周　瑤，徐子魁

1黃岡職業(yè)技術(shù)學(xué)院醫(yī)藥衛(wèi)生學(xué)院；2黃岡市中心醫(yī)院影像科，湖北　黃岡　438000

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人體解剖結(jié)構(gòu)數(shù)字3D互動(dòng)教學(xué)模型制作技術(shù)初探

周瑤1，徐子魁2

1黃岡職業(yè)技術(shù)學(xué)院醫(yī)藥衛(wèi)生學(xué)院；2黃岡市中心醫(yī)院影像科，湖北黃岡438000

【摘要】：目的探討三維技術(shù)在《解剖學(xué)》教學(xué)中的應(yīng)用及3D動(dòng)畫(huà)的制作方法。方法利用Autodesk123D Catch對(duì)人體結(jié)構(gòu)圖片進(jìn)行3D建模，使用3DsMax軟件對(duì)人體3D建模進(jìn)行修改、渲染、燈光設(shè)置，構(gòu)成人體三維結(jié)構(gòu)或器官，并利用Unity設(shè)計(jì)交互操作界面，最終將3D結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)在電腦端或手機(jī)端。結(jié)果能實(shí)現(xiàn)制作出符合醫(yī)學(xué)教學(xué)用途的解剖學(xué)3D數(shù)字模型，并在電腦端或手機(jī)端運(yùn)行，方便教學(xué)。結(jié)論人體解剖結(jié)構(gòu)3D教學(xué)模型制作可以在醫(yī)學(xué)教學(xué)中進(jìn)行應(yīng)用并實(shí)踐。

【關(guān)鍵詞】：Autodesk 123D Catch；3DS Max；Unity；解剖學(xué)；教學(xué)

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

目前，3D技術(shù)在游戲制作中的應(yīng)用十分火爆，在醫(yī)學(xué)教學(xué)中應(yīng)用較少，但受到很多醫(yī)學(xué)教學(xué)工作者的關(guān)注［1-3］。Innovation in Learning Inc.公司開(kāi)發(fā)的Clini-Space醫(yī)療模擬培訓(xùn)平臺(tái)（http：//www.clinispace.com/）在GameTech2011贏得特等獎(jiǎng)，開(kāi)創(chuàng)了醫(yī)護(hù)3D虛擬仿真培訓(xùn)先例?！禖omplete Human Anatomy Primal 3d Interactive Series》和谷歌《Google Body Browser》也是目前做的最好的3D人體，后者更是Web3D制作的范例［4］。3D技術(shù)在未來(lái)醫(yī)學(xué)教學(xué)中必將成為一種趨勢(shì)［5-6］，醫(yī)學(xué)教學(xué)機(jī)構(gòu)有必要在這個(gè)項(xiàng)目上開(kāi)動(dòng)腦筋，開(kāi)發(fā)出符合醫(yī)學(xué)教學(xué)要求的3D人體教學(xué)軟件。文章試圖為此項(xiàng)目探索一種可行的解決方案。

1　準(zhǔn)備工作

1.1人體器官或人體結(jié)構(gòu)實(shí)物（或模型）標(biāo)本的準(zhǔn)備

根據(jù)教學(xué)要求，選擇人體器官或人體結(jié)構(gòu)實(shí)物（或模型），要求與實(shí)物相匹配，符合解剖結(jié)構(gòu)和生理功能等的教學(xué)要求。比如：需要對(duì)某一骨骼結(jié)構(gòu)進(jìn)行3D建模，既可以用實(shí)物，也可以用骨骼模型。

1.2照相

選擇無(wú)反光、背景顏色單一的環(huán)境，一側(cè)光線(xiàn)固定且強(qiáng)烈，置標(biāo)本于場(chǎng)地中央，盡量處懸空狀態(tài)。使用相機(jī)對(duì)標(biāo)本進(jìn)行環(huán)周間隔10°～15°拍攝（如圖1所示）。如果要表現(xiàn)上下面的視角，相機(jī)還須上下正弧移動(dòng)拍攝。要認(rèn)真對(duì)焦，且相機(jī)與標(biāo)本的距離盡量一致。

圖1　對(duì)標(biāo)本進(jìn)行環(huán)繞拍照

2　人體3D建模與渲染

人體解剖結(jié)構(gòu)3D建模分為兩個(gè)步驟，依賴(lài)于兩個(gè)軟件：Autodesk 123D Catch和3Ds Max。

2.1運(yùn)用Autodesk 123D Catch進(jìn)行云計(jì)算，得出初步建模

先安裝并注冊(cè)Autodesk 123D Catch軟件；Autodesk 123D Catch是免費(fèi)服務(wù)的，要求在線(xiàn)運(yùn)行；選擇好標(biāo)本的照片后，進(jìn)行上傳，耐心等待下載結(jié)果（如圖2所示）。

圖2　運(yùn)用 Autodesk 123D Catch 進(jìn)行初級(jí)建模

該軟件本身能生成.avi格式的影視文件，再用配音軟件（如Adobe Audition，等）配音即可用于教學(xué)［7］。

如果對(duì)Autodesk 123D Catch生成的模型不夠滿(mǎn)意，可以導(dǎo)出.FBX格式，準(zhǔn)備對(duì)3D建模進(jìn)行修改。

2.2運(yùn)用3DSMax軟件進(jìn)行修改、渲染等操作

3Ds Max軟件是當(dāng)前最為流行的一款3D建模軟件，直觀且操作易于上手［4］。打開(kāi)3Ds Max后，導(dǎo)入Autodesk 123D Catch生成的.FBX文件，對(duì)多余或不滿(mǎn)意的部位進(jìn)行點(diǎn)、線(xiàn)、面的修改，如圖3所示。

運(yùn)用3Ds Max進(jìn)行修改時(shí)，要結(jié)合實(shí)物標(biāo)本或結(jié)合相關(guān)解剖部位的 MRI、CT［8］、尸體或解剖圖譜調(diào)整位置。所獲得的3D建模與實(shí)際人體的大小比例相仿，這樣也方便相關(guān)器官的測(cè)量，有利于實(shí)際應(yīng)用［9］或影像技術(shù)的教學(xué)［10-11］。

圖3　運(yùn)用 3Ds Max 對(duì)生成的建模進(jìn)行修改

3Ds Max本身也可以制作動(dòng)畫(huà)，可根據(jù)教學(xué)要求和重點(diǎn)，設(shè)置攝像機(jī)的線(xiàn)路，生成.avi格式的動(dòng)畫(huà)，導(dǎo)入Powerpoint進(jìn)行教學(xué)使用。

2.3材質(zhì)和渲染

骨骼可以采用白乳膠漆材質(zhì)，設(shè)置diffuse（漫反射）顏色為灰白色，reflection（反射）顏色為深灰色，將options（選項(xiàng)）下的trace reflection（跟蹤反射）選項(xiàng)取消，hilight glossiness（高光光澤度）設(shè)為0.36，這樣骨骼感覺(jué)與墻面有些類(lèi)似。

3　運(yùn)用Unity軟件進(jìn)行工程建設(shè)，實(shí)現(xiàn)互動(dòng)

以上人體結(jié)構(gòu)和場(chǎng)景完成后，導(dǎo)入unity4.x軟件，通過(guò)unity軟件新建工程，為制作的道具編寫(xiě)與之相應(yīng)操作性能的腳本程序，并設(shè)計(jì)交互界面，達(dá)到互動(dòng)的目的，使得操作者能根據(jù)要求，運(yùn)用鍵盤(pán)和鼠標(biāo)介入3D人體。比如：外科手術(shù)［12］，胃鏡或腸鏡的操作［13］，腫瘤部位形態(tài)等的模擬［14］，以及動(dòng)脈瘤形態(tài)的模擬［15］，如圖4所示。

圖4　人體建模作為工程素材導(dǎo)入 unity 實(shí)現(xiàn)交互

也可以以第一人稱(chēng)形式，任意視角切入觀察人體，這樣須在攝像機(jī)上加載腳本，完全可以像游戲操作一樣，運(yùn)用鍵盤(pán)方向鍵或“WASD”鍵和鼠標(biāo)控制觀察者的角度和視野。［16］。

如果unity 4.x與目標(biāo)平臺(tái)Android集成，安裝JDK （java development kit）和SDK（software development kit），生成apk安裝包，也可以實(shí)現(xiàn)Android平臺(tái)手機(jī)的互動(dòng)應(yīng)用。具體過(guò)程如下：

3.1教學(xué)功能及要求

首先要明確《解剖學(xué)》及臨床應(yīng)用教學(xué)要求，如要體現(xiàn)胃鏡或腸鏡通過(guò)的解剖部位和結(jié)構(gòu)、胎兒娩出各部位和解剖關(guān)系、或穿刺針突破的組織結(jié)構(gòu)，等。這些在臨床及實(shí)物中無(wú)法透視的解剖關(guān)系，可以通過(guò)3D直觀方式去解說(shuō)，大大加強(qiáng)教學(xué)的直觀性，有利于學(xué)生理解，快速掌握知識(shí)內(nèi)容。如果制作出來(lái)的教學(xué)內(nèi)容還要求學(xué)生通過(guò)與電腦的交互操作去“實(shí)踐”，需要設(shè)計(jì)交互模式。

3.2策劃及準(zhǔn)備工作

策劃要明確運(yùn)行的平臺(tái)是Windows系統(tǒng)還是Android版本，交互的操作方式是鍵盤(pán)+鼠標(biāo)操作還是目前流行的觸屏操作。準(zhǔn)備工作包括按鈕圖片、聲音資源、場(chǎng)景和解剖實(shí)物的.FBX文件。

3.3構(gòu)架和操作界面

主菜單界面和子菜單界面及切換關(guān)系和內(nèi)容等需要提前考慮設(shè)計(jì)。交互界面對(duì)象，如攝像機(jī)、光源、手術(shù)刀、胃（腸）鏡鏡頭、病床或手術(shù)室場(chǎng)景，等，可參考臨床實(shí)際工作場(chǎng)景，做出安排，考慮各物件的大小比例，真正模擬現(xiàn)實(shí)。也只有這樣才能逼真，有良好的教學(xué)效果。

3.4菜單和腳本

項(xiàng)目的創(chuàng)建完全依賴(lài)unity 4.x軟件，按要求導(dǎo)入準(zhǔn)備的圖片、聲音資源、場(chǎng)景和解剖實(shí)物的FBX文件后，進(jìn)入“MonoDevelop”編輯器，開(kāi)發(fā)需要的功能腳本。unity 4.x軟件可以使用的腳本開(kāi)發(fā)語(yǔ)言包括Javascript、C#、Boo三種。前兩種應(yīng)用較為廣泛，C#適合中高級(jí)程度人員，Javascript適合初學(xué)編程人員。以Javascript為例，編寫(xiě)腳本如下：

var Speed：float=5.0；//定義移動(dòng)速度為5

var RotationSpeed：float=20.0；//定義轉(zhuǎn)動(dòng)速度為20

function Update（）｛

var translation：float=Input.GetAxis（"Vertical"）*Time.deltaTime*speed；//使用上下箭頭或W、S控制前進(jìn)后退；

var rotation：float=Input.GetAxis（"Horizontal"）*Time.deltaTime*rotationSpeed；//使用左右箭頭或A、D控制左右轉(zhuǎn)動(dòng)

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

將腳本添加到如胃鏡模型上，則胃鏡就可以在鍵盤(pán)操作下“隨意”移動(dòng)，達(dá)到模擬臨床醫(yī)療操作的目的［17-18］。

3.5導(dǎo)出與發(fā)布

完成后，即可向預(yù)計(jì)的平臺(tái)進(jìn)行發(fā)布，在Windows或Android上即可安裝并運(yùn)行。

這里僅為讀者提供一個(gè)可行的解決方案，具體細(xì)節(jié)要根據(jù)教學(xué)需要進(jìn)行更復(fù)雜的設(shè)計(jì)和構(gòu)造。

參考文獻(xiàn)

［1］李森，張力，卞亞紅，等.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在醫(yī)學(xué)教育應(yīng)用中的新進(jìn)展［J］.中國(guó)醫(yī)學(xué)教育技術(shù)，2012，26（3）：302-305

［2］劉旭，張鴻雁.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在醫(yī)學(xué)教育中的應(yīng)用研究［J］.齊齊哈爾醫(yī)學(xué)院學(xué)報(bào)，2011，32（14）：2312-2313

［3］張晗，李雪梅，呂青.淺談醫(yī)學(xué)教育中虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用發(fā)展［J］.中國(guó)高等醫(yī)學(xué)教育，2010（5）：63-64

［4］鄭潤(rùn)如.Web 3D技術(shù)在醫(yī)學(xué)教學(xué)資源建設(shè)方面的應(yīng)用研究［J］.中國(guó)醫(yī)學(xué)教育技術(shù)，2003，17（3）：190-191

［5］孫圣坤，宋勇，徐阿祥，等.三維交互技術(shù)在壓力性尿失禁手術(shù)教學(xué)中的應(yīng)用［J］.中國(guó)醫(yī)學(xué)教育技術(shù)，2014，（28）6：627-629

［6］胡俊華，田錦會(huì).醫(yī)學(xué)圖像三維重建技術(shù)研究新進(jìn)展［J］.中國(guó)科技信息，2013（11）：117

［7］印志鴻，張季.醫(yī)學(xué)圖像三維重建系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)研究與設(shè)計(jì)［J］.中國(guó)組織工程研究與臨床康復(fù)，2010（43）：8036-8039

［8］韓成虎，韓成龍，丘文峰.CT圖像三維重建系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.現(xiàn)代計(jì)算機(jī)：專(zhuān)業(yè)版，2013（2）：54-57

［9］孫宇鋒，房少梅，曾美萍，等.三維醫(yī)學(xué)模型表面積和體積計(jì)算方法研究［J］.數(shù)學(xué)的實(shí)踐與認(rèn)識(shí)，2009（15）：79-82

［10］常兆凱，齊敏，李大健，等.基于醫(yī)學(xué)圖像的三維交互測(cè)量技術(shù)研究［J］.科學(xué)技術(shù)與工程，2011（3）：503-506，512

［11］金曉芳，盧秋群，吳怡，等.淺談三維耳蝸醫(yī)學(xué)動(dòng)畫(huà)制作及應(yīng)用［J］.計(jì)算機(jī)時(shí)代，2014（10）：38-40，43

［12］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

［13］戴振暉，張煜，江貴平，等.虛擬大腸鏡橫跨式交互導(dǎo)航方法研究與應(yīng)用［J］.計(jì)算機(jī)仿真，2010（10）：250-254

［14］黃葉子，管鵬，程琨.基于計(jì)算機(jī)的三維醫(yī)學(xué)圖像處理方法—圖像分割技術(shù)［J］.宜賓學(xué)院學(xué)報(bào)，2008（12）：51-53

［15］王盛章，陳家亮，魯剛，等.基于三維醫(yī)學(xué)影像的腦動(dòng)脈瘤內(nèi)血液流動(dòng)的數(shù)值模擬［J］.醫(yī)用生物力學(xué)，2009（6）：418-426

［16］譚昕.三維醫(yī)學(xué)動(dòng)畫(huà)視覺(jué)表現(xiàn)特質(zhì)研究［J］.美術(shù)大觀，2012（4）：136

［17］Unity Technologies.Unity 4.0從入門(mén)到精通［M］.北京：中國(guó)鐵道出版社，2013：524-525

［18］吳亞峰，杜化美，于復(fù)興.Unity游戲案例開(kāi)發(fā)大全［M］.北京：人民郵電出版社，2015：1-20

【中圖分類(lèi)號(hào)】：G434

【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】：A

【文章編號(hào)】：1004-5287（2016）04-0405-03

收稿日期：2016-03-22

作者簡(jiǎn)介：周瑤（1973-），男，內(nèi)蒙古托縣人，副主任醫(yī)師，本科，主要研究方向：醫(yī)學(xué)教育、兒科醫(yī)學(xué)。

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