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

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)實技術(shù)，在Unity3D開發(fā)環(huán)境中，在虛擬人體上標注穴位、經(jīng)絡(luò)等信息，并通過操作實現(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。系統(tǒng)發(fā)布在Windows和Android平臺，方便使用者根據(jù)實際需要選擇相應(yīng)版本。

Unity3D；三維模擬；針刺；虛擬現(xiàn)實

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，不但在國內(nèi)廣泛使用，在國外也得到了越來越多的重視[2]。然而，培養(yǎng)一名合格的針灸師并不是一件容易的事情，作為一門實踐性很強的學(xué)科，需要大量的臨床實踐才能熟練掌握各種針灸技藝，尤其對經(jīng)絡(luò)和穴位的準確識別定位，是實施針灸治療的前提和基礎(chǔ)。古代智慧的中國人為了認識、測試經(jīng)絡(luò)穴位的準確位置，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[3]。但是針灸銅人功能單一，制作成本高，搬動不便，現(xiàn)在已很少使用。而非中醫(yī)人士尤其是外國人學(xué)習和識記穴位、經(jīng)絡(luò)等中醫(yī)知識更是困難重重。

為此，各大醫(yī)療公司開發(fā)了許多針對經(jīng)絡(luò)、穴位的實訓(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，可標注的信息量非常有限。隨著虛擬現(xiàn)實技術(shù)的飛速發(fā)展，利用現(xiàn)代信息技術(shù)實現(xiàn)針灸技術(shù)的可視化學(xué)習，或可以解決上述問題。

1需求分析

全面細致的功能分析，是順利開發(fā)完成一款實用信息系統(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：（1）建立一個標準的虛擬人體模型；（2）能夠從任意角度觀測到虛擬人體的各個部位；（3）能夠放大縮小虛擬人體，以便從宏觀和微觀兩方面進行觀測；（4）常見穴位能夠明顯標注在人體表面，并且保證部位的準確性；（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)起來的12條經(jīng)絡(luò)能夠明顯顯示出來；（7）能夠完成學(xué)習測試。

2關(guān)鍵技術(shù)

2.1人體建模

精確的虛擬人體模型是實現(xiàn)穴位、經(jīng)絡(luò)等信息定位的基礎(chǔ)。經(jīng)搜索對比網(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)計的，很多都比例失調(diào)，無法在醫(yī)學(xué)信息系統(tǒng)中使用。為此，項目組根據(jù)人體比例，使用3DSMAX軟件重新進行人體建模，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)實中使用的普通實訓(xùn)人體模型一致。

2.2穴位及經(jīng)絡(luò)建模

項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”，是因為在現(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議。

古代文獻記載“穴位大小如米?！薄Ｔ谔摂M人體上精確定位這些穴位并不容易，為力求本系統(tǒng)穴位信息準確無誤，項目組聘請了甘肅中醫(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議的內(nèi)容，知識點參照中國中醫(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)習者能夠觀察到精確的穴位點，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)顏色標示。根據(jù)系統(tǒng)功能，在測試模式下穴位和經(jīng)絡(luò)模型處于隱藏狀態(tài)，當學(xué)習者針刺位置正確后，系統(tǒng)會提示正確，否則會提示錯誤并顯示正確的穴位模型。在學(xué)習模式下，可根據(jù)穴位名稱或者穴位點選擇，并顯示穴位的功能與用途等信息。

2.3操控場景

該系統(tǒng)中人體的精確操控是項目開發(fā)成敗的關(guān)鍵。經(jīng)對比，項目組選取了一款當前流行的易用3D游戲開發(fā)引擎Unity3D，這是一個開發(fā)者可以輕松創(chuàng)建諸如三維視頻游戲、建筑可視化、實時三維動畫等類型互動內(nèi)容的多平臺綜合型游戲開發(fā)工具，是一個全面整合的專業(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，是目前主流的3D可視化開發(fā)平臺。

在人體操控上，我們根據(jù)用戶的使用習慣，使用鼠標右鍵實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)人體，改變觀測角度，使用鼠標中鍵放大或縮小視距，使用鼠標左鍵實現(xiàn)穴位的選擇以及菜單等信息的點選。場景及系統(tǒng)運行見圖1。

2.4信息存儲

穴位、經(jīng)絡(luò)名稱及功能主治等信息對于學(xué)習者至關(guān)重要。原計劃將穴位和經(jīng)絡(luò)信息存儲在本地數(shù)據(jù)庫，后來發(fā)現(xiàn)此舉沒有必要：其一，不做成聯(lián)機版就沒有并發(fā)數(shù)據(jù)訪問的壓力；其二，穴位等信息一旦錄入后，增、刪、改的機會很少。另外使用數(shù)據(jù)庫后，將來部署和發(fā)布會有很大不便，尤其是在移動端。

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

編號　功能與用途用于和模型相關(guān)聯(lián)穴位穴位名稱　古文獻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)的平臺予以發(fā)布即可。課題組根據(jù)目前實際情況，將本系統(tǒng)發(fā)布為Windows版和Android版，其中Windows版為綠色版，無需安裝，解壓后即可使用。

3測試使用

系統(tǒng)開發(fā)完成后，項目組成立了測試小組，對該版本兩個平臺的應(yīng)用進行了詳細的內(nèi)部測試。之后項目組又組織甘肅中醫(yī)藥大學(xué)相關(guān)專業(yè)學(xué)生集中上機測試和試用，獲得了較為詳細的測試資料，對一些嚴重的漏洞進行了修復(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)計和開發(fā)，是運用虛擬現(xiàn)實技術(shù)解決醫(yī)學(xué)教學(xué)和實踐中問題的案例。項目組設(shè)計開發(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，在針灸推拿系多位教師的參與和指導(dǎo)下歷時兩年完成。該系統(tǒng)計劃在甘肅中醫(yī)藥大學(xué)課程改革中予以推行使用，移動版將在校內(nèi)非醫(yī)學(xué)專業(yè)推廣使用，并將繼續(xù)修改和升級，在合適的時間發(fā)布到公共平臺供全省乃至全國中醫(yī)愛好者使用，為祖國醫(yī)學(xué)的普及和推廣做出貢獻。

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

[2]李秀明，姚崢嶸，張洪雷．中醫(yī)藥文化傳播之于國家軟實力建設(shè)的思考[J]．醫(yī)學(xué)與社會，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，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)教改項目（230514520225）