移動(dòng)端針灸學(xué)習(xí)軟件分析與設(shè)計(jì)*

王 嘉 張 季 劉春飛 蘇璐萍 何佳怡

(南京中醫(yī)藥大學(xué)信息技術(shù)學(xué)院 南京 210023)

1 引言

針灸是根據(jù)臟腑、陰陽、經(jīng)絡(luò)理論，通過針刺或火灸人體穴位的方法用以治療疾病。經(jīng)絡(luò)是經(jīng)脈和絡(luò)脈的總稱[1]。其中經(jīng)脈深而在里，為經(jīng)絡(luò)系統(tǒng)的主干；絡(luò)脈浮在表且難以計(jì)數(shù)，為經(jīng)脈別行的分支。腧穴是人體臟腑經(jīng)絡(luò)之氣輸注于體表的特殊部位，針刺腧穴后，通過疏通經(jīng)脈、通調(diào)氣血，從而治療疾病。針灸是我國少數(shù)擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的自然科學(xué)領(lǐng)域之一，也是中醫(yī)學(xué)在國際化標(biāo)準(zhǔn)方面最有發(fā)言權(quán)的領(lǐng)域之一，其標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程有助于中醫(yī)針灸傳統(tǒng)理論得到國際社會的廣泛認(rèn)可[2]。

目前，教學(xué)傳播與傳承針對不同應(yīng)用終端開發(fā)的經(jīng)絡(luò)腧穴教學(xué)軟件種類繁多，如以視頻資料為主要表現(xiàn)形式的PC端應(yīng)用平臺“靈樞針灸”等，或以靜態(tài)圖像為信息載體的手機(jī)端應(yīng)用程序“中國中醫(yī)針灸”、“灸大夫經(jīng)絡(luò)穴位圖解”等，其內(nèi)容層次不齊、數(shù)據(jù)表現(xiàn)形式多樣。但這些軟件展現(xiàn)方式無一不受到硬件發(fā)展的制約，只能顯示二維層面的信息，無法實(shí)現(xiàn)經(jīng)絡(luò)腧穴三維定位的需求。

2 Unity3D技術(shù)及其在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用

Unity3D是UnityTechnologies公司開發(fā)的一款強(qiáng)大的集成游戲編輯器，相當(dāng)于一個(gè)二次開發(fā)引擎，可以通過用戶界面的簡單操作迅速高效地創(chuàng)建對象、導(dǎo)入外部資源，也可以通過簡單的拖放動(dòng)作實(shí)現(xiàn)為變量賦值，連接腳本等操作[3-4]。自美國提出“可視化人體計(jì)劃”(Visible Human Project，VHP)以來，數(shù)字化虛擬人體研究發(fā)展迅速。20世紀(jì)90年代，高仿真模擬系統(tǒng)開始逐漸進(jìn)入醫(yī)學(xué)教育領(lǐng)域，通過對患者以及醫(yī)學(xué)場景的高度模擬，醫(yī)學(xué)生在“真實(shí)”場景下對患者進(jìn)行模擬治療。我國于2001年第 174次香山科學(xué)會議上提出數(shù)字化虛擬人體研究，為醫(yī)學(xué)及多學(xué)科的研究和應(yīng)用提供一個(gè)嶄新的技術(shù)研究平臺[5]。目前，有學(xué)者將三維可視化技術(shù)、Unity3D平臺及虛擬現(xiàn)實(shí)等技術(shù)應(yīng)用于設(shè)計(jì)針灸模型及針灸虛擬教學(xué)中，實(shí)現(xiàn)針灸教學(xué)從紙面走向三維空間的巨大進(jìn)步[6-8]。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)及特色

3.1 構(gòu)建適用于移動(dòng)端的三維可視化應(yīng)用程序

用于針灸學(xué)專業(yè)的輔助學(xué)習(xí)系統(tǒng)，在此基礎(chǔ)上可進(jìn)一步拓展嵌入式設(shè)備，從而應(yīng)用到專業(yè)診斷、家庭保健等領(lǐng)域。該系統(tǒng)集計(jì)算機(jī)、電子控制技術(shù)、腧穴理論為一體，實(shí)現(xiàn)聲音、圖像、動(dòng)畫以及人體模型同步展示經(jīng)絡(luò)腧穴信息，可展示十二經(jīng)脈循環(huán)流注、經(jīng)脈相應(yīng)表里從屬關(guān)系、特定穴的分布等。通過解剖三維模型表層、淺層、深層穴位的配合可為相關(guān)理論的提升帶來豐富的內(nèi)容[9]，成為現(xiàn)代中醫(yī)針灸技術(shù)推廣普及的高效手段。

3.2 利用網(wǎng)絡(luò)嵌入式技術(shù)實(shí)現(xiàn)與人體組織仿真模型的信息交互

通過對人體組織仿真，開發(fā)具有一定觸摸感和針刺感的仿真人體模型，設(shè)置穴位點(diǎn)、經(jīng)絡(luò)線路等，利用智能硬件開發(fā)板(如Ardiuno)，結(jié)合仿真人體模型進(jìn)行智能化改造。同時(shí)在人體組織仿真模型中嵌入藍(lán)牙模塊，通過藍(lán)牙通訊與手機(jī)的移動(dòng)端實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)交互，將傳統(tǒng)教具與三維虛擬現(xiàn)實(shí)、嵌入式相結(jié)合，使教學(xué)內(nèi)容更加豐富、生動(dòng)，使教學(xué)工作更加輕松。

4 移動(dòng)端針灸學(xué)習(xí)軟件與腧穴模型

4.1 概述

本研究以中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)《腧穴名稱與定位》[3]為依據(jù)，基于Unity3D技術(shù)開發(fā)與用戶交互性良好的移動(dòng)端應(yīng)用軟件，通過接收用戶指令，展示經(jīng)穴體表定位、剖面進(jìn)針、刺灸注意事項(xiàng)等相關(guān)信息。經(jīng)脈在體內(nèi)的循行路線和重點(diǎn)穴位的定位則需要借助某些相應(yīng)的體表解剖標(biāo)志才能確定。如手太陰肺經(jīng)，其經(jīng)脈循行“起于中焦，下絡(luò)大腸，還循胃口，上嗝屬肺”。故3D腧穴解剖模型在設(shè)計(jì)時(shí)需與本經(jīng)循行路線上重要的體表解剖標(biāo)志如“寸口”、“橈骨莖突”等結(jié)合，然后進(jìn)行相應(yīng)的3D呈現(xiàn)。在腧穴模型的設(shè)計(jì)方面，以手臂上的“尺澤穴”、“太淵穴”為例對解剖定位、剖面進(jìn)針、操作要點(diǎn)及功能主治等進(jìn)行簡要說明。

4.2 尺澤穴模型

4.3 太淵穴模型

4.4 建立腧穴模型信息數(shù)據(jù)庫

在建立腧穴模型信息數(shù)據(jù)時(shí)需要存儲、賦值每個(gè)信息的解剖定位、剖面進(jìn)針、操作要點(diǎn)及功能主治等方面的屬性信息。結(jié)構(gòu)化查詢語言(Structured Query Language,SQL)功能強(qiáng)大、簡單易學(xué)、使用方便，支持 Windows/Linux/Unix等主流的操作系統(tǒng)。采用SQL數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，將人體經(jīng)脈腧穴信息導(dǎo)入后，常見病的辨證施治、隨診選穴的查詢及處方輸出都極為方便，可滿足腧穴模型軟件前瞻性發(fā)展。在此步驟之前，需要根據(jù)整理的中醫(yī)知識建立數(shù)據(jù)庫文件Acupoints.db，將此文件放在Unity3d項(xiàng)目之中。在數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)方面，可將穴位這個(gè)實(shí)體對象及其屬性存儲在數(shù)據(jù)庫文件中。將穴位的標(biāo)準(zhǔn)化編碼、穴位名稱、所屬經(jīng)脈、入針要點(diǎn)、入針時(shí)經(jīng)過的組織、穴位位置、穴位主治等屬性存儲在數(shù)據(jù)庫文件Acupoint中；將對應(yīng)穴位攝像機(jī)的位置、角度屬性存儲在數(shù)據(jù)庫文件Acupoint_position中。腧穴基本信息數(shù)據(jù)表結(jié)構(gòu),見表1。

表1 腧穴基本信息數(shù)據(jù)表結(jié)構(gòu)

當(dāng)使用數(shù)據(jù)庫查詢數(shù)據(jù)的量較大時(shí)查詢動(dòng)作會給服務(wù)器造成負(fù)擔(dān)，故查詢大量數(shù)據(jù)時(shí)如果表的數(shù)據(jù)量過大，需要制定一個(gè)條件，可以有效避免返回的信息量太多。使用數(shù)據(jù)庫時(shí)按照如下流程調(diào)用：首先確定數(shù)據(jù)庫文件位置，然后打開數(shù)據(jù)庫連接，從數(shù)據(jù)庫中讀取數(shù)據(jù)操作：SqliteDataReader reader = dbcmd.ExecuteReader()。利用reader.GetString();在括號中輸入目標(biāo)數(shù)據(jù)所在的列數(shù)就可以讀取規(guī)定位置的數(shù)據(jù)。最后關(guān)閉數(shù)據(jù)庫連接：dbconn.Close();reader.Close()。數(shù)據(jù)流,見圖1。

圖1 數(shù)據(jù)流

4.5 移動(dòng)端針灸學(xué)習(xí)軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

在前期數(shù)據(jù)準(zhǔn)備階段，通過咨詢相關(guān)專家以及查找中外相關(guān)文獻(xiàn)，整理專業(yè)數(shù)據(jù)。首先，將腧穴理論、經(jīng)絡(luò)組成、循經(jīng)流注3方面經(jīng)絡(luò)腧穴的標(biāo)準(zhǔn)化知識進(jìn)行整合，其次，數(shù)字化三維人體模型需收集視頻動(dòng)畫數(shù)據(jù)和模型紋理數(shù)據(jù)，完成后連同腧穴經(jīng)絡(luò)信息數(shù)據(jù)一起上傳儲存于數(shù)據(jù)庫中，以便后期數(shù)據(jù)的傳輸、調(diào)用和控制。設(shè)計(jì)人體組織仿真模型硬件，應(yīng)用于移動(dòng)端，三維人體經(jīng)絡(luò)腧穴針灸模型具有腧穴顯示、腧穴記憶、經(jīng)絡(luò)學(xué)習(xí)3種功能。Unity3D平臺搭建虛擬人體模型交互軟件系統(tǒng)，融合嵌入式技術(shù)及數(shù)據(jù)傳輸、調(diào)用、控制技術(shù)，與智慧型移動(dòng)端軟件實(shí)時(shí)信息交互，可實(shí)現(xiàn)形象化、主體化和動(dòng)態(tài)化針灸課程教學(xué)。具有常見病針灸治療辨證施治、隨證選穴、處方輸出等功能，滿足穴位、經(jīng)脈循環(huán)顯示以及穴位、經(jīng)絡(luò)查詢等功能，不僅可用于教學(xué)，還可用于家庭保健、疾病預(yù)防、輔助治療、慢病康復(fù)等。同時(shí)配合智能配穴算法、即可得到一個(gè)人體組織仿真模型。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的技術(shù)方案，見圖2。

圖2 設(shè)計(jì)方案

5 結(jié)語

經(jīng)絡(luò)腧穴理論與移動(dòng)端三維可視化技術(shù)相結(jié)合，改變原有二維平面經(jīng)脈循行的抽象與枯燥，增加腧穴教學(xué)的直觀性、生動(dòng)性、趣味性。隨著3D技術(shù)的飛速發(fā)展及在各個(gè)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，其交互性、沉浸性及構(gòu)想性的優(yōu)點(diǎn)在各種領(lǐng)域尤其是醫(yī)學(xué)領(lǐng)域有著極大優(yōu)勢。本系統(tǒng)的交互性主要表現(xiàn)在醫(yī)療模擬，加強(qiáng)人機(jī)互動(dòng)感，可以實(shí)現(xiàn)各類醫(yī)療迷你器械操作；沉浸性則主要表現(xiàn)在學(xué)習(xí)過程中使操作者有種身臨其境操作的感覺；而軟件與硬件相結(jié)合構(gòu)建不同的應(yīng)用方式，打造出豐富多彩的教學(xué)效果，是構(gòu)想性的集中體現(xiàn)。

人體經(jīng)絡(luò)腧穴Unity3D模型符合新時(shí)代探索性、創(chuàng)新性醫(yī)學(xué)教育理念的需求，該系統(tǒng)集科學(xué)性、先進(jìn)性、實(shí)用性于一體，在針灸醫(yī)學(xué)教學(xué)領(lǐng)域具有探索、引領(lǐng)作用，同時(shí)為針灸教學(xué)向虛擬現(xiàn)實(shí)信息化教學(xué)轉(zhuǎn)變做出貢獻(xiàn)，值得推廣應(yīng)用。