淺談三維耳蝸醫(yī)學(xué)動(dòng)畫制作及應(yīng)用

金曉芳 盧秋群 吳怡 王力巖 易巾萍 葉含笑

摘 要： 為精確顯示耳蝸的結(jié)構(gòu)和功能，提供耳蝸的三維參數(shù)，進(jìn)一步幫助人們認(rèn)識(shí)耳蝸這一特殊結(jié)構(gòu)，采用3DMAX技術(shù)，結(jié)合現(xiàn)有的二維耳蝸分割技術(shù)，通過虛擬化的三維場(chǎng)景重建耳蝸動(dòng)態(tài)效果。將多維子對(duì)象材質(zhì)、mental ray渲染器和高級(jí)動(dòng)畫結(jié)合，直觀立體地表達(dá)了耳蝸在醫(yī)學(xué)范疇的難點(diǎn)。通過三維耳蝸醫(yī)學(xué)動(dòng)畫展示，形成可視化、可交互效果。將三維醫(yī)學(xué)動(dòng)畫應(yīng)用于教學(xué)和臨床更容易被學(xué)生所理解和接受。三維耳蝸醫(yī)學(xué)動(dòng)畫案例教學(xué)在幫助學(xué)生、老師和醫(yī)生準(zhǔn)確掌握耳蝸解剖結(jié)構(gòu)的同時(shí)，達(dá)到了學(xué)科交叉和多學(xué)科技術(shù)融合的目的，在教學(xué)工作中有著深遠(yuǎn)的意義和廣闊的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞： 3DMAX技術(shù)； 三維醫(yī)學(xué)動(dòng)畫； 耳蝸； 案例教學(xué)

中圖分類號(hào)：TP317.4 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1006-8228（2014）10-38-03

Introduction to three-dimensional cochlear medical animation production and application

Jin Xiaofang， Lu Qiuqun， Wu Yi， Wang Liyan， Yi Jinping， Ye Hanxiao

（Zhejiang Chinese Medical University， Hangzhou， Zhejiang 310053， China）

Abstract： In order to display the structure and function of the cochlea accurately and provide three-dimensional parameters of the cochlea， further helping people to understand the cochlea， by adopting the technology of 3DMAX， combining the existing two-dimensional cochlea segmentation technology， cochlear dynamic 3D scene is reconstructed through virtualization. Multi-dimensional subobject material， getting ray renderer and advanced animation are integrated to intuitively show the difficulty of cochlear in medical category. Through three-dimensional cochlear medical animation display， the visual， interactive effect is created. The results show that applying the three-dimensional medical animation to clinical work will make it easy for students to understood and accept. It helps students， teachers and doctors accurately master the cochlear anatomical structure， achieves the purpose of interdisciplinary and multidisciplinary technology integration， which has a profound significance and broad application prospects.

Key words： the technology of 3DMAX； three-dimensional； medical； animation； the cochlea； case-based teaching

0 引言

位于顳骨中的耳蝸是一個(gè)螺旋狀的骨蝸管。耳蝸的研究對(duì)臨床應(yīng)用和神經(jīng)放射學(xué)研究等具有重要的價(jià)值。人們對(duì)于耳蝸的研究都是基于傳統(tǒng)的二維組織切片，雖然取得了豐碩的成果，但未能提供耳蝸的三維直觀顯示和三維參數(shù)。隨著計(jì)算機(jī)硬件的不斷升級(jí)，以及圖形圖像工具軟件的更新?lián)Q代，二維耳蝸圖像無法呈現(xiàn)耳蝸真實(shí)、復(fù)雜的空間構(gòu)筑，無法形象展示三維耳蝸解剖結(jié)構(gòu)和三維耳蝸動(dòng)態(tài)功能，使得學(xué)生較難理解三維耳蝸工作原理，但是這可在三維耳蝸可視化屏幕上得以實(shí)現(xiàn)。

自20世紀(jì)80年代開始，國內(nèi)外相繼出現(xiàn)了醫(yī)學(xué)三維重建的報(bào)道[1]。90年代起，美國可視人（VHP）以及緊隨其后的韓國可視人（VKH）和虛擬中國人（VCH）等一系列研究的相繼開展，開始了人體三維研究的新紀(jì)元[2]。

三維耳蝸醫(yī)學(xué)動(dòng)畫的制作可以彌補(bǔ)二維耳蝸在空間層次上的缺陷，更真實(shí)地反映耳蝸的現(xiàn)實(shí)意義，為用戶提供切實(shí)可行的三維耳蝸立體效果。三維耳蝸醫(yī)學(xué)動(dòng)畫不受時(shí)間、空間、宏觀和微觀的限制，直觀地將真實(shí)世界中耳蝸的各種形態(tài)用動(dòng)畫圖像的形態(tài)呈現(xiàn)出來，能真實(shí)、清晰地展示視域中的每一個(gè)細(xì)節(jié)，可以體現(xiàn)耳蝸的真實(shí)感和空間層次感[3]。

由于其具有效果逼真、圖像細(xì)膩、無損放大等諸多優(yōu)點(diǎn)，目前被廣泛應(yīng)用于娛樂界、機(jī)械制造、建筑、軍事和醫(yī)學(xué)等諸多領(lǐng)域。在醫(yī)學(xué)方面，動(dòng)畫提供的形象而逼真的模型， 在醫(yī)學(xué)教學(xué)、醫(yī)學(xué)研究、醫(yī)療診斷以及醫(yī)學(xué)科普健康教育中均具有廣泛的應(yīng)用前景[4]?；卺t(yī)學(xué)圖像的三維重建能提供比二維切片圖像更加豐富的信息和更直觀的可視化效果。如何將這些平行輪廓斷層圖像進(jìn)行三維重建，已成為當(dāng)今醫(yī)學(xué)影像技術(shù)研究的熱點(diǎn)。

1 3D MAX開發(fā)工具及特點(diǎn)

三維耳蝸醫(yī)學(xué)動(dòng)畫是基于3D MAX技術(shù)，對(duì)二維耳蝸圖像進(jìn)行分割處理、提取輪廓，構(gòu)造三維耳蝸在醫(yī)學(xué)中的動(dòng)畫效果。在二維耳蝸分割的基礎(chǔ)上，利用3D MAX技術(shù)，通過對(duì)一些復(fù)雜的教學(xué)理論、結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析、制作，把耳蝸難于理解的理論、公式等以逼真的動(dòng)畫形式表現(xiàn)出來，將分割后的二維耳蝸經(jīng)過一定次序的疊放重建三維立體耳蝸。3D MAX（3D Studio Max）是Discreet公司開發(fā)的基于PC系統(tǒng)的三維動(dòng)畫渲染和制作軟件。

3D MAX在應(yīng)用范圍方面，廣泛應(yīng)用于廣告、影視、工業(yè)設(shè)計(jì)、建筑設(shè)計(jì)、三維動(dòng)畫、多媒體制作、游戲、輔助教學(xué)以及工程可視化等領(lǐng)域，將向智能化，多元化方向發(fā)展。

3D MAX的特點(diǎn)：

⑴ 基于PC系統(tǒng)的低配置要求；

⑵ 人性化的界面設(shè)計(jì)，入門簡(jiǎn)單快捷；操作簡(jiǎn)單，容易上手；

⑶ 建模功能強(qiáng)大，擴(kuò)展性好；

⑷ 強(qiáng)大的角色（Character）動(dòng)畫制作能力；

⑸ 與其他軟件配合流暢；

⑹ 支援Maxscript內(nèi)建腳本控制語言，讓使用者有制訂工具的能力。

2 三維耳蝸醫(yī)學(xué)動(dòng)畫中的關(guān)鍵技術(shù)

醫(yī)學(xué)動(dòng)畫的三維重建是指利用人類的視覺特性，通過計(jì)算機(jī)對(duì)二維數(shù)字?jǐn)鄬訄D像序列形成的三維體數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，將其變換為具有直觀立體效果的動(dòng)畫來展示人體組織的三維形態(tài)。在二維組織切片的基礎(chǔ)上，利用現(xiàn)有的區(qū)域增長(zhǎng)、閾值區(qū)間、形態(tài)學(xué)濾波等自動(dòng)分割算法與手動(dòng)編輯相結(jié)合的方法對(duì)耳蝸進(jìn)行分割。分割過程采用對(duì)體數(shù)據(jù)逐層分割的方法，之后將二維分割結(jié)果疊放在一起重建三維耳蝸[5]。

二維耳蝸的分割速度與分割結(jié)果對(duì)三維耳蝸模型的立體感、直觀感和耳蝸的表面光滑度會(huì)有一定的影響。二維耳蝸的分割技術(shù)可以運(yùn)用水平集算法和窄帶水平集算法。

水平集算法是一種描述曲線或曲面演化的有力工具，其主要優(yōu)點(diǎn)是可以對(duì)任意復(fù)雜的形狀進(jìn)行模型化，隱式地解決了拓?fù)湫螤畹姆至?、合并等變化，而且該算法中與曲率相關(guān)的速度項(xiàng)可以控制曲線或曲線的光華特性。窄帶水平集算法是將水平集函數(shù)的演化限制在當(dāng)前輪廓周圍一個(gè)窄帶范圍內(nèi)，當(dāng)傳播界面到達(dá)窄帶邊界時(shí)重新初始化窄帶。如此反復(fù)直至到達(dá)設(shè)定的最大迭代次數(shù)或者迭代次數(shù)增加而輪廓不再變化、或變化非常小，則停止迭代。

目前三維重建的方法主要有兩大類：一類是基于表面的體視方法（面繪制法），另一類是基于體素的體視方法（體繪制法）。面繪制法應(yīng)用圖像分割技術(shù)將原始圖像分割成代表不同組織和器官的若干區(qū)域，然后構(gòu)造通過這些區(qū)域邊界的表面，再應(yīng)用計(jì)算機(jī)圖形學(xué)中的剪裁、隱藏面消除等常規(guī)方法對(duì)這些表面進(jìn)行顯示。體繪制法是以單個(gè)小立方體即體素為三維圖像的基本單元，然后給每個(gè)體素賦以相應(yīng)的顏色與組光度，最后用投影法或光線投影法生成立體圖像[6]。

采用3D MAX軟件結(jié)合VRML和Java3d技術(shù)實(shí)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(xiàng)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(shí)物模型[7]。

3 制作過程（以制作螺旋器為例）

首先將二維螺旋器的圖片導(dǎo)入到3D MAX的前視圖中（具體導(dǎo)入到哪個(gè)視圖由制作者決定）。二維螺旋器圖片導(dǎo)入如圖1所示。

圖1 二維螺旋器圖片導(dǎo)入

導(dǎo)入二維螺旋器圖片之后，運(yùn)用3D MAX軟件自帶的工具列表，在創(chuàng)建->圖形處，選擇“線”條工具，在前視圖中將基本的二維螺旋器模型框架給勾勒出來。勾勒二維螺旋器模型框架圖如圖2所示。將螺旋器的內(nèi)柱細(xì)胞和外柱細(xì)胞的二維圖片勾勒出來之后，可以在頂視圖和左視圖分別看到一條線，頂視圖、左視圖和前視圖顯示的是一個(gè)平面效果的一部分，而在透視圖中看到整個(gè)模型的平面圖。

圖2 勾勒二位螺旋器模型框架圖

勾勒出二維平面模型之后，分別選中剛在創(chuàng)建的內(nèi)柱細(xì)胞和外柱細(xì)胞平面圖，在修改器列表中選擇“擠出”特效。調(diào)整“參數(shù)”中的“數(shù)量”為6，并修改顏色為綠色，可在透視圖中查看擠出效果圖。擠出效果圖如圖3所示。

圖3 擠出效果圖

選中透視圖中的內(nèi)柱細(xì)胞和外柱細(xì)胞三維效果圖，右擊選擇“克隆”，跳出“克隆選項(xiàng)”頁面之后，選擇對(duì)象為“實(shí)例”，點(diǎn)擊確定按鈕，將克隆之后的模型拖動(dòng)到一定的位置，連續(xù)操作5次，畫出內(nèi)柱細(xì)胞和外柱細(xì)胞的三維效果圖。內(nèi)、外柱細(xì)胞三維效果如圖4所示。

在二維螺旋器分割基礎(chǔ)上，運(yùn)用 3D MAX技術(shù)將基本的三維螺旋器模型勾勒出來之后，再運(yùn)用三位重建和Mental ray渲染等特效得到最終的螺旋器效果圖。螺旋器效果如圖5所示。

4 三維耳蝸醫(yī)學(xué)動(dòng)畫的教學(xué)意義

教育部于1999年提出，將多媒體計(jì)算機(jī)技術(shù)為核心的教育技術(shù)應(yīng)用模式在高校中普及。為進(jìn)一步落實(shí)、貫徹該理念，浙江中醫(yī)藥大學(xué)信息技術(shù)學(xué)院結(jié)合聽力學(xué)院，通過對(duì)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行深入分析，嘗試將耳蝸材料學(xué)材料與3D MAX技術(shù)相結(jié)合，制作具有三維立體效果的三維耳蝸醫(yī)學(xué)動(dòng)畫[8]。

圖5 螺旋器效果

從功能上講，三維耳蝸醫(yī)學(xué)動(dòng)畫是一種耳蝸的科教演示動(dòng)畫，它是耳蝸在三維動(dòng)畫的重要分支，將三維耳蝸醫(yī)學(xué)動(dòng)畫引入教學(xué)領(lǐng)域，一方面可以借用3D MAX展現(xiàn)三維立體效果的強(qiáng)大的表現(xiàn)力，集合二維耳蝸分割基礎(chǔ)，通過虛擬化的三維場(chǎng)景，直觀地表達(dá)耳蝸在醫(yī)學(xué)范疇的疑難點(diǎn)，另一方面通過3D MAX技術(shù)，向?qū)W生提供耳蝸方面所需的各種信息，通過軟件中的基本體建模、多維子對(duì)象材質(zhì)、Mental ray渲染器和高級(jí)動(dòng)畫的結(jié)合[9]，把教材中的平面影像及文字注解有機(jī)結(jié)合，較好地攻克了教學(xué)中的許多難題。動(dòng)畫的使用有利于信息技術(shù)學(xué)院學(xué)生加強(qiáng)本專業(yè)的學(xué)習(xí)與理解。三維耳蝸醫(yī)學(xué)動(dòng)畫軟件開發(fā)的實(shí)踐表明，提出的三維建模和優(yōu)化方法可以滿足虛擬建設(shè)系統(tǒng)的性能要求，可推廣到其他虛擬系統(tǒng)[10]。

5 結(jié)束語

平面耳蝸圖像無法呈現(xiàn)真實(shí)性、復(fù)雜的空間構(gòu)筑，無法形象展示耳蝸解剖結(jié)構(gòu)和耳蝸動(dòng)態(tài)功能。而三維耳蝸醫(yī)學(xué)動(dòng)畫可直觀地將真實(shí)世界中耳蝸的各種形態(tài)用動(dòng)畫圖像的形態(tài)呈現(xiàn)出來，三維耳蝸醫(yī)學(xué)動(dòng)畫案例制作充分發(fā)揮了3D MAX技術(shù)優(yōu)勢(shì)，將軟件制作、學(xué)生主導(dǎo)與教師引導(dǎo)三者有機(jī)地結(jié)合了起來，優(yōu)化了課堂教學(xué)結(jié)構(gòu)，提高了教學(xué)質(zhì)量與效率，達(dá)到了以教師為主體講授的效果。三維耳蝸醫(yī)學(xué)動(dòng)畫的制作，在幫助學(xué)生、教師和醫(yī)生準(zhǔn)確掌握耳蝸解剖結(jié)構(gòu)的同時(shí)，達(dá)到學(xué)科交叉和多學(xué)科技術(shù)融合的目的，在教學(xué)工作中有著深遠(yuǎn)的意義和廣闊的應(yīng)用前景。在三維動(dòng)畫尚未普及之前，運(yùn)用3D MAX技術(shù)、多維子對(duì)象材質(zhì)、Mental ray渲染器和高級(jí)動(dòng)畫結(jié)合的三維動(dòng)畫對(duì)醫(yī)學(xué)工作者針對(duì)耳蝸的研究有非凡的意義。

參考文獻(xiàn)：

[1] 楊琳，王克強(qiáng).耳蝸三維建模及其應(yīng)用研究進(jìn)展[J].解剖學(xué)雜志，

2012.35（5）：677-680

[2] 劉波，高秀來.耳蝸三維重建的研究及意義[J].解剖科學(xué)進(jìn)展，

2005.11（1）：65-69

[3] 譚昕.三維醫(yī)學(xué)動(dòng)畫視覺表現(xiàn)特質(zhì)研究[J].美術(shù)大觀，2012.（4）：136

[4] 唐忠.動(dòng)畫在醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用[A].電腦知識(shí)與技術(shù)設(shè)，2008.3（4）：

792-793

[5] 刁現(xiàn)芬，陳思平，梁長(zhǎng)虹，吳佩娜.窄帶Level Set與可視化技術(shù)在耳蝸

分割中的應(yīng)用[J].生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)，2007.24（5）：1161-1166

[6] 喬愛科，付文宇.面向數(shù)值仿真的醫(yī)學(xué)圖像三維重建技術(shù)及應(yīng)用研究[J].

基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)，2007.

[7] 余喜，張戰(zhàn)士.3D醫(yī)學(xué)動(dòng)畫部件庫及配套使用工具的研究與設(shè)計(jì)[J].

中國教育信息化，2011.13：56-56

[8] 袁慎坡，林紅，鄭剛.多媒體技術(shù)在口腔材料性能教學(xué)中的應(yīng)用[J].中

華口腔醫(yī)學(xué)研究雜志，2012.6（1）：73-76

[9] 曹羲，王清河，王亮.3D MAX制作生化蛋白質(zhì)、核酸章節(jié)教學(xué)課件探

索[J].承德醫(yī)學(xué)院學(xué)報(bào)，2013.2：146-148

[10] HOU Xiao-ting LI Chang-hua.Research on the Three-dimension-

al Modeling and Optimization of a Virtual Tower Crane Based on 3DS Max， Solidworks and EON Professional[J].International Journal of Plant Engineering and Management，2013.1：192-196