人体解剖结构数字3D互动教学模型制作技术初探

周　瑶，徐子魁

1黄冈职业技术学院医药卫生学院；2黄冈市中心医院影像科，湖北　黄冈　438000



人体解剖结构数字3D互动教学模型制作技术初探

周瑶1，徐子魁2

1黄冈职业技术学院医药卫生学院；2黄冈市中心医院影像科，湖北黄冈438000

【摘要】：目的探讨三维技术在《解剖学》教学中的应用及3D动画的制作方法。方法利用Autodesk123D Catch对人体结构图片进行3D建模，使用3DsMax软件对人体3D建模进行修改、渲染、灯光设置，构成人体三维结构或器官，并利用Unity设计交互操作界面，最终将3D结构呈现在电脑端或手机端。结果能实现制作出符合医学教学用途的解剖学3D数字模型，并在电脑端或手机端运行，方便教学。结论人体解剖结构3D教学模型制作可以在医学教学中进行应用并实践。

【关键词】：Autodesk 123D Catch；3DS Max；Unity；解剖学；教学

【DOI】：10.13566/j.cnki.cmet.cn61-1317/g4.201604011

目前，3D技术在游戏制作中的应用十分火爆，在医学教学中应用较少，但受到很多医学教学工作者的关注［1-3］。Innovation in Learning Inc.公司开发的Clini-Space医疗模拟培训平台（http：//www.clinispace.com/）在GameTech2011赢得特等奖，开创了医护3D虚拟仿真培训先例。《Complete Human Anatomy Primal 3d Interactive Series》和谷歌《Google Body Browser》也是目前做的最好的3D人体，后者更是Web3D制作的范例［4］。3D技术在未来医学教学中必将成为一种趋势［5-6］，医学教学机构有必要在这个项目上开动脑筋，开发出符合医学教学要求的3D人体教学软件。文章试图为此项目探索一种可行的解决方案。

1　准备工作

1.1人体器官或人体结构实物（或模型）标本的准备

根据教学要求，选择人体器官或人体结构实物（或模型），要求与实物相匹配，符合解剖结构和生理功能等的教学要求。比如：需要对某一骨骼结构进行3D建模，既可以用实物，也可以用骨骼模型。

1.2照相

选择无反光、背景颜色单一的环境，一侧光线固定且强烈，置标本于场地中央，尽量处悬空状态。使用相机对标本进行环周间隔10°～15°拍摄（如图1所示）。如果要表现上下面的视角，相机还须上下正弧移动拍摄。要认真对焦，且相机与标本的距离尽量一致。

图1　对标本进行环绕拍照

2　人体3D建模与渲染

人体解剖结构3D建模分为两个步骤，依赖于两个软件：Autodesk 123D Catch和3Ds Max。

2.1运用Autodesk 123D Catch进行云计算，得出初步建模

先安装并注册Autodesk 123D Catch软件；Autodesk 123D Catch是免费服务的，要求在线运行；选择好标本的照片后，进行上传，耐心等待下载结果（如图2所示）。

图2　运用 Autodesk 123D Catch 进行初级建模

该软件本身能生成.avi格式的影视文件，再用配音软件（如Adobe Audition，等）配音即可用于教学［7］。

如果对Autodesk 123D Catch生成的模型不够满意，可以导出.FBX格式，准备对3D建模进行修改。

2.2运用3DSMax软件进行修改、渲染等操作

3Ds Max软件是当前最为流行的一款3D建模软件，直观且操作易于上手［4］。打开3Ds Max后，导入Autodesk 123D Catch生成的.FBX文件，对多余或不满意的部位进行点、线、面的修改，如图3所示。

运用3Ds Max进行修改时，要结合实物标本或结合相关解剖部位的 MRI、CT［8］、尸体或解剖图谱调整位置。所获得的3D建模与实际人体的大小比例相仿，这样也方便相关器官的测量，有利于实际应用［9］或影像技术的教学［10-11］。

图3　运用 3Ds Max 对生成的建模进行修改

3Ds Max本身也可以制作动画，可根据教学要求和重点，设置摄像机的线路，生成.avi格式的动画，导入Powerpoint进行教学使用。

2.3材质和渲染

骨骼可以采用白乳胶漆材质，设置diffuse（漫反射）颜色为灰白色，reflection（反射）颜色为深灰色，将options（选项）下的trace reflection（跟踪反射）选项取消，hilight glossiness（高光光泽度）设为0.36，这样骨骼感觉与墙面有些类似。

3　运用Unity软件进行工程建设，实现互动

以上人体结构和场景完成后，导入unity4.x软件，通过unity软件新建工程，为制作的道具编写与之相应操作性能的脚本程序，并设计交互界面，达到互动的目的，使得操作者能根据要求，运用键盘和鼠标介入3D人体。比如：外科手术［12］，胃镜或肠镜的操作［13］，肿瘤部位形态等的模拟［14］，以及动脉瘤形态的模拟［15］，如图4所示。

图4　人体建模作为工程素材导入 unity 实现交互

也可以以第一人称形式，任意视角切入观察人体，这样须在摄像机上加载脚本，完全可以像游戏操作一样，运用键盘方向键或“WASD”键和鼠标控制观察者的角度和视野。［16］。

如果unity 4.x与目标平台Android集成，安装JDK （java development kit）和SDK（software development kit），生成apk安装包，也可以实现Android平台手机的互动应用。具体过程如下：

3.1教学功能及要求

首先要明确《解剖学》及临床应用教学要求，如要体现胃镜或肠镜通过的解剖部位和结构、胎儿娩出各部位和解剖关系、或穿刺针突破的组织结构，等。这些在临床及实物中无法透视的解剖关系，可以通过3D直观方式去解说，大大加强教学的直观性，有利于学生理解，快速掌握知识内容。如果制作出来的教学内容还要求学生通过与电脑的交互操作去“实践”，需要设计交互模式。

3.2策划及准备工作

策划要明确运行的平台是Windows系统还是Android版本，交互的操作方式是键盘+鼠标操作还是目前流行的触屏操作。准备工作包括按钮图片、声音资源、场景和解剖实物的.FBX文件。

3.3构架和操作界面

主菜单界面和子菜单界面及切换关系和内容等需要提前考虑设计。交互界面对象，如摄像机、光源、手术刀、胃（肠）镜镜头、病床或手术室场景，等，可参考临床实际工作场景，做出安排，考虑各物件的大小比例，真正模拟现实。也只有这样才能逼真，有良好的教学效果。

3.4菜单和脚本

项目的创建完全依赖unity 4.x软件，按要求导入准备的图片、声音资源、场景和解剖实物的FBX文件后，进入“MonoDevelop”编辑器，开发需要的功能脚本。unity 4.x软件可以使用的脚本开发语言包括Javascript、C#、Boo三种。前两种应用较为广泛，C#适合中高级程度人员，Javascript适合初学编程人员。以Javascript为例，编写脚本如下：

var Speed：float=5.0；//定义移动速度为5

var RotationSpeed：float=20.0；//定义转动速度为20

function Update（）｛

var translation：float=Input.GetAxis（"Vertical"）*Time.deltaTime*speed；//使用上下箭头或W、S控制前进后退；

var rotation：float=Input.GetAxis（"Horizontal"）*Time.deltaTime*rotationSpeed；//使用左右箭头或A、D控制左右转动

transform.Translate（translation，0，rotation）；｝

将脚本添加到如胃镜模型上，则胃镜就可以在键盘操作下“随意”移动，达到模拟临床医疗操作的目的［17-18］。

3.5导出与发布

完成后，即可向预计的平台进行发布，在Windows或Android上即可安装并运行。

这里仅为读者提供一个可行的解决方案，具体细节要根据教学需要进行更复杂的设计和构造。

参考文献

［1］李森，张力，卞亚红，等.虚拟现实技术在医学教育应用中的新进展［J］.中国医学教育技术，2012，26（3）：302-305

［2］刘旭，张鸿雁.虚拟现实技术在医学教育中的应用研究［J］.齐齐哈尔医学院学报，2011，32（14）：2312-2313

［3］张晗，李雪梅，吕青.浅谈医学教育中虚拟现实技术的应用发展［J］.中国高等医学教育，2010（5）：63-64

［4］郑润如.Web 3D技术在医学教学资源建设方面的应用研究［J］.中国医学教育技术，2003，17（3）：190-191

［5］孙圣坤，宋勇，徐阿祥，等.三维交互技术在压力性尿失禁手术教学中的应用［J］.中国医学教育技术，2014，（28）6：627-629

［6］胡俊华，田锦会.医学图像三维重建技术研究新进展［J］.中国科技信息，2013（11）：117

［7］印志鸿，张季.医学图像三维重建系统的关键技术研究与设计［J］.中国组织工程研究与临床康复，2010（43）：8036-8039

［8］韩成虎，韩成龙，丘文峰.CT图像三维重建系统的设计与实现［J］.现代计算机：专业版，2013（2）：54-57

［9］孙宇锋，房少梅，曾美萍，等.三维医学模型表面积和体积计算方法研究［J］.数学的实践与认识，2009（15）：79-82

［10］常兆凯，齐敏，李大健，等.基于医学图像的三维交互测量技术研究［J］.科学技术与工程，2011（3）：503-506，512

［11］金晓芳，卢秋群，吴怡，等.浅谈三维耳蜗医学动画制作及应用［J］.计算机时代，2014（10）：38-40，43

［12］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

［13］戴振晖，张煜，江贵平，等.虚拟大肠镜横跨式交互导航方法研究与应用［J］.计算机仿真，2010（10）：250-254

［14］黄叶子，管鹏，程琨.基于计算机的三维医学图像处理方法—图像分割技术［J］.宜宾学院学报，2008（12）：51-53

［15］王盛章，陈家亮，鲁刚，等.基于三维医学影像的脑动脉瘤内血液流动的数值模拟［J］.医用生物力学，2009（6）：418-426

［16］谭昕.三维医学动画视觉表现特质研究［J］.美术大观，2012（4）：136

［17］Unity Technologies.Unity 4.0从入门到精通［M］.北京：中国铁道出版社，2013：524-525

［18］吴亚峰，杜化美，于复兴.Unity游戏案例开发大全［M］.北京：人民邮电出版社，2015：1-20

【中图分类号】：G434

【文献标志码】：A

【文章编号】：1004-5287（2016）04-0405-03

收稿日期：2016-03-22

作者简介：周瑶（1973-），男，内蒙古托县人，副主任医师，本科，主要研究方向：医学教育、儿科医学。

Digital 3D interactive model making technology for human anatomy structure

Zhou Yao1，Xu Zikui2

1Medical and Health School，Huanggang Vocational and Technical College，Huanggang 438000；2Department of Radiology，Huanggang Central Hospital，Huanggang 438000，China

【Abstract】：ObjectiveTo discuss 3D technology applied in Anatomy teaching and the method of making 3D animation.MethodsWe used Autodesk 123D Catch to make 3D modeling of human body structure images，and used 3DS Max software in editing，rendering and lighting setting of the human body 3D modeling to constitute a 3D human structure or organ.Last we used the Unity design interactive interface to eventually present 3D structure on computers or mobile phones.ResultsWe have made 3D digital anatomic models that can meet needs for medical anatomy teaching and be run on computers or mobile phones，making them convenient for teaching.ConclusionThe 3D teaching model of human body structure can be applied in medical teaching and practice.

【Key words】：Autodesk 123D Catch；3DS Max；Unity；anatomy；teaching