自制3D動(dòng)畫(huà)在膽石癥CBL教學(xué)中的實(shí)踐

蔣 安，王貴虎，李宗芳，龍飛帆

1 西安交通大學(xué)第二附屬醫(yī)院陜西省肝脾疾病臨床醫(yī)學(xué)研究中心， 西安 710004；2 西安磐石信息科技有限公司， 西安 710049

膽石癥是發(fā)生于膽道系統(tǒng)任何部位的結(jié)石病。據(jù)世界流行病學(xué)調(diào)查，成年人膽石病發(fā)病率為9%～10%，我國(guó)成人患病率為1.7%～9.0%，即至少有0.2～1.0億人罹患膽石癥。每年作膽囊切除術(shù)幾十萬(wàn)例[1]。而且，近年來(lái)膽石癥的發(fā)病率有逐年升高的趨勢(shì)，陜西省也是膽石癥的高發(fā)區(qū)。

膽石癥的病因復(fù)雜、臨床表現(xiàn)多樣且治療手段較多，所以誤診誤治現(xiàn)象非常普遍。膽石癥的復(fù)發(fā)率較高，一旦出現(xiàn)并發(fā)癥往往較為嚴(yán)重，所以非常強(qiáng)調(diào)首次規(guī)范治療[2]，否則會(huì)增加嚴(yán)重并發(fā)癥的發(fā)生率和死亡率，不但給患者造成巨大的痛苦，不利于家庭和社會(huì)的穩(wěn)定，也給一些江湖游醫(yī)、封建迷信和邪教組織造成可乘之機(jī)。所以，有必要加強(qiáng)膽石癥的教學(xué)工作。在膽石癥教學(xué)過(guò)程中，由于膽道系統(tǒng)解剖需要三維空間想象力，如果能用簡(jiǎn)單、直觀、有效的方式展示膽石癥的發(fā)病機(jī)制、診治方法和手術(shù)操作，替代傳統(tǒng)的文字、圖片、手術(shù)錄像等教學(xué)材料，有望得到更好的教學(xué)效果。

2015年起由西安交通大學(xué)第二附屬醫(yī)院與西安磐石信息科技有限公司合作，在陜西省科技統(tǒng)籌創(chuàng)新工程項(xiàng)目(2013KTCQ03-06)的支持下，將膽石癥病因、診斷、治療和預(yù)防與三維動(dòng)畫(huà)仿真技術(shù)相結(jié)合，完成三維動(dòng)漫膽石癥視頻軟件的開(kāi)發(fā)，并申請(qǐng)國(guó)家軟件著作權(quán)證書(shū)。

1 膽石癥三維動(dòng)畫(huà)制作的技術(shù)步驟

1.1 撰寫(xiě)劇本

肝膽外科醫(yī)師和軟件制作人員經(jīng)過(guò)詳細(xì)討論完成劇本制作，決定從引入一例膽石癥典型病例因?yàn)楦咧嬍嘲l(fā)病就診開(kāi)始，引出膽石癥的癥狀表述。醫(yī)師先展示查體手法，進(jìn)而對(duì)發(fā)病機(jī)制進(jìn)行介紹和動(dòng)畫(huà)展現(xiàn)，醫(yī)患雙方對(duì)各種治療方法進(jìn)行討論，并模擬顯示手術(shù)步驟，最后由醫(yī)師介紹膽石癥的預(yù)防和健康的生活方式。

1.2 文字分鏡頭

確認(rèn)故事劇本后，分鏡導(dǎo)演將該次就醫(yī)情況用視頻語(yǔ)言的形式通過(guò)文字進(jìn)行描述，并且最終討論確認(rèn)。

1.3 手繪分鏡

文字分鏡頭確認(rèn)后，交給分鏡頭畫(huà)師，經(jīng)過(guò)與導(dǎo)演討論后依照鏡頭語(yǔ)言進(jìn)行診室內(nèi)、腹腔內(nèi)、膽石形成過(guò)程、非手術(shù)療法、手術(shù)療法、內(nèi)鏡下治療等幾個(gè)分鏡畫(huà)面的繪制和編排，經(jīng)反復(fù)修改后確認(rèn)。

1.4 角色和場(chǎng)景的概念設(shè)定

在進(jìn)行分鏡頭繪制的同時(shí)，2D組原畫(huà)師開(kāi)始進(jìn)行3個(gè)人物角色和診室內(nèi)、手術(shù)室內(nèi)等主要場(chǎng)景的概念設(shè)定[3]。

1.5 3D模型的制作

概念設(shè)定經(jīng)醫(yī)師討論修改通過(guò)后，開(kāi)始在Maya軟件中進(jìn)行角色和場(chǎng)景的制作，主要使用Polygon的多邊形編輯模型進(jìn)行建模和展平，通過(guò)Bodypoint軟件和Photoshop軟件進(jìn)行貼圖的相關(guān)繪制。

1.6 動(dòng)畫(huà)layout制作

三維角色模型和場(chǎng)景模型完成后，我們?cè)贛aya軟件或Max軟件中先對(duì)角色部分進(jìn)行蒙皮的綁定，再用骨骼進(jìn)行蒙皮的動(dòng)畫(huà)驅(qū)動(dòng)。場(chǎng)景模型的搭建也同時(shí)開(kāi)展，并且進(jìn)行鏡頭Layout制作，其集成了分鏡頭的六要素：空間關(guān)系、鏡頭運(yùn)動(dòng)、鏡頭時(shí)間、分解動(dòng)作、制作臺(tái)詞以及文字說(shuō)明，能比較直觀地表達(dá)出膽石癥動(dòng)畫(huà)短片的主要需求意向，對(duì)之后動(dòng)畫(huà)的細(xì)節(jié)制作打好基礎(chǔ)[4]。

1.7 動(dòng)畫(huà)Layout確認(rèn)及修飾

導(dǎo)演與臨床醫(yī)師對(duì)動(dòng)畫(huà)Layout后的效果進(jìn)行討論確認(rèn)及反復(fù)修改后，動(dòng)畫(huà)師們開(kāi)始集中精力細(xì)化短片中所有能動(dòng)的部分，使其更自然流暢，包括人物角色和場(chǎng)景物件動(dòng)畫(huà)等。

1.8 燈光材質(zhì)設(shè)定

在進(jìn)行動(dòng)畫(huà)制作的同時(shí)，燈光師對(duì)場(chǎng)景內(nèi)所有的物件進(jìn)行材質(zhì)貼圖和燈光設(shè)定，并同時(shí)測(cè)試渲染小樣，準(zhǔn)備為最后輸出成片作渲染準(zhǔn)備。

1.9 渲染

在Maya或Max軟件中對(duì)三維膽石癥動(dòng)漫短片進(jìn)行最終的素材分層渲染，需要渲染color層、ID層、AO層這三種基本層級(jí)[5]。

1.10 合成和效果制作

將渲染出來(lái)的序列幀素材在After Effects軟件中進(jìn)行分段合成，并對(duì)短片的顏色、對(duì)比度、飽和度進(jìn)行細(xì)微的調(diào)節(jié)。

1.11 錄制對(duì)話和旁白

選擇專(zhuān)業(yè)的解說(shuō)人員在錄音棚內(nèi)錄制高質(zhì)量Wav聲音文件，使其與動(dòng)畫(huà)內(nèi)容及字幕匹配。

1.12 合成及出片

最終在Premiere軟件里進(jìn)行分段拼接、剪輯和聲音匹配，合成后輸出成片，根據(jù)具體需要進(jìn)行相應(yīng)的格式轉(zhuǎn)換，刻盤(pán)發(fā)出。

2 三維動(dòng)畫(huà)教學(xué)片的性能指標(biāo)

①該動(dòng)畫(huà)視頻可實(shí)現(xiàn)三維、全屏、高清、多窗口顯示，分辨率為1280×1024像素。

②實(shí)時(shí)性：用戶操作響應(yīng)時(shí)間小于2 s，場(chǎng)景顯示響應(yīng)時(shí)間小于1 s，場(chǎng)景切換響應(yīng)時(shí)間小于20 s。

③可靠性：軟件平均故障間隔時(shí)間大于3000 h。

④可擴(kuò)展性：可根據(jù)需要加入不同的音頻、視頻、字幕、效果，并可加入相關(guān)組織器官。

3 膽石癥三維動(dòng)畫(huà)教學(xué)片的內(nèi)容

經(jīng)試用該視頻完全滿足使用需要，其通過(guò)一例膽石癥患者從進(jìn)高脂飲食發(fā)病就醫(yī)開(kāi)始，醫(yī)師查體及B超等輔助檢查獲得膽囊炎伴膽囊結(jié)石診斷，進(jìn)而磁共振胰膽管成像(magnetic resonance cholangiopancreato- graphy,MRCP)得出其還患有膽總管結(jié)石。隨著患者的問(wèn)詢(xún)，醫(yī)師解釋膽石癥的分型以及發(fā)病機(jī)制，動(dòng)畫(huà)重點(diǎn)顯示膽石形成過(guò)程，以及原發(fā)與繼發(fā)膽總管結(jié)石的差異，急性化膿性膽管炎的發(fā)生機(jī)制。進(jìn)而患者住院治療，問(wèn)及治療方法以及碎石、排石等療法的效果，醫(yī)師結(jié)合動(dòng)畫(huà)逐一做出解答，針對(duì)膽囊結(jié)石，可行腹腔鏡下膽囊切除術(shù)，小切口膽囊切除術(shù)等；針對(duì)膽總管結(jié)石，可行內(nèi)鏡下逆行胰膽管造影術(shù)(endoscopic re- trograde cholangiopancreatograpy,ERCP)，腹腔鏡下膽總管探查術(shù)等。動(dòng)畫(huà)同時(shí)逐一演示手術(shù)過(guò)程?；颊咦詈笮蠩RCP結(jié)合腹腔鏡膽囊切除術(shù)。醫(yī)師叮囑術(shù)后康復(fù)及注意事項(xiàng)，出院前患者問(wèn)及其較為關(guān)心的飲食問(wèn)題，醫(yī)師從健康飲食、健康保健等角度一一作了回答，同時(shí)動(dòng)畫(huà)作了相應(yīng)的展示。整片借助三維動(dòng)畫(huà)，將抽象的理論形象化，通俗易懂地闡述了膽石癥的診療知識(shí)(如圖1所示)。

圖1 膽石癥診療三維動(dòng)畫(huà)部分內(nèi)容展示圖

4 借助膽石癥三維動(dòng)畫(huà)教學(xué)片進(jìn)行CBL教學(xué)實(shí)踐

選取住院醫(yī)師規(guī)范化培訓(xùn)輪轉(zhuǎn)至該科的學(xué)生12人，首先選擇一例主訴為進(jìn)油膩食物后右上腹疼痛1 d的病例作為CBL案例。讓學(xué)生圍繞病因、發(fā)病機(jī)制、診斷、鑒別診斷、查體手法、輔助檢查、治療方法的選擇、預(yù)防等方面進(jìn)行討論。其中1位學(xué)生將討論結(jié)果記錄下來(lái)。最后輔導(dǎo)教師將該視頻作為該次膽石癥CBL教學(xué)的補(bǔ)充和說(shuō)明進(jìn)行播放，同時(shí)配以教師講解。此結(jié)合三維動(dòng)畫(huà)的CBL教學(xué)方法與之前單純討論案例不配視頻的教學(xué)方法進(jìn)行比較。發(fā)放調(diào)查問(wèn)卷統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，結(jié)果如表1所示。

表1學(xué)生對(duì)結(jié)合三維動(dòng)畫(huà)的CBL教學(xué)法的看法n(%)

調(diào)查內(nèi)容 有很大幫助有幫助一般幫助不大或無(wú)幫助學(xué)習(xí)膽石癥知識(shí)10(83.3)2(16.7)0(0.0)0(0.0)提高學(xué)生探究和解決問(wèn)題的能力9(75.0)2(16.7)1(8.3)0(0.0)膽石癥教學(xué)內(nèi)容的記憶理解11(91.7)1(8.3)0(0.0)0(0.0)促進(jìn)學(xué)生的臨床思維能力8(66.7)2(16.7)2(16.7)0(0.0)促進(jìn)學(xué)生之間的交流與合作10(83.3)1(8.3)1(8.3)0(0.0)激發(fā)學(xué)生肝膽外科的興趣9(75.0)2(14.6)1(8.3)0(0.0)提高學(xué)生的三維空間想象能力10(83.3)2(16.7)0(0.0)0(0.0)提高學(xué)生批判性思維8(66.7)2(16.7)2(16.7)0(0.0)提高學(xué)生處理實(shí)際問(wèn)題的能力9(75.0)2(16.7)1(8.3)0(0.0)

5 討論

三維動(dòng)畫(huà)仿真技術(shù)能將肉眼無(wú)法看見(jiàn)、攝像機(jī)無(wú)法拍攝的人體內(nèi)部世界、細(xì)胞的微觀世界等，生動(dòng)、簡(jiǎn)明地呈現(xiàn)在學(xué)生面前,還可對(duì)各種手術(shù)方式進(jìn)行模擬展示。此技術(shù)已應(yīng)用于神經(jīng)外科、眼科、心臟外科、整形外科等領(lǐng)域。我們可以利用該項(xiàng)技術(shù)制作出膽道系統(tǒng)虛擬組織、器官模型，并將膽石癥的發(fā)病機(jī)制、病理改變、臨床表現(xiàn)、檢查方法、診斷及鑒別診斷、并發(fā)癥、治療方法、預(yù)后以及人群的健康教育等內(nèi)容，以形象、生動(dòng)的三維動(dòng)畫(huà)形式進(jìn)行展現(xiàn)，有利于醫(yī)學(xué)生的快速理解。而且動(dòng)畫(huà)視頻可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳播，其表現(xiàn)的直觀性、傳播的廣泛性是傳統(tǒng)紙質(zhì)圖文宣傳無(wú)法達(dá)到的，是普及膽石癥診治知識(shí)，提高教學(xué)效果的有效手段[6]。

CBL是以案例為基礎(chǔ)的教學(xué)方法，起源于古希臘、古羅馬時(shí)代的“啟發(fā)式問(wèn)答法”，是一種古老的教學(xué)方法。但直到1870年，哈佛大學(xué)的Christopher Colum- bus Langdell將其在法律教學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用后，才上升為系統(tǒng)的教學(xué)理論[7]。CBL教學(xué)法是臨床實(shí)習(xí)課中新嘗試的教學(xué)方式，該模式的理念為：“以學(xué)生為主體，以病例為基礎(chǔ)，以問(wèn)題為引導(dǎo)”。在Srinivasan M等[8]有關(guān)PBL 與CBL 的教學(xué)效果的比較研究中發(fā)現(xiàn)，CBL最大的優(yōu)勢(shì)就在于它能夠有效地利用時(shí)間[9-10]，減少了學(xué)生對(duì)不相關(guān)問(wèn)題的聚焦，縮短了學(xué)生在課外所花的時(shí)間，為學(xué)生提供了運(yùn)用臨床技能的機(jī)會(huì)[11]。

膽石癥CBL教學(xué)過(guò)程中，教師首先提出一例膽石癥病例，通過(guò)癥狀、體征讓學(xué)生討論出相應(yīng)的診斷和治療方法；再通過(guò)播放一例膽石癥患者就診過(guò)程，用三維動(dòng)畫(huà)仿真技術(shù)模擬膽道系統(tǒng)內(nèi)部細(xì)節(jié)、進(jìn)行情景再現(xiàn)，用虛擬建模、高速圖形顯示與圖像處理等技術(shù)將膽石成因、類(lèi)型、診斷、治療進(jìn)行可視化展示，最后進(jìn)行討論。使學(xué)生借助三維動(dòng)畫(huà)仿真技術(shù)通俗易懂的特點(diǎn)，快速了解膽石癥的相關(guān)知識(shí)，使枯燥的醫(yī)學(xué)知識(shí)變得生動(dòng)、形象。還模擬手術(shù)操作過(guò)程，實(shí)現(xiàn)了膽石癥診斷、治療方法的完整模擬仿真。經(jīng)過(guò)問(wèn)卷調(diào)查發(fā)現(xiàn)，這種新的教學(xué)資料有利于學(xué)生記憶理解能力的培養(yǎng)和思維能力的鍛煉，提高了空間想象能力，激發(fā)了學(xué)生對(duì)肝膽外科的興趣，達(dá)到了較好的教學(xué)效果。但是還存在一些不足之處，例如軟件目前僅為視頻動(dòng)畫(huà)，可以在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)醫(yī)學(xué)三維影像輔助工具，該工具可調(diào)用三維醫(yī)學(xué)動(dòng)畫(huà)部件庫(kù)中的實(shí)體模型，對(duì)人體器官模型進(jìn)行分離、結(jié)合、放大、測(cè)量、旋轉(zhuǎn)和重建等。通過(guò)制作引擎的調(diào)用和簡(jiǎn)易的調(diào)整便可進(jìn)行教學(xué)、科研應(yīng)用。