本发明属于线性尺寸的计量，具体涉及一种针刺深度传感器、针灸姿态检测系统和针灸教学用具。
背景技术：
1、针灸作为一种古老的治疗方法，在现代医学中仍然占据着重要的地位。然而，传统的针灸操作高度依赖于操作者的经验和手感，这使得针灸治疗的效果很大程度上取决于个体技术水平的高低。特别是在针刺深度和角度的控制上，缺乏一种能够提供精确测量和实时反馈的工具，导致了治疗结果的不可控性和不确定性。
2、传统针灸教学大多依赖于真人模特或动物进行实践。这种方式不仅存在安全隐患，而且涉及到伦理争议，难以进行大批量的学习和训练。使用真人模特进行针灸训练，容易导致模特身体的不适，误刺容易造成身体伤害。在真人模特身上进行训练，还会给学员和模特都造成极大的心理上的压力。在动物身上进行训练，由于动物与人体结构存在差异，训练效果受限，而且面临着道德和法律上的争议。
3、目前市场上也存在的一些针灸训练辅助设备，如在人体模型上开设一系列孔洞作为模拟穴位。这类辅助模型虽然能够在一定程度上帮助学员熟悉穴位的位置，但无法更进一步地评价针刺的准确性和规范性。例如，其无法提供针刺深度和角度的精确测量数据，也无法判断和评价针刺过程中的针刺轨迹是否合理。另一方面，使用这类辅助模型，学员在针刺过程中所体验到的触感和手感与真实状况存在较大差异，导致实际操作与训练操作之间存在脱节。因此，现有的针灸训练辅助设备在提升针灸操作的准确性和规范性方面的作用有限，难以满足现代针灸教育对高标准操作技能的需求。
技术实现思路
1、针对现有技术存在的不足，本发明提供一种针刺深度传感器、针灸姿态检测系统和针灸教学用具。本发明旨在提供一种能够精确测量针刺深度的针刺深度传感器和能够实时反馈针刺姿态的针灸姿态检测系统，以及基于此系统的针灸教学用具，以期提高针灸操作的标准化水平和针灸教学的便捷性，同时减少对真人模特或动物的依赖，提高教学和实践的安全性和伦理合规性。
2、本发明的第一方面是提供一种针刺深度传感器，包括支撑体和设置在支撑体内的多个层状的电极组件；支撑体内部具有容纳空间，在容纳空间内间隔排列设置多个电极组件；电极组件被连接至检测电路，每一电极组件包括柔性导电层和夹设于柔性导电层两侧的导电框架层；支撑体的至少一端具有开口，供具有导电性的针刺入支撑体内与电极组件电接触，改变针刺深度范围内的电极组件的电连接状态。
3、作为针刺深度传感器的进一步优化方案，柔性导电层为具有弹性的发泡复合材料层，包括发泡材料基体和分布于发泡材料基体内的导电嵌入体，导电嵌入体选自导电纤维、导电颗粒中的一种或多种。
4、作为针刺深度传感器的进一步优化方案，柔性导电层为导电纺织品，导电纺织品为纤维经织造或非织造连接形成的层状材料；形成导电纺织品的纤维至少部分具有导电性。
5、作为针刺深度传感器的进一步优化方案，导电框架层包括边框和固定在边框范围内的接触网；边框与接触网电性导通，接触网与柔性导电层电性导通。
6、作为针刺深度传感器的进一步优化方案，在导电框架层的紧邻柔性导电层的一侧，边框凸起于接触网，从而在被边框围合的范围内形成凹陷的容纳区；柔性导电层被夹在两侧的容纳区内。
7、作为针刺深度传感器的进一步优化方案，导电框架层为一体成形的铜网。
8、作为针刺深度传感器的进一步优化方案，还包括编码电路板，每一电极组件均与编码电路板电性连接；编码电路板的检测端之间的至少一种电学参数随针刺至不同深度的电极组件而改变。
9、作为针刺深度传感器的进一步优化方案，编码电路板上设有至少一个电阻；间隔排列设置的多个电极组件中相邻的两个之间均连接有电阻，间隔排列设置的多个电极组件中位于两端的两个各自形成一个检测端；两检测端之间的电阻值随针刺至不同深度引起不同数量的电阻短路而改变。
10、作为针刺深度传感器的进一步优化方案，编码电路板上设有至少一个电容；间隔排列设置的多个电极组件中相邻的两个之间均连接有电容，间隔排列设置的多个电极组件中位于两端的两个各自形成一个检测端；两检测端之间的电容值随针刺至不同深度引起不同数量的电容短路而改变。
11、本发明第二方面是提供一种针灸姿态检测系统，包括上述的针刺深度传感器和针灸训练针；针灸训练针端部设有角度检测元件，角度检测元件内置有角度检测模块以检测针灸训练针的针刺角度；针刺深度传感器检测针灸训练针的针刺深度。
12、作为针灸姿态检测系统的进一步优化方案，针灸训练针包括针本体和设置在针本体顶部的角度检测模块，角度检测模块包括陀螺仪传感器、电源、无线充电接收单元和无线传输单元；陀螺仪传感器监测朝向角度数据，电源为陀螺仪传感器和无线传输单元供电，无线充电接收单元从外部无线充电发射单元接收能量对电源充电，无线传输单元输出陀螺仪传感器监测到的朝向角度数据。
13、本发明第三方面是提供一种针灸教学用具，包括模拟人体模型和上述的针灸姿态检测系统；模拟人体模型表面具有模拟皮肤层，模拟皮肤层具有弹性和可穿透性；在模拟皮肤层下埋设有针刺深度传感器。
14、作为针灸教学用具的进一步优化方案，针灸姿态检测系统将陀螺仪传感器测得的采样数据经放大处理和无迹卡尔曼滤波处理后反馈输出。
15、作为针灸教学用具的进一步优化方案，针灸姿态检测系统将陀螺仪传感器测得的数据经放大处理和优化的无迹卡尔曼滤波处理后反馈输出。
16、优化的无迹卡尔曼滤波处理，通过构建遵循被分析系统控制方程的损失函数来调整超参数，从而建立物理感知的优化框架；使用优化器强制估算状态和参数，满足动态系统的控制方程。
17、动态系统的控制方程表示为一个嘈杂的离散时间状态空间系统，状态空间包含状态转换函数m和测量函数h，在时间步长k处，状态空间模型提供一步前的状态预测xk+1和预测的测量y’k，模型如下所示：
18、xk+1= m(xk, uk, θ) + vk, vk~ n(0, q)
19、y’k= h(xk, uk, θ) + μk, μk~ n(0, r)
20、其中，xk是时间步长k的状态向量，uk是外输变量，随机变量vk是过程误差向量，以协方差 q 的中心高斯分布进行采样，随机变量μk是测量误差向量，以协方差 r 的中心高斯分布进行采样，向量 θ 包含一组表征物理系统的动态参数。
21、算法逆向建模的目标是通过一组观测值重建如上所述的状态空间。为此，不仅需要恢复状态，还需要同时恢复参数。解决这个问题的方案是利用现有的状态估计技术，将状态扩展为增强状态，即通过将状态与参数组合在一个向量中来处理。对于时不变系统，增强状态转换函数写为m^a=[m,i]，其中i为单位向量；由于动态参数是隐含的，所以测量函数和测量误差协方差保持不变。
22、测试优化过程中，采用nomad无导数优化算法解决目标函数黑箱问题。
23、使用基于均方误差和 l2-norm范数得出的损失函数进行如下优化：
24、ldata= ∑(从k1到k2) ||yk- y’k||2
25、使用状态转移函数来构建损失函数，由此产生的物理感知损失函数表示为：
26、lphysics= ∑(从k1到k2) ||x’k+1- m(x’k, uk, θ)||2。
27、有益效果
28、本发明提供的针刺深度传感器具有优良的耐用性和适应性，实现针刺深度的高精度测量，在针刺测量时电连接稳定可靠，确保信号传输的稳定性和准确性，可用于提升针灸操作的标准化水平和针灸教学的便捷性。
29、本发明提供的针灸姿态检测系统通过针刺深度传感器和带有角度检测模块的针灸训练针的配合，能够实时反馈针刺深度和角度信息，可用于评价和反馈针灸操作的规范性。并且通过有效的数据处理方法提高反馈数据的可靠性和准确性。
30、本发明提供的针灸教学用具可以再现真实的针灸环境，允许学员在无需担心患者安全的情况下进行反复练习。模拟人体模型采用仿真皮肤和皮下组织材料，提供真实的针刺体验。结合针灸姿态检测系统提供的深度和角度数据，训练者可以通过上位机的交互软件实时监控自己的针灸操作，及时调整手法，有效提升针灸技艺。该针灸教学用具不仅有助于提高针灸教学的质量，也有助于促进针灸技能的标准化发展。
31、本发明还提供优化的ukf数据处理方案，相较于传统ukf，在数据有限情况下表现更佳，通过构建损失函数调整超参数以改善性能；能够有效利用系统底层物理规律，尤其适用于复杂系统；并且能够在滤波过程中自动化选择协方差矩阵的值和结构，增加了系统的灵活性和适应性。
1.一种针刺深度传感器，其特征在于：包括支撑体（1）和设置在所述支撑体（1）内的多个层状的电极组件（2）；所述支撑体（1）内部具有容纳空间，在所述容纳空间内间隔排列设置多个所述电极组件（2）；所述电极组件（2）被连接至检测电路，每一所述电极组件（2）包括柔性导电层（21）和夹设于所述柔性导电层（21）两侧的导电框架层（22）；所述支撑体（1）的至少一端具有开口，供具有导电性的针刺入支撑体（1）内与所述电极组件（2）电接触，改变针刺深度范围内的电极组件（2）的电连接状态。
2.根据权利要求1所述的针刺深度传感器，其特征在于：所述柔性导电层（21）为具有弹性的发泡复合材料层，包括发泡材料基体（211）和分布于所述发泡材料基体（211）内的导电嵌入体（212），所述导电嵌入体（212）选自导电纤维、导电颗粒中的一种或多种。
3.根据权利要求1所述的针刺深度传感器，其特征在于：所述柔性导电层（21）为导电纺织品，所述导电纺织品为纤维经织造或非织造连接形成的层状材料；形成所述导电纺织品的纤维至少部分具有导电性。
4.根据权利要求1所述的针刺深度传感器，其特征在于：所述导电框架层（22）包括边框（221）和固定在所述边框（221）范围内的接触网（222）；所述边框（221）与所述接触网（222）电性导通，所述接触网（222）与所述柔性导电层（21）电性导通。
5.根据权利要求4所述的针刺深度传感器，其特征在于：在所述导电框架层（22）的紧邻所述柔性导电层（21）的一侧，所述边框（221）凸起于所述接触网（222），从而在被所述边框（221）围合的范围内形成凹陷的容纳区；所述柔性导电层（21）被夹在两侧的容纳区内。
6.根据权利要求1至5任一项所述的针刺深度传感器，其特征在于：还包括编码电路板（3），每一所述电极组件（2）均与所述编码电路板（3）电性连接；所述编码电路板（3）的检测端之间的至少一种电学参数随针刺至不同深度的电极组件（2）而改变。
7.根据权利要求6所述的针刺深度传感器，其特征在于：所述编码电路板（3）上设有至少一个电阻；间隔排列设置的多个电极组件（2）中相邻的两个之间均连接有电阻，间隔排列设置的多个电极组件（2）中位于两端的两个各自形成一个检测端；两检测端之间的电阻值随针刺至不同深度引起不同数量的电阻短路而改变。
8.根据权利要求6所述的针刺深度传感器，其特征在于：所述编码电路板（3）上设有至少一个电容；间隔排列设置的多个电极组件（2）中相邻的两个之间均连接有电容，间隔排列设置的多个电极组件（2）中位于两端的两个各自形成一个检测端；两检测端之间的电容值随针刺至不同深度引起不同数量的电容短路而改变。
9.针灸姿态检测系统，其特征在于：包括权利要求1至8任一项所述的针刺深度传感器和针灸训练针（5）；所述针灸训练针（5）端部设有角度检测元件，所述角度检测元件内置有角度检测模块（52）以检测针灸训练针（5）的针刺角度；所述针刺深度传感器检测所述针灸训练针（5）的针刺深度。
10.根据权利要求9所述的针灸姿态检测系统，其特征在于：所述针灸训练针（5）包括针本体（51）和设置在针本体（51）顶部的角度检测模块（52），所述角度检测模块（52）包括陀螺仪传感器、电源、无线充电接收单元和无线传输单元；所述陀螺仪传感器监测朝向角度数据，所述电源为所述陀螺仪传感器和所述无线传输单元供电，所述无线充电接收单元从外部无线充电发射单元接收能量对所述电源充电，所述无线传输单元输出所述陀螺仪传感器监测到的朝向角度数据。
11.一种针灸教学用具，其特征在于：包括模拟人体模型（6）和权利要求10所述的针灸姿态检测系统；所述模拟人体模型（6）表面具有模拟皮肤层（61），所述模拟皮肤层（61）具有弹性和可穿透性；在所述模拟皮肤层（61）下埋设有所述针刺深度传感器。
12.根据权利要求11所述的针灸教学用具，其特征在于：所述针灸姿态检测系统将所述陀螺仪传感器测得的数据经放大处理和无迹卡尔曼滤波处理后反馈输出。
13.根据权利要求11所述的针灸教学用具，其特征在于：所述针灸姿态检测系统将所述陀螺仪传感器测得的数据经放大处理和优化的无迹卡尔曼滤波处理后反馈输出；
