787 / 2023-10-27 14:00:21

针刺手法全息触觉交互系统

一、作品概述

      针灸学作为中医学的重要组成部分，是中国传统医学走向世界的先锋，而针刺手法是针灸学体系中联系针灸基础理论与临床治疗的一个桥梁，其各类针刺手法、针刺频率及针刺强度都对人体有影响，直接决定了疾病的预后转归。因此医者必须对针刺各个环节了然于心、运用于手，才能达到相应的临床疗效。

然而传统的针刺手法教学更多地进行课堂上的理论教学，所开展的实践教学也只是利用一些简单的针刺工具，教学效果甚微。但是针灸作为一门临床实践性很强的学科，学生不仅要学习好理论教学内容，更应该掌握实际操作技能。

      鉴于此，本项目以传统中医学针灸理论为基础设计了一个能够模拟真实的针刺场景和操作流程的针刺手法全息触觉交互系统。该系统利用全息投影技术再现物体真实的三维图像，构建出了兼具真实感和交互性的针刺场景和操作过程，可不受时间和空间的限制进行针刺手法的练习，增强了沉浸感。利用力反馈技术实时反馈针刺的力度、角度和深度，将其指标量化、规范化和标准化。

      本系统是一套完整的、多功能的针刺手法全息触觉交互系统，可以用于针刺手法教学、实训和量化等，替代传统针刺手法学习方法，未来也可面向远程触觉协作，远程治疗等方面，提高针灸的临床疗效，具有很好的应用前景。



二、作品设计内容

      针刺手法仿真触觉实训系统以传统中医学针灸理论为基础，将虚拟仿真技术及力反馈技术相结合。应用全息投影技术和快门式3D技术实现虚拟现实功能。应用力反馈技术通过触觉通道感受模拟现实世界力觉交互的“触感”，实现人机力觉交互功能。该系统分为软件部分和硬件部分。



1、硬件部分。

      硬件设计部分采用全息立体显示、力触觉反馈等现代化科技手段，将针灸针与力反馈设备相结合，并重新设计以满足实时采取针刺手法力度，方向，碾转角度，深度等参数，和实现更真实具有力感的需求。从而实现良好的自主性、交互性和可扩展性。包括电脑主机、3D显示器、3D眼镜、全息投影玻璃、触摸屏和力反馈设备。力反馈部分带其针刺末端的结构由毫针、小型轴承、电机和外壳组成。该设备能准确测量三维空间位置和针刺末端的六自由度方位，结合PC端软件调用函数，实现在针刺末端扎入人体穴位时能够反馈针刺破皮力感的作用；可实时模拟真实的人体组织反应和针刺手感，让使用者直观体验针刺手法的操作过程，实现实训教学的可视化。



2、软件部分。

      软件系统设计部分分为针刺简介、穴位介绍、刺法灸法学和针刺实操4大部分，其中包含6大功能模块：3D针刺虚拟数字人体解剖系统模块，3D经络与腧穴系统模块，中医针刺知识认知模块、知识问答考核模块，特殊刺法练习模块，针刺手法实操训练模块。使用3D Max进行三维模型构建，借助Unity3D构建出虚拟场景，并通过C++，C#编程，引入相应的操作逻辑，构建出了兼具真实感与交互性的针刺场景和操作过程。



三、作品创新性说明

      虚拟现实技术和中医针刺手法操作相结合。本项目技术创新点在于首次将虚拟现实技术和中医针刺手法操作相结合，应用力反馈仪模拟针刺行针过程以及在人体行针中的不同部位的针感触觉。虚拟现实通过对三维动态实景的构建，使用户能够沉浸于虚拟的环境中，给人以身临其境的真实感。使用者使用3D显示器、3D眼镜、全息投影玻璃和触摸屏等设备，借助虚拟现实进行针灸理论知识的学习时，沉浸式的真实情景能提供以身临其境的感受，虚拟的三维情景也便于多角度立体化的学习针灸细节，安全高效的掌握针灸学理论知识。该设计能够在增加学员的学习兴趣及对知识的探索性，帮助学员完成自主训练，实时采集针刺手法的参数进行全面分析，给予使用者标准化、个性化的评价。为实验针灸教学和针刺手法量效研究提供了新的技术手段。

      全息投影技术再现物体真实的三维图像，加强了用户沉浸感。本项目设计的针刺手法全息触觉交互系统，使用全息交互设计再现物体真实的三维图像。大大增加了使用者的“真实沉浸感”，同时增加了交互性，在使用全息投影技术的情况下可以实现更真实的人机交互。本项目使用3D显示器、全息投影玻璃和触摸屏等，为使用者营造一个沉浸性、交互性和想象性的虚拟现实场景。其中3D显示器采用快门式3D技术制成，主要通过提高画面的快速刷新率来实现3D效果，属于主动式3D技术。全息投影玻璃是采用真空磁控反应溅射先进工艺，记录3D显示器显示的全部光学信息并再现到真实空间，加强虚拟现实效果。触摸屏属于十点接触点投射电容式触摸屏，利用人体的电流感应进行工作，摆脱了键盘和鼠标的束缚，提供了一种更为直截了当的人机交互方式。相较于需要佩戴VR头盔实现虚拟现实功能而言，该技术甚至不需要使用者佩戴3D眼镜，不会束缚用户，用户体验好，结构简单，功能全面，成本低廉，极具应用前景。

      力反馈技术反实时馈针刺的力度、角度和深度，增加了用户交互感。本系统的力反馈模块采用3D SYSTEMS公司的Touch触觉式力反馈设备进行二次开发，将手持式触控笔进行针刺专业定制，最终修改为适合练习针刺手法的针刺末端。该力反馈设备能准确测量三维空间位置（X、Y和Z轴）和针刺末端的六自由度方位（上下翻动、左右晃动和侧向移动），结合PC端软件调用函数，实现在针刺末端扎入人体穴位时能够实时反馈施术者操作时的力度、角度和深度，从而提高操作的准确度。通过深度、行针角度等数据的设置与获取,还能够在用户界面显示层显示当前行针的力度、角度和深度以及穴位剖面和针具位置，使施术者实时了解当前行针位置。该力反馈设备还能够通过软件调节“脂肪厚度”，“肌肉厚度”等参数使得施术者用力不同，从而模拟不同体型的受术者，增强实践性。该设备能够反馈施术者进行可视化、触觉化的针刺操作，并通过考核评判培训效果，解决了针刺手法传承过程中缺乏可量化、可规范和标准化的难题。



四、总结与展望

      本文设计的针刺手法全息触觉交互系统能够实现目标功能，并能够稳定运行，对针刺手法的实训、量化与传承等方面有积极的帮助作用。系统根据传统针刺医学理论的特点和实训需求，建立数字仿真人体穴位模型，设计一套完整的针刺流程。能够反馈使用者针刺操作，帮助实现可视化和触觉化。可以在行针的时候对进针的深度、角度、提插、捻转速度等参数控制调整，配合力反馈实时模拟接近真实的人体组织反应和针刺手感，让使用者直观体验针刺手法的操作过程，实现全程实训教学的可视化及临床感受。

      其“虚拟现实+教育”方式新颖，提高学生学习热情，在理论学习的同时，掌握实际操作技能。在针刺手法的仿真和实训方面利用虚拟仿真技术及力反馈技术，构建出了有真实感和交互性的针刺场景和操作，实现了可视化和触觉化操作，能让针刺手法实训不受时间和空间的限制，可练习危险穴位，实时反馈客观指标。也能通过科学实验数据，来总结毫针针灸的疗效经验，将针刺操作标准化，推动针灸标准化与国际化的进程，提高针灸的临床疗效，从而更好地服务于临床医学的发展，促进针刺手法的传承。

      下一个阶段，针刺手法全息触觉交互系统将进入实际使用阶段。针对丰富针灸学数据库、针灸数据的深入分析与挖掘、远程交互系统的设计、教师评价系统的研发等几个方面进行改进创新。致力于最大程度还原真实的针刺场景和操作流程，服务于广大的中医学子和爱好者，进一步传承与发扬传统中医文化，也为针刺手法的量化与传承事业贡献力量。