基于VR觸覺交互的針灸治療教學系統設計

閆仁靜 胡小強 朱昌盛

摘要：近年來，虛擬現實（VR） 技術中的觸覺交互備受關注，并在中醫教學中有一些應用。本研究結合當前中醫學生的學習需求，設計了一款基于VR觸覺交互的針灸治療教學系統，旨在解決中醫教學中學用脫節的問題。該系統通過“針學”和“針用”兩個模式，分別輔助學生學習針灸理論知識和實踐操作，為中醫針灸教學開辟了新的路徑。

關鍵詞：針灸治療教學系統；虛擬現實技術；觸覺交互技術；中醫教學

中圖分類號：TP311? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2024）07-0114-04

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）

0 引言

針灸作為中國傳統醫學的核心組成部分，在傳統的針灸學習中，通常以教師口述或多媒體課件的方式來傳授中醫知識。然而，這種教學方式尚不能達到預期的學習效果。此外，在針灸教學中，針對針刺穴位的實際訓練，學生通常會借助于紙墊、棉團等輔助工具，進行反復練習[1]。然而，這種方式無法真實模擬針刺入皮膚時的觸感，難以達到理想的訓練效果。現如今，基于VR的觸覺交互技術為傳統的針灸學習帶來了新的可能性，如何將該技術應用于針灸教學中來提高學習效果具有重要的現實意義。

1 基于VR的觸覺交互技術

人類與環境的交互方式是多模態的，也無時無刻不在使用視覺、聽覺、觸覺和嗅覺等多種感官去感知周圍的環境[2]。而虛擬現實作為交互方式的一種，是以計算機技術為核心的現代高科技手段生成逼真的視、聽、觸、嗅、味覺等一體化的虛擬環境，用戶能夠采用自然的方式與虛擬世界中的物體進行交互[3]。但目前，用戶主要通過視覺和聽覺的方式與虛擬場景中的物體進行交互，觸覺交互技術并沒有被廣泛應用。因此將“觸覺”感知引入虛擬場景中，正是自然而重要的技術創新。近年來，觸覺交互技術允許用戶在虛擬環境中使用觸覺設備觸摸、操作計算機生成的物體，并感知物體的運動以及人機交互過程中產生的觸覺反饋[4]。觸覺交互技術是指人的某一部位接觸計算機搭建的虛擬場景時，人機之間互相傳遞力度、震動、紋理等觸感信息進入人的神經系統，從而使大腦清晰成像的一種技術[5]。

2 中醫教學的現狀

2.1 教學方法單一

中醫教學主要通過理論授課、師傅傳授經驗和實踐觀摩等方式進行，這種單一性的教學方式造成了一些問題。首先，目前的中醫教學方式普遍缺乏現代化的教學手段和多樣化的教學方法，無法滿足學生的個性化學習需求。其次，中醫理論授課方式注重知識的傳授，但缺乏實踐操作的環節，難以將中醫理論知識與實踐進行有效結合。

2.2 教學資源有限

中醫教學資源的缺乏是一個嚴重的問題，主要體現在臨床實踐資源、師資、教學設備與實驗室方面。在臨床實踐資源方面，學生往往難以接觸到真實的患者，這限制了他們的實踐機會，導致醫學生與患者直接互動的經驗不足，影響了學生在臨床實踐中的能力培養。在師資方面，中醫教學需要有豐富經驗的中醫教師進行指導，但由于具有豐富經驗的教師數量有限且逐漸老齡化，導致中醫師資較為缺乏。在教學設備與實驗室方面，中醫教學需要一定的教學設備和實驗室來支持學生的學習和實踐，然而一些學校由于預算限制或其他原因，無法給學生提供充足的教學設備和實驗室，導致學生在實驗和實踐方面的學習受到限制。

3 VR觸覺交互技術應用在中醫教學中的優勢

眾所周知，成為一名合格的中醫人才需要投入漫長的學習時間和大量的學習精力。然而過于抽象的學習內容、較少的實踐機會成為了培養中醫藥人才的最大難題。而觸覺交互技術的出現，有效地解決了這一難題。基于VR的觸覺交互技術與中醫進行結合，能夠有效彌補中醫教學中實踐機會較少的缺陷[6]，為傳統醫療教育開創了全新的局面。具體而言，基于VR的觸覺交互技術在中醫教學中應用的優勢如下。

3.1 高度的沉浸式學習體驗

中醫是一門較為復雜的醫學體系，其中診斷和治療需要大量的實踐經驗。而觸覺交互技術可以借助VR頭盔和觸覺交互設備讓學生身臨其境地模擬和感受中醫的操作過程，給學生提供高度沉浸式的學習體驗，有助于培養學生的實際操作能力。逼真的觸覺學習體驗有助于提高學生對中醫的興趣和課堂參與度，從而促進中醫知識的深入學習和傳承。

3.2 實現實時力量反饋

基于VR的觸覺交互技術可以實時地向學生傳遞觸覺信息，這種實時的力量反饋有助于提高中醫學生的操作技能和實踐能力，增強其對中醫實際應用的掌握程度。學生在學習中醫知識時，可以借助觸覺設備感受到實時的力反饋效果，這不僅豐富了學生的感官體驗，也有效提升了學生學習的積極性。

3.3 彌補實踐經驗的不足

中醫課程的核心問題是要培養學生的臨床實踐能力。基于此，學生需要通過大量的實踐來應用所學的中醫理論知識和技能進而去診斷疾病、制定治療方案。但目前由于臨床實習資源有限，學生可能面臨實踐機會不足的問題。觸覺交互技術的出現，有效地彌補了這一不足。中醫學生可以借助觸覺交互設備進行實際的觸摸和按壓操作，獲得更多實踐操作的機會，這有助于學生積累更多的實踐經驗和操作技巧。

4 基于VR觸覺交互的針灸治療教學系統設計

在設計針灸治療教學系統之前，本研究通過對醫學生和教師進行問卷調查和訪談來進行針灸學習的需求分析。在針灸知識理論需求上，學生需要系統學習針灸學的理論知識，包括穴位學、針灸方法和治療原理等，而當前借助多媒體的學習效果并不理想。在臨床實踐需求上，學生需要掌握正確的針灸操作技巧和方法，理解臨床應用和診斷的關鍵點，并且要能夠根據不同的病例正確地選擇適當的穴位和療法進行治療，而當前的教學往往難以滿足學生的實踐環境，這導致他們缺乏充分的真實臨床實踐機會[7]。此外，在進行訪談時，教師們也普遍反映學生在學習針灸知識時，存在學與用脫節的問題。具體表現為他們在學習完針灸理論知識后，常常產生諸如“這些知識如何應用于實際治療中？”“如何同時提高自己的針灸技能和知識水平？”等疑問。

基于此，本研究設計了一款綜合性的針灸治療教學系統，該系統旨在幫助學生學習與針灸相關的理論知識的同時，也能根據病例情況引導學生針刺對應的穴位，實現針灸治療的教學一體化。具體系統設計流程圖如圖1所示。

該針灸治療教學系統設計了“針學”和“針用”兩個平行關卡，其中，“針學”部分旨在幫助學生學習針灸的理論知識，而“針用”部分則側重培養學生的實踐操作技能。與其他設計不同的是，在該系統的“針用”模式下，學習者針刺人體三維模型對應的穴位時會得到觸覺交互設備提供的力反饋，這一設計的目的在于有效增強學生的針灸實際操作能力，使他們能夠深入體驗針刺過程的真實性。

“針學”場景主要設有三種不同的交互方式幫助學生學習針灸的理論知識，分別為距離檢測自動播放針灸相關視頻、手柄射線實現VR翻書閱讀、手柄射線點擊背部穴位位置。在觀看視頻時，學生可以通過手柄控制瞬移到顯示屏前，該系統則自動播放針灸視頻，當離開一定距離后，視頻將自動關閉。在VR翻書閱讀的交互方式中，學生可以使用手柄射線點擊閱讀臺上的翻頁按鈕，完成逼真的翻書交互，這提高了學生的交互體驗和學習的便捷性，此外為了方便學生記憶腧穴名稱、位置、主治疾病、針刺的深度等多方面的信息，學生可以通過射線點擊三維立體模型上的某一穴位，將會出現該穴位的詳細介紹與對應病癥的UI提示。在學習完理論知識后，學生可以選擇結束針灸理論知識的學習。也可以進入“針用”模式進行實踐操作。學習者進入“針用”場景中，通過抓取和閱讀病例單來了解病例詳情，并通過點擊病例實戰UI界面上的訓練按鈕，在語音提示下，使用力反饋設備針刺穴位來模擬治療病例單上的疾病。當針刺位置正確時，會得到正確的UI和語音提示，當針刺位置偏離正確的穴位位置時，將看到錯誤的UI界面，并得到“別灰心，再試試”的積極語音提示，鼓勵學習者重新抓取病例單進行針刺訓練，直至成功治療對應疾病為止。

針灸治療教學系統設計主要包括了設備的連接與觸覺反饋、VR虛擬場景的構建、交互功能的實現三大模塊。該系統主要采用VR串流的方式進行設備連接并通過觸覺交互設備以力反饋的方式給學習者針刺反饋，虛擬場景的搭建主要使用3ds Max軟件構建虛擬物體、二維平面設計軟件制作UI界面并在Unity 3D軟件中進行布置和組裝來實現，交互功能主要通過Unity 3D、觸覺交互設備Touch和HTC VIVE頭盔實現。

4.1 設備連接與觸覺反饋

在針灸治療教學系統設計之前，需要確保相關設備的正常連接，包括計算機與HTC VIVE的串流、計算機與Touch設備的連接。該針灸治療教學系統可以通過VR手柄點擊UI按鈕或實體按鍵，將數據傳輸給計算機，計算機產生的數據再傳輸給VR頭顯，從而來實現翻書交互、UI界面交互、語音播報、熟知病例單信息等功能，VR頭顯中的針學、針用信息由感覺器接收，最終被大腦感知。大腦將接收到的針用模式下的病例單信息通過人手借助觸覺交互設備針刺背部穴位，觸覺交互設備將信息傳遞給計算機，經過處理，手部將感受到在針刺穴位時Touch設備給予的力反饋，隨后大腦感知到逼真的觸覺體驗，并最終實現針灸治療相關疾病的訓練，如圖2所示。

4.2 虛擬場景的構建

虛擬環境的構建主要包括UI界面的制作、場景模型的構建、貼圖材質的制作和燈光烘焙等。在制作UI界面時，首先要確定該針灸治療教學系統的整體風格，然后在可畫軟件上找到相關的素材，最后借助Photoshop軟件對素材進行設計和加工。本研究設計的UI界面包括穴位界面、病例單界面、操作提示界面。在場景的模型搭建上主要借助3ds Max軟件制作，包括人體、針、桌椅、針灸館和中醫館等。之后需將這些模型從3ds Max中導出，并導入Unity 3D軟件中進行布置和組裝。在模型優化上，為降渲染壓力，本研究采用了LOD技術。特別是在針用場景中，有效減輕了渲染負擔，確保了力反饋的優先渲染。此外，為避免學習者在針刺背部穴位時出現運行卡頓的情況，本研究將構建的三維人體模型在3ds Max軟件進行部位分割，只針對背部進行力反饋渲染，以保持流暢的操作體驗。為了達到更加理想的模型效果，還需要對模型設置趨于真實的材質。本系統利用二維平面設計軟件來繪制材質貼圖，將貼圖導入3ds Max并運用UVW功能對模型進行貼圖。此外，在構建虛擬場景時，使用Unity 3D軟件中的Lighting燈光烘焙功能對虛擬物體的燈光光影進行烘焙。圖3為針灸治療教學系統構建的三維模型場景。

4.3 交互功能的實現

本系統主要是通過面向對象的編程語言實現虛擬場景中的觸覺反饋交互、VR翻書交互、手柄抓取病例單交互等功能。其中，最突出的交互功能為在針刺穴位時感知到的觸覺反饋。主要使用OpenHaptics插件并進行觸覺環境搭建，并在此環境的基礎上更換虛擬場景的模型，如將被刺物體替換為三維人體模型，將木棒替換為針，同時通過調整Touch環境中的材質、柔軟度、靜摩擦力、動摩擦力等參數，最終使學習者在進行背部穴位的針刺時能夠感受到逼真的行針阻力，從而提高訓練效果。此外，在VR翻書交互部分，使用了Book Page Curl Pro插件，并通過代碼將該插件原本通過鼠標的輸入方式改為手柄射線，以實現VR翻書交互，圖4為VR翻書功能的實現及其部分代碼。在“針用”場景中，使用Steam VR插件并將Intertable和Core等一些腳本掛載到病例單上，即可實現抓取病例單的交互功能。

5 結束語

本研究根據中醫學生對于針灸的理論和實踐需求，以基于VR的觸覺交互為核心技術，設計了一款理論知識與實踐操作一體化的針灸治療教學系統。該系統有助于提高中醫學生對針灸知識的感興趣程度和課堂參與度，也在幫助學生學習針灸穴位位置、針刺深度、針灸文化理論知識的同時，更加有效地提高了中醫學生根據疾病針刺對應穴位的實際操作技能。但目前基于VR的觸覺交互技術尚處于初步發展階段[8]，其在中醫教學的應用中還有一定的局限性。具體表現為中醫療法注重經絡和穴位的刺激，學生在進行針刺訓練時需要通過精確的觸感模擬來再現這些細微的刺激感受，然而當前的觸覺交互技術尚未能達到完全逼真的觸覺感知水平。因此，觸覺交互技術還需要不斷地進行創新和完善，相信在未來會以更加逼真的觸覺感知應用在中醫教學中。

參考文獻：

[1] 蔣崢崢，高瞻，顧翔，等.面向遠程觸覺協作的虛擬針灸系統研究[J].系統仿真學報，2013.25（9）：2085-2090.

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[3] 胡小強，何玲，祝智穎.虛擬現實技術與應用[M].北京：北京郵電大學出版社，2020.

[4] Klidarithmos.The Use of Haptic Display Technology in Education[J].Themes in science and technology education Special Issue，11-30.

[5] 張曉媛，陳斌，基于虛擬現實的沉浸式觸覺交互技術在野外地質實習中的實現[J].現代電子技術，2022，45（14）：1-4.

[6] 劉瑩，魏曉露，王科軍.針灸專業課程教學的思考[J].中國中醫藥現代遠程教育[J].2023，21（13）：26-28.

[7] 石偉.基于VR/AR的針灸教學實踐平臺設計與實現[D].西安：長安大學，2020.

[8] 武瑛.虛擬觸覺交互技術的最新發展[J].電視技術，2023，47（7）：179-182.

【通聯編輯：王 力】