冠心病教學(xué)中三維動(dòng)畫的制作與應(yīng)用

孫 嘉，丘文峰

廣東醫(yī)學(xué)院:1教育技術(shù)與信息中心;2信息工程教研室，廣東 東莞 523808

醫(yī)學(xué)各分支科學(xué)內(nèi)容普遍存在抽象和微觀等特點(diǎn)，一直是醫(yī)學(xué)教育中的重點(diǎn)和難點(diǎn)。對(duì)于醫(yī)學(xué)中一些難以理解的概念、微觀的事物和病變過程，大多需要借助動(dòng)畫加以表現(xiàn)。早期的醫(yī)學(xué)動(dòng)畫是以人工手繪的居多，隨著計(jì)算機(jī)動(dòng)畫技術(shù)，特別是三維動(dòng)畫技術(shù)的出現(xiàn)，使得人們不受時(shí)間、空間、微觀的限制，直接表現(xiàn)各種事物、現(xiàn)象甚至動(dòng)作行為，將眾多學(xué)習(xí)資源再現(xiàn)在課堂上［1］。而在臨床中冠心病的發(fā)病率是相當(dāng)高的，冠心病的發(fā)病原理和相關(guān)演變過程也是學(xué)生理解的難點(diǎn)。如果將冠心病的演變過程，用直觀的三維模擬動(dòng)畫加以演示講解，能有效解決這個(gè)教學(xué)上的重點(diǎn)、難點(diǎn)問題，讓課堂更加生動(dòng)形象，獲得較好的效果［2］。

1 冠心病動(dòng)畫的制作

心臟是人體一個(gè)非常重要的器官，它像一個(gè)永不停止的泵，隨著心臟每次收縮就會(huì)將攜帶氧氣和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的血流經(jīng)主動(dòng)脈輸送到全身，以滿足各組織細(xì)胞代謝的需要。心臟自身的氧氣和營(yíng)養(yǎng)是由主動(dòng)脈的根部分出兩條動(dòng)脈向心臟本身的血液循環(huán)輸送的，這兩條動(dòng)脈稱為冠狀動(dòng)脈。如果由于脂質(zhì)代謝不正常，血液中的脂質(zhì)沉著在原本光滑的動(dòng)脈內(nèi)膜上，在動(dòng)脈內(nèi)膜形成一些類似粥樣的脂類物質(zhì)堆積而成白色斑塊，稱為動(dòng)脈粥樣硬化病變簡(jiǎn)稱冠心病。

1.1 結(jié)構(gòu)分析

根據(jù)授課內(nèi)容，動(dòng)畫制作主要表現(xiàn)心肌血液供應(yīng)障礙，冠狀動(dòng)脈內(nèi)膜脂質(zhì)沉著，復(fù)合糖類的積聚，纖維組織增生和鈣質(zhì)沉著，動(dòng)脈中層病變，導(dǎo)致管腔狹窄或閉塞等一連串的動(dòng)作。對(duì)治療方法主要介紹經(jīng)皮冠狀動(dòng)脈介入治療(PCI):支架術(shù)的動(dòng)畫，主要表現(xiàn)血管穿刺把支架或其他器械放入冠狀動(dòng)脈，從而達(dá)到解除冠狀動(dòng)脈狹窄的目的。

1.2 媒體的選擇

冠心病在教學(xué)上之所以是難點(diǎn)，主要是沒有一個(gè)直觀的呈現(xiàn)方式。由于肉眼無法看到這些區(qū)域，那么利用三維動(dòng)畫來表現(xiàn)這些區(qū)域，使這些區(qū)域以虛擬動(dòng)畫的形式重現(xiàn)在學(xué)生的眼前，使學(xué)生一目了然。我們選用3Ds Max軟件制作虛擬模型，用Photoshop對(duì)圖像進(jìn)行處理，用After Effects制作視頻和處理視頻。

1.3 制作要點(diǎn)

1.3.1 模型制作 這里選用3Ds Max來制作模型，制作心臟的模型使用了ploy建模，紅細(xì)胞使用粒子工具［3］:①把各個(gè)腔室看做一個(gè)獨(dú)立的個(gè)體分開制作，把心臟的前視圖、后視圖、左側(cè)視圖的結(jié)構(gòu)草圖尺寸調(diào)為一致，導(dǎo)入到3Ds Max對(duì)應(yīng)視窗中作參考圖;②在前視圖中建一個(gè)幾何體，在編輯面板把幾何體的段數(shù)調(diào)高，以便讓幾何體能更好的變形，把幾何體塌陷為ploy建模，然后進(jìn)到點(diǎn)層級(jí)，通過調(diào)整點(diǎn)的位置制作出外形，用軟化命令使線條柔和，這樣建好左心房;③再用同樣的方法把右心房和左右心室完成，之后使用布爾運(yùn)算讓它們由幾個(gè)獨(dú)立的個(gè)體合成一個(gè)整體，再進(jìn)入點(diǎn)層級(jí)對(duì)外形進(jìn)行調(diào)整;④細(xì)小的血管模型制作先根據(jù)血管的位置和走勢(shì)拉出條線，做出一個(gè)圓形的橫截面積，再使用放樣命令，并用曲線調(diào)整放樣后的圖形;⑤粗的血管用管狀體工具，血管之間的組合使用布爾運(yùn)算合成一個(gè)整體，再把它們與粗的血管和4個(gè)腔室的模型組成(如圖1所示);⑥血細(xì)胞使用粒子工具，而取樣的血細(xì)胞的基本幾何體為一個(gè)球體，先用縮放工具把球體整個(gè)變扁，再進(jìn)圖編輯面板中的點(diǎn)層級(jí)，選中中間的點(diǎn)，再使用縮放工具做出中間的凹陷部分［4］。

圖1 在3DS Max中的心臟模型

圖2 血液在血管中流動(dòng)

1.3.2 動(dòng)畫分鏡頭 動(dòng)畫的初稿也是在3Ds Max里面完成的。動(dòng)畫要根據(jù)冠心病的特點(diǎn)來進(jìn)行制作，先明確實(shí)現(xiàn)哪支冠狀動(dòng)脈以及冠狀動(dòng)脈內(nèi)正常的血液流動(dòng)(如圖2所示)，之后血液中的脂質(zhì)沉著在原本光滑的動(dòng)脈內(nèi)膜上是怎么樣的，這個(gè)時(shí)候血液通過的狀態(tài)，支架術(shù)的原理，它是在血管中如何實(shí)現(xiàn)的，實(shí)施后血液流動(dòng)的狀態(tài)。這些內(nèi)容要在這個(gè)動(dòng)畫中表現(xiàn)出來，由此得出動(dòng)畫主要分六個(gè)鏡頭:第一個(gè)鏡頭表現(xiàn)心臟的一個(gè)跳動(dòng)，用發(fā)光的形式凸顯出冠狀動(dòng)脈;第二個(gè)鏡頭表現(xiàn)血管打開后，正常情況下的血液流動(dòng);第三個(gè)鏡頭則表現(xiàn)血液中的脂質(zhì)沉著在原本光滑的動(dòng)脈內(nèi)膜上的一個(gè)狀態(tài)，然后是血液的流動(dòng)狀態(tài);第四個(gè)鏡頭表現(xiàn)經(jīng)皮冠狀動(dòng)脈介入治療時(shí)的球體漲起，把原來狹窄的地方撐開，然后離開;第五個(gè)鏡頭表現(xiàn)球體漲起，連帶撐開支架，球體離開，留下支架(如圖3所示);第六個(gè)鏡頭就是血液恢復(fù)正常的流動(dòng)。這些鏡頭最終輸出為JPG圖片的序列幀，它可以保存高質(zhì)量的畫面，而且可以很好地導(dǎo)入到多種視頻編輯軟件中。

圖3 支架撐起

1.3.3 視頻編輯 視頻的編輯要注重承上啟下［5］。由于整個(gè)動(dòng)畫都是在三維模型中來講解冠心病的形成與治療，脫離了外部的真實(shí)環(huán)境，缺少真實(shí)環(huán)境中的參照物;沒有參照物，那么突然變化角度就很容易讓觀眾造成視覺錯(cuò)誤。制作的時(shí)候，由于有大場(chǎng)景到小場(chǎng)景的轉(zhuǎn)換，這里要注意有一個(gè)場(chǎng)景轉(zhuǎn)換的交代，以免給觀眾造成邏輯上的混亂(如圖4所示)。

圖4 在After Effects中編輯視頻

2 冠心病動(dòng)畫的實(shí)踐意義

2.1 實(shí)踐意義

冠心病是臨床的多發(fā)病，而且有逐年上升趨勢(shì)，所以我們?cè)谂囵B(yǎng)醫(yī)學(xué)生的時(shí)候要充分重視，利用三維動(dòng)畫等教學(xué)方式讓學(xué)生更輕松、更深入地掌握學(xué)習(xí)中的重點(diǎn)及難點(diǎn)。

在醫(yī)學(xué)CAI課件中利用三維動(dòng)畫可以輕松地闡述醫(yī)學(xué)難點(diǎn)。利用三維技術(shù)，把器官或骨骼轉(zhuǎn)動(dòng)起來，使學(xué)生不再是面對(duì)一張張的圖片來思考，而是像看電影一樣，通過一個(gè)個(gè)三維動(dòng)畫的逼真呈現(xiàn)，輕松理解和掌握知識(shí)難點(diǎn)［6］。例如:冠心病的臨床表現(xiàn)，通過三維動(dòng)畫，營(yíng)造一個(gè)立體空間，然后用透視的動(dòng)畫表現(xiàn)冠狀動(dòng)脈硬化，心肌血液供應(yīng)障礙，冠狀動(dòng)脈內(nèi)膜脂質(zhì)沉著，復(fù)合糖類的積聚，纖維組織增生和鈣質(zhì)沉著，動(dòng)脈中層病變，導(dǎo)致管腔狹窄或閉塞等一連串的動(dòng)作，讓學(xué)生清楚地了解病理特征，極大地提高了教學(xué)效果。

2.2 應(yīng)用分析

冠心病的醫(yī)學(xué)動(dòng)畫主要針對(duì)醫(yī)學(xué)院校的本科生。教師可以根據(jù)自己講課的進(jìn)程播放動(dòng)畫，動(dòng)畫可重復(fù)播放、隨時(shí)暫停，動(dòng)畫的運(yùn)用降低了教師的上課難度，也在一定程度上活躍了課堂氣氛。通過使用動(dòng)畫進(jìn)行輔助教學(xué)，能充分調(diào)動(dòng)學(xué)生各種感官功能，激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)課程內(nèi)容的熱情和強(qiáng)烈的求知欲，學(xué)生不只是聽懂了，而且更形象地理解了上課的內(nèi)容。但是由于視頻是按照一定的流程播放的，學(xué)生是被動(dòng)的接受，而不會(huì)主動(dòng)的思考，這個(gè)是需要上課教師注意的，教師可通過暫停動(dòng)畫的播放，與學(xué)生互動(dòng)，幫助學(xué)生在看動(dòng)畫時(shí)能進(jìn)行更深入的思考［7］。

2.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

通過對(duì)臨床、醫(yī)學(xué)檢驗(yàn)和藥學(xué)三個(gè)專業(yè)的大二及大三共100名學(xué)生做問卷調(diào)查，接受問卷調(diào)查的學(xué)生都認(rèn)為看了醫(yī)學(xué)動(dòng)畫后會(huì)引起他們的思考。其中，81%的學(xué)生認(rèn)為提高了其對(duì)視頻中相關(guān)知識(shí)的理解，53%認(rèn)為相關(guān)知識(shí)更容易理解，64%的學(xué)生覺得在課堂中加入動(dòng)畫讓課堂更生動(dòng)、更有吸引力，70%的學(xué)生認(rèn)為加入動(dòng)畫進(jìn)行教學(xué)的效果比傳統(tǒng)教學(xué)效果更好，74%的學(xué)生認(rèn)為三維醫(yī)學(xué)動(dòng)畫的發(fā)展具有極大潛力［8］。

三維動(dòng)畫應(yīng)用于臨床教學(xué)，既能提高學(xué)生對(duì)相關(guān)知識(shí)的理解，也能使課堂更生動(dòng)。而且三維醫(yī)學(xué)動(dòng)畫也可以很好地運(yùn)用在遠(yuǎn)程教育中，一些難以理解的知識(shí)點(diǎn)可以通過三維動(dòng)畫的展示直觀的說明;而在展示某些科研成果的時(shí)候也可以使用三維動(dòng)畫。所以，三維動(dòng)畫在醫(yī)學(xué)教育、教學(xué)中具有很好的應(yīng)用前景。

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