張　偉，張淑苗

（1.甘肅中醫(yī)藥大學(xué)信息工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730000；2.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)，甘肅 蘭州 730070）

基于Unity3D的三維模擬針刺訓(xùn)練系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開發(fā)

張偉1，張淑苗2

（1.甘肅中醫(yī)藥大學(xué)信息工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730000；2.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)，甘肅 蘭州 730070）

借助虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，在Unity3D開發(fā)環(huán)境中，在虛擬人體上標(biāo)注穴位、經(jīng)絡(luò)等信息，并通過操作實(shí)現(xiàn)虛擬針刺訓(xùn)練，幫助中醫(yī)院校學(xué)生及中醫(yī)愛好者掌握穴位、經(jīng)絡(luò)等中醫(yī)基礎(chǔ)知識(shí)。系統(tǒng)發(fā)布在Windows和Android平臺(tái)，方便使用者根據(jù)實(shí)際需要選擇相應(yīng)版本。

Unity3D；三維模擬；針刺；虛擬現(xiàn)實(shí)

隨著人們生活水平的提高，養(yǎng)生保健、治未病等中醫(yī)觀念逐漸深入人心[1]。中醫(yī)作為祖國(guó)傳統(tǒng)文化的重要組成部分，在中華民族的繁衍生息中發(fā)揮了至關(guān)重要的作用。其中針灸作為中醫(yī)最重要的治療和保健手段，不但在國(guó)內(nèi)廣泛使用，在國(guó)外也得到了越來(lái)越多的重視[2]。然而，培養(yǎng)一名合格的針灸師并不是一件容易的事情，作為一門實(shí)踐性很強(qiáng)的學(xué)科，需要大量的臨床實(shí)踐才能熟練掌握各種針灸技藝，尤其對(duì)經(jīng)絡(luò)和穴位的準(zhǔn)確識(shí)別定位，是實(shí)施針灸治療的前提和基礎(chǔ)。古代智慧的中國(guó)人為了認(rèn)識(shí)、測(cè)試經(jīng)絡(luò)穴位的準(zhǔn)確位置，曾經(jīng)澆鑄過聞名于世的針灸銅人，為培養(yǎng)針灸師做出了很大貢獻(xiàn)[3]。但是針灸銅人功能單一，制作成本高，搬動(dòng)不便，現(xiàn)在已很少使用。而非中醫(yī)人士尤其是外國(guó)人學(xué)習(xí)和識(shí)記穴位、經(jīng)絡(luò)等中醫(yī)知識(shí)更是困難重重。

為此，各大醫(yī)療公司開發(fā)了許多針對(duì)經(jīng)絡(luò)、穴位的實(shí)訓(xùn)模型，一定程度上緩解了上述問題。但是模型大都是針對(duì)醫(yī)學(xué)生訓(xùn)練所用，成本高昂，攜帶不便，易磨損，維修成本不菲，且功能單一，可標(biāo)注的信息量非常有限。隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的飛速發(fā)展，利用現(xiàn)代信息技術(shù)實(shí)現(xiàn)針灸技術(shù)的可視化學(xué)習(xí)，或可以解決上述問題。

1需求分析

全面細(xì)致的功能分析，是順利開發(fā)完成一款實(shí)用信息系統(tǒng)軟件的前提和基礎(chǔ)。根據(jù)教學(xué)、訓(xùn)練場(chǎng)景需要，通過問卷調(diào)查和走訪等獲得用戶需求信息，大致歸納為以下幾點(diǎn)：（1）建立一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的虛擬人體模型；（2）能夠從任意角度觀測(cè)到虛擬人體的各個(gè)部位；（3）能夠放大縮小虛擬人體，以便從宏觀和微觀兩方面進(jìn)行觀測(cè)；（4）常見穴位能夠明顯標(biāo)注在人體表面，并且保證部位的準(zhǔn)確性；（5）能夠顯示穴位的功能、作用、主治、所屬經(jīng)絡(luò)及經(jīng)典取穴方法；（6）用穴位串聯(lián)起來(lái)的12條經(jīng)絡(luò)能夠明顯顯示出來(lái)；（7）能夠完成學(xué)習(xí)測(cè)試。

2關(guān)鍵技術(shù)

2.1人體建模

精確的虛擬人體模型是實(shí)現(xiàn)穴位、經(jīng)絡(luò)等信息定位的基礎(chǔ)。經(jīng)搜索對(duì)比網(wǎng)絡(luò)上現(xiàn)成的一些虛擬人體模型，大多是為游戲角色設(shè)計(jì)的，很多都比例失調(diào)，無(wú)法在醫(yī)學(xué)信息系統(tǒng)中使用。為此，項(xiàng)目組根據(jù)人體比例，使用3DSMAX軟件重新進(jìn)行人體建模，為求精確逼真，使用了多種建模手段和技術(shù)[4]。此外，在人體選擇上采用男性人體，這與現(xiàn)實(shí)中使用的普通實(shí)訓(xùn)人體模型一致。

2.2穴位及經(jīng)絡(luò)建模

項(xiàng)目組選擇的穴位主要是人體300余處“正穴”，之所以沒有選擇“經(jīng)外奇穴”，是因?yàn)樵诂F(xiàn)代中醫(yī)理論里，這些穴位的治療和保健效果還存在一些爭(zhēng)議。

古代文獻(xiàn)記載“穴位大小如米?！?。在虛擬人體上精確定位這些穴位并不容易，為力求本系統(tǒng)穴位信息準(zhǔn)確無(wú)誤，項(xiàng)目組聘請(qǐng)了甘肅中醫(yī)藥大學(xué)針灸推拿系幾名教授，全程指導(dǎo)參與中醫(yī)相關(guān)信息的錄入工作，在穴位、經(jīng)絡(luò)功能里刪除了一些存在爭(zhēng)議的內(nèi)容，知識(shí)點(diǎn)參照中國(guó)中醫(yī)藥出版社2008年版《針灸腧穴學(xué)》教科書內(nèi)容。

為求直觀形象，項(xiàng)目組在3DSMAX中使用小球體作為穴位模型，精確鑲嵌在虛擬人體體表相關(guān)部位。為了使學(xué)習(xí)者能夠觀察到精確的穴位點(diǎn)，穴位及經(jīng)絡(luò)模型不完全鑲嵌入人體，即有一部分是裸露于體表的，并用相應(yīng)顏色標(biāo)示。根據(jù)系統(tǒng)功能，在測(cè)試模式下穴位和經(jīng)絡(luò)模型處于隱藏狀態(tài)，當(dāng)學(xué)習(xí)者針刺位置正確后，系統(tǒng)會(huì)提示正確，否則會(huì)提示錯(cuò)誤并顯示正確的穴位模型。在學(xué)習(xí)模式下，可根據(jù)穴位名稱或者穴位點(diǎn)選擇，并顯示穴位的功能與用途等信息。

2.3操控場(chǎng)景

該系統(tǒng)中人體的精確操控是項(xiàng)目開發(fā)成敗的關(guān)鍵。經(jīng)對(duì)比，項(xiàng)目組選取了一款當(dāng)前流行的易用3D游戲開發(fā)引擎Unity3D，這是一個(gè)開發(fā)者可以輕松創(chuàng)建諸如三維視頻游戲、建筑可視化、實(shí)時(shí)三維動(dòng)畫等類型互動(dòng)內(nèi)容的多平臺(tái)綜合型游戲開發(fā)工具，是一個(gè)全面整合的專業(yè)游戲引擎[5]。該引擎可一次開發(fā)后將最終結(jié)果發(fā)布到PC、IOS、XBOX、Android等平臺(tái)，是目前主流的3D可視化開發(fā)平臺(tái)。

在人體操控上，我們根據(jù)用戶的使用習(xí)慣，使用鼠標(biāo)右鍵實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)人體，改變觀測(cè)角度，使用鼠標(biāo)中鍵放大或縮小視距，使用鼠標(biāo)左鍵實(shí)現(xiàn)穴位的選擇以及菜單等信息的點(diǎn)選。場(chǎng)景及系統(tǒng)運(yùn)行見圖1。

2.4信息存儲(chǔ)

穴位、經(jīng)絡(luò)名稱及功能主治等信息對(duì)于學(xué)習(xí)者至關(guān)重要。原計(jì)劃將穴位和經(jīng)絡(luò)信息存儲(chǔ)在本地?cái)?shù)據(jù)庫(kù)，后來(lái)發(fā)現(xiàn)此舉沒有必要：其一，不做成聯(lián)機(jī)版就沒有并發(fā)數(shù)據(jù)訪問的壓力；其二，穴位等信息一旦錄入后，增、刪、改的機(jī)會(huì)很少。另外使用數(shù)據(jù)庫(kù)后，將來(lái)部署和發(fā)布會(huì)有很大不便，尤其是在移動(dòng)端。

鑒于此，項(xiàng)目組將穴位信息以文本格式存儲(chǔ)在文件里，并與場(chǎng)景中的穴位信息予以關(guān)聯(lián)，存儲(chǔ)格式如表1所示，系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)根據(jù)需要加載相應(yīng)的信息。經(jīng)測(cè)試，速度和顯示結(jié)果都比較令人滿意。

編號(hào)　功能與用途用于和模型相關(guān)聯(lián)穴位穴位名稱　古文獻(xiàn)中記載的方法取穴方法錄入相關(guān)文字歸經(jīng)所屬經(jīng)絡(luò)

圖1 系統(tǒng)運(yùn)行圖

2.5發(fā)布及部署

使用Unity3D系統(tǒng)發(fā)布應(yīng)用非常容易和便捷，只要將需要的各種文件打包在程序內(nèi)，然后選擇相應(yīng)的平臺(tái)予以發(fā)布即可。課題組根據(jù)目前實(shí)際情況，將本系統(tǒng)發(fā)布為Windows版和Android版，其中Windows版為綠色版，無(wú)需安裝，解壓后即可使用。

3測(cè)試使用

系統(tǒng)開發(fā)完成后，項(xiàng)目組成立了測(cè)試小組，對(duì)該版本兩個(gè)平臺(tái)的應(yīng)用進(jìn)行了詳細(xì)的內(nèi)部測(cè)試。之后項(xiàng)目組又組織甘肅中醫(yī)藥大學(xué)相關(guān)專業(yè)學(xué)生集中上機(jī)測(cè)試和試用，獲得了較為詳細(xì)的測(cè)試資料，對(duì)一些嚴(yán)重的漏洞進(jìn)行了修復(fù)，目前的版本已比較穩(wěn)定。

4結(jié)論與展望

該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和開發(fā)，是運(yùn)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)解決醫(yī)學(xué)教學(xué)和實(shí)踐中問題的案例。項(xiàng)目組設(shè)計(jì)開發(fā)的三維模擬針刺訓(xùn)練系統(tǒng)使用目前流行的Unity3D技術(shù)平臺(tái)，在針灸推拿系多位教師的參與和指導(dǎo)下歷時(shí)兩年完成。該系統(tǒng)計(jì)劃在甘肅中醫(yī)藥大學(xué)課程改革中予以推行使用，移動(dòng)版將在校內(nèi)非醫(yī)學(xué)專業(yè)推廣使用，并將繼續(xù)修改和升級(jí)，在合適的時(shí)間發(fā)布到公共平臺(tái)供全省乃至全國(guó)中醫(yī)愛好者使用，為祖國(guó)醫(yī)學(xué)的普及和推廣做出貢獻(xiàn)。

[1]尹紅博，吳富東．古代針灸養(yǎng)生保健文獻(xiàn)整理述略[J]．山東中醫(yī)藥大學(xué)學(xué)報(bào)，2013（3）：234-235．

[2]李秀明，姚崢嶸，張洪雷．中醫(yī)藥文化傳播之于國(guó)家軟實(shí)力建設(shè)的思考[J]．醫(yī)學(xué)與社會(huì)，2011（10）：15-17．

[3]秦紅．乾隆針灸銅人始末[J]．中醫(yī)藥文化，2012（6）：43-45．

[4]張巖，高海俠．淺談3DSMax多種建模方法的應(yīng)用[J]．科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2008（33）：26-27．

[5]宣雨松．Unity3D游戲開發(fā)[M]．北京：人民郵電出版社，2012．

表1　穴位信息格式

G434

B

1671-1246（2016）13-0028-02

注：本文系甘肅省青年科技基金（1208RJYA062）；甘肅省教育廳科研基金（0906-01）；甘肅中醫(yī)藥大學(xué)教改項(xiàng)目（230514520225）