与针组织交互响应采集系统，包括柔性多模态力学阵列、进针点定位结构、同步采集模块、针体运动采集单元以及数据采集与处理模块，其中

3、所述柔性多模态力学阵列具有中央进针窗口，并在所述中央进针窗口的外周依次设置交互感测区和参考感测区；所述交互感测区沿周向划分为多个感测扇区，相邻感测扇区之间设置机械隔离结构，每一感测扇区包括法向压力感测单元、沿阵列半径方向布置的径向应变感测单元以及沿阵列圆周切线方向布置的周向应变感测单元；所述参考感测区包括沿周向间隔布置的参考感测单元；

4、所述进针点定位结构与中央进针窗口同轴设置，并与交互感测区之间形成环形避让间隙；

5、所述同步采集模块分别与柔性多模态力学阵列、针体运动采集单元和数据采集与处理模块连接，用于为阵列信号和针体运动数据赋予统一时间基准；

6、所述数据采集与处理模块用于依据进针前基线和参考感测区的输出，对交互感测区的输出进行预载补偿、曲率补偿、共模扰动补偿和通道串扰解耦，重建进针点周围的法向压力、径向应变和周向应变时空场，并输出针组织交互响应参数。

7、优选的，所述柔性多模态力学阵列自皮肤侧向外依次包括皮肤粘附层、柔性基底层、柔性布线层、传感层和保护封装层；各层在中央进针窗口对应位置形成同轴贯通开口；所述柔性多模态力学阵列的总厚度范围为0.08～0.60 mm，中央进针窗口的等效直径范围为0.5～5 mm，交互感测区的外半径范围为8～30 mm。

8、优选的，所述法向压力感测单元为压阻式、压电式或电容式感测单元；所述径向应变感测单元和周向应变感测单元分别为具有方向敏感性的蛇形电阻、裂纹型导电结构、液态金属通道或光纤光栅，且同一感测扇区内的法向压力感测单元、径向应变感测单元和周向应变感测单元具有预先标定的相对位置关系。

9、优选的，所述机械隔离结构包括从交互感测区内边缘向外延伸且在到达参考感测区之前终止的径向隔离缝，以及设置于相邻感测扇区之间的低模量缓冲区；柔性布线层通过跨越所述径向隔离缝的蛇形柔性互连连接相邻感测扇区，所述数据采集与处理模块存储有通过逐扇区加载获得的串扰校正矩阵。

10、优选的，所述参考感测单元与交互感测区中的对应感测单元采用相同的传感材料和信号调理方式；所述数据采集与处理模块以至少三个参考感测单元输出的中位数或截尾均值作为共模参考量，并从交互感测通道中减除经通道耦合系数缩放后的共模参考量。

11、优选的，所述进针点定位结构包括可拆卸无菌导向环和柔性过渡环；所述可拆卸无菌导向环具有导向孔和与柔性过渡环可逆连接的卡接部，所述柔性过渡环由低模量弹性材料制成，并通过所述环形避让间隙与交互感测区分隔。

12、优选的，所述同步采集模块包括多通道信号调理电路、模数转换器、统一时钟或硬件触发电路以及通信接口；阵列信号的采样频率范围为200-2000 hz，阵列信号与针体运动数据的时间对齐误差不大于5毫秒；所述数据采集与处理模块包括基线、共模及串扰补偿单元和时空场重建与参数输出单元。

13、根据本说明书实施例的第二方面，提供一种穴周力学阵列与针组织交互响应数据处理方法，包括：

14、接收交互感测区信号、参考感测区信号和针体运动数据；

15、根据统一时间基准对所述信号和数据进行时间对齐，并从针体进入组织之前的时间段提取静态基线；

16、依据通道灵敏度、静态基线以及参考感测区的共模参考量对交互感测通道进行补偿；

17、依据串扰校正矩阵对各感测扇区的响应进行解耦；

18、根据各感测单元的空间位置重建法向压力、径向应变和周向应变时空场；

19、按照针体运动数据划分动作片段并输出与各动作片段对应的针组织交互响应参数。

20、优选的，所述的根据统一时间基准对所述信号和数据进行时间对齐，并从针体进入组织之前的时间段提取静态基线；依据通道灵敏度、静态基线以及参考感测区的共模参考量对交互感测通道进行补偿；依据串扰校正矩阵对各感测扇区的响应进行解耦的步骤，包括：

21、对任一交互感测通道，先从该交互感测通道的原始输出中减除针体进入组织之前获得的静态基线，再减除按照该交互感测通道的共模耦合系数缩放后的参考感测区相对基线变化量，并依据该交互感测通道的灵敏度系数进行归一化，获得补偿通道信号；

22、将全部补偿通道信号按照预定通道顺序组成补偿通道向量，并基于逐扇区加载标定获得的串扰校正矩阵进行带正则化项的最小二乘逆运算，获得解耦后的感测扇区响应，其中，所述正则化项用于抑制串扰校正矩阵病态引起的噪声放大。

23、优选的，在所述的按照针体运动数据划分动作片段并输出与各动作片段对应的针组织交互响应参数的步骤中，

24、所述针组织交互响应参数包括响应质心、径向能量、周向能量、径向-周向各向异性、不同感测扇区之间的传播时延、动作停止后的松弛时间常数以及针体轴向速度或角速度与局部力学响应之间的相关系数中的至少一种；所述数据处理方法仅输出力学测量结果和数据处理结果。

25、本说明书实施例，提供一种穴周力学阵列与针组织交互响应采集系统及数据处理方法，与现有技术相比，本说明书实施例至少具有以下有益效果：

26、第一，同一感测扇区同时获取法向压力、径向应变和周向应变，使局部压陷、径向牵拉和周向剪切具有可区分的测量通道；第二，扇区机械隔离结构配合蛇形柔性互连降低相邻区域的结构耦合，并为串扰矩阵解耦提供明确的物理分区；第三，外侧参考感测区与进针前静态基线结合，可从交互感测区信号中分离整体机械扰动和缓慢漂移；第四，柔性过渡环和环形避让间隙降低进针点定位结构对中央组织变形及感测扇区的直接加载；第五，针体运动和组织力学响应在统一时间轴上对应，可输出传播时延、松弛时间和动作-组织耦合参数。