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一种增强针灸提插手法稳定性和安全性的机械装置

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DOI：

10.3791/66941

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2025年1月10日

 ,  ,  ,  , 
1School of Acupuncture-Moxibustion and Tuina, Shanghai University of Traditional Chinese Medicine, 2Shanghai Seventh People's Hospital

本文内容

摘要

本方案设计了一种可用于控制针灸提插手法运动范围的套管，从而提高操作的稳定性与安全性。因此，该装置可同时服务于针灸治疗的临床应用与科学研究。

摘要

针灸的治疗效果依赖于其安全性和稳定性，因此这些因素在针灸手法研究中至关重要。然而，手工操作会引入不可避免的误差，从而影响研究结果的可靠性。为解决这一问题，本研究设计了一种独特的提插手法控制套管，可灵活调节运动幅度。该套管采用3D打印技术制作，并通过光学传感器技术记录针灸针的运动范围，验证了其在维持操作稳定性方面的有效性。研究结果表明，该控制套管能显著提高针灸手法的稳定性，减少人为误差。这一创新表明，该套管可作为针灸相关实验研究中确保操作精确性与安全性的有效辅助工具。其推广应用还有助于针灸操作的标准化，获得更一致、更准确的研究结果，这对于未来针灸研究及临床应用的发展具有重要意义。

引言

进针后需进行针刺手法操作，以诱发一种称为"得气"的针感（指经络之气在腧穴处被激发的感觉），或调节针感的方向与强度。作为针灸治疗的重要组成部分，不同的针刺技术会产生不同的效应1。针刺手法是影响针灸治疗效果的关键因素2,3。研究表明，提插手法所激活的信号强于其他针刺方法所诱发的信号4。

针灸的治疗效果与刺激强度密切相关5,6,7，而刺激强度又取决于所采用的针刺手法。因此，针刺手法的量效关系是实验研究的关键领域之一8,9,10。标准化和可重复性对于确保针灸研究的科学有效性至关重要11。提插法和捻转法均需特定的操作频率和幅度12,13，同时，穴位的选择对于疾病治疗也具有重要意义14。然而，手工针刺依赖操作者个人技术，难以在针刺过程中保持频率和幅度的一致性15。此外，在身体某些部位进行针刺时，必须谨慎控制进针的深度和方向，以避免气胸等并发症的发生16,17。

因此，针灸手法科学研究中最紧迫的挑战之一是开发控制器以提高针刺技术的稳定性，这对于确保针灸操作的安全性和标准化至关重要18。

提插是针灸中最常用的 基本技术之一。该技术在将针具刺入穴位至特定深度后，通过向上提针和向下插针来实现。向上移动称为“提”，向下移动称为“插”。通过重复此过程以达到预期的临床效果，刺激强度取决于提插动作的幅度和频率19,20,21,22。目前，提插手法的幅度主要由操作者控制，其有效性通常依据"得气"（针刺穴位时经气感应的感觉）来评估23,24,25。然而，目前尚无公认的 标准用于评估该技术的稳定性和安全性，且针刺深度完全依赖于操作者的技能水平。

为了促进针灸的标准化，已开发出多种新技术以替代传统手工针刺，包括脉冲电针、超声针刺、微波针刺、激光针刺和体外冲击波针刺26。尽管这些方法在一定程度上有助于针灸效应的标准化，但在临床实践中仍无法完全取代传统手工针刺。因此，对手工针刺操作的标准化仍然至关重要。

为解决上述问题，本研究设计了一种针灸针套管，可提高提插手法的安全性和稳定性。研究中使用的控制套管采用3D打印技术制造（见材料表），整体结构由三部分组成：套管、针管套和可调节止动器，以及一次性使用的针灸针（图1）。套管、针管套和可调节止动器均通过3D打印技术制成（见补充文件1、补充文件2和补充文件3）。

套管针具有多项优势：首先，振幅由限位器控制，显著减轻了操作者的负担；其次，针体与套管的分离可防止针刺过程中的污染；第三，可调节的刻度尺能够精确控制针的进针深度和振幅，可根据需要自由调整。本研究的结果为针刺手法的实验研究提供了一种安全的辅助工具，这对于推进针刺技术的标准化至关重要。

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方案

本方案中的所有操作均在商用的人体模拟材料上进行（参见材料表），而非在真人身上实施，因此本研究不涉及伦理问题。同时，所有参与研究的志愿者均已签署知情同意书。本实验的参与者为上海中医药大学针灸推拿学院的20名学生。这些学生已完成《"针灸学"27》课程中关于针刺提插手法的理论学习。此外，他们还通过课程教学和实际操作，积累了近一年的人体针刺实践经验。所用设备与软件的详细信息列于材料表中。

1. 对照导管的制备

  1. 使用3D打印技术制备套管、针套和可调节止动器。
  2. 采用白色树脂作为3D打印材料，以确保最小精度达到0.1 mm，从而避免因误差导致结构无法装配的问题。该材料还具有成本较低的优势，并便于对结构进行调整。

2. 视频拍摄

  1. 相机设置
    1. 在操作台前方适当高度处放置两个三脚架，并连接两台动态摄像机。将两台动态摄像机之间的夹角设置为60°–120°（图2A）。
    2. 按以下参数调整相机设置：分辨率1280 × 720像素，格式MP4，全手动模式（M），光圈F1.2，快门速度1/1000秒，ISO 6400，自动白平衡，光学变焦0 mm。
  2. 校准设置
    1. 在桌面上放置一个尺寸为15 cm × 15 cm × 15 cm的三维校准支架（图2B），确保其位于两台动态摄像机的覆盖范围内。
  3. 追踪标记点放置
    1. 准备一个直径为6.5 mm的被动式红外反射球体，将其粘附于受试者右手拇指的指甲帽上，用于测量运动轨迹。
  4. 实验操作
    注意：20名受试者被要求在人体模拟材料上执行提插手法操作，包括以下三种技术：均匀提插、重插轻提和轻插重提。每位受试者均需在有针管和无针管（振幅设定为15 mm）条件下，完成这三种操作。随后，他们分别使用振幅为5 mm、10 mm和15 mm的针管重复上述三种操作。每次操作之间安排30分钟的间隔，以确保受试者状态的一致性。每种操作重复10次。
    1. 无针管条件下的提插操作
      1. 均匀提插：将针插入20 mm深度，以每分钟60次的频率、15 mm的振幅，匀速上下提插针具。
      2. 重插轻提：将针插入20 mm深度，快速将针插入一定深度，然后缓慢退至浅层，振幅为15 mm，频率为每分钟60次。
      3. 轻插重提：将针插入20 mm深度，缓慢将针插入一定深度，然后快速退至浅层，振幅为15 mm，频率为每分钟60次。
    2. 有针管条件下的提插操作
      注意：制备三种与针具尺寸匹配的针管，通过滑动可调节限位器将其振幅分别调整为5 mm、10 mm和15 mm。
      1. 使用振幅为5 mm的针管进行操作
        1. 均匀提插：将针固定于针套内，将针套置于振幅为5 mm的针管中。将针插入20 mm深度，以每分钟60次的频率匀速上下提插针管。
        2. 重插轻提：使用同一针管。将针插入20 mm深度，快速将针插入限位深度，然后以每分钟60次的频率缓慢退至浅层。
        3. 轻插重提：使用同一针管。将针插入20 mm深度，缓慢将针插入限位深度，然后以每分钟60次的频率快速退至浅层。
      2. 使用振幅为10 mm的针管进行操作
        1. 均匀提插：将针固定于针套内，将针套置于振幅为10 mm的针管中。将针插入20 mm深度，以每分钟60次的频率匀速上下提插针管。
        2. 重插轻提：使用同一针管。将针插入20 mm深度，快速将针插入限位深度，然后以每分钟60次的频率缓慢退至浅层。
        3. 轻插重提：使用同一针管。将针插入20 mm深度，缓慢将针插入限位深度，然后以每分钟60次的频率快速退至浅层。
      3. 使用振幅为15 mm的针管进行操作
        1. 均匀提插：将针固定于针套内，将针套置于振幅为15 mm的针管中。将针插入20 mm深度，以每分钟60次的频率匀速上下提插针管。
        2. 重插轻提：使用同一针管。将针插入20 mm深度，快速将针插入限位深度，然后以每分钟60次的频率缓慢退至浅层。
        3. 轻插重提：使用同一针管。将针插入20 mm深度，缓慢将针插入限位深度，然后以每分钟60次的频率快速退至浅层。

3. 动作捕捉与分析软件及视频分析的项目配置

  1. 视频导出与重命名
    注意：将所有视频文件从摄像机传输至计算机上指定的存储磁盘。将来自相机1和相机2的3D校准视频文件分别重命名为 "1.mp4" 和 "2.mp4"。
    1. 视频存储
      1. 将手术视频保存到计算机指定的存储磁盘。使用参与者的全名首字母，按格式 "xxx-1" 和 "xxx-2" 进行命名。
  2. Reality运动系统项目配置（动作捕捉与分析软件）
    1. 新建项目：启动动作捕捉与分析软件，选择 新建项目。在项目选项卡中设置项目名称，然后点击 创建并保存，将项目存储到指定的存储磁盘。
    2. 设定参数：选择 设定 > 点 > 拇指尖，将预定义点框中的跟踪点拖动至已使用点框中，然后点击关闭按钮继续。
    3. 添加相机组：右键点击 相机 > 添加相机组，以添加新的相机组。
    4. 选择跟踪文件：在 跟踪框 中点击 选择文件 按钮。
    5. 导入手术视频：点击 打开现有文件，在弹出窗口中选择手术视频 xxx-1。点击 应用 完成视频导入。
    6. 导入校准视频：在3D校准框中点击 选择文件，导入对应的校准视频 "1.mp4"。
    7. 导入其他视频：按照步骤3.2.5的相同步骤，导入手术视频 "xxx-2" 及其对应的校准视频 "2.mp4"。
  3. 视频分析
    1. 打开相机组：打开相机组，然后右键点击 1.mp4 > 属性。
    2. 执行3D校准：在3D校准框中点击 3D校准 按钮，输入描述信息，并通过连续20次点击 添加点 按钮添加20个点。
    3. 设置点参数：为每个点设置名称及对应的X、Y、Z值，然后根据校准参数点击 应用。
    4. 完成校准：配置完所有点后，依次点击校准视频的每个端点，完成3D校准。
    5. 校准其他相机：按照步骤3.3.1–3.3.4完成另一台相机的3D校准。
    6. 设置3D跟踪：右键点击 相机组 > 3D跟踪，选择 所有相机，然后点击 确定 按钮以打开3D跟踪窗口。
    7. 应用模式匹配跟踪：为两台相机均设置 使用模式匹配跟踪。在第一帧中手动点击 拇指尖 点。
    8. 开始自动跟踪：点击 自动搜索 按钮，逐帧开始自动3D跟踪。
    9. 完成其他视频跟踪：按照步骤3.3.6–3.3.8完成其他视频的运动跟踪。
      注意：如果在自动3D跟踪过程中丢失跟踪点，选择丢失点所在的行，右键点击并选择 从此处丢弃点。然后重新点击相应点并再次点击 自动搜索 按钮。
  4. 数据导出
    1. 创建3D计算：右键点击 相机组 > 新建3D计算，选择所有相机，并在 "创建3D数据" 窗口中勾选 连续更新数据 和 显式存储数据。更新数据并将数据显式保存至文件。点击 确定 按钮继续。
    2. 导出设置：右键点击 包含所有数据的文件夹 > 导出。
    3. 导出数据文件：点击 导出 按钮，导出一个自定义名称的数据文件（*.txt）。以相同方式导出其他数据文件。

4. 数据分析

  1. 数据汇总
    1. 通过记录参与者拇指指甲帽上被动红外反射球在 X、Y 和 Z 轴方向的最大移动范围值，测量空间分散度（图 2C）。
    2. 计算标准差并取平均值。将数据存储在 Microsoft Office Excel 文件中，并计算均值 ± 标准差以用于作图。
  2. 数据分析
    1. 通过独立样本 t检验（适用于符合正态分布的数据）或秩和检验（适用于不符合正态分布的数据），评估插管与未插管条件之间的差异。
    2. 随后，进行双因素三水平方差分析，以评估不同提插幅度的稳定性。设定显著性水平为 p < 0.05，并使用统计分析软件包完成所有统计分析。

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结果

套管对提插手法稳定性的影响
根据一位操作者的数据生成了图表，如图3、图4和图5所示。每张图的横轴表示时间，纵轴表示操作者拇指指尖追踪点的位置，用于记录该点的运动轨迹。两条不同颜色的线条分别展示了有套管和无套管情况下的运动轨迹。

提插手法在X轴、Y轴和Z轴方向上的运动范围如图6所示。X轴和Y轴分别表示操作者在前后方向和左右方向上的运动偏差，运动幅度越接近0，提插手法越稳定。Z轴表示上下方向的运动偏差，是本实验的主要观察指标，运动幅度越接近预设的15 mm，手法稳定性越好。三种提插手法在X轴方向上的稳定性在使用套管针时较未使用时显著提高。如图6A所示，使用套管针时三种手法的运动范围均更小，差异具有统计学意义。在Y轴方向上，各手法的稳定性未观察到显著差...

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讨论

本研究创新性地设计了一种套管针，以提高针灸提插手法的稳定性和安全性，并通过实验评估其有效性。研究人员采用3D建模进行结构设计，并使用白色树脂作为3D打印材料。与制造金属模具相比，3D打印技术具有成本低、结构易于调整的优势。此外，由于一次性针体侧向置于针管的凹槽内（图2），在针灸过程中无需手触针体，从而降低了临床使用中的感染风险。

在本研究中，采用三维运动追踪软件 Simi Motion 3D 来记录提插手法的运动幅度。与使用直尺进行人工测量相比，通过三维运动软件追踪操作者手指位置，能够更高效、准确地测量每次提插动作的不同深度。对从三维运动软件导出的坐标数据进行分析表明，针管装置可显著减少提插操作在水平方向和进针深度上的误差。该装置在振幅为 10 mm 或更大的操作中尤为有效。临床上，水平方向的误差可能导致针具位置偏移，使针偏离目标穴位或引起患者额外疼痛；垂直方向的误差则可能改变针尖刺入皮下组织的深度，带来潜在伤害。例如，在皮下组织较浅或邻近重要器官与动脉的穴位处，过深进针可能损伤深层器官。这一风险在如期门（LR14）等穴位...

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致谢

本工作由上海市教育委员会预算项目（资助编号 2021LK099）和国家自然科学基金（资助编号 82174506）支持。

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材料

本文使用的材料清单
姓名公司目录编号评论
BlenderBlender Institute B.V.Blender 4.2.2 LTSBlender 是一款免费且开源的三维创作套件。它支持完整的三维制作流程—包括建模、绑定、动画、模拟、渲染、合成与运动跟踪，甚至视频编辑和游戏制作。高级用户可通过 Python 脚本调用 Blender 的 API 来定制应用程序并开发专用工具；这些工具通常会被纳入 Blender 后续版本中。Blender 非常适合个人用户和小型工作室使用，得益于其统一的制作流程和快速响应的开发机制。
人体模拟材料东莞市匠兆硅业有限公司针灸练习皮肤模型便携式针灸练习皮肤模型，采用模拟皮肤材质，带有延展性层，可更真实地模拟针刺手感。
IBM SPSS StatisticsIBMR26.0.0.0IBM SPSS Statistics 软件为各级经验水平的用户提供高级统计分析功能。该软件具备全面的功能组合，在灵活性和易用性方面超越了传统统计软件。
Prism 9GraphPad Software, LLC.GraphPad Prism 9.5.0 (525)Prism 是一款用于绘制图表的软件。
Simi Reality Motion SystemsSimi Reality Motion Systems GmbHSimi Motion 2D/3DSimi Motion 提供了一个 功能强大的平台，用于动作捕捉及二维/三维运动分析。

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