3D動畫演示用于神經外科手術研究

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通過計算機3d動畫技術，將“內鏡下頸椎間盤髓核摘除術”的手術過程制作成三維演示動畫。通過理想的視角再現外科手術的全過程，利用醫學虛擬現實技術在術前導航，臨床和醫師培養等環節提供新的方法。

1研究內容和意義

將外科手術的過程制作成3D動畫可用于教學和公眾普及的目的。幫助浙二醫院神經外科團隊將“內鏡下頸椎間盤髓核摘除術”手術流程制作成3D動畫。內容涉及到七節頸椎,尤其是頸椎疾病多發的C5/C6兩節頸椎、頸椎間盤，包括神經等較為復雜的人體結構的3D建模。動畫包括內窺鏡等專業手術器械的運用環節。浙二醫院提供的醫學影像作為影片的資料。影像資料包括X光影像，CT圖像，內窺鏡拍攝視頻等。通過計算機3D技術再現手術過程，呈現科技文字報告所無法表達的細節和過程。外科團隊提供的文本手術流程如下：（1）穿刺針穿刺C5/C6左側椎板間隙；（2）拔除針芯置入導絲；（3）置入二孔擴張器套筒；（4）植入椎間盤鏡于鏡下操作；（5）咬鉗咬開纖維環，暴露髓核組織；（6）內鏡下移除突出的髓核。醫學手術過程的3D呈現屬于生物美學的一個分支，生物美學在網絡時代已經得到廣泛的應用。圖片及視頻用以表達生物科學內容、提升科研影響力形象手段。這類美術作品在生物科技、醫學研究中擁有其獨特的地位。人體的復雜性與機理的嚴密邏輯性用3D動畫再現，可以達到教學傳播的目的。這種虛擬展示手段最大程度上保護患者隱私的前提下展示病灶詳細情形。使原本枯燥的醫學理論變成有藝術魅力的影像化敘事，用以描述醫學論著中文字所不能表達的信息。外科團隊為了推廣微創外科的理念，參加了“2016中國（浙江）智能硬件博覽會”。影片的觀眾除了專業醫學從業人員外還包括大眾。醫學美術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。醫學美術使枯燥、抽象、難懂的醫學理論變成生動活潑有藝術魅力的形象。為了讓普通大眾可以接受健康知識，圖像必須有很強的示意性。由于人體具有復雜的生理構造，因此圖像信息有必要中除去偶然的部分。保留并且再現典型的部分，避免畫面中出現“血腥”，以不使觀眾產生不適感為原則。醫學美術作品在公眾健康教育和病患溝通中發揮著重要的作用，公眾可以利用網站和移動平臺APP上的醫用插圖了解相關知識。醫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。這次的醫學3D動畫是將藝術與科技融合的一次研究實踐。

2國內外研究現狀

生物美學在國外目前發展良好，已經有數家的專業公司服務于各大研究機構與大型醫藥企業，許多高檔雜志對發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自己文章思想，尤其著名雜志《CELL》里更得到體現。已有多部3D醫學演示產品被制成APP登陸IOS平臺。在我國，醫學美術作品質量相對粗糙也不成體系。其原因是由于我國醫學美術專業人才較少，相對龐大的醫療市場幾可忽略不計。廣州賽哲提供了相關的服務標準和專業培訓。可見在我國針對醫學需求的生物美術才剛剛起步。

3創作劇本及繪制分鏡頭

劇本是動畫創作的基礎，手術過程的模擬動畫類似于科教片，科教片的劇本設置同樣重要。劇本創作需要有科學性、形象性、解釋性和實用性等特點。分鏡頭是科教片創作的前期導向，這個工作決定了科教片是否能順利的闡述科學邏輯。3.1規劃影片的邏輯結構。在手術過程的視覺表現過程中，既要解決藝術化表現的問題，還要進行影片敘事邏輯的設計，將醫學專業報告的陳述結構改編為影片敘事的邏輯結構。醫學專業的研究報告有其復雜性和專業性，不太適于用影視語言進行表現。通常類似的醫學3D動畫是以醫學報告的文本作為參考，這需要將復雜的呈現出非線性的醫學信息轉換成直觀的線型敘事結構，這樣有利于影片的表現和觀眾的理解。3.2手術過程鏡頭化。浙二醫院提供的手術報告和圖像資料的手術過程十分規范、專業用詞準確而且邏輯嚴謹，但是并不十分有利于影片的視覺表現。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。分鏡頭臺本寫作時，要保留醫學的專業性，運用大部分觀眾能夠理解的文學形式表達。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，首先將嚴謹的醫學專業名詞和科研數據形象化。其中手術摘除病變髓核的過程是影片所敘述內容核心，必須在影片中呈現。由于頸椎特殊的構造，必須避免在鏡頭上產生視線遮擋。無關緊要的細節的也要避免過度刻畫，視覺表現務必追求直觀而簡潔。每個所要表達的內容需要在3D軟件中運用合理的機位來表現。這樣才能有利于前期的3D建模，場景設置和虛擬攝像機的機位固定，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格式導入Zbrush軟件制作較為精細的高模。隨后將擁有精度細節的OBJ模型導入到3Dmax中重新進行拓撲，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，可以保留一定質量的骨骼模型細節。設計一個簡潔明了的場景作為主要背景，在3DMax中創建了一個帶有白色網格線的的包圍盒。網格可以使觀看者方便的了解手術對象的形狀，位置和尺寸。同時配以深色背景，因為人體骨骼和手術器械多為淺色。這樣設置可以使手術內容的影片陳述一目了然。在3Dmax軟件中制作患者術中病灶位置、手術通道的置入、頸椎及頸椎間盤與內窺鏡之間的空間關系。過程中穿刺針穿刺C5/C6左側椎板間隙，拔除針芯置入導絲，置入二孔擴張器套筒，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，暴露髓核組織，內鏡下移除突出的髓核。浙二醫院提供的視頻是由內窺鏡拍攝下的施術者主觀位置鏡頭。這樣的鏡頭比較真實，可以作為信息最為可靠的參考。但是經過觀察發現視野極為有限，無法表達手術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、具有教學價值的“內鏡下頸椎間盤髓核摘除術”3D動畫演示片。

5結論

項目所完成的影片合作方浙二醫院神經外科對我完成的影片的質量感到滿意。其表示頸椎骨骼的結構外形較逼真，構造也較為準確。影片中所表現的主要手術過程較準確，尤其鏡頭中未出現令人感到不適的手術畫面。整個畫面較為理性，可以實現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軟件導出的的低模作為模板，隨后以OBJ格式導入Zbrush軟件制作較為精細的高模。雖然有專業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致的形態不準確。造成這種形態失真的原因是浙二醫院的影像科缺乏Mimics軟件。考慮到今后的改進可以將DICOM格式的CT數據導入Mimics軟件。然后通過Mimics軟件對點陣模型進行重新構建與修改。在掃描過程中產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:中國美術學院-影視動畫與藝術學院-網游系