基于VR触觉交互的针灸治疗教学系统设计

闫仁静 胡小强 朱昌盛

摘要：近年来，虚拟现实（VR） 技术中的触觉交互备受关注，并在中医教学中有一些应用。本研究结合当前中医学生的学习需求，设计了一款基于VR触觉交互的针灸治疗教学系统，旨在解决中医教学中学用脱节的问题。该系统通过“针学”和“针用”两个模式，分别辅助学生学习针灸理论知识和实践操作，为中医针灸教学开辟了新的路径。

关键词：针灸治疗教学系统；虚拟现实技术；触觉交互技术；中医教学

中图分类号：TP311      文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2024）07-0114-04

开放科学（资源服务）标识码（OSID）

0 引言

针灸作为中国传统医学的核心组成部分，在传统的针灸学习中，通常以教师口述或多媒体课件的方式来传授中医知识。然而，这种教学方式尚不能达到预期的学习效果。此外，在针灸教学中，针对针刺穴位的实际训练，学生通常会借助于纸垫、棉团等辅助工具，进行反复练习[1]。然而，这种方式无法真实模拟针刺入皮肤时的触感，难以达到理想的训练效果。现如今，基于VR的触觉交互技术为传统的针灸学习带来了新的可能性，如何将该技术应用于针灸教学中来提高学习效果具有重要的现实意义。

1 基于VR的触觉交互技术

人类与环境的交互方式是多模态的，也无时无刻不在使用视觉、听觉、触觉和嗅觉等多种感官去感知周围的环境[2]。而虚拟现实作为交互方式的一种，是以计算机技术为核心的现代高科技手段生成逼真的视、听、触、嗅、味觉等一体化的虚拟环境，用户能够采用自然的方式与虚拟世界中的物体进行交互[3]。但目前，用户主要通过视觉和听觉的方式与虚拟场景中的物体进行交互，触觉交互技术并没有被广泛应用。因此将“触觉”感知引入虚拟场景中，正是自然而重要的技术创新。近年来，触觉交互技术允许用户在虚拟环境中使用触觉设备触摸、操作计算机生成的物体，并感知物体的运动以及人机交互过程中产生的触觉反馈[4]。触觉交互技术是指人的某一部位接触计算机搭建的虚拟场景时，人机之间互相传递力度、震动、纹理等触感信息进入人的神经系统，从而使大脑清晰成像的一种技术[5]。

2 中医教学的现状

2.1 教学方法单一

中医教学主要通过理论授课、师傅传授经验和实践观摩等方式进行，这种单一性的教学方式造成了一些问题。首先，目前的中医教学方式普遍缺乏现代化的教学手段和多样化的教学方法，无法满足学生的个性化学习需求。其次，中医理论授课方式注重知识的传授，但缺乏实践操作的环节，难以将中医理论知识与实践进行有效结合。

2.2 教学资源有限

中医教学资源的缺乏是一个严重的问题，主要体现在临床实践资源、师资、教学设备与实验室方面。在临床实践资源方面，学生往往难以接触到真实的患者，这限制了他们的实践机会，导致医学生与患者直接互动的经验不足，影响了学生在临床实践中的能力培养。在师资方面，中医教学需要有丰富经验的中医教师进行指导，但由于具有丰富经验的教师数量有限且逐渐老龄化，导致中医师资较为缺乏。在教学设备与实验室方面，中医教学需要一定的教学设备和实验室来支持学生的学习和实践，然而一些学校由于预算限制或其他原因，无法给学生提供充足的教学设备和实验室，导致学生在实验和实践方面的学习受到限制。

3 VR触觉交互技术应用在中医教学中的优势

众所周知，成为一名合格的中医人才需要投入漫长的学习时间和大量的学习精力。然而过于抽象的学习内容、较少的实践机会成为了培养中醫药人才的最大难题。而触觉交互技术的出现，有效地解决了这一难题。基于VR的触觉交互技术与中医进行结合，能够有效弥补中医教学中实践机会较少的缺陷[6]，为传统医疗教育开创了全新的局面。具体而言，基于VR的触觉交互技术在中医教学中应用的优势如下。

3.1 高度的沉浸式学习体验

中医是一门较为复杂的医学体系，其中诊断和治疗需要大量的实践经验。而触觉交互技术可以借助VR头盔和触觉交互设备让学生身临其境地模拟和感受中医的操作过程，给学生提供高度沉浸式的学习体验，有助于培养学生的实际操作能力。逼真的触觉学习体验有助于提高学生对中医的兴趣和课堂参与度，从而促进中医知识的深入学习和传承。

3.2 实现实时力量反馈

基于VR的触觉交互技术可以实时地向学生传递触觉信息，这种实时的力量反馈有助于提高中医学生的操作技能和实践能力，增强其对中医实际应用的掌握程度。学生在学习中医知识时，可以借助触觉设备感受到实时的力反馈效果，这不仅丰富了学生的感官体验，也有效提升了学生学习的积极性。

3.3 弥补实践经验的不足

中医课程的核心问题是要培养学生的临床实践能力。基于此，学生需要通过大量的实践来应用所学的中医理论知识和技能进而去诊断疾病、制定治疗方案。但目前由于临床实习资源有限，学生可能面临实践机会不足的问题。触觉交互技术的出现，有效地弥补了这一不足。中医学生可以借助触觉交互设备进行实际的触摸和按压操作，获得更多实践操作的机会，这有助于学生积累更多的实践经验和操作技巧。

4 基于VR触觉交互的针灸治疗教学系统设计

在设计针灸治疗教学系统之前，本研究通过对医学生和教师进行问卷调查和访谈来进行针灸学习的需求分析。在针灸知识理论需求上，学生需要系统学习针灸学的理论知识，包括穴位学、针灸方法和治疗原理等，而当前借助多媒体的学习效果并不理想。在临床实践需求上，学生需要掌握正确的针灸操作技巧和方法，理解临床应用和诊断的关键点，并且要能够根据不同的病例正确地选择适当的穴位和疗法进行治疗，而当前的教学往往难以满足学生的实践环境，这导致他们缺乏充分的真实临床实践机会[7]。此外，在进行访谈时，教师们也普遍反映学生在学习针灸知识时，存在学与用脱节的问题。具体表现为他们在学习完针灸理论知识后，常常产生诸如“这些知识如何应用于实际治疗中？”“如何同时提高自己的针灸技能和知识水平？”等疑问。

基于此，本研究设计了一款综合性的针灸治疗教学系统，该系统旨在帮助学生学习与针灸相关的理论知识的同时，也能根据病例情况引导学生针刺对应的穴位，实现针灸治疗的教学一体化。具体系统设计流程图如图1所示。

该针灸治疗教学系统设计了“针学”和“针用”两个平行关卡，其中，“针学”部分旨在帮助学生学习针灸的理论知识，而“针用”部分则侧重培养学生的实践操作技能。与其他设计不同的是，在该系统的“针用”模式下，学习者针刺人体三维模型对应的穴位时会得到触觉交互设备提供的力反馈，这一设计的目的在于有效增强学生的针灸实际操作能力，使他们能够深入体验针刺过程的真实性。

“针学”场景主要设有三种不同的交互方式帮助学生学习针灸的理论知识，分别为距离检测自动播放针灸相关视频、手柄射线实现VR翻书阅读、手柄射线点击背部穴位位置。在观看视频时，学生可以通过手柄控制瞬移到显示屏前，该系统则自动播放针灸视频，当离开一定距离后，视频将自动关闭。在VR翻书阅读的交互方式中，学生可以使用手柄射线点击阅读台上的翻页按钮，完成逼真的翻书交互，这提高了学生的交互体验和学习的便捷性，此外為了方便学生记忆腧穴名称、位置、主治疾病、针刺的深度等多方面的信息，学生可以通过射线点击三维立体模型上的某一穴位，将会出现该穴位的详细介绍与对应病症的UI提示。在学习完理论知识后，学生可以选择结束针灸理论知识的学习。也可以进入“针用”模式进行实践操作。学习者进入“针用”场景中，通过抓取和阅读病例单来了解病例详情，并通过点击病例实战UI界面上的训练按钮，在语音提示下，使用力反馈设备针刺穴位来模拟治疗病例单上的疾病。当针刺位置正确时，会得到正确的UI和语音提示，当针刺位置偏离正确的穴位位置时，将看到错误的UI界面，并得到“别灰心，再试试”的积极语音提示，鼓励学习者重新抓取病例单进行针刺训练，直至成功治疗对应疾病为止。

针灸治疗教学系统设计主要包括了设备的连接与触觉反馈、VR虚拟场景的构建、交互功能的实现三大模块。该系统主要采用VR串流的方式进行设备连接并通过触觉交互设备以力反馈的方式给学习者针刺反馈，虚拟场景的搭建主要使用3ds Max软件构建虚拟物体、二维平面设计软件制作UI界面并在Unity 3D软件中进行布置和组装来实现，交互功能主要通过Unity 3D、触觉交互设备Touch和HTC VIVE头盔实现。

4.1 设备连接与触觉反馈

在针灸治疗教学系统设计之前，需要确保相关设备的正常连接，包括计算机与HTC VIVE的串流、计算机与Touch设备的连接。该针灸治疗教学系统可以通过VR手柄点击UI按钮或实体按键，将数据传输给计算机，计算机产生的数据再传输给VR头显，从而来实现翻书交互、UI界面交互、语音播报、熟知病例单信息等功能，VR头显中的针学、针用信息由感觉器接收，最终被大脑感知。大脑将接收到的针用模式下的病例单信息通过人手借助触觉交互设备针刺背部穴位，触觉交互设备将信息传递给计算机，经过处理，手部将感受到在针刺穴位时Touch设备给予的力反馈，随后大脑感知到逼真的触觉体验，并最终实现针灸治疗相关疾病的训练，如图2所示。

4.2 虚拟场景的构建

虚拟环境的构建主要包括UI界面的制作、场景模型的构建、贴图材质的制作和灯光烘焙等。在制作UI界面时，首先要确定该针灸治疗教学系统的整体风格，然后在可画软件上找到相关的素材，最后借助Photoshop软件对素材进行设计和加工。本研究设计的UI界面包括穴位界面、病例单界面、操作提示界面。在场景的模型搭建上主要借助3ds Max软件制作，包括人体、针、桌椅、针灸馆和中医馆等。之后需将这些模型从3ds Max中导出，并导入Unity 3D软件中进行布置和组装。在模型优化上，为降渲染压力，本研究采用了LOD技术。特别是在针用场景中，有效减轻了渲染负担，确保了力反馈的优先渲染。此外，为避免学习者在针刺背部穴位时出现运行卡顿的情况，本研究将构建的三维人体模型在3ds Max软件进行部位分割，只针对背部进行力反馈渲染，以保持流畅的操作体验。为了达到更加理想的模型效果，还需要对模型设置趋于真实的材质。本系统利用二维平面设计软件来绘制材质贴图，将贴图导入3ds Max并运用UVW功能对模型进行贴图。此外，在构建虚拟场景时，使用Unity 3D软件中的Lighting灯光烘焙功能对虚拟物体的灯光光影进行烘焙。图3为针灸治疗教学系统构建的三维模型场景。

4.3 交互功能的实现

本系统主要是通过面向对象的编程语言实现虚拟场景中的触觉反馈交互、VR翻书交互、手柄抓取病例单交互等功能。其中，最突出的交互功能为在针刺穴位时感知到的触觉反馈。主要使用OpenHaptics插件并进行触觉环境搭建，并在此环境的基础上更换虚拟场景的模型，如将被刺物体替换为三维人体模型，将木棒替换为针，同时通过调整Touch环境中的材质、柔软度、静摩擦力、动摩擦力等参数，最终使学习者在进行背部穴位的针刺时能够感受到逼真的行针阻力，从而提高训练效果。此外，在VR翻书交互部分，使用了Book Page Curl Pro插件，并通过代码将该插件原本通过鼠标的输入方式改为手柄射线，以实现VR翻书交互，图4为VR翻书功能的实现及其部分代码。在“针用”场景中，使用Steam VR插件并将Intertable和Core等一些脚本挂载到病例单上，即可实现抓取病例单的交互功能。

5 结束语

本研究根据中医学生对于针灸的理论和实践需求，以基于VR的触觉交互为核心技术，设计了一款理论知识与实践操作一体化的针灸治疗教学系统。该系统有助于提高中医学生对针灸知识的感兴趣程度和课堂参与度，也在帮助学生学习针灸穴位位置、针刺深度、针灸文化理论知识的同时，更加有效地提高了中医学生根据疾病针刺对应穴位的实际操作技能。但目前基于VR的触觉交互技术尚处于初步发展阶段[8]，其在中医教学的应用中还有一定的局限性。具体表现为中医疗法注重经络和穴位的刺激，学生在进行针刺训练时需要通过精确的触感模拟来再现这些细微的刺激感受，然而当前的触觉交互技术尚未能达到完全逼真的触觉感知水平。因此，触觉交互技术还需要不断地进行创新和完善，相信在未来会以更加逼真的触觉感知应用在中医教学中。

参考文献：

[1] 蒋峥峥，高瞻，顾翔，等.面向远程触觉协作的虚拟针灸系统研究[J].系统仿真学报，2013.25（9）：2085-2090.

[2] 祁彬斌，陈彩华，庞明勇.Haptics技术在教育教学中的应用研究[J].教育现代化，2015（1）：82-86.

[3] 胡小强，何玲，祝智颖.虚拟现实技术与应用[M].北京：北京邮电大学出版社，2020.

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

[5] 张晓媛，陈斌，基于虚拟现实的沉浸式触觉交互技术在野外地质实习中的实现[J].现代电子技术，2022，45（14）：1-4.

[6] 刘莹，魏晓露，王科军.针灸专业课程教学的思考[J].中国中医药现代远程教育[J].2023，21（13）：26-28.

[7] 石伟.基于VR/AR的针灸教学实践平台设计与实现[D].西安：长安大学，2020.

[8] 武瑛.虚拟触觉交互技术的最新发展[J].电视技术，2023，47（7）：179-182.

【通联编辑：王 力】