3D动画演示用于神经外科手术研究

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通过计算机3d动画技术，将“内镜下颈椎间盘髓核摘除术”的手术过程制作成三维演示动画。通过理想的视角再现外科手术的全过程，利用医学虚拟现实技术在术前导航，临床和医师培养等环节提供新的方法。

1研究内容和意义

将外科手术的过程制作成3D动画可用于教学和公众普及的目的。帮助浙二医院神经外科团队将“内镜下颈椎间盘髓核摘除术”手术流程制作成3D动画。内容涉及到七节颈椎,尤其是颈椎疾病多发的C5/C6两节颈椎、颈椎间盘，包括神经等较为复杂的人体结构的3D建模。动画包括内窥镜等专业手术器械的运用环节。浙二医院提供的医学影像作为影片的资料。影像资料包括X光影像，CT图像，内窥镜拍摄视频等。通过计算机3D技术再现手术过程，呈现科技文字报告所无法表达的细节和过程。外科团队提供的文本手术流程如下：（1）穿刺针穿刺C5/C6左侧椎板间隙；（2）拔除针芯置入导丝；（3）置入二孔扩张器套筒；（4）植入椎间盘镜于镜下操作；（5）咬钳咬开纤维环，暴露髓核组织；（6）内镜下移除突出的髓核。医学手术过程的3D呈现属于生物美学的一个分支，生物美学在网络时代已经得到广泛的应用。图片及视频用以表达生物科学内容、提升科研影响力形象手段。这类美术作品在生物科技、医学研究中拥有其独特的地位。人体的复杂性与机理的严密逻辑性用3D动画再现，可以达到教学传播的目的。这种虚拟展示手段最大程度上保护患者隐私的前提下展示病灶详细情形。使原本枯燥的医学理论变成有艺术魅力的影像化叙事，用以描述医学论著中文字所不能表达的信息。外科团队为了推广微创外科的理念，参加了“2016中国（浙江）智能硬件博览会”。影片的观众除了专业医学从业人员外还包括大众。医学美术作品在公众健康教育中具有不可替代的作用。具有简明易懂，生动活泼，自解释性的特点。医学美术使枯燥、抽象、难懂的医学理论变成生动活泼有艺术魅力的形象。为了让普通大众可以接受健康知识，图像必须有很强的示意性。由于人体具有复杂的生理构造，因此图像信息有必要中除去偶然的部分。保留并且再现典型的部分，避免画面中出现“血腥”，以不使观众产生不适感为原则。医学美术作品在公众健康教育和病患沟通中发挥着重要的作用，公众可以利用网站和移动平台APP上的医用插图了解相关知识。医生也可以利用图片与病人及其家属沟通，共同讨论和制定治疗方案。这次的医学3D动画是将艺术与科技融合的一次研究实践。

2国内外研究现状

生物美学在国外目前发展良好，已经有数家的专业公司服务于各大研究机构与大型医药企业，许多高档杂志对发表文章的要求也有了新的改变，如《science》《Nature》《CELL》都逐步要求每篇文章里都必附带一副插图来体现自己文章思想，尤其著名杂志《CELL》里更得到体现。已有多部3D医学演示产品被制成APP登陆IOS平台。在我国，医学美术作品质量相对粗糙也不成体系。其原因是由于我国医学美术专业人才较少，相对庞大的医疗市场几可忽略不计。广州赛哲提供了相关的服务标准和专业培训。可见在我国针对医学需求的生物美术才刚刚起步。

3创作剧本及绘制分镜头

剧本是动画创作的基础，手术过程的模拟动画类似于科教片，科教片的剧本设置同样重要。剧本创作需要有科学性、形象性、解释性和实用性等特点。分镜头是科教片创作的前期导向，这个工作决定了科教片是否能顺利的阐述科学逻辑。3.1规划影片的逻辑结构。在手术过程的视觉表现过程中，既要解决艺术化表现的问题，还要进行影片叙事逻辑的设计，将医学专业报告的陈述结构改编为影片叙事的逻辑结构。医学专业的研究报告有其复杂性和专业性，不太适于用影视语言进行表现。通常类似的医学3D动画是以医学报告的文本作为参考，这需要将复杂的呈现出非线性的医学信息转换成直观的线型叙事结构，这样有利于影片的表现和观众的理解。3.2手术过程镜头化。浙二医院提供的手术报告和图像资料的手术过程十分规范、专业用词准确而且逻辑严谨，但是并不十分有利于影片的视觉表现。要让观众感受到普通人可接受的的交流的效果，尤其是手术中过于血腥和容易引起恐惧的画面在这次的影片中不予以出现。分镜头台本写作时，要保留医学的专业性，运用大部分观众能够理解的文学形式表达。其目的是有利于面向公众的信息传播。在分镜头台本的写作过程中，首先将严谨的医学专业名词和科研数据形象化。其中手术摘除病变髓核的过程是影片所叙述内容核心，必须在影片中呈现。由于颈椎特殊的构造，必须避免在镜头上产生视线遮挡。无关紧要的细节的也要避免过度刻画，视觉表现务必追求直观而简洁。每个所要表达的内容需要在3D软件中运用合理的机位来表现。这样才能有利于前期的3D建模，场景设置和虚拟摄像机的机位固定，也使后期剪辑更加方便和流畅。

4动画制作过程利用

poser软件输出3Dmax可以兼容的3D脊椎模型作为脊椎模型的模板。模型格式为OBJ，此时的模型精度还比较低。将OBJ格式导入Zbrush软件制作较为精细的高模。随后将拥有精度细节的OBJ模型导入到3Dmax中重新进行拓扑，完成动画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法线贴图，可以保留一定质量的骨骼模型细节。设计一个简洁明了的场景作为主要背景，在3DMax中创建了一个带有白色网格线的的包围盒。网格可以使观看者方便的了解手术对象的形状，位置和尺寸。同时配以深色背景，因为人体骨骼和手术器械多为浅色。这样设置可以使手术内容的影片陈述一目了然。在3Dmax软件中制作患者术中病灶位置、手术通道的置入、颈椎及颈椎间盘与内窥镜之间的空间关系。过程中穿刺针穿刺C5/C6左侧椎板间隙，拔除针芯置入导丝，置入二孔扩张器套筒，植入椎间盘镜于镜下操作等过程采用中景完成。涉及治疗过程的操作，咬钳咬开纤维环，暴露髓核组织，内镜下移除突出的髓核。浙二医院提供的视频是由内窥镜拍摄下的施术者主观位置镜头。这样的镜头比较真实，可以作为信息最为可靠的参考。但是经过观察发现视野极为有限，无法表达手术过程在人体中的具体位置。因此我决定不采用镜头中的视角，而采用第三方视角。镜头中所采用的视角可以观察到颈椎的周边环境，髓核钳的工作原理，以及髓核由之前的对脊髓的压迫，到摘除后压迫接触的过程。枪钳和髓核钳操作的动画等，各个主要步骤的动画制作成功以后进行渲染和合成。影片的分辨率为1920*1080,最终获得了超过5000多祯影视图像序列素材使，最后使用了premiere将影片剪辑与合成。这样就得到了我们所需要的流程简洁、意图清晰、具有教学价值的“内镜下颈椎间盘髓核摘除术”3D动画演示片。

5结论

项目所完成的影片合作方浙二医院神经外科对我完成的影片的质量感到满意。其表示颈椎骨骼的结构外形较逼真，构造也较为准确。影片中所表现的主要手术过程较准确，尤其镜头中未出现令人感到不适的手术画面。整个画面较为理性，可以实现在公开场合作为科普宣传的目的。但是在项目制作的过程中也存在着一些不足。

颈椎骨骼的建模使用了Poser软件导出的的低模作为模板，随后以OBJ格式导入Zbrush软件制作较为精细的高模。虽然有专业的图像资料作为参考，但是难免会受到建模人员因主观感受所导致的形态不准确。造成这种形态失真的原因是浙二医院的影像科缺乏Mimics软件。考虑到今后的改进可以将DICOM格式的CT数据导入Mimics软件。然后通过Mimics软件对点阵模型进行重新构建与修改。在扫描过程中产生的干扰信号也将在修改中去除掉。最后可以得到Mimics的三维视图，从而可以得到3D动画所需要的颈椎高精度模型。将Mimics里面经过修整后的模型以ACSII或者STL格式输出。这样就可以保证模型获得比用Zbrush制作的模型拥有更小的失真率。

作者:周伟 单位:中国美术学院-影视动画与艺术学院-网游系