虛擬現實技術在中醫針灸教學中的應用

廣西醫科大學 陸春雨 丁穗娟

“虛擬現實+教育”是當前社會熱點之一，把虛擬現實技術應用到中醫針灸教學中，是醫學教育發展的必然趨勢。本文主要介紹了虛擬現實技術及其在針灸教學中的應用，并對其優勢與不足進行了探討。

目前，國內中醫針灸教學仍然采用紙質化的平面教材為主，再配合一些圖片、視頻、音頻，加上課時較少而教學內容偏多，學生對于經脈循行、腧穴定位等知識的理解往往浮于表面。虛擬現實技術的應用為傳統課堂教學帶來了可喜的變化，使基礎理論教學更加形象、針刺實踐操作更具體、課堂教學過程變得更有趣、實踐技能的考核變得更客觀。

虛擬現實技術（VR）是綜合運用計算機圖形技術、人機交互技術、多媒體技術、仿真技術、傳感器技術、網絡技術等多種科技創造出一個虛擬的場景，這個場景可以是過去曾經存在過但現在已經消失不見的，也可以是現實中能看到卻不易到達的，還可以是未來可能會出現的或只存在于人們的想象中的。當人們置身于這樣一個虛擬世界中，所看到的、所聽到的、所觸摸到的、甚至所聞到的都近乎真實，讓人沉浸其中，獲得前所未有的體驗。

虛擬現實技術有三個基本特征，通常被稱為“3I”，即沉浸感、交互性和構想性。沉浸感是指人機自然交互，如同在現實世界中的交互一樣，人體的多種感官（視、聽、嗅、味、觸等）無法分辨該場景是現實的還是虛擬的，從而讓人沉浸其中；交互性是指參與者能通過手柄或手勢來操縱虛擬場景中的物體，并得到自然的反饋，從而使虛擬場景發生改變；構想性是指參與者在虛擬場景中不斷地交互，獲得的感性與理性的認知也在不斷增加，從而產生構想，萌發出新意。

虛擬現實技術包括三個主要方面：實物虛化、虛物實化以及高性能計算處理。實物虛化是把真實世界映射到數字世界中，虛擬出一個具有真實感的世界，并且能檢測用戶的操作，獲取用戶的操作數據。它包括基本模型構建技術（在虛擬世界中重構真實世界中的物體，并保留其物理屬性）、空間跟蹤技術（通過空間傳感器確定用戶在虛擬世界中的方向、位置等）、聲音跟蹤技術（聲源不同，聲音到達某個地點存在時間、相位等的差別，以此進行跟蹤）和視覺跟蹤與視點感應技術（光在不同的時刻和位置會在圖像投影平面上產生不同的投影，以此可計算對象的位置和方向）。虛物實化是指用戶的各種感覺（視、聽、觸等）接近真實，這是產生沉浸感的關鍵。比如用戶對某個虛擬物體施加了作用力，要能清晰地感受到反作用力的大小、方向等。高性能計算處理是指為實現實物虛化和虛物實化，需要進行數據轉換和數據預處理。包括圖形圖像實時渲染；聲音合成和空間化；數據標準化、轉換、壓縮、生成數據庫；各種模式識別，如語音識別、手勢識別、人臉識別等；自組織神經網絡、遺傳算法；分布式計算、高速無線網絡技術等。

1 虛擬現實技術在針灸教學中的應用

南方醫科大學的蔡曉雯等結合長期的教學經驗，對虛擬現實技術應用到針灸教學中提出了一些設想，分為初級學習型VR、綜合提高型VR、游戲型VR、執業醫師考試模擬、繼續教育等五個方面。初級學習型VR涵蓋基本知識點，重在初級操作和交互，培養學生的發散思維，彌補傳統教學的不足。綜合提高型VR基于臨床實際病例，創建仿真醫療情境，培養學生的臨床思維，幫助學生完成書本學習到臨床實習的過渡，緩解見習前的緊張，減輕見習教學的壓力。游戲型VR則主要用于學生在碎片時間鞏固需要大量記憶的知識（經絡循行、腧穴定位、功效主治等），用游戲任務的方式輕松完成，寓教于樂，事半功倍。執業醫師考試中有實踐技能的考核，可以用VR進行模擬，考生可以反復訓練，甚至為個人量身定制訓練方案，節省場地、人力、費用。學生在畢業后走上醫務工作崗位，可以通過VR技術繼續深造，了解學科最新進展，身臨其境地遠程觀摩專家會診、針灸過程等，有助于提高業務水平。

第二軍醫大學的羅虹等開發的《腕踝針虛擬教學系統》是把Poser中的人體三維模型導入到3ds Max中進行加工，再導入到Virtools里，用BB行為模塊和VSL腳本制作交互，最后通過Dreamweaver集成并發布。該系統應用于本科教學后，超過百分之八十的學生認為它更有利于知識傳達；超過百分之七十的學生認為它有助于提高教學效果和效率，更適合輔助教學，能提高自己的信息技術和探究能力；將近百分之七十的學生認為它的優勢首先在于直觀性，其次是交互性還有趣味性。

天津中醫藥大學的張硯等設計開發的虛擬針灸取穴實訓系統使用3ds Max建模（人體、經絡、穴位等），然后導入到VRMLPad中，使用Java編程，添加穴位文字顯示、語音名稱提示等交互功能，最后發布為一個可執行文件，能在瀏覽器中運行。學習者通過鼠標操作人體，可以從任意角度進行觀察，反復進行認穴、取穴練習，為今后的針灸實訓打好基礎。

上海同濟大學的姜雨晨等建立的虛擬針刺力反饋系統人機互動操作平臺，用VOXEL-MAN虛擬人體開發平臺開發出針灸學三維瀏覽器，運用圖形與圖像處理技術和力反饋技術進行人體組織建模。通過顯示器，操作者能看到毫針扎進虛擬的皮膚和肌肉時，皮膚和肌肉發生形變的整個過程，實現針刺視覺再現。同時，通過Falcon力反饋設備，操作者能感受到反作用力，而且毫針扎進皮膚、穿過皮下組織、到達肌肉，這期間能明顯感到力的變化，隨層次遞進，實現了針刺的觸覺再現，體驗相當真實。

山東中醫藥大學的朱琳等設計了基于Leap Motion體感控制器的三維經絡輔助教學系統。先用3ds Max建立仿真的3D人體模型，再采集穴位位置（用OpenGL的定位函數將二維坐標轉換為三維坐標）和穴位信息（用戶輸入后存儲到My SQL數據庫中，通過交互操作觸發，讀取相應信息）。Leap Motion體感控制器通過采集使用者的手勢在空間的運動數據，操作三維對象。使用者通過手勢可以旋轉人體模型，從各個角度察看經絡；選中某條經絡時，其循行路線信息就會展示出來；選中某個穴位時，該穴位的詳細信息就會出現在系統界面上。這樣教師就可以直觀、精確地呈現經絡內容，清晰生動地展示、講解人體穴位。

天津大學的崔晨暉設計了一套基于Oculus頭盔和Leap Motion設備虛擬中醫針灸訓練系統。為解決手勢識別不夠精確，使用機器學習分類訓練的算法，把準確率高的模型篩選出來，再應用到虛擬場景中。通過沉浸式的虛擬場景和新穎的交互方式，增強了學生的主動學習性，從而提高針灸訓練的效果。

安徽中醫藥大學的高紅磊等設計了一套虛擬針灸教學軟件。用3ds Max制作人體三維模型，用Unity3D建立虛擬場景。使用者佩戴HTC VIVE的頭盔，可以自由觀察虛擬的3D人體。通過HTC VIVE的手柄發出射線，當射線擊中某個穴位時，UI界面即可顯示該穴位的相關信息，如名稱、位置及主治病癥等（這些信息使用JSON語言存儲管理，通過穴位ID進行查找，然后傳遞給UI）。

華中師范大學的張文元等開發了針灸銅人虛擬交互展示系統。該系統以湖北省博物館珍藏的腧穴針灸銅人為對象，用手持式三維激光掃描儀進行非接觸式掃描，獲得三維點云數據。再使用專業軟件進行配準和去噪等處理，保存為Obj格式文件，導入到3ds Max中。然后用高清相機從不同角度對針灸銅人實物進行拍照，獲得高清圖片，導入PS進行處理，再導入到3ds Max中進行貼圖烘焙操作。針灸銅人的穴位、經絡以及常見病癥等知識采用XML存儲，用DOM解析可獲得這些信息。針灸銅人的3D模型還需進行簡化以便在網頁和移動終端瀏覽，這里采用了基于改進的QEM算法的層次細節模型LOD技術，減少了3萬多個三角面，大大提高了渲染的效率。最后利用Unity引擎制作虛擬交互，編譯后可發布到瀏覽器、安卓和蘋果系統等不同應用平臺進行展示，實現了傳統中醫知識（穴位、經絡、常見病癥等）的三維可視化和虛擬交互查詢。

廣州中醫藥大學的陳玲等把裸眼3D虛擬現實技術應用到針灸臨床特色技術實驗教學中。采用超高清UHD裸眼3D數碼顯微鏡、超高清立體攝像機、指向背光超高清裸眼3D顯示設備，對針灸名師的針灸操作進行拍攝，獲得高分辨率、高清晰度和強立體感的影像，把關鍵的步驟、具體操作手法、皮膚的細微變化等實時呈現，同時，進針深度等細節還會通過軟件實時顯示出來。學生無需佩戴VR眼鏡或頭盔，即可觀看高清晰3D影像，既避免了視覺疲勞和眩暈，又增加了教學的趣味性、愉悅性、沉浸感和體驗感。

2 小結

虛擬現實技術應用于中醫針灸教學的優勢明顯：緩解教學資源緊缺、避免實驗風險、節約時間和成本、形象生動和接近真實的操作體驗大大促進學生對知識點的理解和掌握、更容易提高學生操作的熟練度等等。同時，也應關注其不足之處：硬件設備還需進一步完善，VR頭盔太重、久戴不適、分辨率不夠高、易眩暈、價格昂貴、保養維護管理成本高等都不利于大量采購和推廣；力反饋技術還不夠成熟；三維模型制作、平臺開發，費時費力，需要打造專業教學團隊相互配合；還需與臨床實踐更加緊密結合；多人虛擬現實還有待進一步發展。