3D医学动画部件库及配套使用工具的研究与设计

余 喜，章战士

（南方医科大学 教育技术中心，广东 广州 510515）

3D医学动画部件库及配套使用工具的研究与设计

余 喜，章战士

（南方医科大学 教育技术中心，广东 广州 510515）

本文在分析国内外医学动画技术应用的基础上，提出利用二维/三维仿真技术研究设计一个3D医学动画部件库。该3D医学动画部件库从解剖学角度重建人体各器官及组织系统的三维数字模型，在此基础上设计开发医学动画制作和使用的辅助工具，使用者可以方便地从部件库中提取任何所需要的医学模型进行教学、科研应用。本文给出了该3D医学动画部件库的设计思路、内容框架和实现的技术方法。

3D；医学动画；部件库

一、医学动画技术国内外研究现状

动画能够不受时间、空间、宏观、微观的限制，直观地将真实世界中的各种事物、现象甚至动作行为用动态图像的形态呈现出来。由于其具有效果逼真、图像细腻、无损放大等诸多优点,目前被广泛应用于娱乐界、机械制造、建筑、军事和医学等诸多领域。在医学方面，动画提供的形象而逼真的模型,在医学教学、医学研究、医疗诊断以及医学科普健康教育中均具有广泛的应用前景。[1]

在医学教学上，动画技术能改变传统的表现手法，将肉眼无法看见、摄像机无法拍摄的人体内部世界、细胞的微观世界等，生动、简明地呈现在大家面前,使医学教育空前的高效和完善；在外科手术中我们则可以利用该项技术制作出虚拟人体器官模型，为疾病诊断和新医疗手段的开发提供参考，外科医生和学生都可以通过数据眼镜和数据手套在模型上进行有触感的手术练习和演习手术方案，大大减少了现实手术中病人创伤和事故风险；在科普教育中，可利用动画技术模拟仿真内部细节、进行情景再现,动画技术可预示未来和通俗易懂的特点，使枯燥的医学知识变得生动形象。

在欧美国家，已有不少医科高校采用仿真教学手段，例如美国国立卫生研究院投资7百万美元,由纽约州的罗彻斯特大学及其技术学院的机械工程师、计算机专家和心脏病学专家们共同合作,利用3D动画技术和虚拟成像技术建立了一个人体心脏发育过程的三维立体模型，以实时显示细胞生物和机械动力对单个心脏细胞的影响。这样可以帮助医生了解、探索纠正心脏缺陷的方法；在药物开发方面，譬如虚拟现实技术经常被用来设计各种合成药物，其应用范围包括从建立合成药物的分子结构模型到各种医学模拟。可以使研究人员看到或感受到一种药物分子是如何与其他生物化学物质相互作用的，这些先进的仪器和技术大大加速了用于各种疾病的药物开发过程；在模拟手术环境方面，德国汉堡Eppendorf大学医学院医学数学和数据处理研究所甚至利用基于动画等多种技术发展起来的虚拟现实技术建立了一个“虚拟人”,学员可以任意选择观察视点,做内窥镜观察和立体观察，也可以任意模拟解剖、手术和穿刺，模拟放射成像，得到任意器官和组织的名称、类型、描述以及结构等解剖信息，还可以测量器官或组织间的距离。[2]

在国内，动画产业则起步较晚，由于技术门槛及设备成本偏高，导致应用面不广。在众多领域，虚拟仿真技术的应用尚处空白。在医学教育领域，目前能找到一些比较零散的解剖3D模型，但总的来说3D医学素材比较缺乏，没有完整和科学的体系，远远不能满足医学教育和研究对医学3D模型的需要，在模拟手术上更是空白。在中医方面如人体关节的有关研究、穴位的确定、穴位和推拿在教学上的应用 （推拿手法、力度的评定和计算以及纠正）、西医的模拟手术环境方面等，二维动画和三维动画虚拟现实技术的应用需求有巨大的空间，由此可见未来数年中此领域的发展将会日新月异。

二、3 D医学部件库的主要内容和框架设计

基于动画技术在医学领域广泛的应用前景，我们利用三维动画技术与现代医学结合，以学校、医院及企业为依托，利用二维/三维仿真技术研究设计出一个以可视定制对象为基础的动画部件库，从解剖学角度制作和重建人体各器官及组织系统，基本覆盖医学教学及科研领域，实现各模型的系统化层次化，有效地组织成一个系统。在此基础上设计开发医学动画制作和使用的辅助工具，该工具可调用三维医学动画部件库中的实体模型、人体器官等进行分离、结合、放大、测量、旋转、和重建等。使用者可以方便地从部件库中提取任何所需要的医学模型，通过制作引擎的调用和简易的调整便可进行教学、科研应用。[3]

我们设计的3D医学部件库主要包括三个方面的内容：

1．制作和重建人体各器官和组织系统

运用三维数字扫描技术、VR虚拟仿真技术、三维数字重建等现代化动漫制作新兴技术建立大量的医学类模型库和原始素材。通过多个相邻断层CT图像堆砌重建三维目标，再现立体真实的医学类的器官和身体组织结构，以及病症模型。模型全部以中国人的实体模型为标本，解决应用国外3D人体模型时，与中国人的身体结构特征不一致，且缺少中医穴位、针灸等方面的资料，而导致应用困难和不准确的问题。[4]

重建的3D人体解剖系统，基本覆盖医学教学及科研领域，包括：表皮系统、骨络系统、肌肉系统、循环系统、消化系统、呼吸系统、内分泌系统、泌尿系统、生殖系统、神经系统、感官系统，还独创中医穴位系统、各系统病症库两个部分 。组织结构如图所示。[5]

2．实现各模型的系统化层次化，有效地组织成一个系统

对器官和组织的名称、类型、描述以及结构等解剖信息进行合理的组织和存储，将人体各器官的解剖、生理学、病理学的数学模型存在一个数据库中，不仅实现解剖器官的三维立体图像显示，还能将器官或结构在人体空间中的准确定位、三维测量数据和立体图像建立对应的关系，实现计算机随意的调用，可以通过测量、旋转、解剖等操作更加形象、逼真地全面了解人体各解剖结构的内部构造与功能，还可以测量器官或组织间的距离，实现用计算机来组合和拆分。

3．开发基于部件库的配套使用工具

建构一个具有视频交互界面的基于部件库的动画应用辅助工具。此工具建立起双向交互式人机界面，可以简单方便地调用3D医学部件库中的医学模型以及医学道具库中的医疗设备，倒置、隐藏、放大、透明化随意地拆分和组合，实现可用计算机任意选择观察视点,做内窥镜观察和立体观察调用，还可以将病人的各种病变部位分开或合在一起观察病变情况。可以用虚拟手术器械解剖虚拟尸体，并利用操纵杆、手套和其他设备的触觉强力反馈来感受到人体组织的不同质感。学生应用动画技术可以在血管、气管中或在心室间漫游，还可以应用虚拟内窥镜对器官结构进行三维立体显示。在虚拟解剖过程中如发生错误操作可以返回纠正错误，当然也可以反复进行复习和训练。此外还提供开放式的接口，可以二次开发利用虚拟现实技术来进行模拟手术，模拟器官发育和病变的过程、药物作用后的变化等，来辅助诊断和治疗。

三、3 D医学部件库实现方法和技术路线

1．部件制作的研究方法及技术路线

（1）采用3D模型扫描设备，联合解剖学教研室和附属医院，对解剖标本库的标本模型进行外部轮廓扫描，利用计算机图形学多边形绘制技术,借助于图形硬件加速的支持,重建表面特征明显的组织和器官的表面图像。

（2）联合附属医院，采用CT及3D彩色CT断层扫描技术获得模型（包括组织系统及病症）的原始数据，通过多个相邻断层堆砌重建器官和组织系统的内部组织模型，通过对一系列的二维图像进行边界识别等分割处理,重新还原出被检物体的三维图像。[3]

（3）采用3DMAX软件结合VRML和Java3d技术实现密度投影，模拟出器官和组织系统完整的三维效果。此项技术处理生成的三维图像足够清晰,可以在一定程度上替代实物模型。

2．库的建立及组织的研究方法及技术路线

（1）根据面向对象研究方法对3D部件分系统、分层、分组、分包、分部件进行组织和构建3D模型库。

（2）采用C#语言和数据库开发构建库环境，对各部件进行复合编号，把模型节点坐标及编号写入数据库为各种应用程序调用提供索引基础，用.NET加数据库实现库环境。

（3）开发设计各类调度算法，为外部调用设计接口，使外部应用程序按照所规定的方法和接口来调用，用算法及接口为外部程序提供服务。

3．配套工具的研究方法及技术路线

（1）教学的应用侧重于讲解和描述，采用.NET技术开发C/S教学软件，服务器端数据库保存着3D医学部件索引、配套文本、配套音频。客户软件端实现对部件的浏览，按自定义方式浏览，如多层次、多角度的浏览，实现缩放、拖动、隐藏、聚焦定位、朗读、文本注释等功能。

（2）科研的应用侧重于调度后的二次开发或制作，采用ASPX结合Virtools开发Web服务网站，提供部件检索、部件预览、部件下载等服务。为科研领域中的模型重构、视频制作提供良好的支撑。

四、3 D医学部件库及其配套使用工具的特色和创新之处

1．项目的特色

本项目所建部件库分类齐全，模型覆盖面广，所有模型部件结构机理数据均来自实物扫描，和医用工具与医学方面的CAT（计算机轴向层析X射线摄影）或MRI（磁共振成像）生成的二维图像与体视图像，还原度高，精确度高。且具有较强的针对性，为同类应用提供了良好的原始资源。

2．项目的创新之处

（1）3D人体解剖模型库覆盖整个解剖学领域，还包括中医穴位、各系统病症表现。

（2）根据人的思维访问及教学科研角度进行库组织，采用面向对象构建，具备良好的接口和作业调度算法。

（3）独创便捷有效的配套应用工具：专门针对医学教学及科研开发的配套应用工具，使得应用表现不再松散和凌乱，大大提高了3D模型的可用度和应用深度。

[1]唐忠.动画在医学中的应用[J].电脑知识与技术,2008,3(4):792-793.

[2]宋晓瑞,曹慧,张艳,刘萍.虚拟现实技术在医学中的应用[J].山东科学,2009,22(6):79-82.

[3]唐忠.医学手术仿真教学系统的设计与实现[J].桂林工学院学报,2009,29(3):390-394.

[4](美)费尔腾等著,崔益群主译.奈特人体神经解剖彩色图谱[M].北京:人民卫生出版社,2006.

[5]单锦露,张绍祥,谭立文.虚拟现实技术在人体解剖学教学中的应用[EB/OL].http://www.3dbody.cn/bbs/viewthread.php?tid=73&extra=page%3D1，2010-3-10.

（编辑：金冉）

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1673-8454(2011)13-0054-03