中医针灸教学模型及仿真训练系统的研究进展

阚红星，高红磊，陈光恩，高 勇

（安徽中医药大学医药信息工程学院，安徽省计算机中医应用研究所，合肥230012）

0 引言

在我国传统中医学中，针灸治疗学占有非常重要的地位，且在过去很长的一段历史中，针灸学术得到不断传承和发展。中医针灸于2010 年11 月16 日被联合国教科文组织批准成为非物质文化遗产[1]，这标志着中医针灸迈出了走出国门的第一步。

中医针灸的学习是个漫长艰苦的求知过程。首先要阅读大量相关针灸书籍，掌握相关系统的理论知识。针灸经络图和针灸铜人模型的出现很大程度上缓解了学习者对腧穴定位、经络走向记忆理解的困难，大大地提高了教学和学习效率。中医针灸手法的操作训练一直以来都是学习的重难点，因此从古至今出现了许多用于针灸手法和教学训练的模型和方法[2]。如何能更系统、高效地提高初学者的学习效率和训练其针灸手法，一直是学者研究的重点内容。本文主要总结针灸教学过程中出现的模型和模拟训练的方法，以及新技术在中医针灸教学训练方面的应用，旨在为更多的研究学者设计和开发一个高度符合临床教学需求的针灸仿真训练平台提供参考依据。

1 传统的针灸教学模型

1.1 针灸腧穴图及铜人模型

现在存留的古代针灸图多为腧穴图，又称《明堂图》。唐代药王孙思邈绘制的《明堂经穴图》，即《明堂三人图》参考了官修的《明堂针灸图》和甄权编撰的《明堂人形图》[3-4]。《明堂三人图》是现存最早的有文字记录的彩色腧穴和经络图，由仰人明堂图（如图1所示）[5]、侧人明堂图和背人明堂图3 幅图组成，对唐宋以后产生的明堂图的演变产生了重要的影响。

图1 孙思邈绘制的仰人明堂图[5]

北宋针灸名医王惟一设计、铸造了历史上第一个针灸铜人“天圣铜人”[6-7]。该铜人体型与正常成年男子相同，有14 条经脉和657 个穴位标注，每个穴位都是一个大小仅为一根银针进出的小孔。王惟一还编撰了《铜人腧穴针灸图经》一书配合铜人用以指导针灸的学习。铜人的创制和《铜人腧穴针灸图经》的编著是形象教学的启蒙，强调“传心岂如会目，著辞不若案形”，对针灸学的传承和发展有着重大的贡献[8]，由此开创了在铜人模型上进行针灸手法考核的先河。虽“天圣铜人”不断经历演变与发展，但与之相比，现代针灸模型的形态和功能并未发生太大改变（如图2 所示）[9]，仍应用于传统针灸教学和考核中，并且一直发挥着重要的作用。

与《千金要方》和《千金翼方》中绘制的《明堂图》和《明堂三人图》相比，铜人模型可更加立体直观地展现人体奇经八脉的具体走向和腧穴的位置名称，给空间想像能力较弱的学习者带来很大的帮助。尽管铜人模型在传统针灸中长期占据着重要的地位，但铜人模型也存在自身的缺点，比如对于未知穴位的查找较为困难等。

图2 现代针灸铜人模型示意图[9]

1.2 针灸手法训练模型

针灸手法是一名针灸大夫的基本功[10]，扎实熟练的手法对提高针灸的疗效起着至关重要的作用。针灸手法训练需要练好指力和指感，这样才能在辩证正确、取穴恰当后下针得气效果好。

陈耀南[11]认为在传统针灸训练的最初阶段，应先练习捻转，再练提插。可用棉花扎一个小棉球，外用3 层纱布包裹，形如小灯笼[如图3（a）所示]。朱安宁等[12]认为针灸训练最重要的也是指力练习，可采用纸垫练习法[如图3（b）所示]，将粗纸剪成手掌大小备用，30～50 页不限，将粗纸上下贴紧用线包扎，练习时需要手腕悬空，以三指夹持针柄，进针时手指捻转，用力做回旋式，并行少许推进之力，使针洞穿纸垫，且保持针身不弯曲。

图3 传统针灸指力和手法练习示意图

针灸基本功练习一段时间后，才能在自己或者同伴的身上进行简单穴位的针刺练习[10，13]，体会在真实人体上行针的不同力度和感觉。毋庸置疑，在真实人体上的针灸训练才是提升针灸手法最好的方式，但对于一些特殊的穴位，一旦操作者出现穴位的误取或错误的手法，会使患者受到伤害。

为了训练的安全性和提高训练效率，胡玲等[14]设计了人体特殊部位腧穴仿真针刺平台，如图4 所示。以医用硅胶为材质，制作人体特殊部位的模型，并用单片机设计电路系统，检测毫针刺入穴位的深度，提醒操作者谨慎行针，从而提高学生的实际针刺操作技能。类似的仿真设计还有王云景等[15]设计的针灸训练模拟人，在传统的医用硅胶模型外层套上了一层仿真“肉皮”，用以增强真实感。此类设计虽能使学习者很好地掌握穴位定位等基本知识，在一定程度上辅助学习者进行针刺训练，但对实际的进针操作力度及入针角度等并无过多仿真训练。

图4 胡玲等[14]设计的背部仿真针刺练习平台

2 新技术下的针灸教学系统

传统的中医针灸教学存在内容单调无趣、抽象、教学效果差的问题，如何提高针灸教学质量是现在更多专家学者所研究的课题。罗文舒[16]在探索针灸实习教学的最佳模式时，认为只有实现学生从被动到主动学习状态的转变，培养其实践能力，充分挖掘学生的积极主动性，才能提高实习教学的质量。促使研究者利用新技术，研制出更能适合临床教学和提高学习兴趣的仿真针灸系统，才能在一定程度上弥补传统针灸教学存在的不足和弊端。计算机技术涵盖多媒体、数据库、图像识别处理和虚拟仿真等技术，现已成为生活、学习中必不可少并发挥重要作用的科学技术，其在中医针灸课程教学和模拟训练中得到越来越多的应用[17]。

2.1 电子针灸经络腧穴学习系统

中医经络腧穴挂图是针灸学习记忆基本知识点最常用也是最为有效的教学用具之一，但传统的经络腧穴挂图存在诸多的问题，比如教学展现内容较少，不能扩展课程知识点和突出重点内容，且容易破损，不便于穴位查找等。

于天源等[18]设计了中国针灸腧穴学多媒体数据库检索系统，该检索系统的数据库存储了穴位的名称、属性、部位、主治疾病和医学典籍来源等详细信息，可提供多种检索方法，并且以多媒体的方式展现穴位的肌肉图、骨骼图和取穴录像等。该系统在方便初学者学习基本内容的同时，也给研究学者在众多医学典籍中寻找规律性内容提供了很大的便利。

毛烨[19]、谭红春等[20]、张文元等[21]应用OpenGL、Unity 等技术将人体三维模型可视化（如图5 所示），结合数据库技术构建穴位知识体系，更为直观形象地展示穴位信息以增强学生记忆，为辅助教学和演示提供了较大的帮助。

图5 虚拟针灸仿真界面

辛思源等[22]提出的基于电子信息系统的中医针灸电子腧穴挂图将动态电子信息集成于静态腧穴挂图内部，动静结合，很好地弥补了传统挂图展现形式不够生动形象的不足，增强了教学课程的直观生动性，有利于学生对教学重点内容的把握。其简单实时的交互设计更加便于学生理解经络与腧穴的关系，加强对相关知识的掌握。另外，电子信息系统的使用使得针灸教学内容更加丰富，可从网络和数字图书馆等获得更多的针灸信息资源。

白娟等[23]将易发生意外穴位的多层次解剖结构数据和针灸腧穴知识融合到数字化可视人体模型中，在模型上以三维形象多方位、多层次、动态显示针刺穴位时的进针过程，可为中医针灸等基础临床研究提供腧穴可视化的形态结构，为建立一个具有真正客观的电子解剖学手段的数字虚拟针灸人打下坚实基础。

高学全等[24]应用人体数字化数据建立了数字人体穴位系统（如图6 所示），同样取得了不错的教学效果。该系统以三维数字化的方式展现人体结构。除了用体表定位腧穴外，同时可以显示该穴位下的解剖层次以辅助穴位的定位，可使学生更加清晰掌握针灸特殊穴位的注意事项。该系统开创了一门新科学——数字腧穴学，用来精确表达穴位，丰富了教学方法，提高了教学效率，在临床教学中具有较强的实用性。

图6 高学全等[24]设计的数字人体穴位系统

2.2 基于硬件设备的虚拟针灸训练系统

为了增强临场感，使学生沉浸于针灸模拟训练学习的环境中，提高自主学习的兴趣，张毅[25]基于数据手套设计了针灸仿真系统，如图7 所示。该系统通过对手指各个关节的空间定位确定手指在三维空间中的位置，与计算机中的虚拟银针产生交互，使用者控制其移动，移动到穴位便可进行识记。通过测试，使用该系统学习大大提高了学生对穴位的记忆和掌握的正确度。但该系统使用的数据手套并不具有力反馈功能。中医针灸的学习更重要的是操作手法，手套控制的虚拟银针与人体的交互缺乏最为重要的力反馈的触觉，而真实的针灸银针刺破皮肤和刺入组织会给予操作者不同的反馈力度，所以越来越多的专家学者开始借助力反馈仪开发、设计虚拟针灸系统。

图7 基于数字手套的针灸仿真系统[25]

Heng 等[26]研发了一套中医针灸学习和训练仿真系统，该系统具有触感反馈、视觉反馈以及针灸基础内容学习的功能。其中视觉反馈由计算机实时显示针刺过程和人体组织变形，通过Phantom Desktop 力反馈仪提供实时的力反馈信息。这种仿真学习训练方式大大增强了真实感，使得学生有了针刺真实人体穴位的感觉，而不仅仅是只能看到“患者”，基本达到了仿真训练的要求。但是该系统没有对穴位建立生物力学数据库，不能对操作者的力度大小进行正确的判断。

姜雨晨等[27]基于Voxel-Men 虚拟人体开发平台设计了虚拟针刺人机互动操作系统。首先由针灸专家对50 名志愿者的特定穴位进行针刺，利用力反馈仪采集得气时的进针位移、速度、力度反馈曲线等不同数据，建立针刺人体软组织时的生物力学数据库，作为仿真训练的标准依据。然后基于图像分割建立人体组织力学模型，设计力反馈系统，通过力反馈仪真实地传递给操作者。当针刺不同的组织区域时，反馈给操作者不同的感受，并结合虚拟画面增强了真实感。

蒋峥峥等[28]基于2 台Phantom Desktop 力反馈仪设计了面向远程触觉协作的虚拟针灸系统（如图8所示），2 台力反馈仪通过数据控制器完成数据的实时网络传递，教师可以实时纠正学生的错误手法，大大提高了学生掌握手法技能的效率，真正实现了教师可以“手把手”传授针刺手法的教学。但该设计并未考虑到对教师针刺手法数据的记录，倘若以此建立针刺手法的数据库，一来可以解决针灸的定量化和标准化，二来可以采集、保存针灸大师的手法数据，对针灸手法的传承具有重大意义。

针刺的手法除了提插还包括捻转毫针的操作，而绝大多数系统使用的力反馈仪只能提供3 个自由度的力反馈，因此以上3 个针刺手法仿真系统仍不够完善。尽管某些型号的力反馈仪可以实现6 个自由度的力反馈[29]，但是由于其属于高精度设备，易于损坏，且价格昂贵，还是不能满足针灸教学训练的要求。

图8 蒋峥峥等[28]设计的面向远程触觉协作的虚拟针灸系统

3 结语

目前已经出现了各种形式的针灸教学模型和仿真训练系统，虽然具有各自的设计优势和不错的模拟教学效果，但却存在一定的不足。现有的教学模型和仿真训练系统无法满足临床教学需求，其最根本的原因是针刺手法和力度的仿真训练无法完全满足实际临床需求，并且仿真系统无法同时满足“增强真实沉浸感”。而一个高度符合临床教学需求的针灸仿真训练平台应该具有满足教学和学习功能、增加交互性、可以训练针灸手法和增强沉浸感4 个特征：（1）具有经络腧穴和基本针灸理论内容学习的功能，加强使用者对针灸经络穴位的理解记忆和掌握；（2）具有较强的交互性，增强学生兴趣，从而提高教学效率和质量；（3）兼顾到针刺手法和力度训练，提升学生的实际操作能力；（4）增强真实沉浸感，努力实现学生不仅可以“看”到“患者”，还可以“触碰”到“患者”。相信随着具有触觉反馈的硬件设备的发展和研究的继续深入，一定能够克服目前针灸仿真训练平台存在的关键技术难点，找到较好的解决方案，更好地应用于临床教学，从而促进中医针灸学向更高阶段发展。