谈数字化虚拟人力反馈角度的针刺手法研究思路

1 / 13 谈数字化虚拟人力反馈角度的针刺手法研究思路 摘要： 数字化虚拟人体研究是以先进的信息技术和生物技术相结合的方式进行真实人体信息数字化的研究。针刺手法是针灸的精华和针刺疗效的关键 ,虽然采用一般方法对针刺手法进行了有益的探索 ,但都不令人满意。在穴位融合三维数字人体的基础上，将针刺过程以力反馈形式表现出来，在针刺研究领域中可实现针刺手法的三维立体表达，可以精确形象地展示针刺操作的手法过程 ,可使针刺手法的效应机制研究取得更大的进展。借助数字化虚拟人体从力反馈角度进行针刺手法的深入研究意义重大。 关键词： 可视化人体计划 ; 数字化虚拟人体 ; 针刺手法 ; 三维 ; 力反馈 自美国 1989 年提出 “ 可视化人体计划 ”1 以来，数字化虚拟人体研究进展迅速。我国于 2001 年香山科学会议第 174 次学术讨论会，启动了中国数字化虚拟人体研究。数字化虚拟人体具体指通过先进的信息技术和生物技术相结合的方式，将采自真实人体的形态学、生物物理学等数据信息及高级计算算法整合成一个研究环境，研究人体对各种外界刺激的反应，实现人体的数字化描述。数字化虚拟人体2 / 13 研究汇集了当前较新的科技成就，为医学及多学科的研究和应用提供一个基础技术研究 平台 2 。笔者认为从力反馈角度进行数字化虚拟人体的针刺手法研究，可以多层次、全方位显示穴位的立体构筑，可以三维立体地观察针刺过程，有助于针刺手法研究的精确形象展示，为研究针刺手法提供了更直观的操作平台 ;有利于针刺手法客观化研究，并可使针灸学习者快速掌握各种针刺手法 , 为推动针刺手法的研究意义重大。特作如下探讨。 1 进行针刺手法研究的重要性 针刺手法是针灸之精华，历来被视为针刺疗效的关键。清代著名针灸学家李守先在针灸易学云： “ 不知难不在穴，在手法耳。 ” 神灸经论云： “ 用针之要，先重手法 ，手法不调，不可以言针灸。 ” 自从黄帝内经为针刺手法的发展奠定了基础之后，历代医家通过其丰富的医疗实践对针刺手法进行了不断的探索，而明代针灸大家杨继洲就极为重视针刺手法，在针灸大成中就广录前贤手法，且记载了杨氏许多家传手法。近代针刺手法又有了进一步的发展，出现了承澹安、赵熙、朱琏、鲁之俊、陆瘦燕等一批针灸大家。其中针灸大家承澹安就强调指力练习 ;而针灸巨擘陆瘦燕认为正确熟练地运用针刺手法，是治疗疾病取得疗效的关键之一 3 ，并且注重针刺手法的临床和实验研究，皆极大丰富了针刺手法的内容。 3 / 13 随着国际 交流与合作的深入和扩大，作为中国传统医学重要组成部分的针灸疗法逐步走向世界，为人类的卫生保健事业日益作出了重大的贡献。关于针刺手法的研究方兴未艾。厉氏 4在临床治疗时，发现运用解剖学知识可使针刺临床疗效提高。王氏 5认为应利用先进的科学技术模拟手工操作以阐明针刺手法的本质。运用数字化虚拟人体技术则可以多层次、全方位逼真表达人体腧穴的立体构筑，为探讨经络腧穴实质及针刺手法提供了数字化平台，操作者基于数字化虚拟人体可很好地实现腧穴精确定位，可动态模拟针刺过程，实现逼真演示针刺触及解剖结构及相关空间位置关系， 可以在一个三维交互式虚拟环境下体会。为了更好地为人类的卫生保健事业服务，保持我国在针灸领域的国际领先地位，作为中国传统医学璀璨明珠的针灸学，更应采用数字化虚拟人体进行针刺手法的深入探索。 2 一般力学角度研究针刺手法的有益探索 为了阐明针刺手法的本质以便更深入地发展针刺手法，诸多科研工作者通过设计或借助仪器从力的角度对针刺手法进行了探索。石学敏院士借助现代科学手段，率先提出针刺手法量学理论 6，首次对针刺作用力的方向、大小及施术时间、两次针刺间隔时间等进行了科学界定。黄雪苔 7认为针刺应遵循 力学规则，王琴玉等 8也认为针刺是利用4 / 13 力学原理来治病。丁氏 9应用现代集成电路技术，研制出一套在人体上测试各种针刺手法、并能感受施针者和受针者相互作用力的检测系统。杨氏 10应用标准 RS-232 串行口通讯技术，通过针刺手法参数实时采集及教学演示系统，实现针刺手法的数据化处理和分析。丁氏 11采用安装在针灸针体上的力和力矩微型传感器系统测量了临床针刺过程中针体上的受力数值和波形，并对均匀捻转、均匀提插、捻转补泻法、提插补泻法等手法进行了系统研究与分析，认为可用针体受力大小和波形作为针刺手法的客观定量参 数。 可以看到 ,虽然众多医教研工作者对针刺手法的研究进行了有益的探索，为针刺手法的研究及教学提供了宝贵的借鉴，但目前对针刺手法的分析还不是很深入 12。难以从不同角度、不同解剖层次、不同进针层次三维立体地进行针刺手法的研究，难以提供更直观的反映动态过程的电子解剖学手段，难以精确形象地展示针刺操作的手法过程。 3 基于数字化虚拟人体从力反馈角度研究针刺手法的原理分析 3.1 数字化虚拟人体角度研究针刺手法的优点 针刺的过程是毫针作用于穴位而产生力、形变与效应的复杂过程。随着时代的发展，传统 的二维图谱与尸体解剖等教学方式已不能很好地适应现代教学和研究的需要，而立体直观形象探索一直是人类的追求。早在宋代，王惟一就设计并铸成5 / 13 了铜人腧穴针灸模型，开创经穴模型直观教学之先河。石氏13认为应采用现代科技手段研究和发展针灸学。数字化虚拟人体自 20 世纪 80 年代提出以来，在军事、工程、医学、建筑等诸多领域得到迅速发展。田氏 14认为要使中医药现代化，就必须先使中医药数字化。将作为汇集当前较新科技成就的数字化虚拟人体研究引入针刺手法领域的研究，将虚拟现实技术与解剖学及传统的中医针灸相结合，对针刺手法的研究 意义重大。 首先，融入腧穴信息的数字化虚拟人体可以多层次、全方位逼真表达人体腧穴的立体构筑。操作者基于数字化虚拟人体可很好地实现腧穴精确定位，可自由选择观察角度，形成对腧穴形态结构有更为直观的、全方位的认识。其次，基于数字化虚拟人体进行针刺手法研究，可以动态模拟针刺过程，可从不同角度、不同解剖层次、不同进针层次三维立体地观察针刺过程，可从诸多层次、任意角度观察针刺穴位时的解剖结构、毗邻结构和进针层次，有助于针刺手法研究的精确形象展示。而且，数字化虚拟人体以它的 “ 三维虚拟场景 ” 为研究者提供了一个逼真的研 究情景，可给以真实的触觉体验，令其积极地投入到场景之中，可以在一个三维交互式虚拟环境下体会。所以数字化虚拟人体可以以三维立体的形式充分展示针刺过程中不同层次和断面解剖的立体构像，实现逼真演示针刺触及解剖结构及相关空间位置关系，6 / 13 有利于精确形象地展示针刺手法的操作过程，有利于更好地为人类的卫生保健事业服务。 3.2 力反馈角度研究针刺手法的原理分析 在对针刺过程的模拟中，力感的主要来源是针体与人体组织接触以及在进针和操作过程中针体与人体组织相互作用所产生的反作用力。力反馈是指作用在人的肌肉、关节和筋腱上的 力，其作用是让针刺施术者感受到虚拟现实中力的真实。在力反馈与数字人结合方面，国际上以德国汉堡大学最早，把力反馈用于颞骨手术系统中 , 对颞骨手术进行了模拟 15。我国在力反馈与数字人结合方面的研究也有很大进展，例如手术操作是非常精细的工作 ,要求较为精确的力反馈。谭氏 16认为可用计算机软件来实现对虚拟手术器械的机电部分的控制 ,再反馈在虚拟手术器械上。岳氏 17提出了通过虚拟现实技术实现虚拟力反馈以替代真实力反馈的方法。由于软组织的反馈力往往呈现出非线性的特点，李氏 18使用非线性力反馈模型仿真软组织对 手术器械的反馈力，并对肝脏的模型加入非线性扰动，建立了反馈力的非线性模型，从而使反馈力更加真实。 由于数字化虚拟人体强调人机交互、及时反馈，故在虚拟针刺过程中引入力反馈，通过力反馈设备表现出对应的力量与方向，可让针刺施术者感受到虚拟现实中力的真实，7 / 13 可使操作者不仅能够看到而且还能感觉到针刺部位层次。操作者通过其手操作虚拟针刺部位的穴位，与虚拟环境和虚拟模型进行交互 ;在获得图像反馈的同时获取力觉的反馈，形成对虚拟模型的一个完整的认识，并感受到与虚拟对象交互产生的力，如同在真实人体腧穴针刺一样。可亲身体验针 刺过程中力的大小及其变化，并可进行不同手法的演练 ;而且由于其通过模拟人的视觉、听觉、触觉、力觉、运动感等，使人处于一种与真实世界非常逼真的虚拟世界中，来感受和评价虚拟世界中的场景和设备，故数字化虚拟人体对针刺手法的研究意义深远，可以提供一种直观的动态过程的针刺手法的研究，为针刺手法的深入研究开拓了新领域，对针刺手法的教学、研究和发展有重要的意义。香港中文大学王平安等 19曾进行过力反馈与针刺穴位及数字人相结合的研究，成功研发了最初的针刺穴位组织力学模型，并可在虚拟现实环境中用于针刺手法的模拟训练，但该模型只能进行提插手法的力学模拟。 4 基于数字化虚拟人体的针刺手法研究 4.1 数字化虚拟人体研究针刺手法的可行性分析 自香山会议后，我国的解剖学专家、计算机专家及相关领域的专家们加强协作，参与国际科研大协作，跟踪科学研究前沿。中国数字化可视人体 (CDVH)20获得国家杰出青年基金资助，已由解放军第三军医大学承担实施。中国穴位三维人体8 / 13 在国家自然基金青年项目、卫生部 优秀青年人才基金项目、上海市启明星计划项目资助下，已由上海中医药大学承担实施。严教授领导的科研组多年来对穴位结构进行了由层次解剖结构到断面解剖结构、由大体解剖结构到显微、超微结构全面系统的研究，并进行了 “ 针灸穴位解剖结构计算机三维图像重建 ”“ 危险穴位针刺深度的研究 ” 和 “ 若干重要穴位立体构筑的研究 ” 等相关研究，成功实现了 “ 基于 VHP 数据的穴位可视化研究 21” 和 “ 基于 VOXEL-MAN 针灸学三维影像浏览器的研究 22” 及 “ 穴位融合三位数字化虚拟人体研究 ” 等相关研究。该科研组还采用 VHP 男性数据集、VOXEL-MAN 的 Brain and Skull 数据集和中国数字化虚拟人体数据，运用计算机图形与图像处理技术以及先进的算法，将穴位数据全面系统地融合到 VOXEL-MAN 汉堡数字化人体，建立一个能表现多重医学知识的智能三维可视人，可在微机上多层次全方位显示穴位的立体构筑。经重建的穴位具有精度高、色彩真、立体感强的优点 ;能任意旋转，从任意角度切割，有利于反复观察穴位各层次的结构 ;仅仅通过移动和点击鼠标即可任意定位、转动和观察穴位内部结构及模拟针刺过程，为针刺手法与数字化虚拟人体技术的结合奠定了较好的研究基础。 4.2 数字化虚拟人体的角度研究针刺手法的实践与探索 9 / 13 传统活体的腧穴定位犹如黑匣子，穴下结构无法透视 ;但数字化虚拟人体数据集采自真实人体，吸取了先进的科学技术手段，运用三维数字化方式多层次、全方位逼真表达人体腧穴的立体构筑，并且通过力反馈装置，使操作者基于数字化虚拟人体可很好地实现腧穴精确定位，可动态模拟针刺过程，能知道是否触及血管、神经或相邻脏器，实现逼真演示针刺触及解剖结构及相关空间位置关系，可以在一个三维交互式虚拟环境下体会。程氏 23利用虚拟现实技术，初步将针刺过程以力反馈形式表现出来，给操作者 以逼真的触觉体验，为基于数字化虚拟人体从力反馈角度进行针刺手法的研究进行了有益的探索。 因虚拟人体可以在视野范围内旋转，故观察者可以从不同角度观察进针过程，观察进针时的层次解剖及其立体空间结构，能对虚拟进针过程中针刺角度、深度以及相关的解剖结构得以整体的、多视角的、立体的观察。笔者所在的课题组在前期已经为针刺手法与数字化虚拟人体技术结合奠定的较好研究基础上，拟依托于 VOXEL- MAN 虚拟人平台，借助 Omega 3dof 力反馈装置进行。该力反馈仪适宜软组织的力学模拟，能够给操作者带来真实的触觉感受。并 依据穴位所在区域的组织结构的力学物理特性，模拟施针过程力学和视觉变化的仿真，通过力反馈接口把数据传递到力学传感器，从而让操作者感知，实现视觉与触觉的同步，达到虚拟10 / 13 现实的沉浸感和逼真感。旨在通过对虚拟人体上的穴位进行针刺手法研究，为针刺手法的教学及研究提供动态的仿真手段，进而为研究经络实质开辟新路。 5 数字化虚拟人体从力反馈角度研究针刺手法的展望 基于数字化虚拟人体从力反馈角度进行针刺手法研究的意义深远，能将针刺过程中穴位各层组织结构以虚拟现实和力反馈的方式表现出来，给人们以动态的直观视觉感受与 真实的力感触觉体验 ;能够使针灸初学者身临其境地进行施针训练，为其临床操作技能奠定基础 ;能够通过记录名家施针时的手法技巧，做好名医传承工作 ;能够依据针刺得气时组织形变，从力学角度探讨穴位和经络实质 ;并且有助于数字化虚拟人体的深入研究，赋予传统的三维数字人以丰富的中医特色，将使初级的中医解剖虚拟人向高一级的中医物理虚拟人跨越。 有理由相信，随着穴位数字化虚拟人研究的深入，用现代科学技术来阐述针刺手法的效应机制将取得更大的进展 ;随着穴位数字化虚拟人研究的深入，传统的针灸学、解剖学与现代生物力学、现代传感技术 和计算机技术相结合，必将产生一门更新型的学科 -数字针刺手法学 ;随着数字化虚拟人研究的深入，作为中国传统医学璀璨明珠的针灸学，必将更好地为人类的卫生保健事业服务。 11 / 13 【参考文献】 1 Ackerman M.J. 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