淺談三維耳蝸醫學動畫制作及應用

金曉芳 盧秋群 吳怡 王力巖 易巾萍 葉含笑

摘 要： 為精確顯示耳蝸的結構和功能，提供耳蝸的三維參數，進一步幫助人們認識耳蝸這一特殊結構，采用3DMAX技術，結合現有的二維耳蝸分割技術，通過虛擬化的三維場景重建耳蝸動態效果。將多維子對象材質、mental ray渲染器和高級動畫結合，直觀立體地表達了耳蝸在醫學范疇的難點。通過三維耳蝸醫學動畫展示，形成可視化、可交互效果。將三維醫學動畫應用于教學和臨床更容易被學生所理解和接受。三維耳蝸醫學動畫案例教學在幫助學生、老師和醫生準確掌握耳蝸解剖結構的同時，達到了學科交叉和多學科技術融合的目的，在教學工作中有著深遠的意義和廣闊的應用前景。

關鍵詞： 3DMAX技術； 三維醫學動畫； 耳蝸； 案例教學

中圖分類號：TP317.4 文獻標志碼：A 文章編號：1006-8228（2014）10-38-03

Introduction to three-dimensional cochlear medical animation production and application

Jin Xiaofang， Lu Qiuqun， Wu Yi， Wang Liyan， Yi Jinping， Ye Hanxiao

（Zhejiang Chinese Medical University， Hangzhou， Zhejiang 310053， China）

Abstract： In order to display the structure and function of the cochlea accurately and provide three-dimensional parameters of the cochlea， further helping people to understand the cochlea， by adopting the technology of 3DMAX， combining the existing two-dimensional cochlea segmentation technology， cochlear dynamic 3D scene is reconstructed through virtualization. Multi-dimensional subobject material， getting ray renderer and advanced animation are integrated to intuitively show the difficulty of cochlear in medical category. Through three-dimensional cochlear medical animation display， the visual， interactive effect is created. The results show that applying the three-dimensional medical animation to clinical work will make it easy for students to understood and accept. It helps students， teachers and doctors accurately master the cochlear anatomical structure， achieves the purpose of interdisciplinary and multidisciplinary technology integration， which has a profound significance and broad application prospects.

Key words： the technology of 3DMAX； three-dimensional； medical； animation； the cochlea； case-based teaching

0 引言

位于顳骨中的耳蝸是一個螺旋狀的骨蝸管。耳蝸的研究對臨床應用和神經放射學研究等具有重要的價值。人們對于耳蝸的研究都是基于傳統的二維組織切片，雖然取得了豐碩的成果，但未能提供耳蝸的三維直觀顯示和三維參數。隨著計算機硬件的不斷升級，以及圖形圖像工具軟件的更新換代，二維耳蝸圖像無法呈現耳蝸真實、復雜的空間構筑，無法形象展示三維耳蝸解剖結構和三維耳蝸動態功能，使得學生較難理解三維耳蝸工作原理，但是這可在三維耳蝸可視化屏幕上得以實現。

自20世紀80年代開始，國內外相繼出現了醫學三維重建的報道[1]。90年代起，美國可視人（VHP）以及緊隨其后的韓國可視人（VKH）和虛擬中國人（VCH）等一系列研究的相繼開展，開始了人體三維研究的新紀元[2]。

三維耳蝸醫學動畫的制作可以彌補二維耳蝸在空間層次上的缺陷，更真實地反映耳蝸的現實意義，為用戶提供切實可行的三維耳蝸立體效果。三維耳蝸醫學動畫不受時間、空間、宏觀和微觀的限制，直觀地將真實世界中耳蝸的各種形態用動畫圖像的形態呈現出來，能真實、清晰地展示視域中的每一個細節，可以體現耳蝸的真實感和空間層次感[3]。

由于其具有效果逼真、圖像細膩、無損放大等諸多優點，目前被廣泛應用于娛樂界、機械制造、建筑、軍事和醫學等諸多領域。在醫學方面，動畫提供的形象而逼真的模型， 在醫學教學、醫學研究、醫療診斷以及醫學科普健康教育中均具有廣泛的應用前景[4]。基于醫學圖像的三維重建能提供比二維切片圖像更加豐富的信息和更直觀的可視化效果。如何將這些平行輪廓斷層圖像進行三維重建，已成為當今醫學影像技術研究的熱點。

1 3D MAX開發工具及特點

三維耳蝸醫學動畫是基于3D MAX技術，對二維耳蝸圖像進行分割處理、提取輪廓，構造三維耳蝸在醫學中的動畫效果。在二維耳蝸分割的基礎上，利用3D MAX技術，通過對一些復雜的教學理論、結構進行分析、制作，把耳蝸難于理解的理論、公式等以逼真的動畫形式表現出來，將分割后的二維耳蝸經過一定次序的疊放重建三維立體耳蝸。3D MAX（3D Studio Max）是Discreet公司開發的基于PC系統的三維動畫渲染和制作軟件。

3D MAX在應用范圍方面，廣泛應用于廣告、影視、工業設計、建筑設計、三維動畫、多媒體制作、游戲、輔助教學以及工程可視化等領域，將向智能化，多元化方向發展。

3D MAX的特點：

⑴ 基于PC系統的低配置要求；

⑵ 人性化的界面設計，入門簡單快捷；操作簡單，容易上手；

⑶ 建模功能強大，擴展性好；

⑷ 強大的角色（Character）動畫制作能力；

⑸ 與其他軟件配合流暢；

⑹ 支援Maxscript內建腳本控制語言，讓使用者有制訂工具的能力。

2 三維耳蝸醫學動畫中的關鍵技術

醫學動畫的三維重建是指利用人類的視覺特性，通過計算機對二維數字斷層圖像序列形成的三維體數據進行處理，將其變換為具有直觀立體效果的動畫來展示人體組織的三維形態。在二維組織切片的基礎上，利用現有的區域增長、閾值區間、形態學濾波等自動分割算法與手動編輯相結合的方法對耳蝸進行分割。分割過程采用對體數據逐層分割的方法，之后將二維分割結果疊放在一起重建三維耳蝸[5]。

二維耳蝸的分割速度與分割結果對三維耳蝸模型的立體感、直觀感和耳蝸的表面光滑度會有一定的影響。二維耳蝸的分割技術可以運用水平集算法和窄帶水平集算法。

水平集算法是一種描述曲線或曲面演化的有力工具，其主要優點是可以對任意復雜的形狀進行模型化，隱式地解決了拓撲形狀的分裂、合并等變化，而且該算法中與曲率相關的速度項可以控制曲線或曲線的光華特性。窄帶水平集算法是將水平集函數的演化限制在當前輪廓周圍一個窄帶范圍內，當傳播界面到達窄帶邊界時重新初始化窄帶。如此反復直至到達設定的最大迭代次數或者迭代次數增加而輪廓不再變化、或變化非常小，則停止迭代。

目前三維重建的方法主要有兩大類：一類是基于表面的體視方法（面繪制法），另一類是基于體素的體視方法（體繪制法）。面繪制法應用圖像分割技術將原始圖像分割成代表不同組織和器官的若干區域，然后構造通過這些區域邊界的表面，再應用計算機圖形學中的剪裁、隱藏面消除等常規方法對這些表面進行顯示。體繪制法是以單個小立方體即體素為三維圖像的基本單元，然后給每個體素賦以相應的顏色與組光度，最后用投影法或光線投影法生成立體圖像[6]。

采用3D MAX軟件結合VRML和Java3d技術實現密度投影，模擬出器官和組織系統完整的三維效果。此項技術處理生成的三維圖像足夠清晰，可以在一定程度上替代實物模型[7]。

3 制作過程（以制作螺旋器為例）

首先將二維螺旋器的圖片導入到3D MAX的前視圖中（具體導入到哪個視圖由制作者決定）。二維螺旋器圖片導入如圖1所示。

圖1 二維螺旋器圖片導入

導入二維螺旋器圖片之后，運用3D MAX軟件自帶的工具列表，在創建->圖形處，選擇“線”條工具，在前視圖中將基本的二維螺旋器模型框架給勾勒出來。勾勒二維螺旋器模型框架圖如圖2所示。將螺旋器的內柱細胞和外柱細胞的二維圖片勾勒出來之后，可以在頂視圖和左視圖分別看到一條線，頂視圖、左視圖和前視圖顯示的是一個平面效果的一部分，而在透視圖中看到整個模型的平面圖。

圖2 勾勒二位螺旋器模型框架圖

勾勒出二維平面模型之后，分別選中剛在創建的內柱細胞和外柱細胞平面圖，在修改器列表中選擇“擠出”特效。調整“參數”中的“數量”為6，并修改顏色為綠色，可在透視圖中查看擠出效果圖。擠出效果圖如圖3所示。

圖3 擠出效果圖

選中透視圖中的內柱細胞和外柱細胞三維效果圖，右擊選擇“克隆”，跳出“克隆選項”頁面之后，選擇對象為“實例”，點擊確定按鈕，將克隆之后的模型拖動到一定的位置，連續操作5次，畫出內柱細胞和外柱細胞的三維效果圖。內、外柱細胞三維效果如圖4所示。

在二維螺旋器分割基礎上，運用 3D MAX技術將基本的三維螺旋器模型勾勒出來之后，再運用三位重建和Mental ray渲染等特效得到最終的螺旋器效果圖。螺旋器效果如圖5所示。

4 三維耳蝸醫學動畫的教學意義

教育部于1999年提出，將多媒體計算機技術為核心的教育技術應用模式在高校中普及。為進一步落實、貫徹該理念，浙江中醫藥大學信息技術學院結合聽力學院，通過對教學內容進行深入分析，嘗試將耳蝸材料學材料與3D MAX技術相結合，制作具有三維立體效果的三維耳蝸醫學動畫[8]。

圖5 螺旋器效果

從功能上講，三維耳蝸醫學動畫是一種耳蝸的科教演示動畫，它是耳蝸在三維動畫的重要分支，將三維耳蝸醫學動畫引入教學領域，一方面可以借用3D MAX展現三維立體效果的強大的表現力，集合二維耳蝸分割基礎，通過虛擬化的三維場景，直觀地表達耳蝸在醫學范疇的疑難點，另一方面通過3D MAX技術，向學生提供耳蝸方面所需的各種信息，通過軟件中的基本體建模、多維子對象材質、Mental ray渲染器和高級動畫的結合[9]，把教材中的平面影像及文字注解有機結合，較好地攻克了教學中的許多難題。動畫的使用有利于信息技術學院學生加強本專業的學習與理解。三維耳蝸醫學動畫軟件開發的實踐表明，提出的三維建模和優化方法可以滿足虛擬建設系統的性能要求，可推廣到其他虛擬系統[10]。

5 結束語

平面耳蝸圖像無法呈現真實性、復雜的空間構筑，無法形象展示耳蝸解剖結構和耳蝸動態功能。而三維耳蝸醫學動畫可直觀地將真實世界中耳蝸的各種形態用動畫圖像的形態呈現出來，三維耳蝸醫學動畫案例制作充分發揮了3D MAX技術優勢，將軟件制作、學生主導與教師引導三者有機地結合了起來，優化了課堂教學結構，提高了教學質量與效率，達到了以教師為主體講授的效果。三維耳蝸醫學動畫的制作，在幫助學生、教師和醫生準確掌握耳蝸解剖結構的同時，達到學科交叉和多學科技術融合的目的，在教學工作中有著深遠的意義和廣闊的應用前景。在三維動畫尚未普及之前，運用3D MAX技術、多維子對象材質、Mental ray渲染器和高級動畫結合的三維動畫對醫學工作者針對耳蝸的研究有非凡的意義。

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