余 喜，章戰(zhàn)士

（南方醫(yī)科大學(xué) 教育技術(shù)中心，廣東 廣州 510515）

3D醫(yī)學(xué)動(dòng)畫(huà)部件庫(kù)及配套使用工具的研究與設(shè)計(jì)

余 喜，章戰(zhàn)士

（南方醫(yī)科大學(xué) 教育技術(shù)中心，廣東 廣州 510515）

本文在分析國(guó)內(nèi)外醫(yī)學(xué)動(dòng)畫(huà)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(jì)一個(gè)3D醫(yī)學(xué)動(dòng)畫(huà)部件庫(kù)。該3D醫(yī)學(xué)動(dòng)畫(huà)部件庫(kù)從解剖學(xué)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(jì)開(kāi)發(fā)醫(yī)學(xué)動(dòng)畫(huà)制作和使用的輔助工具，使用者可以方便地從部件庫(kù)中提取任何所需要的醫(yī)學(xué)模型進(jìn)行教學(xué)、科研應(yīng)用。本文給出了該3D醫(yī)學(xué)動(dòng)畫(huà)部件庫(kù)的設(shè)計(jì)思路、內(nèi)容框架和實(shí)現(xiàn)的技術(shù)方法。

3D；醫(yī)學(xué)動(dòng)畫(huà)；部件庫(kù)

一、醫(yī)學(xué)動(dòng)畫(huà)技術(shù)國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

動(dòng)畫(huà)能夠不受時(shí)間、空間、宏觀、微觀的限制，直觀地將真實(shí)世界中的各種事物、現(xiàn)象甚至動(dòng)作行為用動(dòng)態(tài)圖像的形態(tài)呈現(xiàn)出來(lái)。由于其具有效果逼真、圖像細(xì)膩、無(wú)損放大等諸多優(yōu)點(diǎn),目前被廣泛應(yīng)用于娛樂(lè)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(huà)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。[1]

在醫(yī)學(xué)教學(xué)上，動(dòng)畫(huà)技術(shù)能改變傳統(tǒng)的表現(xiàn)手法，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)在大家面前,使醫(yī)學(xué)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(xiàng)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(kāi)發(fā)提供參考，外科醫(yī)生和學(xué)生都可以通過(guò)數(shù)據(jù)眼鏡和數(shù)據(jù)手套在模型上進(jìn)行有觸感的手術(shù)練習(xí)和演習(xí)手術(shù)方案，大大減少了現(xiàn)實(shí)手術(shù)中病人創(chuàng)傷和事故風(fēng)險(xiǎn)；在科普教育中，可利用動(dòng)畫(huà)技術(shù)模擬仿真內(nèi)部細(xì)節(jié)、進(jìn)行情景再現(xiàn),動(dòng)畫(huà)技術(shù)可預(yù)示未來(lái)和通俗易懂的特點(diǎn)，使枯燥的醫(yī)學(xué)知識(shí)變得生動(dòng)形象。

在歐美國(guó)家，已有不少醫(yī)科高校采用仿真教學(xué)手段，例如美國(guó)國(guó)立衛(wèi)生研究院投資7百萬(wàn)美元,由紐約州的羅徹斯特大學(xué)及其技術(shù)學(xué)院的機(jī)械工程師、計(jì)算機(jī)專家和心臟病學(xué)專家們共同合作,利用3D動(dòng)畫(huà)技術(shù)和虛擬成像技術(shù)建立了一個(gè)人體心臟發(fā)育過(guò)程的三維立體模型，以實(shí)時(shí)顯示細(xì)胞生物和機(jī)械動(dòng)力對(duì)單個(gè)心臟細(xì)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(kāi)發(fā)方面，譬如虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)經(jīng)常被用來(lái)設(shè)計(jì)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(xué)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(xué)物質(zhì)相互作用的，這些先進(jìn)的儀器和技術(shù)大大加速了用于各種疾病的藥物開(kāi)發(fā)過(guò)程；在模擬手術(shù)環(huán)境方面，德國(guó)漢堡Eppendorf大學(xué)醫(yī)學(xué)院醫(yī)學(xué)數(shù)學(xué)和數(shù)據(jù)處理研究所甚至利用基于動(dòng)畫(huà)等多種技術(shù)發(fā)展起來(lái)的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)建立了一個(gè)“虛擬人”,學(xué)員可以任意選擇觀察視點(diǎn),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(cè)量器官或組織間的距離。[2]

在國(guó)內(nèi)，動(dòng)畫(huà)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(dǎo)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(xué)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(lái)說(shuō)3D醫(yī)學(xué)素材比較缺乏，沒(méi)有完整和科學(xué)的體系，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足醫(yī)學(xué)教育和研究對(duì)醫(yī)學(xué)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(xué)上的應(yīng)用 （推拿手法、力度的評(píng)定和計(jì)算以及糾正）、西醫(yī)的模擬手術(shù)環(huán)境方面等，二維動(dòng)畫(huà)和三維動(dòng)畫(huà)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用需求有巨大的空間，由此可見(jiàn)未來(lái)數(shù)年中此領(lǐng)域的發(fā)展將會(huì)日新月異。

二、3 D醫(yī)學(xué)部件庫(kù)的主要內(nèi)容和框架設(shè)計(jì)

基于動(dòng)畫(huà)技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域廣泛的應(yīng)用前景，我們利用三維動(dòng)畫(huà)技術(shù)與現(xiàn)代醫(yī)學(xué)結(jié)合，以學(xué)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(jì)出一個(gè)以可視定制對(duì)象為基礎(chǔ)的動(dòng)畫(huà)部件庫(kù)，從解剖學(xué)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(xué)教學(xué)及科研領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)各模型的系統(tǒng)化層次化，有效地組織成一個(gè)系統(tǒng)。在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)醫(yī)學(xué)動(dòng)畫(huà)制作和使用的輔助工具，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、人體器官等進(jìn)行分離、結(jié)合、放大、測(cè)量、旋轉(zhuǎn)、和重建等。使用者可以方便地從部件庫(kù)中提取任何所需要的醫(yī)學(xué)模型，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。[3]

我們?cè)O(shè)計(jì)的3D醫(yī)學(xué)部件庫(kù)主要包括三個(gè)方面的內(nèi)容：

1．制作和重建人體各器官和組織系統(tǒng)

運(yùn)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(dòng)漫制作新興技術(shù)建立大量的醫(yī)學(xué)類模型庫(kù)和原始素材。通過(guò)多個(gè)相鄰斷層CT圖像堆砌重建三維目標(biāo)，再現(xiàn)立體真實(shí)的醫(yī)學(xué)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(guó)人的實(shí)體模型為標(biāo)本，解決應(yīng)用國(guó)外3D人體模型時(shí)，與中國(guó)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(dǎo)致應(yīng)用困難和不準(zhǔn)確的問(wèn)題。[4]

重建的3D人體解剖系統(tǒng)，基本覆蓋醫(yī)學(xué)教學(xué)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(dú)創(chuàng)中醫(yī)穴位系統(tǒng)、各系統(tǒng)病癥庫(kù)兩個(gè)部分 。組織結(jié)構(gòu)如圖所示。[5]

2．實(shí)現(xiàn)各模型的系統(tǒng)化層次化，有效地組織成一個(gè)系統(tǒng)

對(duì)器官和組織的名稱、類型、描述以及結(jié)構(gòu)等解剖信息進(jìn)行合理的組織和存儲(chǔ)，將人體各器官的解剖、生理學(xué)、病理學(xué)的數(shù)學(xué)模型存在一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)中，不僅實(shí)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(zhǔn)確定位、三維測(cè)量數(shù)據(jù)和立體圖像建立對(duì)應(yīng)的關(guān)系，實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)隨意的調(diào)用，可以通過(guò)測(cè)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(cè)量器官或組織間的距離，實(shí)現(xiàn)用計(jì)算機(jī)來(lái)組合和拆分。

3．開(kāi)發(fā)基于部件庫(kù)的配套使用工具

建構(gòu)一個(gè)具有視頻交互界面的基于部件庫(kù)的動(dòng)畫(huà)應(yīng)用輔助工具。此工具建立起雙向交互式人機(jī)界面，可以簡(jiǎn)單方便地調(diào)用3D醫(yī)學(xué)部件庫(kù)中的醫(yī)學(xué)模型以及醫(yī)學(xué)道具庫(kù)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(shí)現(xiàn)可用計(jì)算機(jī)任意選擇觀察視點(diǎn),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(kāi)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(jué)強(qiáng)力反饋來(lái)感受到人體組織的不同質(zhì)感。學(xué)生應(yīng)用動(dòng)畫(huà)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(duì)器官結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維立體顯示。在虛擬解剖過(guò)程中如發(fā)生錯(cuò)誤操作可以返回糾正錯(cuò)誤，當(dāng)然也可以反復(fù)進(jìn)行復(fù)習(xí)和訓(xùn)練。此外還提供開(kāi)放式的接口，可以二次開(kāi)發(fā)利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)來(lái)進(jìn)行模擬手術(shù)，模擬器官發(fā)育和病變的過(guò)程、藥物作用后的變化等，來(lái)輔助診斷和治療。

三、3 D醫(yī)學(xué)部件庫(kù)實(shí)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(xué)教研室和附屬醫(yī)院，對(duì)解剖標(biāo)本庫(kù)的標(biāo)本模型進(jìn)行外部輪廓掃描，利用計(jì)算機(jī)圖形學(xué)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(guò)多個(gè)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(guò)對(duì)一系列的二維圖像進(jìn)行邊界識(shí)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(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。

2．庫(kù)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▽?duì)3D部件分系統(tǒng)、分層、分組、分包、分部件進(jìn)行組織和構(gòu)建3D模型庫(kù)。

（2）采用C#語(yǔ)言和數(shù)據(jù)庫(kù)開(kāi)發(fā)構(gòu)建庫(kù)環(huán)境，對(duì)各部件進(jìn)行復(fù)合編號(hào)，把模型節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)及編號(hào)寫(xiě)入數(shù)據(jù)庫(kù)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(kù)實(shí)現(xiàn)庫(kù)環(huán)境。

（3）開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)各類調(diào)度算法，為外部調(diào)用設(shè)計(jì)接口，使外部應(yīng)用程序按照所規(guī)定的方法和接口來(lái)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(xué)的應(yīng)用側(cè)重于講解和描述，采用.NET技術(shù)開(kāi)發(fā)C/S教學(xué)軟件，服務(wù)器端數(shù)據(jù)庫(kù)保存著3D醫(yī)學(xué)部件索引、配套文本、配套音頻?？蛻糗浖藢?shí)現(xiàn)對(duì)部件的瀏覽，按自定義方式瀏覽，如多層次、多角度的瀏覽，實(shí)現(xiàn)縮放、拖動(dòng)、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(kāi)發(fā)或制作，采用ASPX結(jié)合Virtools開(kāi)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(xué)部件庫(kù)及其配套使用工具的特色和創(chuàng)新之處

1．項(xiàng)目的特色

本項(xiàng)目所建部件庫(kù)分類齊全，模型覆蓋面廣，所有模型部件結(jié)構(gòu)機(jī)理數(shù)據(jù)均來(lái)自實(shí)物掃描，和醫(yī)用工具與醫(yī)學(xué)方面的CAT（計(jì)算機(jī)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(qiáng)的針對(duì)性，為同類應(yīng)用提供了良好的原始資源。

2．項(xiàng)目的創(chuàng)新之處

（1）3D人體解剖模型庫(kù)覆蓋整個(gè)解剖學(xué)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(wèn)及教學(xué)科研角度進(jìn)行庫(kù)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(dú)創(chuàng)便捷有效的配套應(yīng)用工具：專門針對(duì)醫(yī)學(xué)教學(xué)及科研開(kāi)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(dòng)畫(huà)在醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用[J].電腦知識(shí)與技術(shù),2008,3(4):792-793.

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

[3]唐忠.醫(yī)學(xué)手術(shù)仿真教學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].桂林工學(xué)院學(xué)報(bào),2009,29(3):390-394.

[4](美)費(fèi)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(shí)技術(shù)在人體解剖學(xué)教學(xué)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