3D醫(yī)學動畫部件庫及配套使用工具的研究與設(shè)計

余 喜，章戰(zhàn)士

（南方醫(yī)科大學 教育技術(shù)中心，廣東 廣州 510515）

3D醫(yī)學動畫部件庫及配套使用工具的研究與設(shè)計

余 喜，章戰(zhàn)士

（南方醫(yī)科大學 教育技術(shù)中心，廣東 廣州 510515）

本文在分析國內(nèi)外醫(yī)學動畫技術(shù)應(yīng)用的基礎(chǔ)上，提出利用二維/三維仿真技術(shù)研究設(shè)計一個3D醫(yī)學動畫部件庫。該3D醫(yī)學動畫部件庫從解剖學角度重建人體各器官及組織系統(tǒng)的三維數(shù)字模型，在此基礎(chǔ)上設(shè)計開發(fā)醫(yī)學動畫制作和使用的輔助工具，使用者可以方便地從部件庫中提取任何所需要的醫(yī)學模型進行教學、科研應(yīng)用。本文給出了該3D醫(yī)學動畫部件庫的設(shè)計思路、內(nèi)容框架和實現(xiàn)的技術(shù)方法。

3D；醫(yī)學動畫；部件庫

一、醫(yī)學動畫技術(shù)國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

動畫能夠不受時間、空間、宏觀、微觀的限制，直觀地將真實世界中的各種事物、現(xiàn)象甚至動作行為用動態(tài)圖像的形態(tài)呈現(xiàn)出來。由于其具有效果逼真、圖像細膩、無損放大等諸多優(yōu)點,目前被廣泛應(yīng)用于娛樂界、機械制造、建筑、軍事和醫(yī)學等諸多領(lǐng)域。在醫(yī)學方面，動畫提供的形象而逼真的模型,在醫(yī)學教學、醫(yī)學研究、醫(yī)療診斷以及醫(yī)學科普健康教育中均具有廣泛的應(yīng)用前景。[1]

在醫(yī)學教學上，動畫技術(shù)能改變傳統(tǒng)的表現(xiàn)手法，將肉眼無法看見、攝像機無法拍攝的人體內(nèi)部世界、細胞的微觀世界等，生動、簡明地呈現(xiàn)在大家面前,使醫(yī)學教育空前的高效和完善；在外科手術(shù)中我們則可以利用該項技術(shù)制作出虛擬人體器官模型，為疾病診斷和新醫(yī)療手段的開發(fā)提供參考，外科醫(yī)生和學生都可以通過數(shù)據(jù)眼鏡和數(shù)據(jù)手套在模型上進行有觸感的手術(shù)練習和演習手術(shù)方案，大大減少了現(xiàn)實手術(shù)中病人創(chuàng)傷和事故風險；在科普教育中，可利用動畫技術(shù)模擬仿真內(nèi)部細節(jié)、進行情景再現(xiàn),動畫技術(shù)可預(yù)示未來和通俗易懂的特點，使枯燥的醫(yī)學知識變得生動形象。

在歐美國家，已有不少醫(yī)科高校采用仿真教學手段，例如美國國立衛(wèi)生研究院投資7百萬美元,由紐約州的羅徹斯特大學及其技術(shù)學院的機械工程師、計算機專家和心臟病學專家們共同合作,利用3D動畫技術(shù)和虛擬成像技術(shù)建立了一個人體心臟發(fā)育過程的三維立體模型，以實時顯示細胞生物和機械動力對單個心臟細胞的影響。這樣可以幫助醫(yī)生了解、探索糾正心臟缺陷的方法；在藥物開發(fā)方面，譬如虛擬現(xiàn)實技術(shù)經(jīng)常被用來設(shè)計各種合成藥物，其應(yīng)用范圍包括從建立合成藥物的分子結(jié)構(gòu)模型到各種醫(yī)學模擬。可以使研究人員看到或感受到一種藥物分子是如何與其他生物化學物質(zhì)相互作用的，這些先進的儀器和技術(shù)大大加速了用于各種疾病的藥物開發(fā)過程；在模擬手術(shù)環(huán)境方面，德國漢堡Eppendorf大學醫(yī)學院醫(yī)學數(shù)學和數(shù)據(jù)處理研究所甚至利用基于動畫等多種技術(shù)發(fā)展起來的虛擬現(xiàn)實技術(shù)建立了一個“虛擬人”,學員可以任意選擇觀察視點,做內(nèi)窺鏡觀察和立體觀察，也可以任意模擬解剖、手術(shù)和穿刺，模擬放射成像，得到任意器官和組織的名稱、類型、描述以及結(jié)構(gòu)等解剖信息，還可以測量器官或組織間的距離。[2]

在國內(nèi)，動畫產(chǎn)業(yè)則起步較晚，由于技術(shù)門檻及設(shè)備成本偏高，導致應(yīng)用面不廣。在眾多領(lǐng)域，虛擬仿真技術(shù)的應(yīng)用尚處空白。在醫(yī)學教育領(lǐng)域，目前能找到一些比較零散的解剖3D模型，但總的來說3D醫(yī)學素材比較缺乏，沒有完整和科學的體系，遠遠不能滿足醫(yī)學教育和研究對醫(yī)學3D模型的需要，在模擬手術(shù)上更是空白。在中醫(yī)方面如人體關(guān)節(jié)的有關(guān)研究、穴位的確定、穴位和推拿在教學上的應(yīng)用 （推拿手法、力度的評定和計算以及糾正）、西醫(yī)的模擬手術(shù)環(huán)境方面等，二維動畫和三維動畫虛擬現(xiàn)實技術(shù)的應(yīng)用需求有巨大的空間，由此可見未來數(shù)年中此領(lǐng)域的發(fā)展將會日新月異。

二、3 D醫(yī)學部件庫的主要內(nèi)容和框架設(shè)計

基于動畫技術(shù)在醫(yī)學領(lǐng)域廣泛的應(yīng)用前景，我們利用三維動畫技術(shù)與現(xiàn)代醫(yī)學結(jié)合，以學校、醫(yī)院及企業(yè)為依托，利用二維/三維仿真技術(shù)研究設(shè)計出一個以可視定制對象為基礎(chǔ)的動畫部件庫，從解剖學角度制作和重建人體各器官及組織系統(tǒng)，基本覆蓋醫(yī)學教學及科研領(lǐng)域，實現(xiàn)各模型的系統(tǒng)化層次化，有效地組織成一個系統(tǒng)。在此基礎(chǔ)上設(shè)計開發(fā)醫(yī)學動畫制作和使用的輔助工具，該工具可調(diào)用三維醫(yī)學動畫部件庫中的實體模型、人體器官等進行分離、結(jié)合、放大、測量、旋轉(zhuǎn)、和重建等。使用者可以方便地從部件庫中提取任何所需要的醫(yī)學模型，通過制作引擎的調(diào)用和簡易的調(diào)整便可進行教學、科研應(yīng)用。[3]

我們設(shè)計的3D醫(yī)學部件庫主要包括三個方面的內(nèi)容：

1．制作和重建人體各器官和組織系統(tǒng)

運用三維數(shù)字掃描技術(shù)、VR虛擬仿真技術(shù)、三維數(shù)字重建等現(xiàn)代化動漫制作新興技術(shù)建立大量的醫(yī)學類模型庫和原始素材。通過多個相鄰斷層CT圖像堆砌重建三維目標，再現(xiàn)立體真實的醫(yī)學類的器官和身體組織結(jié)構(gòu)，以及病癥模型。模型全部以中國人的實體模型為標本，解決應(yīng)用國外3D人體模型時，與中國人的身體結(jié)構(gòu)特征不一致，且缺少中醫(yī)穴位、針灸等方面的資料，而導致應(yīng)用困難和不準確的問題。[4]

重建的3D人體解剖系統(tǒng)，基本覆蓋醫(yī)學教學及科研領(lǐng)域，包括：表皮系統(tǒng)、骨絡(luò)系統(tǒng)、肌肉系統(tǒng)、循環(huán)系統(tǒng)、消化系統(tǒng)、呼吸系統(tǒng)、內(nèi)分泌系統(tǒng)、泌尿系統(tǒng)、生殖系統(tǒng)、神經(jīng)系統(tǒng)、感官系統(tǒng)，還獨創(chuàng)中醫(yī)穴位系統(tǒng)、各系統(tǒng)病癥庫兩個部分 。組織結(jié)構(gòu)如圖所示。[5]

2．實現(xiàn)各模型的系統(tǒng)化層次化，有效地組織成一個系統(tǒng)

對器官和組織的名稱、類型、描述以及結(jié)構(gòu)等解剖信息進行合理的組織和存儲，將人體各器官的解剖、生理學、病理學的數(shù)學模型存在一個數(shù)據(jù)庫中，不僅實現(xiàn)解剖器官的三維立體圖像顯示，還能將器官或結(jié)構(gòu)在人體空間中的準確定位、三維測量數(shù)據(jù)和立體圖像建立對應(yīng)的關(guān)系，實現(xiàn)計算機隨意的調(diào)用，可以通過測量、旋轉(zhuǎn)、解剖等操作更加形象、逼真地全面了解人體各解剖結(jié)構(gòu)的內(nèi)部構(gòu)造與功能，還可以測量器官或組織間的距離，實現(xiàn)用計算機來組合和拆分。

3．開發(fā)基于部件庫的配套使用工具

建構(gòu)一個具有視頻交互界面的基于部件庫的動畫應(yīng)用輔助工具。此工具建立起雙向交互式人機界面，可以簡單方便地調(diào)用3D醫(yī)學部件庫中的醫(yī)學模型以及醫(yī)學道具庫中的醫(yī)療設(shè)備，倒置、隱藏、放大、透明化隨意地拆分和組合，實現(xiàn)可用計算機任意選擇觀察視點,做內(nèi)窺鏡觀察和立體觀察調(diào)用，還可以將病人的各種病變部位分開或合在一起觀察病變情況?？梢杂锰摂M手術(shù)器械解剖虛擬尸體，并利用操縱桿、手套和其他設(shè)備的觸覺強力反饋來感受到人體組織的不同質(zhì)感。學生應(yīng)用動畫技術(shù)可以在血管、氣管中或在心室間漫游，還可以應(yīng)用虛擬內(nèi)窺鏡對器官結(jié)構(gòu)進行三維立體顯示。在虛擬解剖過程中如發(fā)生錯誤操作可以返回糾正錯誤，當然也可以反復(fù)進行復(fù)習和訓練。此外還提供開放式的接口，可以二次開發(fā)利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)來進行模擬手術(shù)，模擬器官發(fā)育和病變的過程、藥物作用后的變化等，來輔助診斷和治療。

三、3 D醫(yī)學部件庫實現(xiàn)方法和技術(shù)路線

1．部件制作的研究方法及技術(shù)路線

（1）采用3D模型掃描設(shè)備，聯(lián)合解剖學教研室和附屬醫(yī)院，對解剖標本庫的標本模型進行外部輪廓掃描，利用計算機圖形學多邊形繪制技術(shù),借助于圖形硬件加速的支持,重建表面特征明顯的組織和器官的表面圖像。

（2）聯(lián)合附屬醫(yī)院，采用CT及3D彩色CT斷層掃描技術(shù)獲得模型（包括組織系統(tǒng)及病癥）的原始數(shù)據(jù)，通過多個相鄰斷層堆砌重建器官和組織系統(tǒng)的內(nèi)部組織模型，通過對一系列的二維圖像進行邊界識別等分割處理,重新還原出被檢物體的三維圖像。[3]

（3）采用3DMAX軟件結(jié)合VRML和Java3d技術(shù)實現(xiàn)密度投影，模擬出器官和組織系統(tǒng)完整的三維效果。此項技術(shù)處理生成的三維圖像足夠清晰,可以在一定程度上替代實物模型。

2．庫的建立及組織的研究方法及技術(shù)路線

（1）根據(jù)面向?qū)ο笱芯糠椒▽?D部件分系統(tǒng)、分層、分組、分包、分部件進行組織和構(gòu)建3D模型庫。

（2）采用C#語言和數(shù)據(jù)庫開發(fā)構(gòu)建庫環(huán)境，對各部件進行復(fù)合編號，把模型節(jié)點坐標及編號寫入數(shù)據(jù)庫為各種應(yīng)用程序調(diào)用提供索引基礎(chǔ)，用.NET加數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)庫環(huán)境。

（3）開發(fā)設(shè)計各類調(diào)度算法，為外部調(diào)用設(shè)計接口，使外部應(yīng)用程序按照所規(guī)定的方法和接口來調(diào)用，用算法及接口為外部程序提供服務(wù)。

3．配套工具的研究方法及技術(shù)路線

（1）教學的應(yīng)用側(cè)重于講解和描述，采用.NET技術(shù)開發(fā)C/S教學軟件，服務(wù)器端數(shù)據(jù)庫保存著3D醫(yī)學部件索引、配套文本、配套音頻?？蛻糗浖藢崿F(xiàn)對部件的瀏覽，按自定義方式瀏覽，如多層次、多角度的瀏覽，實現(xiàn)縮放、拖動、隱藏、聚焦定位、朗讀、文本注釋等功能。

（2）科研的應(yīng)用側(cè)重于調(diào)度后的二次開發(fā)或制作，采用ASPX結(jié)合Virtools開發(fā)Web服務(wù)網(wǎng)站，提供部件檢索、部件預(yù)覽、部件下載等服務(wù)。為科研領(lǐng)域中的模型重構(gòu)、視頻制作提供良好的支撐。

四、3 D醫(yī)學部件庫及其配套使用工具的特色和創(chuàng)新之處

1．項目的特色

本項目所建部件庫分類齊全，模型覆蓋面廣，所有模型部件結(jié)構(gòu)機理數(shù)據(jù)均來自實物掃描，和醫(yī)用工具與醫(yī)學方面的CAT（計算機軸向?qū)游鯴射線攝影）或MRI（磁共振成像）生成的二維圖像與體視圖像，還原度高，精確度高。且具有較強的針對性，為同類應(yīng)用提供了良好的原始資源。

2．項目的創(chuàng)新之處

（1）3D人體解剖模型庫覆蓋整個解剖學領(lǐng)域，還包括中醫(yī)穴位、各系統(tǒng)病癥表現(xiàn)。

（2）根據(jù)人的思維訪問及教學科研角度進行庫組織，采用面向?qū)ο髽?gòu)建，具備良好的接口和作業(yè)調(diào)度算法。

（3）獨創(chuàng)便捷有效的配套應(yīng)用工具：專門針對醫(yī)學教學及科研開發(fā)的配套應(yīng)用工具，使得應(yīng)用表現(xiàn)不再松散和凌亂，大大提高了3D模型的可用度和應(yīng)用深度。

[1]唐忠.動畫在醫(yī)學中的應(yīng)用[J].電腦知識與技術(shù),2008,3(4):792-793.

[2]宋曉瑞,曹慧,張艷,劉萍.虛擬現(xiàn)實技術(shù)在醫(yī)學中的應(yīng)用[J].山東科學,2009,22(6):79-82.

[3]唐忠.醫(yī)學手術(shù)仿真教學系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J].桂林工學院學報,2009,29(3):390-394.

[4](美)費爾騰等著,崔益群主譯.奈特人體神經(jīng)解剖彩色圖譜[M].北京:人民衛(wèi)生出版社,2006.

[5]單錦露,張紹祥,譚立文.虛擬現(xiàn)實技術(shù)在人體解剖學教學中的應(yīng)用[EB/OL].http://www.3dbody.cn/bbs/viewthread.php?tid=73&extra=page%3D1，2010-3-10.

（編輯：金冉）

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1673-8454(2011)13-0054-03