基于三维动画的脉象可视化教学研究※

钟天宇 宋丹丹 高 山 甘沛敏 刘锦鸿 石 皓 王 静

（南方医科大学中医药学院，广东 广州 510515）

脉诊教学历来是中医教学的难点之一，其难点在于脉象的深奥和抽象，无论是课堂讲授或临床实践均无法阐述和辨别不同的脉象，这就给脉诊的教与学带来困难。目前，随着信息化、网络化时代的到来，信息化教育开始在教育行业中普及。在脉诊的信息化教学上，不断涌现出各种现代技术产品，如脉波图、脉象的Flash动画等。但是，这些脉象可视化的产品多是二维的，只能从一个平面的层次上去展示，且多以圆的运动或线的变形为展现形式，不能体现脉象的立体感和变化感。

本文基于3D动画的制作原理，应用3ds Max、Photoshop、Unity软件制作常见脉象的3D动画图，这不仅使中医脉象具体化、立体化，也为脉诊的教学与研究提供一个全新的思路。

1 内容与方法

1.1 研究目标 应用3D动画技术展现常见的中医脉象，辅助以脉波图动画和文字介绍，制作手机版本程序和电脑版本的程序，让学生和教师都可使用，提高脉诊教与学的效果。

1.2 研究内容 根据古今文献中脉象特征的记载，明确常见脉象的八个要素（脉位、脉宽、脉长、脉率、脉力、紧张度、流利度、均匀度）特征，应用 3D动画技术制作常见脉象的3D动画，并将其应用于理论教学中。

1.3 研究方法 明确常见脉象（浮、沉、弦、濡、迟、数、促、结、代、滑、弦）的脉象特征［1-3］，区分其脉象要素。（2）制作常见脉象的3D动画。本文使用软件及版本：3ds Max 2012； Unity 2017.2.0f3； Photoshop cs5。（3）导出为手机程序和电脑程序并应用于教学实践，并及时获取反馈意见，使其不断地修改完善。授课对象：中医、中西医临床、针推专业的本科生。

附1：脉象3D动画制作方法：

①“3dsmax”建模：3ds Max是专业的三维动画制作软件，提供了全面的 3D模型制作和动画制作功能，可以灵活地制作出需要的效果。笔者主要使用此软件的三个功能：建模、变形器、曲线编辑器。

本研究首先应用该软件制作一个管状体3D模型，以管状作为起始形态，再通过局部放大和移动的方式，制作脉搏膨胀和按压的形态，作为终末形态。然后通过“变形器”功能分别制作从起始形态过渡到终末形态的动画 （见图1～3）。

图1 管状体的正常形态

图2 管状体的膨胀形态

图3 管状体的按压形态

②“3dsmax”变形器［4］：变形器可以让一个物体的形态过渡到另外一个形态，也可以制作多因素影响下的变形。本研究在建模后的三种状态（图 1～3） 基础上，利用“变形器”功能，让普通形态的管状体，朝着膨胀、按压等形态进行变形，其受到影响的程度则通过“形变值”来控制。如图 4～6，管状体在不同“形变值”的影响下，有不同程度的膨胀。

图4 “形变值”为0%

图5 “形变值”为50%

图6 “形变值”为100%

③“3dsmax”关键帧、曲线编辑器［5］：关键帧是动画领域常用的一个概念，指针对某个参数，设定好起点的时间、数值以及终点的时间、数值，程序会自动生成在这两个时间点之间的参数变化，每一个时间点及其包含的数值信息，则被称为一个关键帧，可理解为数学上的y=f(x)。这两个关键帧之间将自动生成一个函数关系，可以是线性关系，也可以是非线性关系。曲线编辑器则是3dsmax处理关键帧的一个重要功能，可以编辑多个关键帧所组成的函数曲线图（见图 7～8）。本研究按照脉波图［2］来编辑“曲线编辑器”里的曲线，使管状体搏动的变化符合脉波图特征，达到使脉波图3D化的效果。

图7 平脉脉波图

图8 “曲线编辑器”中的曲线图

图9 平脉脉波图2D动画图

④“Photoshop”制作脉波图2D动画：脉波图主要表述脉动应指的形态，即在一定的取脉压力下，指感随时间变化的特征。由主波、重搏前波、和重搏波3个波峰组成。可反映脉象的紧张度、流利度、均匀度等［1］。本研究使用Photoshop将脉波图制作为2D动画（其动态效果类似于心电图），让学生们可以据此想象指感变化，进一步理解脉搏特征。

以平脉脉波图为例，制作脉波图的2D动画，其视觉效果见图9。

⑤“Unity”整合资源［6］：本研究使用Unity对以上各种素材进行整合，并创建用户界面来对3D动画、脉波图2D动画和文字介绍进行控制。其中脉象的3D动画图体现了以下属性：脉位、紧张度、脉率、脉律、流利度。

Ⅰ脉位异常：脉位异常的相对脉是浮脉和沉脉。在Unity里创建一个长方体，并处理为扁平状态，代表脉管上的皮肤。并在 Unity里通过控制脉管和皮肤的距离来表现脉位，距离较近的为浮脉，距离较远的为沉脉。见图10～12。

图10 正常脉位

图11 浮脉的脉位图

图12 沉脉的脉位图

Ⅱ紧张度异常：紧张度异常的相对脉是弦脉和濡脉。本研究一是依照脉波图制作脉搏动画，二是制作按压的动画：弦脉和濡脉的脉象特点主要表现在脉管的硬软，其中弦脉脉管较硬，濡脉脉管较软。从3D动画显示效果看，按压部位凹陷较浅者为弦脉，较深者为濡脉（见图13～14）。再结合前文提到的曲线编辑器技术，做出向下按压后弹起的效果。

图13 弦脉

图14 濡脉

Ⅲ 脉率和脉律异常：使用 Unit y的 Animation和Animator功能同步控制3D动画和2D动画的播放速度。脉率异常的相对脉是迟脉和数脉，通过改变Animator里的速度值来控制脉搏的速度。脉律异常的相对脉是促脉、结脉和代脉，通过对Animator里的速度值设置关键帧，产生在一段时间内速度变化的效果，甚至可以在某个时间点上把速度设置为0，产生暂停的效果，以此达到脉搏节律不齐的效果。

Ⅳ流利度异常：结合3DSMAX的“曲线编辑器”和脉波图制作，前文已叙述，此处不再赘述。

附2“Unity”用户界面制作［6］

①用户界面主要按钮：用Unity自带的UGUI系统，制作了两级菜单来选择异常脉象的分类和具体脉象名，以及文字介绍和脉波图切换的功能。如图15，“紧张度异常”处为一级菜单，点击小箭头，会出现“脉率异常”、“脉律异常”等类型，选择不同的类型，可以调出不同的二级菜单。“弦脉”处为二级菜单，点击小箭头，会出现“濡脉”的选项。“脉波图”处可以选择“脉波图”和“文字介绍”，可以选择展示脉波图动画或者文字介绍的模块。此外，针对弦脉和濡脉的按压效果，在“展示脉搏”处笔者制作了脉搏动画和按压动画的切换功能。

图15 主要按钮

②“Unity”3D动画播放管理［6］：本研究共制作了12个脉象的3D动画、文字介绍、脉波图动画，并使用U-nity的Animator系统和代码，通过控制编号的方式来系统控制每个素材，使某个脉象的 3D动画、文字介绍和脉波图动画能同步地呈现给学生和老师。

2 研究结果

2.1 12个常见脉象的特征和3D效果如下 本程序的主要内容为动画，无法静态展示，在此仅仅介绍各种脉象的程序截图。相关文字描述参考各版本《中医诊断学》［2-3，5］。

（1）平脉：一息四、五至，相当于 70～80次/分；不浮不沉，不大不小，从容和缓，流利有力；寸、关、尺三部均触及，沉取不绝。脉波图中脉形和缓从容，呈现三峰波；脉率中等；大小、节律均匀。见图16。

（2）浮脉与沉脉：浮脉：轻按即得，重按反减；举之有余，按之不足。脉搏显现的部位较浅。脉形、脉率不拘。见图 17。沉脉：轻取不应，重按始得；举之不足，按之有余。脉搏显现的部位较深。脉形、脉率不拘。见图 18。

（3）弦脉与濡脉：弦脉：端直以长，如按琴弦。切脉应指有挺直和劲急感，故曰“从中直过”、“挺然于指下”。脉形呈宽大主波，波谷抬高。见图 19。濡脉：浮而细软，应指少力，如絮浮水，轻手相得，重按不显，又称软脉。脉形呈三峰或双峰，升降和缓。见图20。按压效果见图 23和图 24。

图16 平脉

图17 浮脉

图18 沉脉

图19 弦脉

图20 濡脉

图21 滑脉

图22 涩脉

图23 弦脉（按压效果）

图24 濡脉（按压效果）

（4）滑脉与涩脉：滑脉：往来流利，如盘走珠，应指圆滑。见图21。涩脉形细而行迟，往来艰涩不畅，脉律与脉力不匀，应指如轻刀刮竹。故可理解为不流利脉。脉形艰涩，节律不匀。见图22。2.2教学效果 通过对脉波图等脉象要素的研究，笔者使用3dsmax和Unity建立了一个脉象教学程序。此程序整合了脉象教学11个常见脉象的3D动画、脉波图动画和文字介绍，并通过菜单进行灵活的管理。不仅能展示脉位、脉率、脉律等较为直观的要素，也能展示紧张度、流利度等较为抽象的要素。这套系统能以更直观更全面的方式进行脉诊教学。在教学实践中，学生们普遍反映此程序展示效果很好，不仅能展示3D动画，也能让学生们结合2D动画、文字介绍等辅助记忆脉象特征。此外，本程序导出了手机版本，可随时随地学习，深受学生认可。

3 讨论

随着计算机技术的发展，高等教育领域已经开始将图像化、可视化的技术引入课堂，大大提高教学效率。而这类技术在中医教学领域应用较少。本文主要介绍了一个脉象展示软件的制作过程，此款软件不仅很好地辅助脉诊教学，而且其所展示的脉象具有三维效果，较为贴近实际，且操作简单、并能在电脑和手机上运行，这些特点使学生学习脉诊的积极性提高，兴趣增加，从而提高脉诊的教学效果。与此同时，该教学尝试亦为计算机辅助教学应用于中医领域提供一个新的思路。但是，由于目前尚缺少脉象的客观描述资料，故该软件还需要不断完善。