姜俊,王福波,國海東,邵水金,苗鵬,張琦,郭春霞,牟芳芳,劉延祥,嚴(yán)振國

(1.上海中醫(yī)藥大學(xué),上海 201203;2.上海大學(xué),上海 200072;3.天津中醫(yī)藥大學(xué),天津 300193)

中脘穴為臨床常用穴,因該穴深部緊鄰重要內(nèi)臟胃腸肝脾,因而具有危險性。中脘穴位于上腹部劍突下與臍之間,在臍上4寸處[1],是治療胃病要穴,如治療胃痛、腹痛、腹脹、嘔吐、腹泄、便秘等癥[2]。中脘穴也是重要危險穴位,針法是針尖向下直刺0.3～0.5寸,亦可向周圍斜刺;可灸。通過解剖發(fā)現(xiàn),中脘穴下方深處毗鄰結(jié)構(gòu)有腹橫筋膜、腹膜、胃、橫結(jié)腸或肝、胰,從皮膚到穿透腹壁后,會出現(xiàn)的針刺事故是刺中上述諸結(jié)構(gòu)。如果再進(jìn)行錯誤強(qiáng)力提插、捻轉(zhuǎn)等手法,可出現(xiàn)內(nèi)臟損傷等嚴(yán)重后果。中脘穴有許多正確有效的針法技巧,若將臨床獲取的正確有效的針刺方法,采用以計算機(jī)為核心的各種技術(shù),生成逼真的視覺、聽覺、觸覺一體化的計算機(jī)虛擬環(huán)境進(jìn)行模擬針刺,能夠極大增強(qiáng)操作者的真實感,減少臨床針刺意外的發(fā)生。本研究即以國家自然科學(xué)基金項目中的中脘穴作為研究對象,系統(tǒng)地觀察針刺時毫針與中脘穴周圍各組織的空間位置關(guān)系,并在虛擬現(xiàn)實中,在具有視覺反饋的同時加入力反饋來模擬真實世界中的觸覺,從而為探討中脘穴針刺的安全性、提高臨床針刺療效奠定較好的基礎(chǔ),現(xiàn)將研究結(jié)果報告如下。

1 材料

1.1 數(shù)據(jù)來源

利用中瑞合制Omega 1Dof針灸專用力傳感儀,由針灸專家對38例自愿者進(jìn)行雙側(cè)“中脘穴”共76次手法測試,直接獲得中脘穴進(jìn)針位移、速度、力度力反饋曲線不同數(shù)據(jù),利用德國漢堡大學(xué)基于可視化人體數(shù)據(jù)集開發(fā)的三維可視化VOXEL-MAN操作平臺[3],結(jié)合上海中醫(yī)藥大學(xué)嚴(yán)振國教授領(lǐng)導(dǎo)的課題組多年來對腧穴解剖結(jié)構(gòu)的研究成果。

1.2 實驗設(shè)備

本課題在上海中醫(yī)藥大學(xué)國家中醫(yī)藥管理局“經(jīng)穴解剖三級實驗室”和上海大學(xué)通信與信息工程學(xué)院、上海交通大學(xué)生命科學(xué)技術(shù)學(xué)院進(jìn)行。課題進(jìn)行的部分設(shè)備包括電腦(硬件配置為 P4 2.53 G,內(nèi)存 1 GB,Inter Brookdale i845PE芯片組主板,128 MB nVIDIA GeForce2 MX/MX 400顯卡);上海中晶科技有限公司生產(chǎn)的ScanMaker X12USL掃描儀;瑞士Force Dimension公司生產(chǎn)的Omega 3Dof力反饋儀;中瑞合制的Omega 1Dof針灸專用力傳感儀。

1.3 實驗操作系統(tǒng)環(huán)境

本課題選用的計算機(jī)是Windows和Linux雙操作系統(tǒng)。

2 方法

2.1 中脘穴在三維可視人體上的定位

中脘穴位于臍上 4寸處,在三維數(shù)字人上的定位時,采用標(biāo)準(zhǔn)化二維描述的腧穴三維定位方法[4](圖1),運(yùn)用相應(yīng)的腧穴定位模型在過渡坐標(biāo)系中進(jìn)行描述,然后計算為特定數(shù)據(jù)的三維坐標(biāo),并顯示到人體三維醫(yī)學(xué)圖像中(圖2)。

在 VOXEL-MAN研究平臺中,無法讓虛擬人進(jìn)行肢體活動,使其出現(xiàn)相應(yīng)凸起、凹陷、褶皺等活動標(biāo)志,只能從不同角度對虛擬人進(jìn)行觀察;我們將骨度分寸定位法、體表標(biāo)志定位法與現(xiàn)代解剖學(xué)結(jié)合起來作為腧穴的主要定位依據(jù),在采用體表標(biāo)志取穴法(臍上 4寸處)對中脘穴進(jìn)行解剖學(xué)定位的基礎(chǔ)上,結(jié)合經(jīng)穴解剖實驗室與中脘穴相關(guān)的標(biāo)本,通過對中脘穴所在位置區(qū)域的三維橫斷面、矢狀面、冠狀面圖像的研究,多角度驗證針刺中脘穴的相關(guān)解剖結(jié)構(gòu)及其毗鄰關(guān)系,結(jié)合經(jīng)穴解剖實驗室相關(guān)的標(biāo)本反復(fù)比較調(diào)整,直至符合對中脘穴解剖結(jié)構(gòu)的充分描述。一旦在三維圖像上確定了中脘穴的定位,并從二維斷面得到驗證后,就可以確認(rèn)中脘穴相關(guān)的X、Y、Z三點的坐標(biāo)。在Linux操作系統(tǒng)和 VOXEL-MAN操作平臺,計算機(jī)根據(jù)程序算出已標(biāo)記的中脘穴的X、Y、Z三個方向上的坐標(biāo),根據(jù)VOXEL-MAN操作平臺的編寫的程序終端顯示所取部位的相對坐標(biāo),就可以轉(zhuǎn)換成中脘穴在三維人體上的絕對坐標(biāo),并且寫入中脘穴的虛擬進(jìn)針程序的 GB30 a.scr文件中,這種結(jié)合了傳統(tǒng)腧穴的定位方法和腧穴解剖結(jié)構(gòu)的三維定位可以實現(xiàn)腧穴的精確定位,然后進(jìn)一步將“腧穴”表達(dá)模型放在三維可視人體圖像的絕對坐標(biāo)系中,從而實現(xiàn)了中脘穴的三維定位。最終寫入 VOXEL-MAN操作系統(tǒng)的 VM_vhp_new/demo1/atlas/vhp/acupuncture/acupuncture.data中。

圖1 中脘穴三維定位時的過渡坐標(biāo)系

圖2 中脘穴的表達(dá)模型

2.2 中脘穴解剖結(jié)構(gòu)的分割和建模

肌肉分割采用雙色度橢球和結(jié)合曲面擬合信息的色度橢球的多步分割方法完成[5]。血管和神經(jīng)建模通過局部控制的樣條函數(shù)插值完成[6],以VOXEL-MAN虛擬人體為開發(fā)平臺,通過對穴區(qū)的皮膚、肌肉等相關(guān)組織的圖像分割,對針刺過程中相關(guān)的血管和神經(jīng)的圖形建模,建模管道連接平滑,細(xì)小的血管神經(jīng)也清晰可見。制作智能動畫與創(chuàng)建知識庫系統(tǒng),完成中脘穴虛擬視覺模塊再現(xiàn)。在演示圖上可以清楚地看到針刺過程中毫針經(jīng)過的組織,肌肉分割、血管及神經(jīng)建模的效果。

2.3 中脘穴虛擬進(jìn)針力反饋模擬

在Visual c++的編程環(huán)境中,通過c++程序來模擬針刺環(huán)境。將臨床獲取的針灸專家中脘穴針刺手法的進(jìn)針位移、速度、力度的力反饋曲線數(shù)據(jù)(圖3),運(yùn)用虛擬現(xiàn)實技術(shù),根據(jù)各組織的物理特性,分析針刺過程中針體與組織的相互作用力,建立力學(xué)模型模擬針體受力,融入中脘穴針刺數(shù)據(jù)后,再通過力反饋接口把數(shù)據(jù)傳遞到力反饋儀讓操作者感知,從而構(gòu)建虛擬中脘穴針刺力反饋仿真系統(tǒng)。

圖3 中脘穴進(jìn)針位移、速度、力度力反饋曲線

我們在虛擬觸覺再現(xiàn)模塊和虛擬視覺再現(xiàn)模塊之間通過編程進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊,實現(xiàn)視覺與觸覺的同步。視覺顯示和觸覺實現(xiàn)分別采用可視化工具包和 Chai3D開源軟件包兩個庫。針灸專家主要采用提插針法,直刺0.3～0.5寸,至最后出針、針體完全抽離人體意味著一次針刺的完成。應(yīng)用針灸專用力傳感儀等設(shè)備,得到針灸專家中脘穴進(jìn)針位移、速度、力度等相關(guān)曲線參數(shù),編寫程序?qū)⑨樉膶＜抑须溲ㄡ樂〝?shù)據(jù),生成融合視覺、觸覺一體化的計算機(jī)虛擬現(xiàn)實的模擬針刺過程模塊。力反饋系統(tǒng)根據(jù)輸入信息關(guān)聯(lián)虛擬環(huán)境中的毫針,虛擬毫針從針尖接觸皮膚開始,利用組織參數(shù)計算針體受力,毫針進(jìn)入不同的人體組織,由于各組織的物理特性和形變狀態(tài)的差異,產(chǎn)生作用力的機(jī)理不同,力的大小也將產(chǎn)生變化。通過力反饋接口和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換,操作者操作力反饋儀,對虛擬人施行針刺。控制虛擬環(huán)境中的毫針,隨著毫針進(jìn)入人體組織,操作者在獲得中脘穴進(jìn)針全過程視覺的同時,又從力反饋儀控制末端感受到真實的反作用力。這與以往計算機(jī)用戶只能通過視覺(最多又加入了聽覺)與其進(jìn)行交互相比,改變了基于視覺與聽覺等傳統(tǒng)的二維人機(jī)交互技術(shù),得到一種更加自然和直觀的基于力和觸覺的人機(jī)交互方式(圖 4)。

圖4 人機(jī)交互方式

3 結(jié)果

經(jīng)過探索,完成了將針灸專家中脘穴針法數(shù)據(jù),通過針灸專用力傳感儀融入虛擬針刺力反饋系統(tǒng)。該系統(tǒng)在長期的虛擬人研究基礎(chǔ)上,加入了虛擬現(xiàn)實技術(shù),給傳統(tǒng)的虛擬人增加了新的元素。運(yùn)用虛擬人豐富的視覺效果,將針刺部位放大到接近真人大小,通過操作力反饋儀,控制虛擬環(huán)境中的毫針,對虛擬人施行針刺。隨著毫針進(jìn)入人體組織,操作者在力反饋儀控制末端將感受到真實的反作用力。整個系統(tǒng)從打開力反饋開關(guān)開始,操作者可以練習(xí)和熟練掌握對中脘穴的針刺手法。如同名師手把手執(zhí)教,在這一過程中,如果毫針偏離了穴區(qū)的一段特定距離,或施力太過等一系列違反針刺規(guī)則的行為發(fā)生,力反饋過程將停止,一個訓(xùn)練過程宣告結(jié)束。

4 討論與展望

4.1 腧穴的準(zhǔn)確定位是針灸治病的關(guān)鍵

臨床上有的患者由于各種原因不一定能夠讓醫(yī)務(wù)人員采用標(biāo)準(zhǔn)的體位進(jìn)行腧穴定位,此時就需要醫(yī)生根據(jù)其臨床經(jīng)驗綜合運(yùn)用進(jìn)行定位。本文在中脘穴定位時,虛擬人的肢體就不能夠活動,我們就需要調(diào)整虛擬人軀體的旋轉(zhuǎn)角度,采用現(xiàn)代解剖學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)體位,定位采用體表標(biāo)志定位法,并同時參照了手指同身寸法進(jìn)行解剖學(xué)定位。中脘穴定位最終設(shè)置為 PosX_Sta=﹣90 PosY_Sta=﹣45 PosZ_Sta=0 PosX_End=﹣90 PosY_End=45 PosZ_End=0,這樣一方面可以準(zhǔn)確取穴,另一方面觀察者便可以從6個不同角度對中脘穴三維虛擬進(jìn)針時進(jìn)行解剖結(jié)構(gòu)的觀察研究。

通過在虛擬人體上取穴的體會,我們認(rèn)為標(biāo)準(zhǔn)化的腧穴定位,利于針灸教學(xué)和針灸知識的普及;進(jìn)行腧穴定位時,如果能夠全部采用現(xiàn)代解剖學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)體位和術(shù)語則更利于針灸的國際交流?？上驳氖?腧穴定位的標(biāo)準(zhǔn)體位及方位術(shù)語已經(jīng)越來越趨于用現(xiàn)代解剖學(xué)標(biāo)準(zhǔn)體位和方位術(shù)語來進(jìn)行描述,例如 2006版國標(biāo)《腧穴名稱與定位》就采用了現(xiàn)代人體解剖學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)體位進(jìn)行腧穴定位,利于針灸學(xué)術(shù)交流和走向世界。

4.2 腧穴進(jìn)針時的角度、方向和深度也和臨床療效緊密相關(guān)

本文結(jié)合該虛擬人的體格狀況,將中脘穴的進(jìn)針深度和角度定為直刺0.3～0.5寸,發(fā)現(xiàn)這種情況下的結(jié)果很滿意。針的初始位置經(jīng)反復(fù)驗證后,設(shè)為“InitP2x=298,InitP2y=306,InitP2z=121”;而針刺時的方向則設(shè)為“InitDx=299,InitDy=230,InitDz=125”的三維方向。經(jīng)生成動畫后觀察到這種情況下的進(jìn)針比較符合臨床實際。

針灸教學(xué)對患者進(jìn)行針刺治療時,不可能在同一個患者、同一個穴位上反復(fù)進(jìn)針,反復(fù)體會進(jìn)針的角度、方向和深度,尤其是進(jìn)針的深度對于不同的個體,其差異較大。因此,對于腧穴進(jìn)針的深度標(biāo)準(zhǔn),應(yīng)考慮到患者年齡、身高、體重、地域、種族等差異,這樣便于學(xué)習(xí)者掌握,也更有利于針灸醫(yī)學(xué)更好地為全人類的衛(wèi)生保健事業(yè)服務(wù)。

4.3 肌肉的分割與三維重建的研究

本文中脘穴相關(guān)肌肉組織的分割主要基于人體解剖結(jié)構(gòu)在 RGB色度空間上呈橢球狀,我們結(jié)合計算機(jī)圖形圖像處理技術(shù),在 VOXEL-MAN平臺 3DSegmentation下進(jìn)行了相關(guān)肌肉的分割。采用的是基于雙色度橢球結(jié)合曲面擬合信息在RGB色度空間進(jìn)行的交互式多步驟分割方法,即優(yōu)化的色度特征空間交互式分割方法,該方法雖然步驟較復(fù)雜,工作量大,但最終可得到高質(zhì)量的人體三維醫(yī)學(xué)圖像。

進(jìn)行分割時主要是在橫斷面上進(jìn)行的,例如腹直肌,在 VOXEL-MAN平臺上的片層較多,Z軸橫斷面是66～341片層、X軸矢狀面是23～106片層、Y軸冠狀面為298～471片層,并且與其他的肌肉邊界清楚。分割完畢后,為了使所分割的組織結(jié)構(gòu)更接近于真實,也為了肌肉形態(tài)結(jié)構(gòu)的完整及美觀,還進(jìn)一步采用了形態(tài)學(xué)的腐蝕(Erosion)和膨脹(Dilation)處理。腐蝕主要是消除目標(biāo)圖像中邊界中的突出部分,膨脹則是將與目標(biāo)相接觸的所有背景點合并到目標(biāo)之中;腐蝕有利于從一幅分割圖像中去除無意義的目標(biāo),膨脹使原目標(biāo)圖像的邊界擴(kuò)大,從而可以連接相鄰的斷點。通過對所分割的組織進(jìn)行腐蝕和膨脹處理,最終可使圖像的邊界顯得光滑,使分割的效果更接近于標(biāo)本的真實情況。最后,對所分割的解剖結(jié)構(gòu)給以特定標(biāo)識的UID號,以防止與別的分割肌肉混淆,然后給予命名保存,最終將所分割的組織融合到VOXEL-MAN虛擬人體上。

4.4 中脘穴區(qū)神經(jīng)、血管的三維重建是采用圖形建模方法進(jìn)行

血管和神經(jīng)是與穴位關(guān)系密切的解剖結(jié)構(gòu),它們共同具有的特征是都為細(xì)而長管狀結(jié)構(gòu),并且血管和神經(jīng)組織與周圍的脂肪組織從顏色對比而言,其對比度較小;即使在尸體解剖中也需要仔細(xì)地區(qū)分才可以進(jìn)行辨識。但在沒有經(jīng)過特殊的灌注、標(biāo)識處理時,卻難以利用上述肌肉和骨骼的分割方法進(jìn)行血管和神經(jīng)的三維重建。我們采用圖形建模的方法,借助三維曲線插值和面繪制法,基于 VOXEL-MAN操作平臺自帶的管狀編輯器來實現(xiàn)神經(jīng)血管的數(shù)學(xué)建模,得到與中脘穴解剖結(jié)構(gòu)相關(guān)的血管和神經(jīng)結(jié)構(gòu)的多邊形表面,利用管狀圖形編輯器進(jìn)行圖形建模,從而構(gòu)建出與中脘穴解剖結(jié)構(gòu)相關(guān)的血管和神經(jīng)的模型。

目前用于血管圖像分割的技術(shù)可以分成基于邊界的分割技術(shù)、基于區(qū)域的分割技術(shù)和基于特定理論和工具的分割技術(shù)三類,而且在未來的一段時間內(nèi),分割技術(shù)的研究仍將是一個熱點。筆者曾嘗試按照肌肉組織的分割方法,對針刺中脘穴時可能經(jīng)過的肋間神經(jīng)進(jìn)行了反復(fù)的分割和融合,但視角效果不理想;由于神經(jīng)血管結(jié)構(gòu)的特點決定了其三維重建方法的特殊性,故目前神經(jīng)血管的三維重建雖有很大進(jìn)步,但其效果卻也并不令人滿意。因此筆者認(rèn)為目前對神經(jīng)血管進(jìn)行單純的常規(guī)分割方法進(jìn)行研究較難取得理想的效果。

目前VOXEL-MAN操作系統(tǒng)所建模形成的神經(jīng)血管表面光滑、走向比較自然,而且可以分叉形成樹狀結(jié)構(gòu),符合中脘穴附近神經(jīng)血管的生理特性。通過中脘穴進(jìn)針的三維動畫,我們感覺中脘穴附近的神經(jīng)血管整體表達(dá)也較滿意。但對于神經(jīng)血管較細(xì)小的分支,難以進(jìn)行重建。在目前難以進(jìn)行常規(guī)的分割方法對神經(jīng)血管進(jìn)行重建的情況下,采用數(shù)學(xué)建模的方法也是一種比較可靠的方法;本論文中所重建的血管和神經(jīng)也較滿意。以后隨著計算機(jī)圖像圖形處理技術(shù)的發(fā)展,可能會有改進(jìn)的新方法,或幾種方法綜合起來進(jìn)行神經(jīng)血管的三維重建。

4.5 通過針灸專用力傳感儀及力反饋儀實現(xiàn)了中脘穴腧穴針刺時的觸覺力反饋再現(xiàn)

本文在 VOXEL-MAN技術(shù)平臺的基礎(chǔ)上,采用優(yōu)化的色度特征空間交互式分割方法和圖形建模的方法,生成了中脘穴的三維可視化及虛擬進(jìn)針的動畫以及各斷面進(jìn)針時的幀矩陣,同時實現(xiàn)了中脘穴腧穴進(jìn)針時的觸覺力反饋再現(xiàn),這是國際領(lǐng)先的創(chuàng)新方法。但是VOXEL-MAN的數(shù)據(jù)信息來源于美國的VHP可視人體數(shù)據(jù)集,該標(biāo)本原體1.82 m,在取穴時該虛擬人不能活動,在進(jìn)針時與我們常用的進(jìn)針深度也有差異。因此,隨著國內(nèi)外虛擬人研究的發(fā)展,我們應(yīng)向“虛擬可視人-虛擬物理人-虛擬生理人-虛擬智能人”的方向邁進(jìn)。因為虛擬可視人僅僅是從幾何學(xué)角度去描述人體的解剖結(jié)構(gòu),屬于純粹的解剖人;在虛擬可視人的基礎(chǔ)上,給其賦以人體皮膚、皮下組織、肌肉、骨組織的力學(xué)特性和形變等物理特性,這樣的虛擬人就是虛擬物理人;虛擬物理人向更高一級發(fā)展,便是富含生理特性的虛擬生理人;虛擬生理人再進(jìn)一步發(fā)展,則是虛擬智能人。能夠活動的虛擬人,必將更加符合腧穴針刺研究,必將開拓腧穴三維可視化和虛擬進(jìn)針觸覺力反饋再現(xiàn)研究的新局面。

虛擬現(xiàn)實是近幾年來信息技術(shù)迅速發(fā)展的產(chǎn)物,它采用以計算機(jī)為核心的各種技術(shù)生成逼真的視覺、聽覺、觸覺一體化的特定范圍的虛擬環(huán)境[6]。在虛擬現(xiàn)實中,具有視覺反饋的同時加入觸覺力反饋來模擬真實世界中的觸覺,能夠極大增強(qiáng)操作者的真實感。力反饋研究是虛擬現(xiàn)實技術(shù)的前沿之一,本研究結(jié)合中脘穴解剖結(jié)構(gòu)研究和數(shù)字虛擬人體研究的工作積累,一方面,基于VOXEL-MAN虛擬人體開發(fā)平臺,完成了中脘穴三維瀏覽器的再開發(fā),給人以視覺感知;另一方面,基于傳統(tǒng)中醫(yī)理念與近代生物力學(xué)理論,運(yùn)用圖形與圖像處理技術(shù)和力反饋技術(shù)進(jìn)行建模,將針刺時中脘穴區(qū)組織各層結(jié)構(gòu)的受力過程以虛擬現(xiàn)實和力反饋的方式,給人以觸覺感知,從而初步實現(xiàn)了中脘穴虛擬針刺力反饋仿真,可現(xiàn)場模擬進(jìn)針的視覺、觸覺、力覺再現(xiàn)效果。

本文中脘穴針刺力反饋研究,全面融合了視覺、觸覺、力覺力反饋信息,為中脘穴針刺提供了一種動態(tài)的仿真手段。雖然中脘穴力反饋研究還僅僅只是開始,但隨著更多腧穴力反饋數(shù)據(jù)的采集和處理,可以使訓(xùn)練更真實、準(zhǔn)確、全面,使廣大學(xué)員獲得更多猶如名師親臨現(xiàn)場一對一指導(dǎo)的效果,大大節(jié)約名醫(yī)的煩重勞動和時間,從而達(dá)到迅速提高學(xué)習(xí)者的針刺技能的目的,有利于具有中醫(yī)特色的虛擬解剖人向虛擬物理人的跨越,有利于中國針灸優(yōu)秀經(jīng)驗的繼承與發(fā)展。

[1] 嚴(yán)振國.中醫(yī)應(yīng)用腧穴解剖學(xué)[M].上海:上?？茖W(xué)技術(shù)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.

[3] Pommert A, Hǒhne KH, Pflesser B, et al. Creating a high-resolution spatial/symbolic model of the inner organs based on the Visible Human[J]. Med Image Anal, 2001,5(3):221-228.

[4] 鄭雷.結(jié)合中醫(yī)針灸的三維醫(yī)學(xué)影像學(xué)研究[D].上海交通大學(xué)碩士學(xué)位論文,2004.

[5] Gonzalez RC, Woods RE. Digital Image Processing[M]. 2nd Edition,Addison-Wesley Pub Co, 2002:333-335,519-566.

[6] 劉文霞,王樹杰,張繼偉.虛擬現(xiàn)實技術(shù)在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用[J].醫(yī)學(xué)工程學(xué)雜志,2007,24(4):946-949.