基于MapGIS數據中心的人體經絡信息系統研究

吳德華 吳貝貝 郭怡新 沈澤康

摘要：針對傳統人體經絡表現形式的不足和目前人體經絡信息系統在空間分析方面的缺陷，該文提出采用基于“面向服務GIS架構”的數據中心集成開發技術構建人體經絡信息系統的思想，以目錄樹的形式對人體經絡數據進行層次化管理，采用搭建式、配置式開發快速構建系統原型，以插件式開發技術擴展功能模塊，并實現了人體經絡的空間定位、信息查詢、緩沖區分析等功能。實驗結果表明，基于數據中心集成開發技術的人體經絡信息系統能夠“應需而變”，利用緩沖區分析、反射區分析等空間分析功能在中醫教學和臨床診斷方面提供輔助決策支持，為人體經絡信息化研究提供了一種新的思路。

關鍵詞：經絡;GIS;數據中心;空間分析;目錄樹

中圖分類號：G642? ? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2022）15-0130-03

經絡作為人體血氣運行的通道，體表、內臟之間聯系的樞紐，人體內、外溝通的渠道，是一個多層次、多組分、開放的復雜系統。傳統的中醫教學和研究通常采用掛圖和石膏模型來表現經絡的結構，無法體現經絡的空間分布以及與人體其他組分之間的聯系。

近年來，隨著虛擬現實技術的發展，人體經絡的可視化表達成為一個研究熱點。文獻[1-5]提出利用多通道經絡阻抗檢測儀和磁定位跟蹤儀確定人體體表經絡點的位置，獲取經絡點的三維信息，對場景攝像機進行標定，并將其結果和經絡點的三維信息通過圖形變換技術變換到統一的世界坐標系下，獲取攝像機的投影矩陣H，根據該投影矩陣H，將經絡點三維信息投影到二維圖像上，形成二維經絡線，并將其融合于場景攝像機拍攝的人體體表實時圖像上，實現人體經絡的可視化。文獻[6-7]提出了一種基于阻抗與雙目視覺的經絡可視化方法，利用交變恒流源在人體皮膚表面注入電流信號，然后采用多通道皮膚阻抗檢測儀根據經絡的低阻抗特性檢測各對電極之間人體皮膚的電壓，從而間接獲取經絡點對應的通道，通過串口通信，將數據傳輸至上位機，利用張氏攝像機標定法獲取攝像機內外參數，對光學標靶進行角點篩選與匹配，獲得經絡點的三維信息，再根據雙目視覺原理對三維信息進行坐標變換，最后利用曲線擬合和圖像融合技術，實現經絡可視化。文獻[8] 通過Catmull-Rom樣條曲線在計算機中擬合人體經絡線，并利用VC++的編程環境，結合OpenGL三維圖形庫，設計了一種在三維環境下人機交互式的操作方法來引導經絡循行動畫，達到實時仿真的效果。文獻[9]以人體經絡系統作為應用背景將上下文感知計算引入三維場景傳輸策略，考慮了用戶興趣和網絡環境因素，充分利用用戶與系統交互時的網絡空閑帶寬，達到提高網絡帶寬利用率、縮短系統響應等待時間的目的。綜上所述，目前的人體經絡信息系統主要采用OSG（Open Scene Graph）技術，雖然實現了人體經絡穴位透明疊加顯示及循經感傳現象的動畫演示，并能夠進行穴位、經絡、疾病等信息查詢，克服了掛圖和實體模型的不足，但在經絡的空間分析方面仍然存在缺陷。

將人體經絡看成一張地圖，其穴位就是地圖中的點狀要素，經脈是地圖中的線狀要素，軀體、器官是面狀要素，因此，人體經絡具有明顯的空間特征，需要利用先進的地理信息系統（GIS）技術對人體經絡信息進行一體化管理。數據中心集成開發技術（簡稱為“數據中心”）是由中地數碼提出的新一代地理信息系統（GIS）開發模式，采用柔性設計理念，具有強大的空間分析能力，能夠適應用戶需求的變化快速搭建系統，實現系統的“零編程、巧組合、易搭建”的可視化開發[10]。因此，本文提出在目前人體經絡的可視化研究的基礎上，結合“面向服務GIS架構”的數據中心集成開發技術構建二三維一體化的人體經絡信息系統，為中醫經絡教學、臨床診斷和大眾保健提供技術支撐。

1 數據中心集成開發技術

數據中心集成開發平臺能夠對多源異構數據進行層次化的統一管理，對組件、插件、流程等不同方式提供的功能進行統一組織和調用，以搭建式開發和配置式開發為主，以插件式開發為輔，三種開發模式集成進行GIS應用系統開發，實現不同領域應用系統的集成和功能的復用[11-12]。搭建式開發指針對個性化的用戶需求，即時組合已有的服務資源，可視化搭建應用系統[13-14]。配置式開發指系統地解決配置的截面和功能。插件式開發指以少量的編程開發功能插件，利用SOA框架，將功能插件集成到宿主系統中[15]。其中，搭建配置工具由工作流設計器、權限設計器、集成設計器和表單設計器組成，如圖1所示。因此，數據中心集成開發平臺不僅是一個“數據、功能管理器”，還是一個“系統開發器”。

在數據管理方面，數據中心集成開發平臺采用目錄樹結構以統一的方式對二三維空間數據、文檔數據和元數據進行層次化管理;在功能管理方面，數據中心集成開發平臺統一管理各種GIS功能，并提供統一的接口，將每個GIS功能當作一塊“積木”，不同的“積木”通過搭建可形成更大的“積木”，應用程序通過調用“積木”實現GIS功能;在系統開發方面，數據中心集成開發平臺提供了搭建式、配置式和插件式二次開發技術為一體的集成開發模式，實現了GIS應用系統的快速構建。

2 人體經絡信息系統數據獲取與組織

人體經絡信息系統數據由二維地圖數據、三維模型數據和屬性數據組成。二維地圖數據來源于“國家標準經穴部位掛圖” [16]，并對圖中的人體經脈、絡脈和穴位進行矢量化處理;三維模型由3D MAX建模獲得;屬性數據包括二維地圖中穴位和經絡的屬性信息以及與之對應的疾病和案例等信息，疾病信息的疾病概述、疾病癥狀以及案例信息的案例名稱、案例中患者概況、主訴、刻診和治療方案等基礎數據來源于“中醫藥知識庫—萬方醫學網”[17]。

人體經絡空間數據可以分為穴位點要素類、經絡線要素類和體表面要素類等。如果將人體經絡系統比作城市，那么經絡就是這個城市的公交路線，而穴位就是公交站點，人體的氣血聚集于此。因此，可以仿照數字城市組織數據的方式對人體經絡數據按點、線等要素類進行分層管理。每個人體經絡要素類都是一個獨立的要素類，表示一個獨立的空間實體對象，各要素類以目錄樹的形式實現層次化管理，如圖2所示。通過3D MAX創建人體經絡三維模型，然后導入MapGIS K9三維景觀平臺進行場景環境設置、要素類編輯等操作，實現二三維數據的統一管理，如圖3所示。

3 人體經絡信息系統設計

將人體經絡實例化為具體的空間對象，依靠GIS強大的數據管理和空間分析功能，實現人體經絡信息的可視化表達和模擬。系統采用快速原型法[18-19]構建，以MapGIS K9的數據中心集成開發平臺為系統開發環境，通過搭建式、配置式開發快速構建原型系統，根據用戶意見，采用插件式開發繼續完善原型，以適應需求的變化快速調整，直到滿足用戶的需求。

3.1 人體經絡信息系統體系架構設計

隨著組件技術的出現，由數據層、邏輯層和表示層構成的三層體系架構成為經典，這種結構采用奠基式向上支撐的架構形式，并不牢固，雖然能實現數據共享，但功能共享困難。面向服務架構（SOA）將應用程序的各個功能單元以服務的形式提供給用戶，服務彼此之間保持獨立，通過接口和契約進行聯系，具有標準化、松散耦合、共享服務和粗粒度等特點。

人體經絡信息系統采用懸浮倒掛式支撐的SOA體系架構，為系統的建立提供統一的框架和環境，快速構建不斷適應用戶新需求的應用系統，如圖4所示。

3.2? 人體經絡信息系統功能設計

人體經絡信息系統主要用于中醫教學、輔助診斷，包括文件操作、視圖瀏覽、數據查詢、空間分析等功能模塊。文件操作模塊主要實現人體經絡文檔的打開、保存、打印等功能;視圖瀏覽主要包括對人體經絡圖的三維瀏覽、放大、縮小、復位等操作;數據查詢模塊主要包括穴位、經絡的定位和穴位、經絡的基本信息及關聯疾病的查詢;空間分析模塊主要有穴位緩沖區分析、反射區分析、循經感傳模擬和數據統計，功能如圖5所示。

4 人體經絡原型系統實現

人體經絡信息系統使用快速原型法設計開發，快速搭建出一個框架模型，通過用戶與系統開發者之間的不斷交流和討論，不斷完善系統。人體經絡信息系統以搭建式、配置式開發為主，插件式開發技術為輔進行集成開發，利用數據中心功能倉插件和組件共同搭建。首先，利用集成設計器配置系統界面，包括初始化、菜單、工具條、目錄系統等，采用工作流工具搭建業務流程，然后通過表單設計器進行Web頁面的配置，實現功能綁定，以工作空間管理器實現數據和功能的集成，最后使用權限管理器定義用戶權限。原型系統主要包括視圖插件和功能插件。視圖插件主要有經絡顯示視圖、數據中心工作空間視圖;功能插件主要包括文檔菜單、視圖菜單、查詢菜單、分析菜單、幫助菜單等。

文檔菜單主要是對人體經絡底圖進行一些常用的操作，具體功能包括保存、另存為、打開、打印預覽、打印設置、打印等。

視圖菜單主要包括視圖工具和版面視圖兩個子模塊。視圖工具是對人體經絡圖關于顯示方面的一些基本操作，主要功能包括復位、刷新、放大、縮小、移動、鷹眼、視窗選項、旋轉視圖、三維瀏覽;版面視圖是對人體經絡圖輸出的操作，主要輸出方式包括輸出光柵文件、圓形選擇輸出、圓形截圖、輸出PS/EPS文件。

查詢菜單分為視圖類查詢和工具類查詢，視圖類查詢需要通過輸入所要查詢對象的名稱，來獲取對象的相應信息;工具類查詢可通過鼠標點擊選取要素類對象，即可彈出被選對象相應是屬性信息。通過查詢菜單可以實現穴位和經絡的快速定位、穴位和經絡信息查詢、關聯疾病查詢、按摩針灸手法查詢等，如圖6所示。

分析菜單主要依靠強大的GIS空間分析功能為中醫教學和臨床診斷提供輔助決策支持。穴位緩沖區分析為學習針灸按摩提供了逼真的環境，由于不同穴位按摩方式不同，所以在緩沖區分析之前，先篩選出按摩方式為“揉按”的穴位，然后對選中要素進行左右緩沖半徑設置，得到穴位揉按的范圍，如圖7所示;循經感應模擬將經絡線循行的全過程動態地展現給用戶;穴位反射區分析以高亮顯示不同穴位的反射區，方便用戶根據自身情況，通過穴位按摩實現自我保健;數據統計可以根據人體部位、疾病等不同專題進行穴位、經絡、治療方法的統計，并可采用直方圖、餅狀圖等多種圖形類型顯示結果。

5 結束語

將人體經絡系統看作一副地圖，利用先進的地理信息系統技術實現對人體經絡信息可視化表達和模擬，以及對二三維數據的一體化管理。系統采用SOA四層體系架構，能快速構建原型系統，以適應用戶需求的不斷變化，并以目錄樹的形式對人體經絡空間數據進行分層管理，以搭建式、配置式開發為主，插件式開發技術為輔進行集成開發，利用數據中心功能倉插件和組件共同搭建系統平臺，對經絡穴位進行空間分析，在中醫教學和臨床診斷方面提供輔助決策支持，為人體經絡信息化研究提供了一種新的思路和方法。

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【通聯編輯：王力】