基于MapGIS数据中心的人体经络信息系统研究

吴德华 吴贝贝 郭怡新 沈泽康

摘要：针对传统人体经络表现形式的不足和目前人体经络信息系统在空间分析方面的缺陷，该文提出采用基于“面向服务GIS架构”的数据中心集成开发技术构建人体经络信息系统的思想，以目录树的形式对人体经络数据进行层次化管理，采用搭建式、配置式开发快速构建系统原型，以插件式开发技术扩展功能模块，并实现了人体经络的空间定位、信息查询、缓冲区分析等功能。实验结果表明，基于数据中心集成开发技术的人体经络信息系统能够“应需而变”，利用缓冲区分析、反射区分析等空间分析功能在中医教学和临床诊断方面提供辅助决策支持，为人体经络信息化研究提供了一种新的思路。

关键词：经络;GIS;数据中心;空间分析;目录树

中图分类号：G642        文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2022）15-0130-03

经络作为人体血气运行的通道，体表、内脏之间联系的枢纽，人体内、外沟通的渠道，是一个多层次、多组分、开放的复杂系统。传统的中医教学和研究通常采用挂图和石膏模型来表现经络的结构，无法体现经络的空间分布以及与人体其他组分之间的联系。

近年来，随着虚拟现实技术的发展，人体经络的可视化表达成为一个研究熱点。文献[1-5]提出利用多通道经络阻抗检测仪和磁定位跟踪仪确定人体体表经络点的位置，获取经络点的三维信息，对场景摄像机进行标定，并将其结果和经络点的三维信息通过图形变换技术变换到统一的世界坐标系下，获取摄像机的投影矩阵H，根据该投影矩阵H，将经络点三维信息投影到二维图像上，形成二维经络线，并将其融合于场景摄像机拍摄的人体体表实时图像上，实现人体经络的可视化。文献[6-7]提出了一种基于阻抗与双目视觉的经络可视化方法，利用交变恒流源在人体皮肤表面注入电流信号，然后采用多通道皮肤阻抗检测仪根据经络的低阻抗特性检测各对电极之间人体皮肤的电压，从而间接获取经络点对应的通道，通过串口通信，将数据传输至上位机，利用张氏摄像机标定法获取摄像机内外参数，对光学标靶进行角点筛选与匹配，获得经络点的三维信息，再根据双目视觉原理对三维信息进行坐标变换，最后利用曲线拟合和图像融合技术，实现经络可视化。文献[8] 通过Catmull-Rom样条曲线在计算机中拟合人体经络线，并利用VC++的编程环境，结合OpenGL三维图形库，设计了一种在三维环境下人机交互式的操作方法来引导经络循行动画，达到实时仿真的效果。文献[9]以人体经络系统作为应用背景将上下文感知计算引入三维场景传输策略，考虑了用户兴趣和网络环境因素，充分利用用户与系统交互时的网络空闲带宽，达到提高网络带宽利用率、缩短系统响应等待时间的目的。综上所述，目前的人体经络信息系统主要采用OSG（Open Scene Graph）技术，虽然实现了人体经络穴位透明叠加显示及循经感传现象的动画演示，并能够进行穴位、经络、疾病等信息查询，克服了挂图和实体模型的不足，但在经络的空间分析方面仍然存在缺陷。

将人体经络看成一张地图，其穴位就是地图中的点状要素，经脉是地图中的线状要素，躯体、器官是面状要素，因此，人体经络具有明显的空间特征，需要利用先进的地理信息系统（GIS）技术对人体经络信息进行一体化管理。数据中心集成开发技术（简称为“数据中心”）是由中地数码提出的新一代地理信息系统（GIS）开发模式，采用柔性设计理念，具有强大的空间分析能力，能够适应用户需求的变化快速搭建系统，实现系统的“零编程、巧组合、易搭建”的可视化开发[10]。因此，本文提出在目前人体经络的可视化研究的基础上，结合“面向服务GIS架构”的数据中心集成开发技术构建二三维一体化的人体经络信息系统，为中医经络教学、临床诊断和大众保健提供技术支撑。

1 数据中心集成开发技术

数据中心集成开发平台能够对多源异构数据进行层次化的统一管理，对组件、插件、流程等不同方式提供的功能进行统一组织和调用，以搭建式开发和配置式开发为主，以插件式开发为辅，三种开发模式集成进行GIS应用系统开发，实现不同领域应用系统的集成和功能的复用[11-12]。搭建式开发指针对个性化的用户需求，即时组合已有的服务资源，可视化搭建应用系统[13-14]。配置式开发指系统地解决配置的截面和功能。插件式开发指以少量的编程开发功能插件，利用SOA框架，将功能插件集成到宿主系统中[15]。其中，搭建配置工具由工作流设计器、权限设计器、集成设计器和表单设计器组成，如图1所示。因此，数据中心集成开发平台不仅是一个“数据、功能管理器”，还是一个“系统开发器”。

在数据管理方面，数据中心集成开发平台采用目录树结构以统一的方式对二三维空间数据、文档数据和元数据进行层次化管理;在功能管理方面，数据中心集成开发平台统一管理各种GIS功能，并提供统一的接口，将每个GIS功能当作一块“积木”，不同的“积木”通过搭建可形成更大的“积木”，应用程序通过调用“积木”实现GIS功能;在系统开发方面，数据中心集成开发平台提供了搭建式、配置式和插件式二次开发技术为一体的集成开发模式，实现了GIS应用系统的快速构建。

2 人体经络信息系统数据获取与组织

人体经络信息系统数据由二维地图数据、三维模型数据和属性数据组成。二维地图数据来源于“国家标准经穴部位挂图” [16]，并对图中的人体经脉、络脉和穴位进行矢量化处理;三维模型由3D MAX建模获得;属性数据包括二维地图中穴位和经络的属性信息以及与之对应的疾病和案例等信息，疾病信息的疾病概述、疾病症状以及案例信息的案例名称、案例中患者概况、主诉、刻诊和治疗方案等基础数据来源于“中医药知识库—万方医学网”[17]。

人体经络空间数据可以分为穴位点要素类、经络线要素类和体表面要素类等。如果将人体经络系统比作城市，那么经络就是这个城市的公交路线，而穴位就是公交站点，人体的气血聚集于此。因此，可以仿照数字城市组织数据的方式对人体经络数据按点、线等要素类进行分层管理。每个人体经络要素类都是一个独立的要素类，表示一个独立的空间实体对象，各要素类以目录树的形式实现层次化管理，如图2所示。通过3D MAX创建人体经络三维模型，然后导入MapGIS K9三维景观平台进行场景环境设置、要素类编辑等操作，实现二三维数据的统一管理，如图3所示。

3 人体经络信息系统设计

将人体经络实例化为具体的空间对象，依靠GIS强大的数据管理和空间分析功能，实现人体经络信息的可视化表达和模拟。系统采用快速原型法[18-19]构建，以MapGIS K9的数据中心集成开发平台为系统开发环境，通过搭建式、配置式开发快速构建原型系统，根据用户意见，采用插件式开发继续完善原型，以适应需求的变化快速调整，直到满足用户的需求。

3.1 人体经络信息系统体系架构设计

随着组件技术的出现，由数据层、逻辑层和表示层构成的三层体系架构成为经典，这种结构采用奠基式向上支撑的架构形式，并不牢固，虽然能实现数据共享，但功能共享困难。面向服务架构（SOA）将应用程序的各个功能单元以服务的形式提供给用户，服务彼此之间保持独立，通过接口和契约进行联系，具有标准化、松散耦合、共享服务和粗粒度等特点。

人体经络信息系统采用悬浮倒挂式支撑的SOA体系架构，为系统的建立提供统一的框架和环境，快速构建不断适应用户新需求的应用系统，如图4所示。

3.2  人体经络信息系统功能设计

人体经络信息系统主要用于中医教学、辅助诊断，包括文件操作、视图浏览、数据查询、空间分析等功能模块。文件操作模块主要实现人体经络文档的打开、保存、打印等功能;视图浏览主要包括对人体经络图的三维浏览、放大、缩小、复位等操作;数据查询模块主要包括穴位、经络的定位和穴位、经络的基本信息及关联疾病的查询;空间分析模块主要有穴位缓冲区分析、反射区分析、循经感传模拟和数据统计，功能如图5所示。

4 人体经络原型系统实现

人体经络信息系统使用快速原型法设计开发，快速搭建出一个框架模型，通过用户与系统开发者之间的不断交流和讨论，不断完善系统。人体经絡信息系统以搭建式、配置式开发为主，插件式开发技术为辅进行集成开发，利用数据中心功能仓插件和组件共同搭建。首先，利用集成设计器配置系统界面，包括初始化、菜单、工具条、目录系统等，采用工作流工具搭建业务流程，然后通过表单设计器进行Web页面的配置，实现功能绑定，以工作空间管理器实现数据和功能的集成，最后使用权限管理器定义用户权限。原型系统主要包括视图插件和功能插件。视图插件主要有经络显示视图、数据中心工作空间视图;功能插件主要包括文档菜单、视图菜单、查询菜单、分析菜单、帮助菜单等。

文档菜单主要是对人体经络底图进行一些常用的操作，具体功能包括保存、另存为、打开、打印预览、打印设置、打印等。

视图菜单主要包括视图工具和版面视图两个子模块。视图工具是对人体经络图关于显示方面的一些基本操作，主要功能包括复位、刷新、放大、缩小、移动、鹰眼、视窗选项、旋转视图、三维浏览;版面视图是对人体经络图输出的操作，主要输出方式包括输出光栅文件、圆形选择输出、圆形截图、输出PS/EPS文件。

查询菜单分为视图类查询和工具类查询，视图类查询需要通过输入所要查询对象的名称，来获取对象的相应信息;工具类查询可通过鼠标点击选取要素类对象，即可弹出被选对象相应是属性信息。通过查询菜单可以实现穴位和经络的快速定位、穴位和经络信息查询、关联疾病查询、按摩针灸手法查询等，如图6所示。

分析菜单主要依靠强大的GIS空间分析功能为中医教学和临床诊断提供辅助决策支持。穴位缓冲区分析为学习针灸按摩提供了逼真的环境，由于不同穴位按摩方式不同，所以在缓冲区分析之前，先筛选出按摩方式为“揉按”的穴位，然后对选中要素进行左右缓冲半径设置，得到穴位揉按的范围，如图7所示;循经感应模拟将经络线循行的全过程动态地展现给用户;穴位反射区分析以高亮显示不同穴位的反射区，方便用户根据自身情况，通过穴位按摩实现自我保健;数据统计可以根据人体部位、疾病等不同专题进行穴位、经络、治疗方法的统计，并可采用直方图、饼状图等多种图形类型显示结果。

5 结束语

将人体经络系统看作一副地图，利用先进的地理信息系统技术实现对人体经络信息可视化表达和模拟，以及对二三维数据的一体化管理。系统采用SOA四层体系架构，能快速构建原型系统，以适应用户需求的不断变化，并以目录树的形式对人体经络空间数据进行分层管理，以搭建式、配置式开发为主，插件式开发技术为辅进行集成开发，利用数据中心功能仓插件和组件共同搭建系统平台，对经络穴位进行空间分析，在中医教学和临床诊断方面提供辅助决策支持，为人体经络信息化研究提供了一种新的思路和方法。

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【通聯编辑：王力】