中醫(yī)針灸教學(xué)模型及仿真訓(xùn)練系統(tǒng)的研究進(jìn)展

闞紅星，高紅磊，陳光恩，高 勇

（安徽中醫(yī)藥大學(xué)醫(yī)藥信息工程學(xué)院，安徽省計算機(jī)中醫(yī)應(yīng)用研究所，合肥230012）

0 引言

在我國傳統(tǒng)中醫(yī)學(xué)中，針灸治療學(xué)占有非常重要的地位，且在過去很長的一段歷史中，針灸學(xué)術(shù)得到不斷傳承和發(fā)展。中醫(yī)針灸于2010 年11 月16 日被聯(lián)合國教科文組織批準(zhǔn)成為非物質(zhì)文化遺產(chǎn)[1]，這標(biāo)志著中醫(yī)針灸邁出了走出國門的第一步。

中醫(yī)針灸的學(xué)習(xí)是個漫長艱苦的求知過程。首先要閱讀大量相關(guān)針灸書籍，掌握相關(guān)系統(tǒng)的理論知識。針灸經(jīng)絡(luò)圖和針灸銅人模型的出現(xiàn)很大程度上緩解了學(xué)習(xí)者對腧穴定位、經(jīng)絡(luò)走向記憶理解的困難，大大地提高了教學(xué)和學(xué)習(xí)效率。中醫(yī)針灸手法的操作訓(xùn)練一直以來都是學(xué)習(xí)的重難點，因此從古至今出現(xiàn)了許多用于針灸手法和教學(xué)訓(xùn)練的模型和方法[2]。如何能更系統(tǒng)、高效地提高初學(xué)者的學(xué)習(xí)效率和訓(xùn)練其針灸手法，一直是學(xué)者研究的重點內(nèi)容。本文主要總結(jié)針灸教學(xué)過程中出現(xiàn)的模型和模擬訓(xùn)練的方法，以及新技術(shù)在中醫(yī)針灸教學(xué)訓(xùn)練方面的應(yīng)用，旨在為更多的研究學(xué)者設(shè)計和開發(fā)一個高度符合臨床教學(xué)需求的針灸仿真訓(xùn)練平臺提供參考依據(jù)。

1 傳統(tǒng)的針灸教學(xué)模型

1.1 針灸腧穴圖及銅人模型

現(xiàn)在存留的古代針灸圖多為腧穴圖，又稱《明堂圖》。唐代藥王孫思邈繪制的《明堂經(jīng)穴圖》，即《明堂三人圖》參考了官修的《明堂針灸圖》和甄權(quán)編撰的《明堂人形圖》[3-4]?！睹魈萌藞D》是現(xiàn)存最早的有文字記錄的彩色腧穴和經(jīng)絡(luò)圖，由仰人明堂圖（如圖1所示）[5]、側(cè)人明堂圖和背人明堂圖3 幅圖組成，對唐宋以后產(chǎn)生的明堂圖的演變產(chǎn)生了重要的影響。

圖1 孫思邈繪制的仰人明堂圖[5]

北宋針灸名醫(yī)王惟一設(shè)計、鑄造了歷史上第一個針灸銅人“天圣銅人”[6-7]。該銅人體型與正常成年男子相同，有14 條經(jīng)脈和657 個穴位標(biāo)注，每個穴位都是一個大小僅為一根銀針進(jìn)出的小孔。王惟一還編撰了《銅人腧穴針灸圖經(jīng)》一書配合銅人用以指導(dǎo)針灸的學(xué)習(xí)。銅人的創(chuàng)制和《銅人腧穴針灸圖經(jīng)》的編著是形象教學(xué)的啟蒙，強(qiáng)調(diào)“傳心豈如會目，著辭不若案形”，對針灸學(xué)的傳承和發(fā)展有著重大的貢獻(xiàn)[8]，由此開創(chuàng)了在銅人模型上進(jìn)行針灸手法考核的先河。雖“天圣銅人”不斷經(jīng)歷演變與發(fā)展，但與之相比，現(xiàn)代針灸模型的形態(tài)和功能并未發(fā)生太大改變（如圖2 所示）[9]，仍應(yīng)用于傳統(tǒng)針灸教學(xué)和考核中，并且一直發(fā)揮著重要的作用。

與《千金要方》和《千金翼方》中繪制的《明堂圖》和《明堂三人圖》相比，銅人模型可更加立體直觀地展現(xiàn)人體奇經(jīng)八脈的具體走向和腧穴的位置名稱，給空間想像能力較弱的學(xué)習(xí)者帶來很大的幫助。盡管銅人模型在傳統(tǒng)針灸中長期占據(jù)著重要的地位，但銅人模型也存在自身的缺點，比如對于未知穴位的查找較為困難等。

圖2 現(xiàn)代針灸銅人模型示意圖[9]

1.2 針灸手法訓(xùn)練模型

針灸手法是一名針灸大夫的基本功[10]，扎實熟練的手法對提高針灸的療效起著至關(guān)重要的作用。針灸手法訓(xùn)練需要練好指力和指感，這樣才能在辯證正確、取穴恰當(dāng)后下針得氣效果好。

陳耀南[11]認(rèn)為在傳統(tǒng)針灸訓(xùn)練的最初階段，應(yīng)先練習(xí)捻轉(zhuǎn)，再練提插?？捎妹藁ㄔ粋€小棉球，外用3 層紗布包裹，形如小燈籠[如圖3（a）所示]。朱安寧等[12]認(rèn)為針灸訓(xùn)練最重要的也是指力練習(xí)，可采用紙墊練習(xí)法[如圖3（b）所示]，將粗紙剪成手掌大小備用，30～50 頁不限，將粗紙上下貼緊用線包扎，練習(xí)時需要手腕懸空，以三指夾持針柄，進(jìn)針時手指捻轉(zhuǎn)，用力做回旋式，并行少許推進(jìn)之力，使針洞穿紙墊，且保持針身不彎曲。

圖3 傳統(tǒng)針灸指力和手法練習(xí)示意圖

針灸基本功練習(xí)一段時間后，才能在自己或者同伴的身上進(jìn)行簡單穴位的針刺練習(xí)[10，13]，體會在真實人體上行針的不同力度和感覺。毋庸置疑，在真實人體上的針灸訓(xùn)練才是提升針灸手法最好的方式，但對于一些特殊的穴位，一旦操作者出現(xiàn)穴位的誤取或錯誤的手法，會使患者受到傷害。

為了訓(xùn)練的安全性和提高訓(xùn)練效率，胡玲等[14]設(shè)計了人體特殊部位腧穴仿真針刺平臺，如圖4 所示。以醫(yī)用硅膠為材質(zhì)，制作人體特殊部位的模型，并用單片機(jī)設(shè)計電路系統(tǒng)，檢測毫針刺入穴位的深度，提醒操作者謹(jǐn)慎行針，從而提高學(xué)生的實際針刺操作技能。類似的仿真設(shè)計還有王云景等[15]設(shè)計的針灸訓(xùn)練模擬人，在傳統(tǒng)的醫(yī)用硅膠模型外層套上了一層仿真“肉皮”，用以增強(qiáng)真實感。此類設(shè)計雖能使學(xué)習(xí)者很好地掌握穴位定位等基本知識，在一定程度上輔助學(xué)習(xí)者進(jìn)行針刺訓(xùn)練，但對實際的進(jìn)針操作力度及入針角度等并無過多仿真訓(xùn)練。

圖4 胡玲等[14]設(shè)計的背部仿真針刺練習(xí)平臺

2 新技術(shù)下的針灸教學(xué)系統(tǒng)

傳統(tǒng)的中醫(yī)針灸教學(xué)存在內(nèi)容單調(diào)無趣、抽象、教學(xué)效果差的問題，如何提高針灸教學(xué)質(zhì)量是現(xiàn)在更多專家學(xué)者所研究的課題。羅文舒[16]在探索針灸實習(xí)教學(xué)的最佳模式時，認(rèn)為只有實現(xiàn)學(xué)生從被動到主動學(xué)習(xí)狀態(tài)的轉(zhuǎn)變，培養(yǎng)其實踐能力，充分挖掘?qū)W生的積極主動性，才能提高實習(xí)教學(xué)的質(zhì)量。促使研究者利用新技術(shù)，研制出更能適合臨床教學(xué)和提高學(xué)習(xí)興趣的仿真針灸系統(tǒng)，才能在一定程度上彌補(bǔ)傳統(tǒng)針灸教學(xué)存在的不足和弊端。計算機(jī)技術(shù)涵蓋多媒體、數(shù)據(jù)庫、圖像識別處理和虛擬仿真等技術(shù)，現(xiàn)已成為生活、學(xué)習(xí)中必不可少并發(fā)揮重要作用的科學(xué)技術(shù)，其在中醫(yī)針灸課程教學(xué)和模擬訓(xùn)練中得到越來越多的應(yīng)用[17]。

2.1 電子針灸經(jīng)絡(luò)腧穴學(xué)習(xí)系統(tǒng)

中醫(yī)經(jīng)絡(luò)腧穴掛圖是針灸學(xué)習(xí)記憶基本知識點最常用也是最為有效的教學(xué)用具之一，但傳統(tǒng)的經(jīng)絡(luò)腧穴掛圖存在諸多的問題，比如教學(xué)展現(xiàn)內(nèi)容較少，不能擴(kuò)展課程知識點和突出重點內(nèi)容，且容易破損，不便于穴位查找等。

于天源等[18]設(shè)計了中國針灸腧穴學(xué)多媒體數(shù)據(jù)庫檢索系統(tǒng)，該檢索系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫存儲了穴位的名稱、屬性、部位、主治疾病和醫(yī)學(xué)典籍來源等詳細(xì)信息，可提供多種檢索方法，并且以多媒體的方式展現(xiàn)穴位的肌肉圖、骨骼圖和取穴錄像等。該系統(tǒng)在方便初學(xué)者學(xué)習(xí)基本內(nèi)容的同時，也給研究學(xué)者在眾多醫(yī)學(xué)典籍中尋找規(guī)律性內(nèi)容提供了很大的便利。

毛燁[19]、譚紅春等[20]、張文元等[21]應(yīng)用OpenGL、Unity 等技術(shù)將人體三維模型可視化（如圖5 所示），結(jié)合數(shù)據(jù)庫技術(shù)構(gòu)建穴位知識體系，更為直觀形象地展示穴位信息以增強(qiáng)學(xué)生記憶，為輔助教學(xué)和演示提供了較大的幫助。

圖5 虛擬針灸仿真界面

辛思源等[22]提出的基于電子信息系統(tǒng)的中醫(yī)針灸電子腧穴掛圖將動態(tài)電子信息集成于靜態(tài)腧穴掛圖內(nèi)部，動靜結(jié)合，很好地彌補(bǔ)了傳統(tǒng)掛圖展現(xiàn)形式不夠生動形象的不足，增強(qiáng)了教學(xué)課程的直觀生動性，有利于學(xué)生對教學(xué)重點內(nèi)容的把握。其簡單實時的交互設(shè)計更加便于學(xué)生理解經(jīng)絡(luò)與腧穴的關(guān)系，加強(qiáng)對相關(guān)知識的掌握。另外，電子信息系統(tǒng)的使用使得針灸教學(xué)內(nèi)容更加豐富，可從網(wǎng)絡(luò)和數(shù)字圖書館等獲得更多的針灸信息資源。

白娟等[23]將易發(fā)生意外穴位的多層次解剖結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)和針灸腧穴知識融合到數(shù)字化可視人體模型中，在模型上以三維形象多方位、多層次、動態(tài)顯示針刺穴位時的進(jìn)針過程，可為中醫(yī)針灸等基礎(chǔ)臨床研究提供腧穴可視化的形態(tài)結(jié)構(gòu)，為建立一個具有真正客觀的電子解剖學(xué)手段的數(shù)字虛擬針灸人打下堅實基礎(chǔ)。

高學(xué)全等[24]應(yīng)用人體數(shù)字化數(shù)據(jù)建立了數(shù)字人體穴位系統(tǒng)（如圖6 所示），同樣取得了不錯的教學(xué)效果。該系統(tǒng)以三維數(shù)字化的方式展現(xiàn)人體結(jié)構(gòu)。除了用體表定位腧穴外，同時可以顯示該穴位下的解剖層次以輔助穴位的定位，可使學(xué)生更加清晰掌握針灸特殊穴位的注意事項。該系統(tǒng)開創(chuàng)了一門新科學(xué)——數(shù)字腧穴學(xué)，用來精確表達(dá)穴位，豐富了教學(xué)方法，提高了教學(xué)效率，在臨床教學(xué)中具有較強(qiáng)的實用性。

圖6 高學(xué)全等[24]設(shè)計的數(shù)字人體穴位系統(tǒng)

2.2 基于硬件設(shè)備的虛擬針灸訓(xùn)練系統(tǒng)

為了增強(qiáng)臨場感，使學(xué)生沉浸于針灸模擬訓(xùn)練學(xué)習(xí)的環(huán)境中，提高自主學(xué)習(xí)的興趣，張毅[25]基于數(shù)據(jù)手套設(shè)計了針灸仿真系統(tǒng)，如圖7 所示。該系統(tǒng)通過對手指各個關(guān)節(jié)的空間定位確定手指在三維空間中的位置，與計算機(jī)中的虛擬銀針產(chǎn)生交互，使用者控制其移動，移動到穴位便可進(jìn)行識記。通過測試，使用該系統(tǒng)學(xué)習(xí)大大提高了學(xué)生對穴位的記憶和掌握的正確度。但該系統(tǒng)使用的數(shù)據(jù)手套并不具有力反饋功能。中醫(yī)針灸的學(xué)習(xí)更重要的是操作手法，手套控制的虛擬銀針與人體的交互缺乏最為重要的力反饋的觸覺，而真實的針灸銀針刺破皮膚和刺入組織會給予操作者不同的反饋力度，所以越來越多的專家學(xué)者開始借助力反饋儀開發(fā)、設(shè)計虛擬針灸系統(tǒng)。

圖7 基于數(shù)字手套的針灸仿真系統(tǒng)[25]

Heng 等[26]研發(fā)了一套中醫(yī)針灸學(xué)習(xí)和訓(xùn)練仿真系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有觸感反饋、視覺反饋以及針灸基礎(chǔ)內(nèi)容學(xué)習(xí)的功能。其中視覺反饋由計算機(jī)實時顯示針刺過程和人體組織變形，通過Phantom Desktop 力反饋儀提供實時的力反饋信息。這種仿真學(xué)習(xí)訓(xùn)練方式大大增強(qiáng)了真實感，使得學(xué)生有了針刺真實人體穴位的感覺，而不僅僅是只能看到“患者”，基本達(dá)到了仿真訓(xùn)練的要求。但是該系統(tǒng)沒有對穴位建立生物力學(xué)數(shù)據(jù)庫，不能對操作者的力度大小進(jìn)行正確的判斷。

姜雨晨等[27]基于Voxel-Men 虛擬人體開發(fā)平臺設(shè)計了虛擬針刺人機(jī)互動操作系統(tǒng)。首先由針灸專家對50 名志愿者的特定穴位進(jìn)行針刺，利用力反饋儀采集得氣時的進(jìn)針位移、速度、力度反饋曲線等不同數(shù)據(jù)，建立針刺人體軟組織時的生物力學(xué)數(shù)據(jù)庫，作為仿真訓(xùn)練的標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)。然后基于圖像分割建立人體組織力學(xué)模型，設(shè)計力反饋系統(tǒng)，通過力反饋儀真實地傳遞給操作者。當(dāng)針刺不同的組織區(qū)域時，反饋給操作者不同的感受，并結(jié)合虛擬畫面增強(qiáng)了真實感。

蔣崢崢等[28]基于2 臺Phantom Desktop 力反饋儀設(shè)計了面向遠(yuǎn)程觸覺協(xié)作的虛擬針灸系統(tǒng)（如圖8所示），2 臺力反饋儀通過數(shù)據(jù)控制器完成數(shù)據(jù)的實時網(wǎng)絡(luò)傳遞，教師可以實時糾正學(xué)生的錯誤手法，大大提高了學(xué)生掌握手法技能的效率，真正實現(xiàn)了教師可以“手把手”傳授針刺手法的教學(xué)。但該設(shè)計并未考慮到對教師針刺手法數(shù)據(jù)的記錄，倘若以此建立針刺手法的數(shù)據(jù)庫，一來可以解決針灸的定量化和標(biāo)準(zhǔn)化，二來可以采集、保存針灸大師的手法數(shù)據(jù)，對針灸手法的傳承具有重大意義。

針刺的手法除了提插還包括捻轉(zhuǎn)毫針的操作，而絕大多數(shù)系統(tǒng)使用的力反饋儀只能提供3 個自由度的力反饋，因此以上3 個針刺手法仿真系統(tǒng)仍不夠完善。盡管某些型號的力反饋儀可以實現(xiàn)6 個自由度的力反饋[29]，但是由于其屬于高精度設(shè)備，易于損壞，且價格昂貴，還是不能滿足針灸教學(xué)訓(xùn)練的要求。

圖8 蔣崢崢等[28]設(shè)計的面向遠(yuǎn)程觸覺協(xié)作的虛擬針灸系統(tǒng)

3 結(jié)語

目前已經(jīng)出現(xiàn)了各種形式的針灸教學(xué)模型和仿真訓(xùn)練系統(tǒng)，雖然具有各自的設(shè)計優(yōu)勢和不錯的模擬教學(xué)效果，但卻存在一定的不足?，F(xiàn)有的教學(xué)模型和仿真訓(xùn)練系統(tǒng)無法滿足臨床教學(xué)需求，其最根本的原因是針刺手法和力度的仿真訓(xùn)練無法完全滿足實際臨床需求，并且仿真系統(tǒng)無法同時滿足“增強(qiáng)真實沉浸感”。而一個高度符合臨床教學(xué)需求的針灸仿真訓(xùn)練平臺應(yīng)該具有滿足教學(xué)和學(xué)習(xí)功能、增加交互性、可以訓(xùn)練針灸手法和增強(qiáng)沉浸感4 個特征：（1）具有經(jīng)絡(luò)腧穴和基本針灸理論內(nèi)容學(xué)習(xí)的功能，加強(qiáng)使用者對針灸經(jīng)絡(luò)穴位的理解記憶和掌握；（2）具有較強(qiáng)的交互性，增強(qiáng)學(xué)生興趣，從而提高教學(xué)效率和質(zhì)量；（3）兼顧到針刺手法和力度訓(xùn)練，提升學(xué)生的實際操作能力；（4）增強(qiáng)真實沉浸感，努力實現(xiàn)學(xué)生不僅可以“看”到“患者”，還可以“觸碰”到“患者”。相信隨著具有觸覺反饋的硬件設(shè)備的發(fā)展和研究的繼續(xù)深入，一定能夠克服目前針灸仿真訓(xùn)練平臺存在的關(guān)鍵技術(shù)難點，找到較好的解決方案，更好地應(yīng)用于臨床教學(xué)，從而促進(jìn)中醫(yī)針灸學(xué)向更高階段發(fā)展。