3DsMax 9多邊形建模在腎臟局部解剖教學(xué)中的應(yīng)用

王 威,孫圣坤,張 磊,張 旭,王 斌

(解放軍總醫(yī)院:1泌尿外科;2電教中心,北京 100853)

3DsMax 9多邊形建模在腎臟局部解剖教學(xué)中的應(yīng)用

王 威1,孫圣坤1,張 磊1,張 旭1,王 斌2

(解放軍總醫(yī)院:1泌尿外科;2電教中心,北京 100853)

由于后腹腔位置較深,臟器毗鄰關(guān)系復(fù)雜,是泌尿外科臨床解剖教學(xué)中的難點(diǎn)。筆者應(yīng)用 3DsMax多邊形建模方法進(jìn)行后腹腔腎臟局部解剖重建,并通過創(chuàng)建攝影機(jī)視圖模擬不同途徑的腹腔鏡手術(shù)入路,有助于臨床醫(yī)師對(duì)不同視角下腎臟局部解剖的認(rèn)識(shí)。

腎臟;局部解剖學(xué);腹腔鏡手術(shù);3DsMax;多邊形建模

3DsMax是世界上應(yīng)用最廣泛的三維建模、動(dòng)畫軟件[1],在醫(yī)學(xué)教學(xué)中也發(fā)揮著重要作用[2]。該文結(jié)合后腹腔臟器解剖重建,探討了 3DsMax在腎臟局部解剖教學(xué)中的應(yīng)用。

1 多邊形建模

建模需要對(duì)所要制作的組織、器官十分熟悉,由于生物體器官形狀不規(guī)則,通過簡單的幾何建模無法真實(shí)再現(xiàn)其外觀結(jié)構(gòu)。筆者主要采用 3DsMax多邊形建模的方式制作腎臟模型。在制作時(shí)可以在視窗背景中加載圖像,作為構(gòu)建模型的參考圖案。首先創(chuàng)建一個(gè)長方體,將其轉(zhuǎn)換為可編輯多邊形。根據(jù)參考圖案并結(jié)合器官實(shí)際形態(tài)在各視圖中調(diào)整多邊形各頂點(diǎn)位置,完成腎臟模型重建 (如圖 1所示)。同樣方法進(jìn)行腎上腺、腎動(dòng)脈、腎靜脈、下腔靜脈、十二指腸等臟器建模。

圖1 重建腎臟示意圖

2 材質(zhì)和貼圖的應(yīng)用

通過材質(zhì)編輯器完成材質(zhì)與貼圖的建立和編輯,并且通過最后的渲染使物體表面顯示出不同的質(zhì)地、色彩和紋理。通過材質(zhì)來增加模型的細(xì)節(jié),體現(xiàn)模型的質(zhì)感。在 3DsMax中巧用貼圖技術(shù)能節(jié)省許多不必要的建模時(shí)間,達(dá)到事半功倍的效果。圖2是賦予材質(zhì)后經(jīng)渲染的圖片。

圖2 重建腎臟及周圍臟器 (冠狀位視角)效果圖

3 創(chuàng)建攝影機(jī)模擬不同途徑的腹腔鏡手術(shù)入路

3DsMax中的攝影機(jī)擁有超過現(xiàn)實(shí)攝影機(jī)的能力,能夠清楚顯示彼此之間的空間立體位置關(guān)系,快速更換鏡頭,對(duì)現(xiàn)實(shí)中不可能實(shí)現(xiàn)的角度進(jìn)行觀察、攝影,其具有的無極變焦功能更是真實(shí)攝影機(jī)無法比擬的。后腹腔結(jié)構(gòu)建模完成后,我們?cè)谕敢晥D中創(chuàng)建攝影機(jī),制作動(dòng)畫,在動(dòng)畫中使模型旋轉(zhuǎn)多個(gè)角度展示相應(yīng)的解剖部位。技術(shù)關(guān)鍵在于合理掌握攝影機(jī)的旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)和位置坐標(biāo)以及表示不同觀察視角的關(guān)鍵幀的設(shè)置。攝影機(jī)視圖可以從任意角度觀察,因此能很好地模擬腹腔鏡觀察視角,包括模擬傳統(tǒng)的經(jīng)后腹腔手術(shù)入路、經(jīng)陰道或下消化道手術(shù)入路(如圖 3所示)的觀察視角。

4 渲染和動(dòng)畫的導(dǎo)出

圖3 重建腎臟及周圍臟器 (經(jīng)下消化道入路視角)效果圖

建好模型后,將動(dòng)畫以 avi格式渲染輸出。根據(jù)需要可以用Macromedia Flash導(dǎo)入后進(jìn)行修飾和標(biāo)注,以提高動(dòng)畫效果。啟動(dòng) FlashMX,將建立好的 avi格式文件導(dǎo)入到舞臺(tái),根據(jù)需要在 Flash中添加封面、文字、聲音和動(dòng)作按紐等構(gòu)造交互課件,最后導(dǎo)出課件。

5 討論

在泌尿外科臨床解剖教學(xué)中,后腹腔位置較深、間隙較小且毗鄰關(guān)系復(fù)雜,因此成為臨床解剖教學(xué)中的難點(diǎn)。近年來,臨床普遍開展的腹腔鏡腎上腺切除、腎切除手術(shù)對(duì)腎臟的毗鄰關(guān)系,特別是與周圍大血管的關(guān)系提出了更高的要求[3]。現(xiàn)代泌尿外科腹腔鏡技術(shù)需要從不同角度觀察局部解剖,如新興的經(jīng)自然腔道進(jìn)行腔鏡手術(shù)需要經(jīng)由人體的自然腔道,如口腔、肛門、陰道等,進(jìn)入腹腔和后腹腔進(jìn)行各種診斷和治療[4]。因此,對(duì)后腹腔局部解剖的觀察視角與傳統(tǒng)手術(shù)入路觀察視角明顯不同,外科醫(yī)師對(duì)這種角度內(nèi)鏡下所呈現(xiàn)的術(shù)野解剖難以習(xí)慣,甚至產(chǎn)生空間不適感[5]。如何幫助臨床醫(yī)師更快熟悉不同視角下的后腹腔解剖,盡快適應(yīng)實(shí)際手術(shù)中的方位和視角,對(duì)臨床教學(xué)提出了新的挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的局部解剖學(xué)習(xí)都以二維為主,很難解決這一問題。此外,臨床解剖教學(xué)中存在手術(shù)中解剖范圍受限、實(shí)物標(biāo)本不足、制作及保存標(biāo)本困難等諸多問題。

近年來,隨著計(jì)算機(jī)圖像技術(shù)的不斷發(fā)展,三維重建技術(shù)在教學(xué)與科研中得到廣泛運(yùn)用,制作的三維模型可以 360°旋轉(zhuǎn),能夠從各個(gè)角度觀察,因此有著標(biāo)本和圖譜不可比擬的優(yōu)點(diǎn)[6],為外科醫(yī)師熟悉解剖提供了理想的工具。

生物體器官形狀不規(guī)則,建模過程也相對(duì)比較復(fù)雜[7],實(shí)用的三維重建方法國內(nèi)外報(bào)道較少。我們利用 3DsMax多邊形建模功能,以三維虛擬實(shí)體的方式進(jìn)行腹膜后腎臟局部解剖建模,將一些難以口頭描述、難以想象的空間結(jié)構(gòu)、難以理解的毗鄰關(guān)系,方便、生動(dòng)、形象地進(jìn)行模擬,具有很強(qiáng)的真實(shí)感和臨場(chǎng)感,便于醫(yī)師對(duì)后腹腔各臟器空間關(guān)系的理解。

合理運(yùn)用 3DsMax軟件的攝影機(jī)技術(shù),很大程度上會(huì)提高和改善3DsMax軟件的擬實(shí)造型效果[8]。我們發(fā)現(xiàn),攝影機(jī)視圖可以很好地模擬腹腔鏡手術(shù)觀察視角,生動(dòng)展示一些用語言描述過于抽象的解剖關(guān)系。3DsMax制作出的模型可以進(jìn)行任意角度旋轉(zhuǎn),從任意角度觀察,因此在模擬腹腔鏡微創(chuàng)手術(shù)視角方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。

綜上所述,我們通過 3DsMax多邊形建模重建了后腹腔腎臟的局部解剖,生動(dòng)形象地展示了后腹腔的解剖形態(tài)和各臟器毗鄰關(guān)系,并通過創(chuàng)建攝影機(jī),模擬不同腹腔鏡手術(shù)入路,從普通攝影機(jī)無法拍攝的角度展示后腹腔的解剖。攝影機(jī)視圖能隨心所欲地觀察圖像的各個(gè)側(cè)面并對(duì)其自由旋轉(zhuǎn)、放大,這種方法有助于發(fā)揮醫(yī)師的空間想象力和臨床經(jīng)驗(yàn),因此交互性很強(qiáng)。3DsMax多邊形建模極大地彌補(bǔ)了臨床解剖教學(xué)中實(shí)物標(biāo)本的不足,解決了教學(xué)過程中過于抽象的問題的描述,在臨床腹腔鏡教學(xué)中具有較高的使用價(jià)值和推廣意義。

[1]王琦.3Ds Max 9大風(fēng)暴 [M].北京:人民郵電出版社,2007:1-2

[2]張躍龍,李冰.從人工授精動(dòng)畫的制作看 3DsMax在醫(yī)學(xué)動(dòng)畫中的應(yīng)用[J].中國醫(yī)學(xué)教育技術(shù),2005,19(3):219-222

[3]張旭.解剖性后腹腔鏡腎上腺切除術(shù)的手術(shù)方法和技巧[J].臨床泌尿外科雜志,2007,(8):561-564

[4]VonDelius S,MeiningA.Natural orifice transluminal endoscopic surgery(NOTES)[J].Endoscopy,2010,42(1):73-76

[5]朱宏毅,季福,李可為.經(jīng)自然腔道腔鏡手術(shù) [J].中國現(xiàn)代普通外科進(jìn)展,2008,11(6):464

[6]史政榮,熊秀,金家貴.三維重建技術(shù)在外科學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用[J].西南國防醫(yī)藥,2009,19(8):845-846

[7]李方正,劉春英,姜忠玲,等.3DsMax在動(dòng)物解剖學(xué)中的應(yīng)用[J].農(nóng)業(yè)網(wǎng)絡(luò)信息,2007,(2):26-28

[8]羅慶生,韓寶玲,陳文.3DsMax軟件攝像機(jī)技術(shù)的應(yīng)用研究[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用與軟件,2003,(10):29-30

Application of 3D sMax polygon modeli ng in renal local anatomy teaching

W ang W ei1,Sun Shengkun1,Zhang Lei1,Zhang Xu1,W ang B in2
(1Departm ent of U rology;2Audiovisual Education Center,PLA General Hospital,Beijing100853,China)

It remains a difficult point during teaching of local anatomy about the retroperitoneal space because it is deep and contains organs with complicated adjacency.Using the tool of 3Ds Max polygon modeling,we successfully constructed models of retroperitoneal renal anatomy.Establishing a camera in the scene can vividly mi mic the visual angles of different approaches of laparoscopic surgery,and help urologists gain a better understanding of local renal anatomy.

kidney;local anatomy;laparoscopic surgery;3DsMax;polygon modeling

G434

A

1004-5287(2011)01-0039-02

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(30600613)

2010-09-25

王威 (1970-),男,北京人,主治醫(yī)師,學(xué)士,主要研究方向:泌尿外科腹腔鏡手術(shù)。

孫圣坤 (1972-),男 (滿族),遼寧寬甸人,副主任醫(yī)師,博士,主要研究方向:泌尿系疾病微創(chuàng)治療。電話:13611196966;E-mail:shengkunsun@301hospital.com.cn