中脘穴针刺的力反馈研究

姜俊,王福波,国海东,邵水金,苗鹏,张琦,郭春霞,牟芳芳,刘延祥,严振国

(1.上海中医药大学,上海 201203;2.上海大学,上海 200072;3.天津中医药大学,天津 300193)

中脘穴为临床常用穴,因该穴深部紧邻重要内脏胃肠肝脾,因而具有危险性。中脘穴位于上腹部剑突下与脐之间,在脐上4寸处[1],是治疗胃病要穴,如治疗胃痛、腹痛、腹胀、呕吐、腹泄、便秘等症[2]。中脘穴也是重要危险穴位,针法是针尖向下直刺0.3～0.5寸,亦可向周围斜刺;可灸。通过解剖发现,中脘穴下方深处毗邻结构有腹横筋膜、腹膜、胃、横结肠或肝、胰,从皮肤到穿透腹壁后,会出现的针刺事故是刺中上述诸结构。如果再进行错误强力提插、捻转等手法,可出现内脏损伤等严重后果。中脘穴有许多正确有效的针法技巧,若将临床获取的正确有效的针刺方法,采用以计算机为核心的各种技术,生成逼真的视觉、听觉、触觉一体化的计算机虚拟环境进行模拟针刺,能够极大增强操作者的真实感,减少临床针刺意外的发生。本研究即以国家自然科学基金项目中的中脘穴作为研究对象,系统地观察针刺时毫针与中脘穴周围各组织的空间位置关系,并在虚拟现实中,在具有视觉反馈的同时加入力反馈来模拟真实世界中的触觉,从而为探讨中脘穴针刺的安全性、提高临床针刺疗效奠定较好的基础,现将研究结果报告如下。

1 材料

1.1 数据来源

利用中瑞合制Omega 1Dof针灸专用力传感仪,由针灸专家对38例自愿者进行双侧“中脘穴”共76次手法测试,直接获得中脘穴进针位移、速度、力度力反馈曲线不同数据,利用德国汉堡大学基于可视化人体数据集开发的三维可视化VOXEL-MAN操作平台[3],结合上海中医药大学严振国教授领导的课题组多年来对腧穴解剖结构的研究成果。

1.2 实验设备

本课题在上海中医药大学国家中医药管理局“经穴解剖三级实验室”和上海大学通信与信息工程学院、上海交通大学生命科学技术学院进行。课题进行的部分设备包括电脑(硬件配置为 P4 2.53 G,内存 1 GB,Inter Brookdale i845PE芯片组主板,128 MB nVIDIA GeForce2 MX/MX 400显卡);上海中晶科技有限公司生产的ScanMaker X12USL扫描仪;瑞士Force Dimension公司生产的Omega 3Dof力反馈仪;中瑞合制的Omega 1Dof针灸专用力传感仪。

1.3 实验操作系统环境

本课题选用的计算机是Windows和Linux双操作系统。

2 方法

2.1 中脘穴在三维可视人体上的定位

中脘穴位于脐上 4寸处,在三维数字人上的定位时,采用标准化二维描述的腧穴三维定位方法[4](图1),运用相应的腧穴定位模型在过渡坐标系中进行描述,然后计算为特定数据的三维坐标,并显示到人体三维医学图像中(图2)。

在 VOXEL-MAN研究平台中,无法让虚拟人进行肢体活动,使其出现相应凸起、凹陷、褶皱等活动标志,只能从不同角度对虚拟人进行观察;我们将骨度分寸定位法、体表标志定位法与现代解剖学结合起来作为腧穴的主要定位依据,在采用体表标志取穴法(脐上 4寸处)对中脘穴进行解剖学定位的基础上,结合经穴解剖实验室与中脘穴相关的标本,通过对中脘穴所在位置区域的三维横断面、矢状面、冠状面图像的研究,多角度验证针刺中脘穴的相关解剖结构及其毗邻关系,结合经穴解剖实验室相关的标本反复比较调整,直至符合对中脘穴解剖结构的充分描述。一旦在三维图像上确定了中脘穴的定位,并从二维断面得到验证后,就可以确认中脘穴相关的X、Y、Z三点的坐标。在Linux操作系统和 VOXEL-MAN操作平台,计算机根据程序算出已标记的中脘穴的X、Y、Z三个方向上的坐标,根据VOXEL-MAN操作平台的编写的程序终端显示所取部位的相对坐标,就可以转换成中脘穴在三维人体上的绝对坐标,并且写入中脘穴的虚拟进针程序的 GB30 a.scr文件中,这种结合了传统腧穴的定位方法和腧穴解剖结构的三维定位可以实现腧穴的精确定位,然后进一步将“腧穴”表达模型放在三维可视人体图像的绝对坐标系中,从而实现了中脘穴的三维定位。最终写入 VOXEL-MAN操作系统的 VM_vhp_new/demo1/atlas/vhp/acupuncture/acupuncture.data中。

图1 中脘穴三维定位时的过渡坐标系

图2 中脘穴的表达模型

2.2 中脘穴解剖结构的分割和建模

肌肉分割采用双色度椭球和结合曲面拟合信息的色度椭球的多步分割方法完成[5]。血管和神经建模通过局部控制的样条函数插值完成[6],以VOXEL-MAN虚拟人体为开发平台,通过对穴区的皮肤、肌肉等相关组织的图像分割,对针刺过程中相关的血管和神经的图形建模,建模管道连接平滑,细小的血管神经也清晰可见。制作智能动画与创建知识库系统,完成中脘穴虚拟视觉模块再现。在演示图上可以清楚地看到针刺过程中毫针经过的组织,肌肉分割、血管及神经建模的效果。

2.3 中脘穴虚拟进针力反馈模拟

在Visual c++的编程环境中,通过c++程序来模拟针刺环境。将临床获取的针灸专家中脘穴针刺手法的进针位移、速度、力度的力反馈曲线数据(图3),运用虚拟现实技术,根据各组织的物理特性,分析针刺过程中针体与组织的相互作用力,建立力学模型模拟针体受力,融入中脘穴针刺数据后,再通过力反馈接口把数据传递到力反馈仪让操作者感知,从而构建虚拟中脘穴针刺力反馈仿真系统。

图3 中脘穴进针位移、速度、力度力反馈曲线

我们在虚拟触觉再现模块和虚拟视觉再现模块之间通过编程进行数据通讯,实现视觉与触觉的同步。视觉显示和触觉实现分别采用可视化工具包和 Chai3D开源软件包两个库。针灸专家主要采用提插针法,直刺0.3～0.5寸,至最后出针、针体完全抽离人体意味着一次针刺的完成。应用针灸专用力传感仪等设备,得到针灸专家中脘穴进针位移、速度、力度等相关曲线参数,编写程序将针灸专家中脘穴针法数据,生成融合视觉、触觉一体化的计算机虚拟现实的模拟针刺过程模块。力反馈系统根据输入信息关联虚拟环境中的毫针,虚拟毫针从针尖接触皮肤开始,利用组织参数计算针体受力,毫针进入不同的人体组织,由于各组织的物理特性和形变状态的差异,产生作用力的机理不同,力的大小也将产生变化。通过力反馈接口和数据转换,操作者操作力反馈仪,对虚拟人施行针刺。控制虚拟环境中的毫针,随着毫针进入人体组织,操作者在获得中脘穴进针全过程视觉的同时,又从力反馈仪控制末端感受到真实的反作用力。这与以往计算机用户只能通过视觉(最多又加入了听觉)与其进行交互相比,改变了基于视觉与听觉等传统的二维人机交互技术,得到一种更加自然和直观的基于力和触觉的人机交互方式(图 4)。

图4 人机交互方式

3 结果

经过探索,完成了将针灸专家中脘穴针法数据,通过针灸专用力传感仪融入虚拟针刺力反馈系统。该系统在长期的虚拟人研究基础上,加入了虚拟现实技术,给传统的虚拟人增加了新的元素。运用虚拟人丰富的视觉效果,将针刺部位放大到接近真人大小,通过操作力反馈仪,控制虚拟环境中的毫针,对虚拟人施行针刺。随着毫针进入人体组织,操作者在力反馈仪控制末端将感受到真实的反作用力。整个系统从打开力反馈开关开始,操作者可以练习和熟练掌握对中脘穴的针刺手法。如同名师手把手执教,在这一过程中,如果毫针偏离了穴区的一段特定距离,或施力太过等一系列违反针刺规则的行为发生,力反馈过程将停止,一个训练过程宣告结束。

4 讨论与展望

4.1 腧穴的准确定位是针灸治病的关键

临床上有的患者由于各种原因不一定能够让医务人员采用标准的体位进行腧穴定位,此时就需要医生根据其临床经验综合运用进行定位。本文在中脘穴定位时,虚拟人的肢体就不能够活动,我们就需要调整虚拟人躯体的旋转角度,采用现代解剖学的标准体位,定位采用体表标志定位法,并同时参照了手指同身寸法进行解剖学定位。中脘穴定位最终设置为 PosX_Sta=﹣90 PosY_Sta=﹣45 PosZ_Sta=0 PosX_End=﹣90 PosY_End=45 PosZ_End=0,这样一方面可以准确取穴,另一方面观察者便可以从6个不同角度对中脘穴三维虚拟进针时进行解剖结构的观察研究。

通过在虚拟人体上取穴的体会,我们认为标准化的腧穴定位,利于针灸教学和针灸知识的普及;进行腧穴定位时,如果能够全部采用现代解剖学的标准体位和术语则更利于针灸的国际交流。可喜的是,腧穴定位的标准体位及方位术语已经越来越趋于用现代解剖学标准体位和方位术语来进行描述,例如 2006版国标《腧穴名称与定位》就采用了现代人体解剖学的标准体位进行腧穴定位,利于针灸学术交流和走向世界。

4.2 腧穴进针时的角度、方向和深度也和临床疗效紧密相关

本文结合该虚拟人的体格状况,将中脘穴的进针深度和角度定为直刺0.3～0.5寸,发现这种情况下的结果很满意。针的初始位置经反复验证后,设为“InitP2x=298,InitP2y=306,InitP2z=121”;而针刺时的方向则设为“InitDx=299,InitDy=230,InitDz=125”的三维方向。经生成动画后观察到这种情况下的进针比较符合临床实际。

针灸教学对患者进行针刺治疗时,不可能在同一个患者、同一个穴位上反复进针,反复体会进针的角度、方向和深度,尤其是进针的深度对于不同的个体,其差异较大。因此,对于腧穴进针的深度标准,应考虑到患者年龄、身高、体重、地域、种族等差异,这样便于学习者掌握,也更有利于针灸医学更好地为全人类的卫生保健事业服务。

4.3 肌肉的分割与三维重建的研究

本文中脘穴相关肌肉组织的分割主要基于人体解剖结构在 RGB色度空间上呈椭球状,我们结合计算机图形图像处理技术,在 VOXEL-MAN平台 3DSegmentation下进行了相关肌肉的分割。采用的是基于双色度椭球结合曲面拟合信息在RGB色度空间进行的交互式多步骤分割方法,即优化的色度特征空间交互式分割方法,该方法虽然步骤较复杂,工作量大,但最终可得到高质量的人体三维医学图像。

进行分割时主要是在横断面上进行的,例如腹直肌,在 VOXEL-MAN平台上的片层较多,Z轴横断面是66～341片层、X轴矢状面是23～106片层、Y轴冠状面为298～471片层,并且与其他的肌肉边界清楚。分割完毕后,为了使所分割的组织结构更接近于真实,也为了肌肉形态结构的完整及美观,还进一步采用了形态学的腐蚀(Erosion)和膨胀(Dilation)处理。腐蚀主要是消除目标图像中边界中的突出部分,膨胀则是将与目标相接触的所有背景点合并到目标之中;腐蚀有利于从一幅分割图像中去除无意义的目标,膨胀使原目标图像的边界扩大,从而可以连接相邻的断点。通过对所分割的组织进行腐蚀和膨胀处理,最终可使图像的边界显得光滑,使分割的效果更接近于标本的真实情况。最后,对所分割的解剖结构给以特定标识的UID号,以防止与别的分割肌肉混淆,然后给予命名保存,最终将所分割的组织融合到VOXEL-MAN虚拟人体上。

4.4 中脘穴区神经、血管的三维重建是采用图形建模方法进行

血管和神经是与穴位关系密切的解剖结构,它们共同具有的特征是都为细而长管状结构,并且血管和神经组织与周围的脂肪组织从颜色对比而言,其对比度较小;即使在尸体解剖中也需要仔细地区分才可以进行辨识。但在没有经过特殊的灌注、标识处理时,却难以利用上述肌肉和骨骼的分割方法进行血管和神经的三维重建。我们采用图形建模的方法,借助三维曲线插值和面绘制法,基于 VOXEL-MAN操作平台自带的管状编辑器来实现神经血管的数学建模,得到与中脘穴解剖结构相关的血管和神经结构的多边形表面,利用管状图形编辑器进行图形建模,从而构建出与中脘穴解剖结构相关的血管和神经的模型。

目前用于血管图像分割的技术可以分成基于边界的分割技术、基于区域的分割技术和基于特定理论和工具的分割技术三类,而且在未来的一段时间内,分割技术的研究仍将是一个热点。笔者曾尝试按照肌肉组织的分割方法,对针刺中脘穴时可能经过的肋间神经进行了反复的分割和融合,但视角效果不理想;由于神经血管结构的特点决定了其三维重建方法的特殊性,故目前神经血管的三维重建虽有很大进步,但其效果却也并不令人满意。因此笔者认为目前对神经血管进行单纯的常规分割方法进行研究较难取得理想的效果。

目前VOXEL-MAN操作系统所建模形成的神经血管表面光滑、走向比较自然,而且可以分叉形成树状结构,符合中脘穴附近神经血管的生理特性。通过中脘穴进针的三维动画,我们感觉中脘穴附近的神经血管整体表达也较满意。但对于神经血管较细小的分支,难以进行重建。在目前难以进行常规的分割方法对神经血管进行重建的情况下,采用数学建模的方法也是一种比较可靠的方法;本论文中所重建的血管和神经也较满意。以后随着计算机图像图形处理技术的发展,可能会有改进的新方法,或几种方法综合起来进行神经血管的三维重建。

4.5 通过针灸专用力传感仪及力反馈仪实现了中脘穴腧穴针刺时的触觉力反馈再现

本文在 VOXEL-MAN技术平台的基础上,采用优化的色度特征空间交互式分割方法和图形建模的方法,生成了中脘穴的三维可视化及虚拟进针的动画以及各断面进针时的帧矩阵,同时实现了中脘穴腧穴进针时的触觉力反馈再现,这是国际领先的创新方法。但是VOXEL-MAN的数据信息来源于美国的VHP可视人体数据集,该标本原体1.82 m,在取穴时该虚拟人不能活动,在进针时与我们常用的进针深度也有差异。因此,随着国内外虚拟人研究的发展,我们应向“虚拟可视人-虚拟物理人-虚拟生理人-虚拟智能人”的方向迈进。因为虚拟可视人仅仅是从几何学角度去描述人体的解剖结构,属于纯粹的解剖人;在虚拟可视人的基础上,给其赋以人体皮肤、皮下组织、肌肉、骨组织的力学特性和形变等物理特性,这样的虚拟人就是虚拟物理人;虚拟物理人向更高一级发展,便是富含生理特性的虚拟生理人;虚拟生理人再进一步发展,则是虚拟智能人。能够活动的虚拟人,必将更加符合腧穴针刺研究,必将开拓腧穴三维可视化和虚拟进针触觉力反馈再现研究的新局面。

虚拟现实是近几年来信息技术迅速发展的产物,它采用以计算机为核心的各种技术生成逼真的视觉、听觉、触觉一体化的特定范围的虚拟环境[6]。在虚拟现实中,具有视觉反馈的同时加入触觉力反馈来模拟真实世界中的触觉,能够极大增强操作者的真实感。力反馈研究是虚拟现实技术的前沿之一,本研究结合中脘穴解剖结构研究和数字虚拟人体研究的工作积累,一方面,基于VOXEL-MAN虚拟人体开发平台,完成了中脘穴三维浏览器的再开发,给人以视觉感知;另一方面,基于传统中医理念与近代生物力学理论,运用图形与图像处理技术和力反馈技术进行建模,将针刺时中脘穴区组织各层结构的受力过程以虚拟现实和力反馈的方式,给人以触觉感知,从而初步实现了中脘穴虚拟针刺力反馈仿真,可现场模拟进针的视觉、触觉、力觉再现效果。

本文中脘穴针刺力反馈研究,全面融合了视觉、触觉、力觉力反馈信息,为中脘穴针刺提供了一种动态的仿真手段。虽然中脘穴力反馈研究还仅仅只是开始,但随着更多腧穴力反馈数据的采集和处理,可以使训练更真实、准确、全面,使广大学员获得更多犹如名师亲临现场一对一指导的效果,大大节约名医的烦重劳动和时间,从而达到迅速提高学习者的针刺技能的目的,有利于具有中医特色的虚拟解剖人向虚拟物理人的跨越,有利于中国针灸优秀经验的继承与发展。

[1] 严振国.中医应用腧穴解剖学[M].上海:上海科学技术出版社,2005:129.

[2] Huang QF, Analysis of clinical regularities in acupuncture-moxibustion treatment for stomach diseases in recent 10 years[J]. J Acupunct Tuina Sci, 2011,9(1):7-12.

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[6] 刘文霞,王树杰,张继伟.虚拟现实技术在医学上的应用[J].医学工程学杂志,2007,24(4):946-949.