基于Unity3D的三維模擬針刺訓練系統的設計與開發

張　偉，張淑苗

（1.甘肅中醫藥大學信息工程學院，甘肅 蘭州 730000；2.甘肅農業大學，甘肅 蘭州 730070）

基于Unity3D的三維模擬針刺訓練系統的設計與開發

張偉1，張淑苗2

（1.甘肅中醫藥大學信息工程學院，甘肅 蘭州 730000；2.甘肅農業大學，甘肅 蘭州 730070）

借助虛擬現實技術，在Unity3D開發環境中，在虛擬人體上標注穴位、經絡等信息，并通過操作實現虛擬針刺訓練，幫助中醫院校學生及中醫愛好者掌握穴位、經絡等中醫基礎知識。系統發布在Windows和Android平臺，方便使用者根據實際需要選擇相應版本。

Unity3D；三維模擬；針刺；虛擬現實

隨著人們生活水平的提高，養生保健、治未病等中醫觀念逐漸深入人心[1]。中醫作為祖國傳統文化的重要組成部分，在中華民族的繁衍生息中發揮了至關重要的作用。其中針灸作為中醫最重要的治療和保健手段，不但在國內廣泛使用，在國外也得到了越來越多的重視[2]。然而，培養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，尤其對經絡和穴位的準確識別定位，是實施針灸治療的前提和基礎。古代智慧的中國人為了認識、測試經絡穴位的準確位置，曾經澆鑄過聞名于世的針灸銅人，為培養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，現在已很少使用。而非中醫人士尤其是外國人學習和識記穴位、經絡等中醫知識更是困難重重。

為此，各大醫療公司開發了許多針對經絡、穴位的實訓模型，一定程度上緩解了上述問題。但是模型大都是針對醫學生訓練所用，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。隨著虛擬現實技術的飛速發展，利用現代信息技術實現針灸技術的可視化學習，或可以解決上述問題。

1需求分析

全面細致的功能分析，是順利開發完成一款實用信息系統軟件的前提和基礎。根據教學、訓練場景需要，通過問卷調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、所屬經絡及經典取穴方法；（6）用穴位串聯起來的12條經絡能夠明顯顯示出來；（7）能夠完成學習測試。

2關鍵技術

2.1人體建模

精確的虛擬人體模型是實現穴位、經絡等信息定位的基礎。經搜索對比網絡上現成的一些虛擬人體模型，大多是為游戲角色設計的，很多都比例失調，無法在醫學信息系統中使用。為此，項目組根據人體比例，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[4]。此外，在人體選擇上采用男性人體，這與現實中使用的普通實訓人體模型一致。

2.2穴位及經絡建模

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“經外奇穴”，是因為在現代中醫理論里，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“穴位大小如米粒”。在虛擬人體上精確定位這些穴位并不容易，為力求本系統穴位信息準確無誤，項目組聘請了甘肅中醫藥大學針灸推拿系幾名教授，全程指導參與中醫相關信息的錄入工作，在穴位、經絡功能里刪除了一些存在爭議的內容，知識點參照中國中醫藥出版社2008年版《針灸腧穴學》教科書內容。

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部位。為了使學習者能夠觀察到精確的穴位點，穴位及經絡模型不完全鑲嵌入人體，即有一部分是裸露于體表的，并用相應顏色標示。根據系統功能，在測試模式下穴位和經絡模型處于隱藏狀態，當學習者針刺位置正確后，系統會提示正確，否則會提示錯誤并顯示正確的穴位模型。在學習模式下，可根據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

該系統中人體的精確操控是項目開發成敗的關鍵。經對比，項目組選取了一款當前流行的易用3D游戲開發引擎Unity3D，這是一個開發者可以輕松創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容的多平臺綜合型游戲開發工具，是一個全面整合的專業游戲引擎[5]。該引擎可一次開發后將最終結果發布到PC、IOS、XBOX、Android等平臺，是目前主流的3D可視化開發平臺。

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

2.4信息存儲

穴位、經絡名稱及功能主治等信息對于學習者至關重要。原計劃將穴位和經絡信息存儲在本地數據庫，后來發現此舉沒有必要：其一，不做成聯機版就沒有并發數據訪問的壓力；其二，穴位等信息一旦錄入后，增、刪、改的機會很少。另外使用數據庫后，將來部署和發布會有很大不便，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聯，存儲格式如表1所示，系統在運行時根據需要加載相應的信息。經測試，速度和顯示結果都比較令人滿意。

編號　功能與用途用于和模型相關聯穴位穴位名稱　古文獻中記載的方法取穴方法錄入相關文字歸經所屬經絡

圖1 系統運行圖

2.5發布及部署

使用Unity3D系統發布應用非常容易和便捷，只要將需要的各種文件打包在程序內，然后選擇相應的平臺予以發布即可。課題組根據目前實際情況，將本系統發布為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

系統開發完成后，項目組成立了測試小組，對該版本兩個平臺的應用進行了詳細的內部測試。之后項目組又組織甘肅中醫藥大學相關專業學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，目前的版本已比較穩定。

4結論與展望

該系統的設計和開發，是運用虛擬現實技術解決醫學教學和實踐中問題的案例。項目組設計開發的三維模擬針刺訓練系統使用目前流行的Unity3D技術平臺，在針灸推拿系多位教師的參與和指導下歷時兩年完成。該系統計劃在甘肅中醫藥大學課程改革中予以推行使用，移動版將在校內非醫學專業推廣使用，并將繼續修改和升級，在合適的時間發布到公共平臺供全省乃至全國中醫愛好者使用，為祖國醫學的普及和推廣做出貢獻。

[1]尹紅博，吳富東．古代針灸養生保健文獻整理述略[J]．山東中醫藥大學學報，2013（3）：234-235．

[2]李秀明，姚崢嶸，張洪雷．中醫藥文化傳播之于國家軟實力建設的思考[J]．醫學與社會，2011（10）：15-17．

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

[4]張巖，高海俠．淺談3DSMax多種建模方法的應用[J]．科技創新導報，2008（33）：26-27．

[5]宣雨松．Unity3D游戲開發[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）；甘肅中醫藥大學教改項目（230514520225）