Android平臺(tái)下三維模擬針刺訓(xùn)練系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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) 科技處，甘肅　蘭州　730070）

Android平臺(tái)下三維模擬針刺訓(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) 科技處，甘肅蘭州730070）

Android是目前廣泛應(yīng)用的移動(dòng)終端平臺(tái)。借助虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，在Unity3D開發(fā)環(huán)境中為Android平臺(tái)上構(gòu)建虛擬人體標(biāo)注穴位、經(jīng)絡(luò)等信息，并通過手指操作實(shí)現(xiàn)虛擬的針刺訓(xùn)練過程，幫助中醫(yī)愛好者甚至是中醫(yī)院校學(xué)生熟悉并掌握穴位、經(jīng)絡(luò)等中醫(yī)基礎(chǔ)知識(shí)。

Android；三維模擬；針刺；虛擬現(xiàn)實(shí)

0　引言

中醫(yī)是中國傳統(tǒng)文化的重要組成部分，為中華民族數(shù)千年的繁衍生息保駕護(hù)航，功不可沒［1］。其中針灸作為中醫(yī)最重要的診療和保健手段，不但在國內(nèi)廣泛使用，在海外也被越來越多的國家民眾所認(rèn)同和接受［2］。然而，針灸入門不是一件容易的事情，尤其是對經(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)。古代智慧的中國人為了達(dá)到學(xué)習(xí)、測試經(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)。但針灸銅人的功能單一、制造成本高昂、重量大且搬運(yùn)不便，現(xiàn)在已很少有人使用［3］。非中醫(yī)人士尤其是外國人學(xué)習(xí)和識(shí)記穴位、經(jīng)絡(luò)等中醫(yī)知識(shí)更是無從下手，事倍功半。

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(shí)訓(xùn)人體或人的肢體模型，在一定程度上解決了學(xué)習(xí)和識(shí)記穴位、經(jīng)絡(luò)的問題。但是，人體模型大都是針對醫(yī)學(xué)院學(xué)生訓(xùn)練用，并且成本高昂、攜帶不便、易磨損、維修成本不菲，此外功能上仍然單一，可標(biāo)注的信息量非常有限。醫(yī)學(xué)院學(xué)生實(shí)訓(xùn)時(shí)由于技術(shù)不熟練，存在安全隱患，例如發(fā)生暈針等現(xiàn)象，不便大規(guī)模施行［4］。隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的飛速發(fā)展和大規(guī)模應(yīng)用，結(jié)合現(xiàn)代信息技術(shù)實(shí)現(xiàn)針灸技術(shù)的可視化學(xué)習(xí)，是解決上述問題的途徑之一。近年來，平板、大屏幕手機(jī)已經(jīng)普及，在android平臺(tái)下開發(fā)一款針刺實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)，成本低、推廣容易。

1　功能設(shè)計(jì)

完善的功能分析與設(shè)計(jì)，是順利開發(fā)完成一款實(shí)用信息系統(tǒng)的前提和基礎(chǔ)。項(xiàng)目組根據(jù)教學(xué)、訓(xùn)練場景，以及通過問卷調(diào)查、走訪等方式獲取和積累用戶需求和實(shí)際需要，提出該系統(tǒng)的功能需求，大致歸納為以下幾點(diǎn)：

（1）一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的虛擬人體模型；

（2）能夠從任意角度觀測到虛擬人體模型的各個(gè)部位；

（3）能夠任意放大縮小虛擬人體模型，以便從宏觀和微觀兩方面觀測；

（4）常見穴位能夠比較明顯地標(biāo)注在人體模型表面，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)以及經(jīng)典取穴方法；

（6）用穴位串聯(lián)起來的12條經(jīng)絡(luò)能夠比較明顯地標(biāo)示出來；

（7）能夠完成訓(xùn)練功能；

（8）能夠完成簡單測試功能。

2　關(guān)鍵技術(shù)

2.1構(gòu)建虛擬人體

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)搜索對比得知，網(wǎng)絡(luò)上現(xiàn)成的一些虛擬人體模型，大都是為游戲角色設(shè)計(jì)的，因此很多比例失調(diào)，無法在醫(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)行了人體建模，為求達(dá)到精確逼真，使用了多種建模手段和技術(shù)［5］。此外，在人體的選擇上采用的是男性人體，這與現(xiàn)實(shí)中使用的普通實(shí)訓(xùn)針刺人體模型是一致的。

2.2經(jīng)絡(luò)及穴位模型

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，對這些穴位的治療和保健效果還存在一些爭議。

古代文獻(xiàn)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(zhǔn)確無誤，項(xiàng)目組聘請了甘肅中醫(yī)藥大學(xué)針灸推拿系幾位教授，全程參與指導(dǎo)中醫(yī)相關(guān)信息的錄入和建模工作，在穴位、經(jīng)絡(luò)功能描述里刪除了一些存在爭議的內(nèi)容，知識(shí)點(diǎn)參照的是中國中醫(yī)藥出版社2008版《經(jīng)絡(luò)腧穴學(xué)》教科書的教學(xué)內(nèi)容。

項(xiàng)目組在3DS-MAX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)誤并將正確的穴位模型顯示。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。

圖1 系統(tǒng)運(yùn)行圖

2.3虛擬空間和場景

本系統(tǒng)中人體的精確操控是項(xiàng)目開發(fā)成敗的關(guān)鍵。經(jīng)過對比，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。它是由Unity Technologies開發(fā)的一個(gè)開發(fā)者輕松創(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［6］。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)。

在人體模型的操控上，我們根據(jù)移動(dòng)用戶尤其是手機(jī)用戶的使用習(xí)慣，使用單指滑動(dòng)實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)人體，改變觀測角度，雙指同時(shí)滑動(dòng)實(shí)現(xiàn)放大縮小視距，單指點(diǎn)擊拾取實(shí)現(xiàn)穴位的選擇以及菜單等信息的點(diǎn)選。系統(tǒng)運(yùn)行圖和菜單選項(xiàng)見圖1所示。

2.4信息存儲(chǔ)的問題

穴位、經(jīng)絡(luò)的名稱及功能主治等信息對于幫助學(xué)習(xí)者掌握相關(guān)知識(shí)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)庫中，在android平臺(tái)內(nèi)置一個(gè)小型的SQLLite數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。后來發(fā)現(xiàn)此舉沒有必要，其一，不做成聯(lián)機(jī)版的話沒有并發(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，使用了數(shù)據(jù)庫后，對于將來的部署和發(fā)布，以及未來的升級(jí)都帶來很大的不便。

鑒于此，項(xiàng)目組將穴位、經(jīng)絡(luò)等信息以文本格式存儲(chǔ)在文件里，信息之間用逗號(hào)分隔，并與場景中的穴位和經(jīng)絡(luò)信息予以關(guān)聯(lián)。存儲(chǔ)的格式為見表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)測試速度和顯示結(jié)果都比較令人滿意。

表1穴位信息格式

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)予以即可。此處將開發(fā)完成的整個(gè)項(xiàng)目選中，勾選發(fā)布的平臺(tái)為android（4.2版本及以上），就會(huì)生成apk格式的文件。

移動(dòng)端只需獲取該文件，正常安裝后默認(rèn)會(huì)在系統(tǒng)桌面生成一個(gè)圖標(biāo)，點(diǎn)擊該圖標(biāo)，本系統(tǒng)就會(huì)運(yùn)行，正常情況下占用內(nèi)存約為80 M左右。

3　測試使用

系統(tǒng)開發(fā)完成后，項(xiàng)目組成立了測試小組，對該版本的應(yīng)用進(jìn)行了詳細(xì)的內(nèi)部測試。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)生集中安裝測試和試用，獲得了較為詳細(xì)的測試資料，對一些嚴(yán)重的BUG進(jìn)行了修改和修復(fù)，目前的版本已比較穩(wěn)定。

4　結(jié)束語

本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和開發(fā)，是運(yùn)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和現(xiàn)代信息技術(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)的基于android平臺(tái)的三維模擬針刺訓(xùn)練系統(tǒng)使用目前流行的Unity3D技術(shù)，是在針灸推拿系多位老師的參與和指導(dǎo)下歷時(shí)兩年完成的。本系統(tǒng)已取得國家版權(quán)局計(jì)算機(jī)軟件著作權(quán)登記證書（證書編號(hào)：2015SR282442），并計(jì)劃在甘肅中醫(yī)藥大學(xué)課程改革中予以推行使用。該系統(tǒng)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)供全省甚至全國中醫(yī)愛好者使用，為祖國醫(yī)學(xué)的普及和推廣做出貢獻(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（03）：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(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（06）：43-45．

［4］ 丁勇．衛(wèi)校學(xué)生針刺實(shí)訓(xùn)中如何避免暈針［J］．現(xiàn)代醫(yī)藥衛(wèi)生，2006（21）：3391-3392．

［5］ 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．

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

TH776

A

10.3969/j.issn.1672-6375.2016.04.004

2016-1-12

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）。

張偉（1981-），男，漢族，甘肅慶陽人，研究生，副教授，主要研究方向：計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、虛擬現(xiàn)實(shí)及教育技術(shù)。