基于三維動(dòng)畫的脈象可視化教學(xué)研究※

鐘天宇 宋丹丹 高 山 甘沛敏 劉錦鴻 石 皓 王 靜

（南方醫(yī)科大學(xué)中醫(yī)藥學(xué)院，廣東 廣州 510515）

脈診教學(xué)歷來是中醫(yī)教學(xué)的難點(diǎn)之一，其難點(diǎn)在于脈象的深?yuàn)W和抽象，無論是課堂講授或臨床實(shí)踐均無法闡述和辨別不同的脈象，這就給脈診的教與學(xué)帶來困難。目前，隨著信息化、網(wǎng)絡(luò)化時(shí)代的到來，信息化教育開始在教育行業(yè)中普及。在脈診的信息化教學(xué)上，不斷涌現(xiàn)出各種現(xiàn)代技術(shù)產(chǎn)品，如脈波圖、脈象的Flash動(dòng)畫等。但是，這些脈象可視化的產(chǎn)品多是二維的，只能從一個(gè)平面的層次上去展示，且多以圓的運(yùn)動(dòng)或線的變形為展現(xiàn)形式，不能體現(xiàn)脈象的立體感和變化感。

本文基于3D動(dòng)畫的制作原理，應(yīng)用3ds Max、Photoshop、Unity軟件制作常見脈象的3D動(dòng)畫圖，這不僅使中醫(yī)脈象具體化、立體化，也為脈診的教學(xué)與研究提供一個(gè)全新的思路。

1 內(nèi)容與方法

1.1 研究目標(biāo) 應(yīng)用3D動(dòng)畫技術(shù)展現(xiàn)常見的中醫(yī)脈象，輔助以脈波圖動(dòng)畫和文字介紹，制作手機(jī)版本程序和電腦版本的程序，讓學(xué)生和教師都可使用，提高脈診教與學(xué)的效果。

1.2 研究內(nèi)容 根據(jù)古今文獻(xiàn)中脈象特征的記載，明確常見脈象的八個(gè)要素（脈位、脈寬、脈長、脈率、脈力、緊張度、流利度、均勻度）特征，應(yīng)用 3D動(dòng)畫技術(shù)制作常見脈象的3D動(dòng)畫，并將其應(yīng)用于理論教學(xué)中。

1.3 研究方法 明確常見脈象（浮、沉、弦、濡、遲、數(shù)、促、結(jié)、代、滑、弦）的脈象特征［1-3］，區(qū)分其脈象要素。（2）制作常見脈象的3D動(dòng)畫。本文使用軟件及版本：3ds Max 2012； Unity 2017.2.0f3； Photoshop cs5。（3）導(dǎo)出為手機(jī)程序和電腦程序并應(yīng)用于教學(xué)實(shí)踐，并及時(shí)獲取反饋意見，使其不斷地修改完善。授課對(duì)象：中醫(yī)、中西醫(yī)臨床、針推專業(yè)的本科生。

附1：脈象3D動(dòng)畫制作方法：

①“3dsmax”建模：3ds Max是專業(yè)的三維動(dòng)畫制作軟件，提供了全面的 3D模型制作和動(dòng)畫制作功能，可以靈活地制作出需要的效果。筆者主要使用此軟件的三個(gè)功能：建模、變形器、曲線編輯器。

本研究首先應(yīng)用該軟件制作一個(gè)管狀體3D模型，以管狀作為起始形態(tài)，再通過局部放大和移動(dòng)的方式，制作脈搏膨脹和按壓的形態(tài)，作為終末形態(tài)。然后通過“變形器”功能分別制作從起始形態(tài)過渡到終末形態(tài)的動(dòng)畫 （見圖1～3）。

圖1 管狀體的正常形態(tài)

圖2 管狀體的膨脹形態(tài)

圖3 管狀體的按壓形態(tài)

②“3dsmax”變形器［4］：變形器可以讓一個(gè)物體的形態(tài)過渡到另外一個(gè)形態(tài)，也可以制作多因素影響下的變形。本研究在建模后的三種狀態(tài)（圖 1～3） 基礎(chǔ)上，利用“變形器”功能，讓普通形態(tài)的管狀體，朝著膨脹、按壓等形態(tài)進(jìn)行變形，其受到影響的程度則通過“形變值”來控制。如圖 4～6，管狀體在不同“形變值”的影響下，有不同程度的膨脹。

圖4 “形變值”為0%

圖5 “形變值”為50%

圖6 “形變值”為100%

③“3dsmax”關(guān)鍵幀、曲線編輯器［5］：關(guān)鍵幀是動(dòng)畫領(lǐng)域常用的一個(gè)概念，指針對(duì)某個(gè)參數(shù)，設(shè)定好起點(diǎn)的時(shí)間、數(shù)值以及終點(diǎn)的時(shí)間、數(shù)值，程序會(huì)自動(dòng)生成在這兩個(gè)時(shí)間點(diǎn)之間的參數(shù)變化，每一個(gè)時(shí)間點(diǎn)及其包含的數(shù)值信息，則被稱為一個(gè)關(guān)鍵幀，可理解為數(shù)學(xué)上的y=f(x)。這兩個(gè)關(guān)鍵幀之間將自動(dòng)生成一個(gè)函數(shù)關(guān)系，可以是線性關(guān)系，也可以是非線性關(guān)系。曲線編輯器則是3dsmax處理關(guān)鍵幀的一個(gè)重要功能，可以編輯多個(gè)關(guān)鍵幀所組成的函數(shù)曲線圖（見圖 7～8）。本研究按照脈波圖［2］來編輯“曲線編輯器”里的曲線，使管狀體搏動(dòng)的變化符合脈波圖特征，達(dá)到使脈波圖3D化的效果。

圖7 平脈脈波圖

圖8 “曲線編輯器”中的曲線圖

圖9 平脈脈波圖2D動(dòng)畫圖

④“Photoshop”制作脈波圖2D動(dòng)畫：脈波圖主要表述脈動(dòng)應(yīng)指的形態(tài)，即在一定的取脈壓力下，指感隨時(shí)間變化的特征。由主波、重搏前波、和重搏波3個(gè)波峰組成?？煞从趁}象的緊張度、流利度、均勻度等［1］。本研究使用Photoshop將脈波圖制作為2D動(dòng)畫（其動(dòng)態(tài)效果類似于心電圖），讓學(xué)生們可以據(jù)此想象指感變化，進(jìn)一步理解脈搏特征。

以平脈脈波圖為例，制作脈波圖的2D動(dòng)畫，其視覺效果見圖9。

⑤“Unity”整合資源［6］：本研究使用Unity對(duì)以上各種素材進(jìn)行整合，并創(chuàng)建用戶界面來對(duì)3D動(dòng)畫、脈波圖2D動(dòng)畫和文字介紹進(jìn)行控制。其中脈象的3D動(dòng)畫圖體現(xiàn)了以下屬性：脈位、緊張度、脈率、脈律、流利度。

Ⅰ脈位異常：脈位異常的相對(duì)脈是浮脈和沉脈。在Unity里創(chuàng)建一個(gè)長方體，并處理為扁平狀態(tài)，代表脈管上的皮膚。并在 Unity里通過控制脈管和皮膚的距離來表現(xiàn)脈位，距離較近的為浮脈，距離較遠(yuǎn)的為沉脈。見圖10～12。

圖10 正常脈位

圖11 浮脈的脈位圖

圖12 沉脈的脈位圖

Ⅱ緊張度異常：緊張度異常的相對(duì)脈是弦脈和濡脈。本研究一是依照脈波圖制作脈搏動(dòng)畫，二是制作按壓的動(dòng)畫：弦脈和濡脈的脈象特點(diǎn)主要表現(xiàn)在脈管的硬軟，其中弦脈脈管較硬，濡脈脈管較軟。從3D動(dòng)畫顯示效果看，按壓部位凹陷較淺者為弦脈，較深者為濡脈（見圖13～14）。再結(jié)合前文提到的曲線編輯器技術(shù)，做出向下按壓后彈起的效果。

圖13 弦脈

圖14 濡脈

Ⅲ 脈率和脈律異常：使用 Unit y的 Animation和Animator功能同步控制3D動(dòng)畫和2D動(dòng)畫的播放速度。脈率異常的相對(duì)脈是遲脈和數(shù)脈，通過改變Animator里的速度值來控制脈搏的速度。脈律異常的相對(duì)脈是促脈、結(jié)脈和代脈，通過對(duì)Animator里的速度值設(shè)置關(guān)鍵幀，產(chǎn)生在一段時(shí)間內(nèi)速度變化的效果，甚至可以在某個(gè)時(shí)間點(diǎn)上把速度設(shè)置為0，產(chǎn)生暫停的效果，以此達(dá)到脈搏節(jié)律不齊的效果。

Ⅳ流利度異常：結(jié)合3DSMAX的“曲線編輯器”和脈波圖制作，前文已敘述，此處不再贅述。

附2“Unity”用戶界面制作［6］

①用戶界面主要按鈕：用Unity自帶的UGUI系統(tǒng)，制作了兩級(jí)菜單來選擇異常脈象的分類和具體脈象名，以及文字介紹和脈波圖切換的功能。如圖15，“緊張度異?！碧帪橐患?jí)菜單，點(diǎn)擊小箭頭，會(huì)出現(xiàn)“脈率異常”、“脈律異?！钡阮愋?，選擇不同的類型，可以調(diào)出不同的二級(jí)菜單。“弦脈”處為二級(jí)菜單，點(diǎn)擊小箭頭，會(huì)出現(xiàn)“濡脈”的選項(xiàng)?！懊}波圖”處可以選擇“脈波圖”和“文字介紹”，可以選擇展示脈波圖動(dòng)畫或者文字介紹的模塊。此外，針對(duì)弦脈和濡脈的按壓效果，在“展示脈搏”處筆者制作了脈搏動(dòng)畫和按壓動(dòng)畫的切換功能。

圖15 主要按鈕

②“Unity”3D動(dòng)畫播放管理［6］：本研究共制作了12個(gè)脈象的3D動(dòng)畫、文字介紹、脈波圖動(dòng)畫，并使用U-nity的Animator系統(tǒng)和代碼，通過控制編號(hào)的方式來系統(tǒng)控制每個(gè)素材，使某個(gè)脈象的 3D動(dòng)畫、文字介紹和脈波圖動(dòng)畫能同步地呈現(xiàn)給學(xué)生和老師。

2 研究結(jié)果

2.1 12個(gè)常見脈象的特征和3D效果如下 本程序的主要內(nèi)容為動(dòng)畫，無法靜態(tài)展示，在此僅僅介紹各種脈象的程序截圖。相關(guān)文字描述參考各版本《中醫(yī)診斷學(xué)》［2-3，5］。

（1）平脈：一息四、五至，相當(dāng)于 70～80次/分；不浮不沉，不大不小，從容和緩，流利有力；寸、關(guān)、尺三部均觸及，沉取不絕。脈波圖中脈形和緩從容，呈現(xiàn)三峰波；脈率中等；大小、節(jié)律均勻。見圖16。

（2）浮脈與沉脈：浮脈：輕按即得，重按反減；舉之有余，按之不足。脈搏顯現(xiàn)的部位較淺。脈形、脈率不拘。見圖 17。沉脈：輕取不應(yīng)，重按始得；舉之不足，按之有余。脈搏顯現(xiàn)的部位較深。脈形、脈率不拘。見圖 18。

（3）弦脈與濡脈：弦脈：端直以長，如按琴弦。切脈應(yīng)指有挺直和勁急感，故曰“從中直過”、“挺然于指下”。脈形呈寬大主波，波谷抬高。見圖 19。濡脈：浮而細(xì)軟，應(yīng)指少力，如絮浮水，輕手相得，重按不顯，又稱軟脈。脈形呈三峰或雙峰，升降和緩。見圖20。按壓效果見圖 23和圖 24。

圖16 平脈

圖17 浮脈

圖18 沉脈

圖19 弦脈

圖20 濡脈

圖21 滑脈

圖22 澀脈

圖23 弦脈（按壓效果）

圖24 濡脈（按壓效果）

（4）滑脈與澀脈：滑脈：往來流利，如盤走珠，應(yīng)指圓滑。見圖21。澀脈形細(xì)而行遲，往來艱澀不暢，脈律與脈力不勻，應(yīng)指如輕刀刮竹。故可理解為不流利脈。脈形艱澀，節(jié)律不勻。見圖22。2.2教學(xué)效果 通過對(duì)脈波圖等脈象要素的研究，筆者使用3dsmax和Unity建立了一個(gè)脈象教學(xué)程序。此程序整合了脈象教學(xué)11個(gè)常見脈象的3D動(dòng)畫、脈波圖動(dòng)畫和文字介紹，并通過菜單進(jìn)行靈活的管理。不僅能展示脈位、脈率、脈律等較為直觀的要素，也能展示緊張度、流利度等較為抽象的要素。這套系統(tǒng)能以更直觀更全面的方式進(jìn)行脈診教學(xué)。在教學(xué)實(shí)踐中，學(xué)生們普遍反映此程序展示效果很好，不僅能展示3D動(dòng)畫，也能讓學(xué)生們結(jié)合2D動(dòng)畫、文字介紹等輔助記憶脈象特征。此外，本程序?qū)С隽耸謾C(jī)版本，可隨時(shí)隨地學(xué)習(xí)，深受學(xué)生認(rèn)可。

3 討論

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，高等教育領(lǐng)域已經(jīng)開始將圖像化、可視化的技術(shù)引入課堂，大大提高教學(xué)效率。而這類技術(shù)在中醫(yī)教學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用較少。本文主要介紹了一個(gè)脈象展示軟件的制作過程，此款軟件不僅很好地輔助脈診教學(xué)，而且其所展示的脈象具有三維效果，較為貼近實(shí)際，且操作簡單、并能在電腦和手機(jī)上運(yùn)行，這些特點(diǎn)使學(xué)生學(xué)習(xí)脈診的積極性提高，興趣增加，從而提高脈診的教學(xué)效果。與此同時(shí)，該教學(xué)嘗試亦為計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)應(yīng)用于中醫(yī)領(lǐng)域提供一個(gè)新的思路。但是，由于目前尚缺少脈象的客觀描述資料，故該軟件還需要不斷完善。