導(dǎo)語：3D動畫演示用于神經(jīng)外科手術(shù)研究一文來源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點，若需要原創(chuàng)文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

通過計算機(jī)3d動畫技術(shù)，將“內(nèi)鏡下頸椎間盤髓核摘除術(shù)”的手術(shù)過程制作成三維演示動畫。通過理想的視角再現(xiàn)外科手術(shù)的全過程，利用醫(yī)學(xué)虛擬現(xiàn)實技術(shù)在術(shù)前導(dǎo)航，臨床和醫(yī)師培養(yǎng)等環(huán)節(jié)提供新的方法。

1研究內(nèi)容和意義

將外科手術(shù)的過程制作成3D動畫可用于教學(xué)和公眾普及的目的。幫助浙二醫(yī)院神經(jīng)外科團(tuán)隊將“內(nèi)鏡下頸椎間盤髓核摘除術(shù)”手術(shù)流程制作成3D動畫。內(nèi)容涉及到七節(jié)頸椎,尤其是頸椎疾病多發(fā)的C5/C6兩節(jié)頸椎、頸椎間盤，包括神經(jīng)等較為復(fù)雜的人體結(jié)構(gòu)的3D建模。動畫包括內(nèi)窺鏡等專業(yè)手術(shù)器械的運(yùn)用環(huán)節(jié)。浙二醫(yī)院提供的醫(yī)學(xué)影像作為影片的資料。影像資料包括X光影像，CT圖像，內(nèi)窺鏡拍攝視頻等。通過計算機(jī)3D技術(shù)再現(xiàn)手術(shù)過程，呈現(xiàn)科技文字報告所無法表達(dá)的細(xì)節(jié)和過程。外科團(tuán)隊提供的文本手術(shù)流程如下：（1）穿刺針穿刺C5/C6左側(cè)椎板間隙；（2）拔除針芯置入導(dǎo)絲；（3）置入二孔擴(kuò)張器套筒；（4）植入椎間盤鏡于鏡下操作；（5）咬鉗咬開纖維環(huán)，暴露髓核組織；（6）內(nèi)鏡下移除突出的髓核。醫(yī)學(xué)手術(shù)過程的3D呈現(xiàn)屬于生物美學(xué)的一個分支，生物美學(xué)在網(wǎng)絡(luò)時代已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用。圖片及視頻用以表達(dá)生物科學(xué)內(nèi)容、提升科研影響力形象手段。這類美術(shù)作品在生物科技、醫(yī)學(xué)研究中擁有其獨特的地位。人體的復(fù)雜性與機(jī)理的嚴(yán)密邏輯性用3D動畫再現(xiàn)，可以達(dá)到教學(xué)傳播的目的。這種虛擬展示手段最大程度上保護(hù)患者隱私的前提下展示病灶詳細(xì)情形。使原本枯燥的醫(yī)學(xué)理論變成有藝術(shù)魅力的影像化敘事，用以描述醫(yī)學(xué)論著中文字所不能表達(dá)的信息。外科團(tuán)隊為了推廣微創(chuàng)外科的理念，參加了“2016中國（浙江）智能硬件博覽會”。影片的觀眾除了專業(yè)醫(yī)學(xué)從業(yè)人員外還包括大眾。醫(yī)學(xué)美術(shù)作品在公眾健康教育中具有不可替代的作用。具有簡明易懂，生動活潑，自解釋性的特點。醫(yī)學(xué)美術(shù)使枯燥、抽象、難懂的醫(yī)學(xué)理論變成生動活潑有藝術(shù)魅力的形象。為了讓普通大眾可以接受健康知識，圖像必須有很強(qiáng)的示意性。由于人體具有復(fù)雜的生理構(gòu)造，因此圖像信息有必要中除去偶然的部分。保留并且再現(xiàn)典型的部分，避免畫面中出現(xiàn)“血腥”，以不使觀眾產(chǎn)生不適感為原則。醫(yī)學(xué)美術(shù)作品在公眾健康教育和病患溝通中發(fā)揮著重要的作用，公眾可以利用網(wǎng)站和移動平臺APP上的醫(yī)用插圖了解相關(guān)知識。醫(yī)生也可以利用圖片與病人及其家屬溝通，共同討論和制定治療方案。這次的醫(yī)學(xué)3D動畫是將藝術(shù)與科技融合的一次研究實踐。

2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

生物美學(xué)在國外目前發(fā)展良好，已經(jīng)有數(shù)家的專業(yè)公司服務(wù)于各大研究機(jī)構(gòu)與大型醫(yī)藥企業(yè)，許多高檔雜志對發(fā)表文章的要求也有了新的改變，如《science》《Nature》《CELL》都逐步要求每篇文章里都必附帶一副插圖來體現(xiàn)自己文章思想，尤其著名雜志《CELL》里更得到體現(xiàn)。已有多部3D醫(yī)學(xué)演示產(chǎn)品被制成APP登陸IOS平臺。在我國，醫(yī)學(xué)美術(shù)作品質(zhì)量相對粗糙也不成體系。其原因是由于我國醫(yī)學(xué)美術(shù)專業(yè)人才較少，相對龐大的醫(yī)療市場幾可忽略不計。廣州賽哲提供了相關(guān)的服務(wù)標(biāo)準(zhǔn)和專業(yè)培訓(xùn)。可見在我國針對醫(yī)學(xué)需求的生物美術(shù)才剛剛起步。

3創(chuàng)作劇本及繪制分鏡頭

劇本是動畫創(chuàng)作的基礎(chǔ)，手術(shù)過程的模擬動畫類似于科教片，科教片的劇本設(shè)置同樣重要。劇本創(chuàng)作需要有科學(xué)性、形象性、解釋性和實用性等特點。分鏡頭是科教片創(chuàng)作的前期導(dǎo)向，這個工作決定了科教片是否能順利的闡述科學(xué)邏輯。3.1規(guī)劃影片的邏輯結(jié)構(gòu)。在手術(shù)過程的視覺表現(xiàn)過程中，既要解決藝術(shù)化表現(xiàn)的問題，還要進(jìn)行影片敘事邏輯的設(shè)計，將醫(yī)學(xué)專業(yè)報告的陳述結(jié)構(gòu)改編為影片敘事的邏輯結(jié)構(gòu)。醫(yī)學(xué)專業(yè)的研究報告有其復(fù)雜性和專業(yè)性，不太適于用影視語言進(jìn)行表現(xiàn)。通常類似的醫(yī)學(xué)3D動畫是以醫(yī)學(xué)報告的文本作為參考，這需要將復(fù)雜的呈現(xiàn)出非線性的醫(yī)學(xué)信息轉(zhuǎn)換成直觀的線型敘事結(jié)構(gòu)，這樣有利于影片的表現(xiàn)和觀眾的理解。3.2手術(shù)過程鏡頭化。浙二醫(yī)院提供的手術(shù)報告和圖像資料的手術(shù)過程十分規(guī)范、專業(yè)用詞準(zhǔn)確而且邏輯嚴(yán)謹(jǐn)，但是并不十分有利于影片的視覺表現(xiàn)。要讓觀眾感受到普通人可接受的的交流的效果，尤其是手術(shù)中過于血腥和容易引起恐懼的畫面在這次的影片中不予以出現(xiàn)。分鏡頭臺本寫作時，要保留醫(yī)學(xué)的專業(yè)性，運(yùn)用大部分觀眾能夠理解的文學(xué)形式表達(dá)。其目的是有利于面向公眾的信息傳播。在分鏡頭臺本的寫作過程中，首先將嚴(yán)謹(jǐn)?shù)尼t(yī)學(xué)專業(yè)名詞和科研數(shù)據(jù)形象化。其中手術(shù)摘除病變髓核的過程是影片所敘述內(nèi)容核心，必須在影片中呈現(xiàn)。由于頸椎特殊的構(gòu)造，必須避免在鏡頭上產(chǎn)生視線遮擋。無關(guān)緊要的細(xì)節(jié)的也要避免過度刻畫，視覺表現(xiàn)務(wù)必追求直觀而簡潔。每個所要表達(dá)的內(nèi)容需要在3D軟件中運(yùn)用合理的機(jī)位來表現(xiàn)。這樣才能有利于前期的3D建模，場景設(shè)置和虛擬攝像機(jī)的機(jī)位固定，也使后期剪輯更加方便和流暢。

4動畫制作過程利用

poser軟件輸出3Dmax可以兼容的3D脊椎模型作為脊椎模型的模板。模型格式為OBJ，此時的模型精度還比較低。將OBJ格式導(dǎo)入Zbrush軟件制作較為精細(xì)的高模。隨后將擁有精度細(xì)節(jié)的OBJ模型導(dǎo)入到3Dmax中重新進(jìn)行拓?fù)?，完成動畫制作可接受的中等精度模型。用中等精度模型和高精度模型烘焙成Normal法線貼圖，可以保留一定質(zhì)量的骨骼模型細(xì)節(jié)。設(shè)計一個簡潔明了的場景作為主要背景，在3DMax中創(chuàng)建了一個帶有白色網(wǎng)格線的的包圍盒。網(wǎng)格可以使觀看者方便的了解手術(shù)對象的形狀，位置和尺寸。同時配以深色背景，因為人體骨骼和手術(shù)器械多為淺色。這樣設(shè)置可以使手術(shù)內(nèi)容的影片陳述一目了然。在3Dmax軟件中制作患者術(shù)中病灶位置、手術(shù)通道的置入、頸椎及頸椎間盤與內(nèi)窺鏡之間的空間關(guān)系。過程中穿刺針穿刺C5/C6左側(cè)椎板間隙，拔除針芯置入導(dǎo)絲，置入二孔擴(kuò)張器套筒，植入椎間盤鏡于鏡下操作等過程采用中景完成。涉及治療過程的操作，咬鉗咬開纖維環(huán)，暴露髓核組織，內(nèi)鏡下移除突出的髓核。浙二醫(yī)院提供的視頻是由內(nèi)窺鏡拍攝下的施術(shù)者主觀位置鏡頭。這樣的鏡頭比較真實，可以作為信息最為可靠的參考。但是經(jīng)過觀察發(fā)現(xiàn)視野極為有限，無法表達(dá)手術(shù)過程在人體中的具體位置。因此我決定不采用鏡頭中的視角，而采用第三方視角。鏡頭中所采用的視角可以觀察到頸椎的周邊環(huán)境，髓核鉗的工作原理，以及髓核由之前的對脊髓的壓迫，到摘除后壓迫接觸的過程。槍鉗和髓核鉗操作的動畫等，各個主要步驟的動畫制作成功以后進(jìn)行渲染和合成。影片的分辨率為1920*1080,最終獲得了超過5000多禎影視圖像序列素材使，最后使用了premiere將影片剪輯與合成。這樣就得到了我們所需要的流程簡潔、意圖清晰、具有教學(xué)價值的“內(nèi)鏡下頸椎間盤髓核摘除術(shù)”3D動畫演示片。

5結(jié)論

項目所完成的影片合作方浙二醫(yī)院神經(jīng)外科對我完成的影片的質(zhì)量感到滿意。其表示頸椎骨骼的結(jié)構(gòu)外形較逼真，構(gòu)造也較為準(zhǔn)確。影片中所表現(xiàn)的主要手術(shù)過程較準(zhǔn)確，尤其鏡頭中未出現(xiàn)令人感到不適的手術(shù)畫面。整個畫面較為理性，可以實現(xiàn)在公開場合作為科普宣傳的目的。但是在項目制作的過程中也存在著一些不足。

頸椎骨骼的建模使用了Poser軟件導(dǎo)出的的低模作為模板，隨后以O(shè)BJ格式導(dǎo)入Zbrush軟件制作較為精細(xì)的高模。雖然有專業(yè)的圖像資料作為參考，但是難免會受到建模人員因主觀感受所導(dǎo)致的形態(tài)不準(zhǔn)確。造成這種形態(tài)失真的原因是浙二醫(yī)院的影像科缺乏Mimics軟件。考慮到今后的改進(jìn)可以將DICOM格式的CT數(shù)據(jù)導(dǎo)入Mimics軟件。然后通過Mimics軟件對點陣模型進(jìn)行重新構(gòu)建與修改。在掃描過程中產(chǎn)生的干擾信號也將在修改中去除掉。最后可以得到Mimics的三維視圖，從而可以得到3D動畫所需要的頸椎高精度模型。將Mimics里面經(jīng)過修整后的模型以ACSII或者STL格式輸出。這樣就可以保證模型獲得比用Zbrush制作的模型擁有更小的失真率。

作者:周偉 單位:中國美術(shù)學(xué)院-影視動畫與藝術(shù)學(xué)院-網(wǎng)游系