基于Virtools虛擬現實技術的三維解剖圖譜開發*

焦培峰，張美超，李本富

(1.南方醫科大學基礎醫學院人體解剖學教研室生物力學實驗室,廣東 廣州 510515；2.南方醫科大學生物醫學工程學院，廣東 廣州 510515)

基于Virtools虛擬現實技術的三維解剖圖譜開發*

焦培峰1，張美超1，李本富2

(1.南方醫科大學基礎醫學院人體解剖學教研室生物力學實驗室,廣東 廣州 510515；2.南方醫科大學生物醫學工程學院，廣東 廣州 510515)

解剖圖譜在醫學教育中一直占據非常重要的地位，然而傳統圖譜空間信息不足，現有電子圖譜圖像失真且交互性差。運用虛擬現實技術開發交互性強的三維人體解剖學圖譜，首先利用CT設備掃描的真實人體斷層數據進行三維重建，獲得結構完整的人體局部解剖三維模型；然后基于解剖學知識區分不同結構并利用3DSMAX建立骨骼、血管等獨立模型并設置貼圖，再導入Virtools中，配以文字、圖片等多媒體材料，設置豐富的人機交互手段；最后打包生成可在Windows下直接使用的三維圖譜軟件。將支持游戲開發的三維引擎用于人體解剖圖譜的制作中，強調其交互的豐富性，同時具有真實感強、開發周期短等優點，圖譜軟件有利于課堂施教和學生自學。

Virtools；虛擬現實；圖譜；真實感；互動

1 引言

人體解剖學是現代醫學教育中最重要的基礎課程之一。多年來，解剖學圖譜都是臨床診斷、醫學教育和科學研究中不可或缺的輔助工具。傳統的解剖圖譜以紙為載體，只能顯示人體結構的表面或投影等二維信息，因此往往以多幅圖片來展示不同角度及層次結構，實際使用效果差強人意。近年來隨著辦公自動化的普及，多媒體成為教學中的新寵，然而最重要的形態表現仍以圖片為主，為數不多的三維圖譜也未被廣泛接受。毋庸置疑，三維電子圖譜擁有傳統圖譜無可比擬的優勢，其未獲推廣普及的原因主要有以下兩點：第一，三維圖譜的逼真度不夠，目前大多數三維圖譜都是利用三維模型來展示局部結構，三維模型的構建及渲染貼圖都存在不夠逼真的問題，使用者觀看時會覺得不真實或不夠專業，尤其如果與真實標本圖像進行比較，這種感覺會更加強烈；第二，目前多數三維圖譜的交互性功能設置較差，不能滿足使用者的要求，更無法激發其求知興趣。目前，國內外有很多的免費工具可以讀取臨床影像數據，甚至進行快速的三維重建，但其重建過程都是純粹的圖像處理，沒有包含解剖學知識在內，重建后的圖形是否正確以及是否適合觀察等問題也沒有解決。此外，交互手段的單一也使得這類軟件不易用于學習。

虛擬現實技術VR(Virtual Reality)是以浸沒感、交互性和構想性為主要特征的計算機高級人機界面[1]。它利用計算機生成逼真的三維視覺，輔以聽覺和嗅覺等，通過適當裝置使人與虛擬世界進行主動體驗。該技術集成了計算機圖形技術、仿真技術、人工智能、傳感技術以及網絡處理技術等，是一種由計算機技術輔助生成的模擬系統[2,3]。虛擬現實技術已經在諸多領域獲得廣泛應用，尤其以電腦游戲領域為最，甚至年輕人中出現了沉迷于網絡游戲等不良習慣，可見虛擬現實技術的強大吸引力。如果能夠將應用于開發電腦游戲的技術應用于制作教學輔助工具，勢必會產生出更具吸引力的教學軟件，甚至可能帶來教學方法的變革[4]。

有鑒于此，本文利用醫用CT設備對真實人體標本的掃描來獲取數據，以專業醫學建模軟件建立局部三維模型，參考傳統圖譜及實物照片區分人體內不同結構，在3DSMAX中進行貼圖設置和修整，最后在Virtools中添加豐富的交互手段，制作出的三維解剖圖譜真實感強、互動功能豐富，試用者反映效果頗佳。

2 系統總體設計

2.1 工具簡介

Mimics10.01是以醫學圖像為處理對象的三維圖像生成及編輯軟件，它能直接導入各種成像設備(如CT及MRI等)獲取的標準DICOM格式數據，建立三維模型并進行編輯，還可輸出通用的物理模型、有限元模型等，并可在PC機上進行大規模數據轉換處理。

Virtools是三維引擎支持下的虛擬現實編輯軟件，它可將二維圖像、三維模型以及視頻音頻等元素進行整合，生成具有豐富交互功能的虛擬現實作品。此外，開發者還可應用VSL自己編制行為模塊，與軟件自帶的500多種行為模塊一起對虛擬現實進行更深入的開發[5～8]。Virtools多用于三維游戲開發中，其豐富的交互手段是開發三維圖譜最大優勢所在，也是本文的核心內容。

2.2 設計思路

以真實人體數據為基礎建立人體局部結構三維模型，在3DSMAX中進行貼圖加工，以獲得更加逼真的顯示效果，最后導入Virtools中進行交互功能設置。總體設計思路如圖1所示。

Figure 1 Design of whole system圖1 總體設計思路

3 系統實現方法

3.1 建模與貼圖

本文以真實人體數據重建人體三維模型，具體方法為：取形態較好的人體標本作為建模對象，對其進行掃描前的處理，包括標本的消毒清洗、整體修飾、血管造影灌注等步驟?？紤]到標本顯影的問題，血管灌注材料中添加了少量造影劑，目的是掃描后的圖像中血管斷面清晰，又比骨骼斷面亮度弱，容易區分。所有標本都用CT設備獲取斷層圖像序列，層厚均為1 mm，獲得圖像大小512×512像素，以標準文件格式DICOM輸出。三維建模軟件為Mimics 10.01，主要步驟包括：(1)將序列文件導入軟件中，首先以灰度閾值法初步提取骨骼及血管斷面圖像；然后根據斷層解剖學知識區分其他如肌肉等結構，并利用圖像處理算子及人工干預進行斷面數據修飾；最后分別構建出骨骼、動脈、靜脈、神經、肌肉以及皮膚組織的三維模型，導出存儲為obj格式。(2)在3DSMAX 2010中導入模型文件，對所有模型進行進一步的修飾，包括去噪點以及適度平滑等處理，結合圖譜及實物照片生成模型貼圖，給模型著色或貼圖，以獲得更好的顯示效果[9,10]。

3.2 Virtools交互設計與實現

以三維模型和對應名詞為導航入口，通過鼠標和鍵盤的配合完成各種交互功能，根據不同需求顯示內置文本、圖片及音頻視頻等多媒體信息，并在界面上添加用戶自定義功能，如利用百度進行內容搜索等。交互設計思路如圖2所示。

Figure 3 Set for dynamic connecting line圖3 動態連線的實現

Figure 4 Set for rotate function圖4 旋轉功能的實現

Figure 5 Set for transparent adjusting圖5 透明度調節的實現

Figure 2 Design for interactive function圖2 交互功能設計

根據教學中的體會，傳統圖譜中結構—線條—名稱的形式最易被接受，因此本文也采用這種形式來指示局部結構。交互狀態下模型會有不同位置及姿態的變動，要求指示結構的連線也隨時跟蹤，因此連線實際為動態顯示，通過設置實時渲染的控制點連線實現此功能，其設置如圖3所示。

本文使用鼠標和鍵盤響應作為觸發器，通過加載對應行為互動模組來實現縮放、拖曳及旋轉等操作，最終可以使用鼠標左鍵和不同的按鍵組合控制模型，其設置如圖4所示。

設置模型的著色及可調節的透明度來實現局部模型不同層次結構的顯示，實現方法是構建滑動控制條，其滑動數值與透明度顯示相關聯，設置方法如圖5所示。

本文還吸收了多媒體課件的優點，將雙語文字說明、實物圖像、斷層圖像以及視頻音頻等多媒體因素也加入到圖譜中，并且根據模型所處的互動狀態來顯示相應的多媒體信息。此外考慮到用戶可能的使用要求，設置了如對結構名稱添加不同顏色以示區別、允許用戶添加書簽和備注、提供在百度內搜索相關內容等便捷功能，其實現方法都較為簡單。

3.3 系統的發布及使用

Virtools軟件本身并沒有打包發布的模塊，其作品常常需要特定的播放器才能使用，本文利用VC與Virtools的接口，將作品打包生成可在Windows下獨立運行的可執行文件，擺脫了特定播放器的限制。

發布的三維圖譜軟件使用非常簡單，以鼠標及按鍵組合來控制拖曳、旋轉及縮放等功能，拉動滑動控制條的滑塊可控制透明度及選擇著色效果，其他多媒體的顯示及切換僅需鼠標點選鏈接入口和關閉即可。圖6顯示獨立寰椎的三維圖譜與傳統圖譜的對比(參考圖譜來自暨南大學網絡課程)，圖7顯示人手局部結構的互動效果。

4 結束語

虛擬現實技術是計算機領域極具發展潛力的新

技術，在一些醫療及教學科研設備中已經展示出其獨特的優勢。本文介紹的基于Virtools的三維人體解剖圖譜注重模型的逼真感和圖譜的互動效果，給使用者帶來了更好的體驗。由于本文仍以拉線式圖譜為主要表現形式，因此很多交互功能都沒有添加，將在下一步開發人體結構漫游系統中加以應用。

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Figure 6 Comparison of the 3D atlas and traditional atlas (left:3D atlas, right:traditional atlas)圖6 三維圖譜顯示與傳統圖譜對比(左為三維圖譜，右為傳統圖譜)

Figure 7 Anatomy interactive interface of the hand圖7 手局部解剖交互界面

[2] Luo Jian-qin, Sun Ming, Sun Li-jun. Interactive animation:Virtools & 3ds Max virtual technology [M].Beijing:Science Technology Press, 2010. (in Chinese)

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附中文參考文獻：

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JIAOPei-feng,born in 1977,PhD candidate,lecturer,his research interest includes medical biomechanics.

張美超(1974 -),男，湖北蘄春人，博士，副教授，研究方向為醫學生物力學及有限元仿真。E-mail:zmc@fimmu.com

ZHANGMei-chao,born in 1974,PhD,associate professor,his research interests include medical biomechanics and finite element simulation.

Developmentof3DanatomyatlaswiththevirtualrealitytechnologybasedonVirtools

JIAO Pei-feng1，ZHANG Mei-chao1,Li Ben-fu2

(1.Biomechanics Laboratory,Department of Human Anatomy,Basic Medical School,Southern Medical University,Guangzhou 510515;2.School of Biomedical Engineering,Southern Medical University,Guangzhou 510515,China)

The anatomy atlas plays an important role in the medical education, but the traditional atlas cannot provide enough 3D information, and the existing electronic atlases have poor visions and interactions. A 3D human anatomy atlas focusing on interaction is developed with the virtual reality technology. Firstly, the 3D regional models are reconstructed with the CT scanning data from the real human specimen. Secondly, the different structures such as bones and vessels are distinguished and mapped with textures in 3DSMAX, and then interactions are set with other materials such as texts and pictures in Virtools. Finally, a 3D atlas is published as an independent software that can be executed in Windows OS. The 3D game engine is used to do the atlas so that rich interactions are available. The atlas owns strong realistic visions but a short development period, and will be beneficial for teaching or self-learning.

Virtools；virtual reality；atlas；realistic；interaction

1007-130X(2014)08-1555-05

2012-08-21;

：2013-02-25

國家863計劃資助項目(2012AA02A603)；國家自然科學基金資助項目(31200708)

：張美超(zmc@fimmu.com)

TP391.4

：A

10.3969/j.issn.1007-130X.2014.08.023

焦培峰(1977-),男，山西太原人，博士生，講師，研究方向為醫學生物力學。E-mail:jiaopeifeng@126.com

通信地址：510515 廣東省廣州市南方醫科大學基礎醫學院

Address:Basic Medical School,Southern Medical University,Guangzhou 510515,Guangdong,P.R.China.