張 季，張宏如，董海艷，王瑞娟

南京中醫(yī)藥大學(xué):1信息技術(shù)學(xué)院;2第二臨床學(xué)院，南京 210046

醫(yī)學(xué)院校學(xué)生專業(yè)技能的培養(yǎng)，不僅關(guān)系到學(xué)校自身教育的成敗，更為社會(huì)醫(yī)療水平的發(fā)展筑建基礎(chǔ)。良好專業(yè)技能培養(yǎng)的主客觀要素很多，其中同等主觀條件下若能較好地運(yùn)用教學(xué)輔助工具可取得事半功倍的教學(xué)效果。

針灸學(xué)作為中醫(yī)藥精髓的重要組成部分，是中醫(yī)藥教學(xué)領(lǐng)域的基礎(chǔ)，其教學(xué)內(nèi)容主要包括腧穴基礎(chǔ)理論、實(shí)踐操作技能及臨床綜合應(yīng)用，等，知識(shí)點(diǎn)眾多、實(shí)踐性較強(qiáng)，尤其是腧穴的定位及其主治癥候，枯燥乏味，極大程度地考驗(yàn)教師的教學(xué)方法設(shè)計(jì)能力及學(xué)生的記憶能力，成為針灸學(xué)教學(xué)重點(diǎn)中的難點(diǎn)。同時(shí)，傳統(tǒng)的人體二維平面圖腧穴定位不夠直觀，相關(guān)教學(xué)信息也無法直接從平面圖上獲取，教師上課教學(xué)效果受其約束，使學(xué)生所見與實(shí)際教學(xué)內(nèi)容可能會(huì)產(chǎn)生偏差，不能滿足學(xué)生的學(xué)習(xí)需求［1］。

隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域內(nèi)應(yīng)用的逐漸深入，以及科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和課程改革的要求，高等教育專業(yè)課程教學(xué)中也越來越多地運(yùn)用了可交互的三維模型［2］。三維立體模型本身是利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)、創(chuàng)作與制作，產(chǎn)生真實(shí)的立體場(chǎng)景，可以使人產(chǎn)生視覺上的沖擊，給人一種身臨其境的感覺，再通過良好的交互方式實(shí)現(xiàn)相關(guān)教學(xué)信息的展示，就可以更好地滿足教師和學(xué)生教與學(xué)的需求，為課程的教學(xué)提供強(qiáng)有力的支持，同時(shí)也可方便學(xué)生課后自主操作學(xué)習(xí)。

1 Unity3D技術(shù)

目前，三維虛擬展示技術(shù)主要有OpenGL、DriectX、Unity3D、VRML、Quest3D、Virtools、VRP 以及 Cult3D，等。其中，近年來興起的Unity3D技術(shù)以其優(yōu)越的渲染效果和更高的擴(kuò)展空間受到了眾多三維可視化專業(yè)技術(shù)人員的青睞。

Unity3D是由Unity Technologies開發(fā)的一個(gè)強(qiáng)大的集成游戲引擎和編輯器，它可以通過簡(jiǎn)單的用戶界面迅速高效地創(chuàng)建對(duì)象、導(dǎo)入外部資源，并通過簡(jiǎn)單的拖放動(dòng)作實(shí)現(xiàn)為變量賦值，連接腳本等操作［3］。Unity3D以集成的腳本環(huán)境、內(nèi)置的網(wǎng)絡(luò)功能及跨平臺(tái)的系統(tǒng)開發(fā)等強(qiáng)大的實(shí)用性功能而著稱，全新版本的Unity4．0引擎能夠發(fā)布支持Windows、MAC OSX、安卓、IOS等在內(nèi)的十個(gè)系統(tǒng)平臺(tái)軟件，其操作環(huán)境簡(jiǎn)單、直觀，且界面友好，近幾年越來越多地受到3D相關(guān)行業(yè)軟件開發(fā)人員的青睞。

Unity3D對(duì)DirectX和OpenGL擁有高度優(yōu)化的圖形渲染管道;為軟投影和硬投影增加了自投影支持，可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)投影;支持所有主要文件格式，能和大部分相關(guān)應(yīng)用程序協(xié)同工作;可以通過腳本直接訪問Unity3D的資源流水線;可訪問底層渲染，自由定制渲染技術(shù)，其靈活設(shè)置的特點(diǎn)使得它可以供一個(gè)獨(dú)立愛好者或是一個(gè)大型開發(fā)團(tuán)隊(duì)使用，用戶群日益廣泛［4］。

2 數(shù)字人體腧穴教學(xué)系統(tǒng)功能分析與實(shí)現(xiàn)

自美國(guó)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。其具體含義是指把人體形態(tài)學(xué)、物理學(xué)和生物學(xué)等信息，通過計(jì)算機(jī)處理而實(shí)現(xiàn)的數(shù)字化虛擬人體，可代替真實(shí)人體進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究的技術(shù)平臺(tái)。我國(guó)于2001年第174次香山科學(xué)會(huì)議上提出了中國(guó)數(shù)字化虛擬人體研究，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(tái)［5］。

數(shù)字化人體模型按模型的虛擬化程度可分為以下幾種:①可視人，是將數(shù)字人體模型建立在表面模型的基礎(chǔ)上;②解剖人，是將數(shù)字人體模型建立在實(shí)體模型的基礎(chǔ)上;③生理人，是在解剖人的基礎(chǔ)上，加入人體的生理代謝活動(dòng);④虛擬人，是在生理人的基礎(chǔ)上，加入智能化思維模式。

不同虛擬化程度的數(shù)字化人體模型將滿足不同的學(xué)習(xí)階段需求:可視人，即可基本滿足針灸腧穴的初級(jí)學(xué)習(xí)情境的需要;解剖人則能更進(jìn)一步地提升學(xué)生對(duì)針刺取穴準(zhǔn)確性的深入理解;生理人可以為針刺的治療效果提供更為逼真的生理描述;而虛擬人則可以以生動(dòng)的交互性提升整個(gè)針刺過程的情境沉浸效果?？傊摂M現(xiàn)實(shí)技術(shù)與傳統(tǒng)的中醫(yī)針灸學(xué)相交叉，以虛擬的三維場(chǎng)景為平臺(tái)，為腧穴學(xué)者提供了一個(gè)靈活逼真的學(xué)習(xí)情境，可以使學(xué)生更為輕松、積極地投入到原本枯燥繁重的學(xué)習(xí)之中，并在一定程度上為針灸學(xué)普及推廣構(gòu)建良好的平臺(tái)［6］。

2．1 數(shù)字人體腧穴教學(xué)系統(tǒng)功能分析

教學(xué)，即教與學(xué)的雙重過程。針灸學(xué)的教學(xué)主要包括:課堂上教師講解及課后學(xué)生自主學(xué)習(xí)，二者缺一不可。所以，軟件設(shè)計(jì)應(yīng)滿足教師課堂上講授過程中各教學(xué)環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)需求，以及課后學(xué)生自主學(xué)習(xí)操作靈活方便、界面友好的需求。

針灸學(xué)教師課堂講授的傳統(tǒng)教學(xué)方式是以教師講解為主，通過平面掛圖或文字?jǐn)⑹龇绞绞箤W(xué)生了解腧穴的位置、取穴方法、所屬經(jīng)絡(luò)、主治病癥、針灸處方等相關(guān)信息，多為語(yǔ)言描述及平面展示，學(xué)生獲取的信息受到信息載體形式的限制不具備直觀、生動(dòng)、形象的特點(diǎn)，所以針對(duì)課堂教學(xué)的內(nèi)容可設(shè)計(jì)軟件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)以下主要功能:

①以交互模式查看三維人體解剖模型，如縮放、旋轉(zhuǎn)、平移，等，及三維人體解剖模型的部分組織結(jié)構(gòu)與經(jīng)絡(luò)腧穴的三維位置關(guān)系。

②通過鼠標(biāo)拾取等操作實(shí)現(xiàn)數(shù)字人體模型上14條經(jīng)絡(luò)和362個(gè)腧穴基本信息的查看［7］，包括腧穴的代號(hào)、名稱、位置、取穴方法、所屬經(jīng)絡(luò)、主治病癥、針灸處方，等。

③通過交互式按鍵時(shí)控長(zhǎng)短展現(xiàn)針刺的力度、深度等動(dòng)畫信息。

④系統(tǒng)界面友好、易操作，對(duì)于非計(jì)算機(jī)專業(yè)人員上手容易［8］。

借助于具備以上功能的教學(xué)軟件，教師可以更好地設(shè)計(jì)教學(xué)流程，更為方便地向?qū)W生展現(xiàn)形象、直觀的三維人體腧穴模型，極大程度地增加教學(xué)效果的生動(dòng)性、靈活性。

學(xué)生自主學(xué)習(xí)過程需要軟件，既具備通過三維模型上穴位點(diǎn)拾取，顯示穴位相關(guān)信息的功能，又可以通過人機(jī)交互，輸入腧穴名稱或是代號(hào)，系統(tǒng)自動(dòng)實(shí)現(xiàn)三維模型腧穴點(diǎn)定位的功能。所以綜上所述，該系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的功能結(jié)構(gòu)如圖1所示。的操作系統(tǒng)，具備了腧穴教學(xué)軟件前瞻性發(fā)展對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)需求的基本特征。所以，該系統(tǒng)中使用SQLite作為后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)管理平臺(tái)。

圖1 系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的運(yùn)行界面(實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù):左手臂)如圖2所示。

2．2 數(shù)字人體腧穴教學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與腳本實(shí)現(xiàn)

軟件系統(tǒng)功能邏輯模塊主要分三個(gè)部分:三維模型導(dǎo)入、三維場(chǎng)景渲染、腧穴數(shù)據(jù)庫(kù)連接。

2．2．1 三維模型導(dǎo)入 在三維人體各組織模型已經(jīng)準(zhǔn)備好的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)符合用戶操作習(xí)慣的交互方式，實(shí)現(xiàn)模型的導(dǎo)入與拾取操作:可選用樹控件或下拉列表控件實(shí)現(xiàn)用戶對(duì)場(chǎng)景內(nèi)可視人體組織系統(tǒng)模型的設(shè)置;通過模型疊加狀態(tài)的設(shè)定確定各組織與腧穴模型的顯現(xiàn)關(guān)系。Unity3D系統(tǒng)開發(fā)平臺(tái)識(shí)別多種格式的三維模型文件，如FBX、3DS、OBJ，等。在這一開發(fā)環(huán)境中實(shí)現(xiàn)三維模型導(dǎo)入，可避免采用復(fù)雜的程序設(shè)計(jì)，僅通過鼠標(biāo)拖動(dòng)即可實(shí)現(xiàn)。但模型類型設(shè)置、貼圖數(shù)據(jù)的導(dǎo)出需使用三維模型制作軟件，如3DSMAX等輔助實(shí)現(xiàn)。這一階段工作量較大，需要耐心、細(xì)致的前期準(zhǔn)備，并應(yīng)遵循相關(guān)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)。2．2．2 三維場(chǎng)景渲染 根據(jù)軟件系統(tǒng)功能分析，在三維場(chǎng)景渲染中主要實(shí)現(xiàn)圖形用戶交互(GUI)、模型鼠標(biāo)拾取操作功能。在Unity3D平臺(tái)上可通過兩種方式實(shí)現(xiàn)圖形用戶交互:其一是使用Unity3DGUI腳本編輯函數(shù)，其二是使用NGUI(Next-Gen UI kit)，即下一代用戶工具包。對(duì)比兩種方式，前者需要開發(fā)人員具備較強(qiáng)的編程能力，但對(duì)控件實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)都更為靈活;后者是在遵循KISS原則的基礎(chǔ)上使用C#編寫的Unity插件。NGUI提供強(qiáng)大的UI系統(tǒng)和事件通知框架，從而使得開發(fā)人員可以很容易地?cái)U(kuò)展NGUI的功能或僅通過簡(jiǎn)單的屬性設(shè)置調(diào)節(jié)已有功能的組件進(jìn)而實(shí)現(xiàn)用戶交互界面?；谶@一方式的UI功能實(shí)現(xiàn)雖然簡(jiǎn)單、快捷，但缺乏自主性、靈活性。在該系統(tǒng)中結(jié)合兩種方式，取長(zhǎng)補(bǔ)短，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)易于拓展為跨平臺(tái)工作的UI界面。

2．2．3 數(shù)據(jù)庫(kù)連接 SQLite作為一款輕型的數(shù)據(jù)庫(kù)，占用資源低，在嵌入式設(shè)備中，可能只需要幾百K的內(nèi)存就夠了，并且支持Windows/Linux/Unix等主流

圖2 系統(tǒng)運(yùn)行界面圖

3 數(shù)字人體腧穴教學(xué)系統(tǒng)知識(shí)庫(kù)分析與建立

系統(tǒng)開發(fā)需要的數(shù)據(jù)主要包括:三維人體模型數(shù)據(jù)、腧穴教學(xué)相關(guān)信息數(shù)據(jù)。

3．1 三維人體數(shù)據(jù)模型

3D數(shù)字人體模型是系統(tǒng)中直接與教學(xué)雙方進(jìn)行知識(shí)信息傳遞的三維模型，該模型可以有選擇地顯示/隱藏人體皮膚、肌肉、經(jīng)脈、血管、穴位等三維模型信息，并進(jìn)一步提供相關(guān)教學(xué)信息，如:各位置點(diǎn)的生理特點(diǎn)、病理現(xiàn)象、常規(guī)療法，等。

三維模型總體上可以分為線框模型、表面模型和實(shí)體模型。線框模型是由一系列的點(diǎn)、線組成，描述對(duì)象的輪廓外形;表面模型將模型由基本面素連接而成，描述對(duì)象的視覺外觀;實(shí)體模型則是通過基本體素來創(chuàng)建三維對(duì)象，可提取描述對(duì)象的物理特性。人體模型旨在提供人體各部分組織結(jié)構(gòu)與腧穴的三維對(duì)應(yīng)關(guān)系，既無法僅用輪廓外形來勾勒這種對(duì)應(yīng)關(guān)系，亦無須提取組織結(jié)構(gòu)對(duì)象的物理特性，綜合考慮軟件的版本提升空間及其可運(yùn)行硬件平臺(tái)的普及度，選取表面模型較為適合。

可借助于3D建模軟件，建立包括人體皮膚、肌肉、經(jīng)脈、血管、骨骼在內(nèi)的三維人體表面模型，分別導(dǎo)出。為保證人體模型及相關(guān)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，該系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)使用以人體CT掃描數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)建立的人體所有系統(tǒng)和器官的高精度三維數(shù)字解剖模型。

3．2 腧穴信息數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

根據(jù)腧穴教學(xué)難點(diǎn)及軟件功能的分析，可確定系統(tǒng)使用的腧穴數(shù)據(jù)實(shí)體關(guān)系模型如圖3所示。

圖3 腧穴實(shí)體屬性模型

并在實(shí)體模型腧穴(序號(hào)、腧穴代號(hào)、腧穴名稱、經(jīng)絡(luò)部位、定位描述、取穴方法、主治病癥、針灸處方)的基礎(chǔ)上［9］，設(shè)計(jì)其存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)如表1所示。

表1 腧穴數(shù)據(jù)存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)表

4 系統(tǒng)應(yīng)用與展望

系統(tǒng)原型以左手臂為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行開發(fā)，首次試用周期，涉及三門專業(yè)課“經(jīng)絡(luò)腧穴學(xué)”、“針灸治療學(xué)”、“實(shí)驗(yàn)針灸學(xué)”。在課程的相關(guān)教學(xué)過程中進(jìn)一步對(duì)軟件的交互性、友好性進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果良好，試用教師4人，均對(duì)使用軟件帶來的教學(xué)效果給予肯定;試用班級(jí)學(xué)生人數(shù)共計(jì)190人，對(duì)軟件的實(shí)用性認(rèn)可度達(dá)到100%，視覺效果認(rèn)可度95．5%，相關(guān)內(nèi)容知識(shí)面覆蓋認(rèn)可度達(dá)到92．2%。這也正是該軟件下一步工作的主要內(nèi)容，即在完整試用周期結(jié)束后對(duì)軟件使用效果反饋的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，充實(shí)軟件對(duì)針灸學(xué)知識(shí)面的覆蓋程度，并進(jìn)一步運(yùn)用色彩設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)界面美化效果。

三維人體腧穴教學(xué)信息系統(tǒng)是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在專業(yè)領(lǐng)域教學(xué)中應(yīng)用的軟件產(chǎn)品。根據(jù)目前的教學(xué)需要發(fā)布為可在PC平臺(tái)上運(yùn)行的單機(jī)版和網(wǎng)頁(yè)版，隨著產(chǎn)品應(yīng)用領(lǐng)域的需要，可進(jìn)一步拓展為嵌入式應(yīng)用設(shè)備。該系統(tǒng)融計(jì)算機(jī)技術(shù)、電子控制技術(shù)、多媒體技術(shù)、腧穴理論于一體;顯示十二經(jīng)脈循環(huán)流注，經(jīng)脈絡(luò)屬表里對(duì)經(jīng)關(guān)系，特定穴的分布;加上以動(dòng)畫形式展現(xiàn)表層、淺層、深層穴位解剖三維模型進(jìn)針效果［10］，以及常見病的辨證施治及處方輸出，等;可為教與學(xué)帶來更加豐富的內(nèi)容，使教學(xué)工作更加輕松，教學(xué)內(nèi)容更加豐富、更加生動(dòng)。

該系統(tǒng)具有一定的科學(xué)性、先進(jìn)性、實(shí)用性，使針灸醫(yī)學(xué)向虛擬現(xiàn)實(shí)信息化教學(xué)邁進(jìn)一步，其完善的全套人體模型軟件可為各中醫(yī)院校、體育院校、針灸院系、康復(fù)理療中心、國(guó)際國(guó)內(nèi)針灸培訓(xùn)班等提供理想的教學(xué)手段，具有非常好的意義。

［1］黃芳，曹銳，董寶強(qiáng)．減輕記憶負(fù)擔(dān)提高《針灸學(xué)》教學(xué)質(zhì)量［J］．遼寧中醫(yī)藥大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，11(12):221-222

［2］劉延祥，邵水金．?dāng)?shù)字化虛擬人體為針刺手法研究提供新的平臺(tái)［J］．遼寧中醫(yī)藥大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，(6):24-26

［3］宣雨松．Unity 3D游戲開發(fā)［M］．北京:人民郵電出版社，2012:1-2

［4］吳亞峰，于復(fù)興．Unity 3D游戲開發(fā)技術(shù)詳解與典型案例［M］．北京:人民郵電出版社，2010:3

［5］鐘世鎮(zhèn)．?dāng)?shù)字化虛擬人體的科學(xué)意義及應(yīng)用前景［J］．第一軍醫(yī)大學(xué)學(xué)報(bào)，2003，23(3):193-195

［6］張季．?dāng)?shù)字人體模型在針灸教學(xué)領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用［J］．醫(yī)學(xué)信息，2011，24(12):28-29

［7］GB/T 12346-2006腧穴名稱與定位［S］．北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2006:1

［8］孟向文，劉建衛(wèi)，潘建明，等．?dāng)?shù)字人體穴位系統(tǒng)在腧穴學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用研究［J］．針灸推拿，2008，40(12):72-73

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［10］劉延祥，嚴(yán)振國(guó)，郭義，等．環(huán)跳穴進(jìn)針角度和深度的三維可視化研究［J］．中國(guó)針灸，2012，32(10):897-900