1、數字化虛擬人力反饋角度的針刺手法研究思路(一)作者：劉延祥，嚴振國，邵水金，郭春霞牟芳芳，楊浩，莊天戈【摘要】 數字化虛擬人體研究是以先進的信息技術和生物技術相結合的方式進行真實人體信息數字化的研究。針刺手法是針灸的精華和針刺療效的關鍵,雖然采用一般方法對針刺手法進行了有益的探索,但都不令人滿意。在穴位融合三維數字人體的基礎上，將針刺過程以力反饋形式表現出來，在針刺研究領域中可實現針刺手法的三維立體表達，可以精確形象地展示針刺操作的手法過程,可使針刺手法的效應機制研究取得更大的進展。借助數字化虛擬人體從力反饋角度進行針刺手法的深入研究意義重大。 【關鍵詞】 可視化人體計劃; 數字化虛擬人體;

2、針刺手法; 三維; 力反饋Abstract：Digitized Virtual Human Body study, which is associated with advanced information techniques, computer technology and medical technology, aims at establishing a human body model with three-dimensional organs and physiological functions by computer techniques. As acupunctural ma

3、nipulation technique plays an important role in the effect of the acupunctural and moxibustion, a great deal of research has been done to explore its mystery, which is not satisfying. Based on the three-dimension visible human fused with the localization acupoints information, the process of acupunc

4、tural carries out with force feedback. In the research of acupunctural manipulation technique, it can not only realize the expression model of acupunctural manipulation technique with three-dimension but make a huge progress in the mechanism of acupunctural manipulation techniques effect. So, its of

5、 great significance in acupunctural manipulation technique development.Key words：Visible human project; Digitized virtual human body; Acupuncturd manipulation technique; Three-Dimension; Force feedback自美國1989年提出“可視化人體計劃”1 以來，數字化虛擬人體研究進展迅速。我國于2001年香山科學會議第174次學術討論會，啟動了中國數字化虛擬人體研究。數字化虛擬人體具體指通過先進的信息技術和生

6、物技術相結合的方式，將采自真實人體的形態學、生物物理學等數據信息及高級計算算法整合成一個研究環境，研究人體對各種外界刺激的反應，實現人體的數字化描述。數字化虛擬人體研究匯集了當前較新的科技成就，為醫學及多學科的研究和應用提供一個基礎技術研究平臺2 。筆者認為從力反饋角度進行數字化虛擬人體的針刺手法研究，可以多層次、全方位顯示穴位的立體構筑，可以三維立體地觀察針刺過程，有助于針刺手法研究的精確形象展示，為研究針刺手法提供了更直觀的操作平臺;有利于針刺手法客觀化研究，并可使針灸學習者快速掌握各種針刺手法, 為推動針刺手法的研究意義重大。特作如下探討。1 進行針刺手法研究的重要性針刺手法是針灸之精華

7、，歷來被視為針刺療效的關鍵。清代著名針灸學家李守先在針灸易學云：“不知難不在穴，在手法耳。”神灸經論云：“用針之要，先重手法，手法不調，不可以言針灸。”自從黃帝內經為針刺手法的發展奠定了基礎之后，歷代醫家通過其豐富的醫療實踐對針刺手法進行了不斷的探索，而明代針灸大家楊繼洲就極為重視針刺手法，在針灸大成中就廣錄前賢手法，且記載了楊氏許多家傳手法。近代針刺手法又有了進一步的發展，出現了承澹安、趙熙、朱璉、魯之俊、陸瘦燕等一批針灸大家。其中針灸大家承澹安就強調指力練習;而針灸巨擘陸瘦燕認為正確熟練地運用針刺手法，是治療疾病取得療效的關鍵之一3 ，并且注重針刺手法的臨床和實驗研究，皆極大豐富了針刺手法

8、的內容。隨著國際交流與合作的深入和擴大，作為中國傳統醫學重要組成部分的針灸療法逐步走向世界，為人類的衛生保健事業日益作出了重大的貢獻。關于針刺手法的研究方興未艾。厲氏4在臨床治療時，發現運用解剖學知識可使針刺臨床療效提高。王氏5認為應利用先進的科學技術模擬手工操作以闡明針刺手法的本質。運用數字化虛擬人體技術則可以多層次、全方位逼真表達人體腧穴的立體構筑，為探討經絡腧穴實質及針刺手法提供了數字化平臺，操作者基于數字化虛擬人體可很好地實現腧穴精確定位，可動態模擬針刺過程，實現逼真演示針刺觸及解剖結構及相關空間位置關系，可以在一個三維交互式虛擬環境下體會。為了更好地為人類的衛生保健事業服務，保持我國

9、在針灸領域的國際領先地位，作為中國傳統醫學璀璨明珠的針灸學，更應采用數字化虛擬人體進行針刺手法的深入探索。2 一般力學角度研究針刺手法的有益探索為了闡明針刺手法的本質以便更深入地發展針刺手法，諸多科研工作者通過設計或借助儀器從力的角度對針刺手法進行了探索。石學敏院士借助現代科學手段，率先提出針刺手法量學理論6，首次對針刺作用力的方向、大小及施術時間、兩次針刺間隔時間等進行了科學界定。黃雪苔7認為針刺應遵循力學規則，王琴玉等8也認為針刺是利用力學原理來治病。丁氏9應用現代集成電路技術，研制出一套在人體上測試各種針刺手法、并能感受施針者和受針者相互作用力的檢測系統。楊氏10應用標準RS-232串行

10、口通訊技術，通過針刺手法參數實時采集及教學演示系統，實現針刺手法的數據化處理和分析。丁氏11采用安裝在針灸針體上的力和力矩微型傳感器系統測量了臨床針刺過程中針體上的受力數值和波形，并對均勻捻轉、均勻提插、捻轉補瀉法、提插補瀉法等手法進行了系統研究與分析，認為可用針體受力大小和波形作為針刺手法的客觀定量參數。可以看到,雖然眾多醫教研工作者對針刺手法的研究進行了有益的探索，為針刺手法的研究及教學提供了寶貴的借鑒，但目前對針刺手法的分析還不是很深入12。難以從不同角度、不同解剖層次、不同進針層次三維立體地進行針刺手法的研究，難以提供更直觀的反映動態過程的電子解剖學手段，難以精確形象地展示針刺操作的手

11、法過程。3 基于數字化虛擬人體從力反饋角度研究針刺手法的原理分析3.1 數字化虛擬人體角度研究針刺手法的優點 針刺的過程是毫針作用于穴位而產生力、形變與效應的復雜過程。隨著時代的發展，傳統的二維圖譜與尸體解剖等教學方式已不能很好地適應現代教學和研究的需要，而立體直觀形象探索一直是人類的追求。早在宋代，王惟一就設計并鑄成了銅人腧穴針灸模型，開創經穴模型直觀教學之先河。石氏13認為應采用現代科技手段研究和發展針灸學。數字化虛擬人體自20世紀80年代提出以來，在軍事、工程、醫學、建筑等諸多領域得到迅速發展。田氏14認為要使中醫藥現代化，就必須先使中醫藥數字化。將作為匯集當前較新科技成就的數字化虛擬人

12、體研究引入針刺手法領域的研究，將虛擬現實技術與解剖學及傳統的中醫針灸相結合，對針刺手法的研究意義重大。首先，融入腧穴信息的數字化虛擬人體可以多層次、全方位逼真表達人體腧穴的立體構筑。操作者基于數字化虛擬人體可很好地實現腧穴精確定位，可自由選擇觀察角度，形成對腧穴形態結構有更為直觀的、全方位的認識。其次，基于數字化虛擬人體進行針刺手法研究，可以動態模擬針刺過程，可從不同角度、不同解剖層次、不同進針層次三維立體地觀察針刺過程，可從諸多層次、任意角度觀察針刺穴位時的解剖結構、毗鄰結構和進針層次，有助于針刺手法研究的精確形象展示。而且，數字化虛擬人體以它的“三維虛擬場景”為研究者提供了一個逼真的研究情

13、景，可給以真實的觸覺體驗，令其積極地投入到場景之中，可以在一個三維交互式虛擬環境下體會。所以數字化虛擬人體可以以三維立體的形式充分展示針刺過程中不同層次和斷面解剖的立體構像，實現逼真演示針刺觸及解剖結構及相關空間位置關系，有利于精確形象地展示針刺手法的操作過程，有利于更好地為人類的衛生保健事業服務。3.2 力反饋角度研究針刺手法的原理分析 在對針刺過程的模擬中，力感的主要來源是針體與人體組織接觸以及在進針和操作過程中針體與人體組織相互作用所產生的反作用力。力反饋是指作用在人的肌肉、關節和筋腱上的力，其作用是讓針刺施術者感受到虛擬現實中力的真實。在力反饋與數字人結合方面，國際上以德國漢堡大學最早

14、，把力反饋用于顳骨手術系統中, 對顳骨手術進行了模擬15。我國在力反饋與數字人結合方面的研究也有很大進展，例如手術操作是非常精細的工作,要求較為精確的力反饋。譚氏16認為可用計算機軟件來實現對虛擬手術器械的機電部分的控制,再反饋在虛擬手術器械上。岳氏17提出了通過虛擬現實技術實現虛擬力反饋以替代真實力反饋的方法。由于軟組織的反饋力往往呈現出非線性的特點，李氏18使用非線性力反饋模型仿真軟組織對手術器械的反饋力，并對肝臟的模型加入非線性擾動，建立了反饋力的非線性模型，從而使反饋力更加真實。由于數字化虛擬人體強調人機交互、及時反饋，故在虛擬針刺過程中引入力反饋，通過力反饋設備表現出對應的力量與方向

15、，可讓針刺施術者感受到虛擬現實中力的真實，可使操作者不僅能夠看到而且還能感覺到針刺部位層次。操作者通過其手操作虛擬針刺部位的穴位，與虛擬環境和虛擬模型進行交互;在獲得圖像反饋的同時獲取力覺的反饋，形成對虛擬模型的一個完整的認識，并感受到與虛擬對象交互產生的力，如同在真實人體腧穴針刺一樣。可親身體驗針刺過程中力的大小及其變化，并可進行不同手法的演練;而且由于其通過模擬人的視覺、聽覺、觸覺、力覺、運動感等，使人處于一種與真實世界非常逼真的虛擬世界中，來感受和評價虛擬世界中的場景和設備，故數字化虛擬人體對針刺手法的研究意義深遠，可以提供一種直觀的動態過程的針刺手法的研究，為針刺手法的深入研究開拓了新

16、領域，對針刺手法的教學、研究和發展有重要的意義。香港中文大學王平安等19曾進行過力反饋與針刺穴位及數字人相結合的研究，成功研發了最初的針刺穴位組織力學模型，并可在虛擬現實環境中用于針刺手法的模擬訓練，但該模型只能進行提插手法的力學模擬。4 基于數字化虛擬人體的針刺手法研究4.1 數字化虛擬人體研究針刺手法的可行性分析 自香山會議后，我國的解剖學專家、計算機專家及相關領域的專家們加強協作，參與國際科研大協作，跟蹤科學研究前沿。中國數字化可視人體(CDVH)20獲得國家杰出青年基金資助，已由解放軍第三軍醫大學承擔實施。中國穴位三維人體在國家自然基金青年項目、衛生部優秀青年人才基金項目、上海市啟明星

17、計劃項目資助下，已由上海中醫藥大學承擔實施。嚴教授領導的科研組多年來對穴位結構進行了由層次解剖結構到斷面解剖結構、由大體解剖結構到顯微、超微結構全面系統的研究，并進行了“針灸穴位解剖結構計算機三維圖像重建”“危險穴位針刺深度的研究”和“若干重要穴位立體構筑的研究”等相關研究，成功實現了“基于VHP數據的穴位可視化研究21”和“基于VOXEL-MAN針灸學三維影像瀏覽器的研究 22”及“穴位融合三位數字化虛擬人體研究”等相關研究。該科研組還采用VHP男性數據集、VOXEL-MAN的Brain and Skull數據集和中國數字化虛擬人體數據，運用計算機圖形與圖像處理技術以及先進的算法，將穴位數據

18、全面系統地融合到VOXEL-MAN漢堡數字化人體，建立一個能表現多重醫學知識的智能三維可視人，可在微機上多層次全方位顯示穴位的立體構筑。經重建的穴位具有精度高、色彩真、立體感強的優點;能任意旋轉，從任意角度切割，有利于反復觀察穴位各層次的結構;僅僅通過移動和點擊鼠標即可任意定位、轉動和觀察穴位內部結構及模擬針刺過程，為針刺手法與數字化虛擬人體技術的結合奠定了較好的研究基礎。4.2 數字化虛擬人體的角度研究針刺手法的實踐與探索 傳統活體的腧穴定位猶如黑匣子，穴下結構無法透視;但數字化虛擬人體數據集采自真實人體，吸取了先進的科學技術手段，運用三維數字化方式多層次、全方位逼真表達人體腧穴的立體構筑，并且通過力反饋裝置，使操作者基于數字化虛擬人體可很好地實現腧穴精確定位，可動態模擬針刺過程，能知道是否觸及血管、神經或相鄰臟器，實現逼真演示針刺觸及解剖結構及相關空間位置關系，可以在一個三維