一種叩診訓(xùn)練輔助裝置的研制

張春霞，劉 洪，鄭藝斌，陳素娟，蘇曉燕，陳乃潔，陳 沁，修忠標(biāo)*

（1.福建中醫(yī)藥大學(xué)中西醫(yī)結(jié)合學(xué)院，福州 350122；2.福建中醫(yī)藥大學(xué)附屬人民醫(yī)院，福州 350004；3.廈門全感科技有限公司，福建廈門 361000）

0 引言

叩診是醫(yī)學(xué)生必須掌握的查體手法，是臨床中及時(shí)有效的用于疾病診斷的手段，也是《診斷學(xué)》中實(shí)訓(xùn)課教學(xué)的重點(diǎn)和難點(diǎn)[1]。規(guī)范的叩診手法是產(chǎn)生清晰可分辨叩診音的關(guān)鍵。據(jù)統(tǒng)計(jì)，46%的學(xué)生沒有掌握規(guī)范的叩診技巧，78.5%的學(xué)生認(rèn)為叩診是體格檢查中最難掌握的部分[2-3]。如何輔導(dǎo)學(xué)生掌握規(guī)范的叩診手法，已成為當(dāng)前檢體診斷教學(xué)亟待解決的問題。

有學(xué)者研制了基于動(dòng)作捕捉的叩診訓(xùn)練系統(tǒng)，通過若干攝像機(jī)，利用光學(xué)動(dòng)作捕捉技術(shù)，采集操作者叩診手指上設(shè)置的光學(xué)捕捉點(diǎn)進(jìn)行空間三維定位，獲取叩診操作手法，但該方法存在體積大、成本高、不便于攜帶和推廣等問題[4]。也有多項(xiàng)研究[5-6]報(bào)道了多功能叩診錘的使用，但其適用部位受限。鑒于此，本文研制了一種叩診訓(xùn)練輔助裝置，可以客觀、準(zhǔn)確、及時(shí)記錄叩診信息，進(jìn)行實(shí)時(shí)反饋指導(dǎo)。借助本裝置，學(xué)生可以在沒有教師指導(dǎo)的情況下，隨時(shí)被糾錯(cuò)，從而學(xué)會(huì)規(guī)范的叩診手法。

1 設(shè)計(jì)思路

本裝置設(shè)計(jì)的基本思路是根據(jù)慣性傳感器采集的數(shù)據(jù)（包含加速度和角速度數(shù)據(jù)）和地磁傳感器采集的多名高年資醫(yī)師/教師叩診動(dòng)作數(shù)據(jù)，通過機(jī)器學(xué)習(xí)算法訓(xùn)練參數(shù)，建立標(biāo)準(zhǔn)叩診動(dòng)作模型，將練習(xí)者訓(xùn)練時(shí)產(chǎn)生的實(shí)際叩診動(dòng)作與標(biāo)準(zhǔn)叩診動(dòng)作模型進(jìn)行比對(duì)，根據(jù)二者的匹配度判斷練習(xí)者的動(dòng)作是否合乎要求。本裝置采集省級(jí)三甲醫(yī)院高年資醫(yī)師和長期從事診斷學(xué)教學(xué)的教師共30人的叩診數(shù)據(jù)，每個(gè)參與標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)采集的人員需要被采集3次，每次叩診30～50下作為標(biāo)準(zhǔn)叩診數(shù)據(jù)參數(shù)，以此作為機(jī)器學(xué)習(xí)訓(xùn)練的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)來源。測(cè)試結(jié)果和訓(xùn)練模型的吻合程度在90%以上視為合格。

數(shù)據(jù)采集通過超小封裝的藍(lán)牙微處理器和微機(jī)電系統(tǒng)（micro-electro-mechanical system，MEMS）加速度傳感器的電子裝置，集成全感科技專有的多傳感器機(jī)器學(xué)習(xí)融合算法，本地處理所有傳感器數(shù)據(jù)后傳輸?shù)胶笈_(tái)顯示。

2 設(shè)計(jì)原理

本裝置涉及傳感器數(shù)據(jù)采集、無線數(shù)據(jù)傳輸、傳感器數(shù)據(jù)處理和顯示技術(shù)領(lǐng)域，其基本原理為傳感器采集練習(xí)者手部叩診動(dòng)作中的三維空間各軸加速度值、三維空間各軸旋轉(zhuǎn)角速度值和練習(xí)者手部地磁場(chǎng)強(qiáng)度值[7-8]，通過藍(lán)牙協(xié)議傳輸?shù)胶笈_(tái)機(jī)器學(xué)習(xí)系統(tǒng)，該系統(tǒng)結(jié)合預(yù)設(shè)參數(shù)建立叩診動(dòng)作模型，并將該模型更新到本裝置，通過叩診動(dòng)作模型判斷練習(xí)者的動(dòng)作是否合格。具體數(shù)據(jù)處理過程包括采集用于訓(xùn)練的傳感器原始數(shù)據(jù)、對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分類標(biāo)注、通過機(jī)器學(xué)習(xí)系統(tǒng)生成動(dòng)作模型、驗(yàn)證模型的有效性、部署到叩診訓(xùn)練輔助裝置。

根據(jù)機(jī)器學(xué)習(xí)算法的特點(diǎn)，建立叩診動(dòng)作模型，由于標(biāo)準(zhǔn)模型建立者和實(shí)際場(chǎng)景使用者具有不一致性，所以本裝置的一些關(guān)鍵參數(shù)除默認(rèn)值外（默認(rèn)值一般為先期標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)通過訓(xùn)練得到的通用值），還需要設(shè)置不同閾值以增強(qiáng)應(yīng)用效果，如叩診力度參數(shù)、叩診時(shí)手腕抬起角度、叩診節(jié)律上限值等，從而產(chǎn)生不同的動(dòng)作模型，以應(yīng)對(duì)不同場(chǎng)景下的需求。

3 具體設(shè)計(jì)

本裝置的外觀為立方體的丙烯腈-丁二烯-苯乙烯（acrylonitrile butadiene styrene，ABS）塑料外殼，內(nèi)部放置集成微處理器、具有藍(lán)牙天線的電路板模塊和鋰電池等部件。裝置實(shí)物圖如圖1所示。本裝置軟硬件主要由數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊、數(shù)據(jù)控制模塊、模型生成模塊和結(jié)果顯示模塊6個(gè)模塊組成，其中模型生成模塊為后端軟件，其余前端用戶可見部分如圖2所示。本裝置實(shí)現(xiàn)了對(duì)叩診動(dòng)作訓(xùn)練數(shù)據(jù)的處理和對(duì)訓(xùn)練效果的自動(dòng)判斷。訓(xùn)練結(jié)果自動(dòng)上傳至上位機(jī)，由上位機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。

3.1 數(shù)據(jù)采集模塊

數(shù)據(jù)采集模塊由高精度MEMS加速度傳感器、陀螺儀和地磁傳感器構(gòu)成。通過微處理器控制采集的時(shí)間點(diǎn)，以采集練習(xí)者在進(jìn)行叩診動(dòng)作過程中手部的三維加速度值、角速度值和周圍地磁場(chǎng)強(qiáng)度值，其中包括對(duì)原始數(shù)據(jù)的預(yù)處理和緩存區(qū)的處理等。

圖1 叩診訓(xùn)練輔助裝置實(shí)物圖

圖2 叩診訓(xùn)練輔助裝置設(shè)計(jì)框圖

3.2 數(shù)據(jù)處理模塊

數(shù)據(jù)處理模塊主要處理采集到的原始傳感器數(shù)據(jù)，結(jié)合在低功耗微控制單元中靈活的機(jī)器學(xué)習(xí)算法運(yùn)算框架，執(zhí)行已加載的動(dòng)作模型，得到數(shù)據(jù)處理結(jié)果。

3.3 數(shù)據(jù)傳輸模塊

數(shù)據(jù)傳輸模塊使用藍(lán)牙處理芯片，采用藍(lán)牙5.0協(xié)議，將有效的數(shù)據(jù)以自定義數(shù)據(jù)格式傳輸至上位機(jī)，由上位機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理、統(tǒng)計(jì)和分析，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)叩診動(dòng)作模型的構(gòu)建和訓(xùn)練效果的判定。

3.4 數(shù)據(jù)控制模塊

數(shù)據(jù)控制模塊運(yùn)行在微處理器中，與其余各模塊連接，可動(dòng)態(tài)配置各種傳感器數(shù)據(jù)采集參數(shù)，如速率、種類、數(shù)據(jù)過濾方法、主要特征生成等；還可以測(cè)量時(shí)間間隔值，具體為計(jì)算手部2次或3次叩擊間的時(shí)間間隔值以及單次從接觸叩擊對(duì)象到離開叩擊對(duì)象的時(shí)間間隔值，同時(shí)具備在線更新系統(tǒng)固件和算法模型、執(zhí)行算法模型并輸出推理結(jié)果等功能。

3.5 模型生成模塊

模型生成模塊通過將數(shù)據(jù)采集模塊所采集數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)控制模塊測(cè)量的時(shí)間間隔值和機(jī)器學(xué)習(xí)系統(tǒng)中的預(yù)設(shè)參數(shù)輸入后端軟件建立叩診動(dòng)作模型。同時(shí)通過在被叩擊點(diǎn)放置壓力傳感器采集叩診敲擊力度，通過比較計(jì)算的叩診敲擊力度和測(cè)量的叩診敲擊力度，進(jìn)一步修正模型參數(shù)，以建立標(biāo)準(zhǔn)的叩診動(dòng)作模型。

3.6 結(jié)果顯示模塊

練習(xí)者在使用過程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)叩診動(dòng)作模型處理后產(chǎn)生判定結(jié)果，數(shù)據(jù)通過無線協(xié)議傳輸至上位機(jī)（一般為PC），結(jié)果顯示模塊會(huì)根據(jù)上位機(jī)數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)生成結(jié)果，及時(shí)更新叩診動(dòng)作模型圖、叩診數(shù)據(jù)曲線圖及結(jié)果判定圖（如圖3、4所示）。

圖3 叩診訓(xùn)練輔助裝置動(dòng)作數(shù)據(jù)可視化圖

圖4 叩診訓(xùn)練輔助裝置叩診數(shù)據(jù)曲線圖

3.7 硬件電路構(gòu)成

本裝置采用高集成度的處理器芯片，同時(shí)將數(shù)據(jù)傳輸模塊、數(shù)據(jù)處理模塊和數(shù)據(jù)控制模塊的功能集成于一顆低功耗微控制單元內(nèi)。處理器芯片中同時(shí)集成浮點(diǎn)運(yùn)算單元用于傳感器融合算法運(yùn)算，印制電路板板載微型藍(lán)牙天線、鋰電池電源管理芯片、LED指示燈等器件，具體電路原理圖如圖5所示。采用小封裝、高數(shù)據(jù)精度的MEMS傳感器芯片，用于采集叩診訓(xùn)練輔助裝置練習(xí)者的慣性數(shù)據(jù)和地磁場(chǎng)數(shù)據(jù)，其中慣性傳感器設(shè)置為低功耗模式，可在靜止時(shí)使整機(jī)進(jìn)入休眠狀態(tài)，在正常使用時(shí)喚醒整機(jī)，具體電路原理圖如圖6、7所示。

4 使用方法

下載叩診訓(xùn)練輔助裝置應(yīng)用程序（Zsens智能傳感器集合數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)）到上位機(jī)（PC）。將叩診訓(xùn)練輔助裝置充滿電，使用綁帶固定在練習(xí)者右手手背上，激活叩診訓(xùn)練輔助裝置后，打開藍(lán)牙，鏈接成功后通過數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)中的手部模型圖調(diào)整裝置的方向和位置，使右手手勢(shì)和上位機(jī)界面一致，即充電端口正對(duì)右手中指掌指關(guān)節(jié)處。使用過程中應(yīng)避免綁帶遮擋指示燈，綁帶固定叩診訓(xùn)練輔助裝置示意圖如圖8所示。練習(xí)者左手中指放桌面壓實(shí)，右手練習(xí)叩診，叩診過程中可以觀察叩診數(shù)據(jù)曲線，了解叩診力度是否均勻一致，同時(shí)觀察結(jié)果判定界面，觀察練習(xí)者腕關(guān)節(jié)的抬起角度是否符合標(biāo)準(zhǔn)（大于30°）以及叩診總次數(shù)，包括正確叩診次數(shù)、錯(cuò)誤叩診次數(shù)和準(zhǔn)確率等信息。

5 應(yīng)用效果

使用本裝置對(duì)60名醫(yī)學(xué)生進(jìn)行叩診訓(xùn)練（觀察組），同時(shí)選取另外60名條件相當(dāng)?shù)尼t(yī)學(xué)生進(jìn)行傳統(tǒng)教學(xué)方式的叩診訓(xùn)練（對(duì)照組）。診斷實(shí)操課共計(jì)36學(xué)時(shí)，觀察組于實(shí)操課上使用本裝置輔助叩診練習(xí)，2組人員于實(shí)操課結(jié)束后，在期末考核時(shí)進(jìn)行測(cè)試?？己藘?nèi)容為學(xué)生在叩診訓(xùn)練器進(jìn)行時(shí)長30 s的叩診測(cè)試，對(duì)叩診節(jié)律和力度進(jìn)行評(píng)判，根據(jù)準(zhǔn)確率進(jìn)行合格與否的判定。運(yùn)用SPSS 22.0軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，合格人數(shù)采用χ2檢驗(yàn)，平均準(zhǔn)確率采用t檢驗(yàn)，P＜0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

使用本裝置訓(xùn)練的醫(yī)學(xué)生在平均準(zhǔn)確率和合格率上優(yōu)于傳統(tǒng)教學(xué)方式，差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P分別為0.000、0.006），詳見表1。

6 應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

圖5 集成藍(lán)牙功能的處理器芯片電路原理圖

圖6 加速度傳感器和陀螺儀芯片電路原理圖

圖7 地磁場(chǎng)傳感器芯片電路原理圖

本裝置是一種可行的、有效的叩診評(píng)估和教學(xué)工具，可測(cè)量叩診力量大小、力度是否均勻一致及腕關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)情況，同時(shí)可用于測(cè)量叩診心肺腹部時(shí)產(chǎn)生清晰叩診音所需要的叩診力量范圍[9-10]。學(xué)生可根據(jù)叩診曲線提示進(jìn)行叩診力度、姿勢(shì)及頻次的調(diào)整，整個(gè)學(xué)習(xí)過程是一個(gè)實(shí)時(shí)的“反饋—改進(jìn)—再反饋—再改進(jìn)”循環(huán)往復(fù)、螺旋上升的過程。本裝置體積小，便于學(xué)生隨身攜帶，使學(xué)生學(xué)習(xí)不受空間和時(shí)間限制，可充分利用空閑時(shí)間進(jìn)行訓(xùn)練，縮短了學(xué)習(xí)曲線。

7 結(jié)語

本研究設(shè)計(jì)的叩診訓(xùn)練輔助裝置具有小巧、實(shí)用等特點(diǎn)，是一種可行、有效的叩診評(píng)估和教學(xué)工具，可規(guī)范叩診力度、叩診手法，縮短醫(yī)學(xué)生學(xué)習(xí)曲線，減少教師資源的浪費(fèi)。使用本裝置進(jìn)行叩診訓(xùn)練，在平均準(zhǔn)確率和合格率上較傳統(tǒng)教學(xué)方式均具有優(yōu)勢(shì)，可以改變目前傳統(tǒng)教學(xué)方式中叩診練習(xí)錯(cuò)誤不能得到及時(shí)糾正、練習(xí)過程重復(fù)枯燥、學(xué)生學(xué)習(xí)積極性不高的缺點(diǎn)。因此，本裝置在檢體診斷實(shí)訓(xùn)教學(xué)中具有一定的應(yīng)用價(jià)值，值得推廣使用。