3DsMax 9多边形建模在肾脏局部解剖教学中的应用

王 威,孙圣坤,张 磊,张 旭,王 斌

(解放军总医院:1泌尿外科;2电教中心,北京 100853)

3DsMax 9多边形建模在肾脏局部解剖教学中的应用

王 威1,孙圣坤1,张 磊1,张 旭1,王 斌2

(解放军总医院:1泌尿外科;2电教中心,北京 100853)

由于后腹腔位置较深,脏器毗邻关系复杂,是泌尿外科临床解剖教学中的难点。笔者应用 3DsMax多边形建模方法进行后腹腔肾脏局部解剖重建,并通过创建摄影机视图模拟不同途径的腹腔镜手术入路,有助于临床医师对不同视角下肾脏局部解剖的认识。

肾脏;局部解剖学;腹腔镜手术;3DsMax;多边形建模

3DsMax是世界上应用最广泛的三维建模、动画软件[1],在医学教学中也发挥着重要作用[2]。该文结合后腹腔脏器解剖重建,探讨了 3DsMax在肾脏局部解剖教学中的应用。

1 多边形建模

建模需要对所要制作的组织、器官十分熟悉,由于生物体器官形状不规则,通过简单的几何建模无法真实再现其外观结构。笔者主要采用 3DsMax多边形建模的方式制作肾脏模型。在制作时可以在视窗背景中加载图像,作为构建模型的参考图案。首先创建一个长方体,将其转换为可编辑多边形。根据参考图案并结合器官实际形态在各视图中调整多边形各顶点位置,完成肾脏模型重建 (如图 1所示)。同样方法进行肾上腺、肾动脉、肾静脉、下腔静脉、十二指肠等脏器建模。

图1 重建肾脏示意图

2 材质和贴图的应用

通过材质编辑器完成材质与贴图的建立和编辑,并且通过最后的渲染使物体表面显示出不同的质地、色彩和纹理。通过材质来增加模型的细节,体现模型的质感。在 3DsMax中巧用贴图技术能节省许多不必要的建模时间,达到事半功倍的效果。图2是赋予材质后经渲染的图片。

图2 重建肾脏及周围脏器 (冠状位视角)效果图

3 创建摄影机模拟不同途径的腹腔镜手术入路

3DsMax中的摄影机拥有超过现实摄影机的能力,能够清楚显示彼此之间的空间立体位置关系,快速更换镜头,对现实中不可能实现的角度进行观察、摄影,其具有的无极变焦功能更是真实摄影机无法比拟的。后腹腔结构建模完成后,我们在透视图中创建摄影机,制作动画,在动画中使模型旋转多个角度展示相应的解剖部位。技术关键在于合理掌握摄影机的旋转坐标和位置坐标以及表示不同观察视角的关键帧的设置。摄影机视图可以从任意角度观察,因此能很好地模拟腹腔镜观察视角,包括模拟传统的经后腹腔手术入路、经阴道或下消化道手术入路(如图 3所示)的观察视角。

4 渲染和动画的导出

图3 重建肾脏及周围脏器 (经下消化道入路视角)效果图

建好模型后,将动画以 avi格式渲染输出。根据需要可以用Macromedia Flash导入后进行修饰和标注,以提高动画效果。启动 FlashMX,将建立好的 avi格式文件导入到舞台,根据需要在 Flash中添加封面、文字、声音和动作按纽等构造交互课件,最后导出课件。

5 讨论

在泌尿外科临床解剖教学中,后腹腔位置较深、间隙较小且毗邻关系复杂,因此成为临床解剖教学中的难点。近年来,临床普遍开展的腹腔镜肾上腺切除、肾切除手术对肾脏的毗邻关系,特别是与周围大血管的关系提出了更高的要求[3]。现代泌尿外科腹腔镜技术需要从不同角度观察局部解剖,如新兴的经自然腔道进行腔镜手术需要经由人体的自然腔道,如口腔、肛门、阴道等,进入腹腔和后腹腔进行各种诊断和治疗[4]。因此,对后腹腔局部解剖的观察视角与传统手术入路观察视角明显不同,外科医师对这种角度内镜下所呈现的术野解剖难以习惯,甚至产生空间不适感[5]。如何帮助临床医师更快熟悉不同视角下的后腹腔解剖,尽快适应实际手术中的方位和视角,对临床教学提出了新的挑战。传统的局部解剖学习都以二维为主,很难解决这一问题。此外,临床解剖教学中存在手术中解剖范围受限、实物标本不足、制作及保存标本困难等诸多问题。

近年来,随着计算机图像技术的不断发展,三维重建技术在教学与科研中得到广泛运用,制作的三维模型可以 360°旋转,能够从各个角度观察,因此有着标本和图谱不可比拟的优点[6],为外科医师熟悉解剖提供了理想的工具。

生物体器官形状不规则,建模过程也相对比较复杂[7],实用的三维重建方法国内外报道较少。我们利用 3DsMax多边形建模功能,以三维虚拟实体的方式进行腹膜后肾脏局部解剖建模,将一些难以口头描述、难以想象的空间结构、难以理解的毗邻关系,方便、生动、形象地进行模拟,具有很强的真实感和临场感,便于医师对后腹腔各脏器空间关系的理解。

合理运用 3DsMax软件的摄影机技术,很大程度上会提高和改善3DsMax软件的拟实造型效果[8]。我们发现,摄影机视图可以很好地模拟腹腔镜手术观察视角,生动展示一些用语言描述过于抽象的解剖关系。3DsMax制作出的模型可以进行任意角度旋转,从任意角度观察,因此在模拟腹腔镜微创手术视角方面具有独特的优势。

综上所述,我们通过 3DsMax多边形建模重建了后腹腔肾脏的局部解剖,生动形象地展示了后腹腔的解剖形态和各脏器毗邻关系,并通过创建摄影机,模拟不同腹腔镜手术入路,从普通摄影机无法拍摄的角度展示后腹腔的解剖。摄影机视图能随心所欲地观察图像的各个侧面并对其自由旋转、放大,这种方法有助于发挥医师的空间想象力和临床经验,因此交互性很强。3DsMax多边形建模极大地弥补了临床解剖教学中实物标本的不足,解决了教学过程中过于抽象的问题的描述,在临床腹腔镜教学中具有较高的使用价值和推广意义。

[1]王琦.3Ds Max 9大风暴 [M].北京:人民邮电出版社,2007:1-2

[2]张跃龙,李冰.从人工授精动画的制作看 3DsMax在医学动画中的应用[J].中国医学教育技术,2005,19(3):219-222

[3]张旭.解剖性后腹腔镜肾上腺切除术的手术方法和技巧[J].临床泌尿外科杂志,2007,(8):561-564

[4]VonDelius S,MeiningA.Natural orifice transluminal endoscopic surgery(NOTES)[J].Endoscopy,2010,42(1):73-76

[5]朱宏毅,季福,李可为.经自然腔道腔镜手术 [J].中国现代普通外科进展,2008,11(6):464

[6]史政荣,熊秀,金家贵.三维重建技术在外科学教学中的应用[J].西南国防医药,2009,19(8):845-846

[7]李方正,刘春英,姜忠玲,等.3DsMax在动物解剖学中的应用[J].农业网络信息,2007,(2):26-28

[8]罗庆生,韩宝玲,陈文.3DsMax软件摄像机技术的应用研究[J].计算机应用与软件,2003,(10):29-30

Application of 3D sMax polygon modeli ng in renal local anatomy teaching

W ang W ei1,Sun Shengkun1,Zhang Lei1,Zhang Xu1,W ang B in2
(1Departm ent of U rology;2Audiovisual Education Center,PLA General Hospital,Beijing100853,China)

It remains a difficult point during teaching of local anatomy about the retroperitoneal space because it is deep and contains organs with complicated adjacency.Using the tool of 3Ds Max polygon modeling,we successfully constructed models of retroperitoneal renal anatomy.Establishing a camera in the scene can vividly mi mic the visual angles of different approaches of laparoscopic surgery,and help urologists gain a better understanding of local renal anatomy.

kidney;local anatomy;laparoscopic surgery;3DsMax;polygon modeling

G434

A

1004-5287(2011)01-0039-02

国家自然科学基金资助项目(30600613)

2010-09-25

王威 (1970-),男,北京人,主治医师,学士,主要研究方向:泌尿外科腹腔镜手术。

孙圣坤 (1972-),男 (满族),辽宁宽甸人,副主任医师,博士,主要研究方向:泌尿系疾病微创治疗。电话:13611196966;E-mail:shengkunsun@301hospital.com.cn