自制3D動畫在膽石癥CBL教學中的實踐

蔣 安，王貴虎，李宗芳，龍飛帆

1 西安交通大學第二附屬醫院陜西省肝脾疾病臨床醫學研究中心， 西安 710004；2 西安磐石信息科技有限公司， 西安 710049

膽石癥是發生于膽道系統任何部位的結石病。據世界流行病學調查，成年人膽石病發病率為9%～10%，我國成人患病率為1.7%～9.0%，即至少有0.2～1.0億人罹患膽石癥。每年作膽囊切除術幾十萬例[1]。而且，近年來膽石癥的發病率有逐年升高的趨勢，陜西省也是膽石癥的高發區。

膽石癥的病因復雜、臨床表現多樣且治療手段較多，所以誤診誤治現象非常普遍。膽石癥的復發率較高，一旦出現并發癥往往較為嚴重，所以非常強調首次規范治療[2]，否則會增加嚴重并發癥的發生率和死亡率，不但給患者造成巨大的痛苦，不利于家庭和社會的穩定，也給一些江湖游醫、封建迷信和邪教組織造成可乘之機。所以，有必要加強膽石癥的教學工作。在膽石癥教學過程中，由于膽道系統解剖需要三維空間想象力，如果能用簡單、直觀、有效的方式展示膽石癥的發病機制、診治方法和手術操作，替代傳統的文字、圖片、手術錄像等教學材料，有望得到更好的教學效果。

2015年起由西安交通大學第二附屬醫院與西安磐石信息科技有限公司合作，在陜西省科技統籌創新工程項目(2013KTCQ03-06)的支持下，將膽石癥病因、診斷、治療和預防與三維動畫仿真技術相結合，完成三維動漫膽石癥視頻軟件的開發，并申請國家軟件著作權證書。

1 膽石癥三維動畫制作的技術步驟

1.1 撰寫劇本

肝膽外科醫師和軟件制作人員經過詳細討論完成劇本制作，決定從引入一例膽石癥典型病例因為高脂飲食發病就診開始，引出膽石癥的癥狀表述。醫師先展示查體手法，進而對發病機制進行介紹和動畫展現，醫患雙方對各種治療方法進行討論，并模擬顯示手術步驟，最后由醫師介紹膽石癥的預防和健康的生活方式。

1.2 文字分鏡頭

確認故事劇本后，分鏡導演將該次就醫情況用視頻語言的形式通過文字進行描述，并且最終討論確認。

1.3 手繪分鏡

文字分鏡頭確認后，交給分鏡頭畫師，經過與導演討論后依照鏡頭語言進行診室內、腹腔內、膽石形成過程、非手術療法、手術療法、內鏡下治療等幾個分鏡畫面的繪制和編排，經反復修改后確認。

1.4 角色和場景的概念設定

在進行分鏡頭繪制的同時，2D組原畫師開始進行3個人物角色和診室內、手術室內等主要場景的概念設定[3]。

1.5 3D模型的制作

概念設定經醫師討論修改通過后，開始在Maya軟件中進行角色和場景的制作，主要使用Polygon的多邊形編輯模型進行建模和展平，通過Bodypoint軟件和Photoshop軟件進行貼圖的相關繪制。

1.6 動畫layout制作

三維角色模型和場景模型完成后，我們在Maya軟件或Max軟件中先對角色部分進行蒙皮的綁定，再用骨骼進行蒙皮的動畫驅動。場景模型的搭建也同時開展，并且進行鏡頭Layout制作，其集成了分鏡頭的六要素：空間關系、鏡頭運動、鏡頭時間、分解動作、制作臺詞以及文字說明，能比較直觀地表達出膽石癥動畫短片的主要需求意向，對之后動畫的細節制作打好基礎[4]。

1.7 動畫Layout確認及修飾

導演與臨床醫師對動畫Layout后的效果進行討論確認及反復修改后，動畫師們開始集中精力細化短片中所有能動的部分，使其更自然流暢，包括人物角色和場景物件動畫等。

1.8 燈光材質設定

在進行動畫制作的同時，燈光師對場景內所有的物件進行材質貼圖和燈光設定，并同時測試渲染小樣，準備為最后輸出成片作渲染準備。

1.9 渲染

在Maya或Max軟件中對三維膽石癥動漫短片進行最終的素材分層渲染，需要渲染color層、ID層、AO層這三種基本層級[5]。

1.10 合成和效果制作

將渲染出來的序列幀素材在After Effects軟件中進行分段合成，并對短片的顏色、對比度、飽和度進行細微的調節。

1.11 錄制對話和旁白

選擇專業的解說人員在錄音棚內錄制高質量Wav聲音文件，使其與動畫內容及字幕匹配。

1.12 合成及出片

最終在Premiere軟件里進行分段拼接、剪輯和聲音匹配，合成后輸出成片，根據具體需要進行相應的格式轉換，刻盤發出。

2 三維動畫教學片的性能指標

①該動畫視頻可實現三維、全屏、高清、多窗口顯示，分辨率為1280×1024像素。

②實時性：用戶操作響應時間小于2 s，場景顯示響應時間小于1 s，場景切換響應時間小于20 s。

③可靠性：軟件平均故障間隔時間大于3000 h。

④可擴展性：可根據需要加入不同的音頻、視頻、字幕、效果，并可加入相關組織器官。

3 膽石癥三維動畫教學片的內容

經試用該視頻完全滿足使用需要，其通過一例膽石癥患者從進高脂飲食發病就醫開始，醫師查體及B超等輔助檢查獲得膽囊炎伴膽囊結石診斷，進而磁共振胰膽管成像(magnetic resonance cholangiopancreato- graphy,MRCP)得出其還患有膽總管結石。隨著患者的問詢，醫師解釋膽石癥的分型以及發病機制，動畫重點顯示膽石形成過程，以及原發與繼發膽總管結石的差異，急性化膿性膽管炎的發生機制。進而患者住院治療，問及治療方法以及碎石、排石等療法的效果，醫師結合動畫逐一做出解答，針對膽囊結石，可行腹腔鏡下膽囊切除術，小切口膽囊切除術等；針對膽總管結石，可行內鏡下逆行胰膽管造影術(endoscopic re- trograde cholangiopancreatograpy,ERCP)，腹腔鏡下膽總管探查術等。動畫同時逐一演示手術過程。患者最后行ERCP結合腹腔鏡膽囊切除術。醫師叮囑術后康復及注意事項，出院前患者問及其較為關心的飲食問題，醫師從健康飲食、健康保健等角度一一作了回答，同時動畫作了相應的展示。整片借助三維動畫，將抽象的理論形象化，通俗易懂地闡述了膽石癥的診療知識(如圖1所示)。

圖1 膽石癥診療三維動畫部分內容展示圖

4 借助膽石癥三維動畫教學片進行CBL教學實踐

選取住院醫師規范化培訓輪轉至該科的學生12人，首先選擇一例主訴為進油膩食物后右上腹疼痛1 d的病例作為CBL案例。讓學生圍繞病因、發病機制、診斷、鑒別診斷、查體手法、輔助檢查、治療方法的選擇、預防等方面進行討論。其中1位學生將討論結果記錄下來。最后輔導教師將該視頻作為該次膽石癥CBL教學的補充和說明進行播放，同時配以教師講解。此結合三維動畫的CBL教學方法與之前單純討論案例不配視頻的教學方法進行比較。發放調查問卷統計數據，結果如表1所示。

表1學生對結合三維動畫的CBL教學法的看法n(%)

調查內容 有很大幫助有幫助一般幫助不大或無幫助學習膽石癥知識10(83.3)2(16.7)0(0.0)0(0.0)提高學生探究和解決問題的能力9(75.0)2(16.7)1(8.3)0(0.0)膽石癥教學內容的記憶理解11(91.7)1(8.3)0(0.0)0(0.0)促進學生的臨床思維能力8(66.7)2(16.7)2(16.7)0(0.0)促進學生之間的交流與合作10(83.3)1(8.3)1(8.3)0(0.0)激發學生肝膽外科的興趣9(75.0)2(14.6)1(8.3)0(0.0)提高學生的三維空間想象能力10(83.3)2(16.7)0(0.0)0(0.0)提高學生批判性思維8(66.7)2(16.7)2(16.7)0(0.0)提高學生處理實際問題的能力9(75.0)2(16.7)1(8.3)0(0.0)

5 討論

三維動畫仿真技術能將肉眼無法看見、攝像機無法拍攝的人體內部世界、細胞的微觀世界等，生動、簡明地呈現在學生面前,還可對各種手術方式進行模擬展示。此技術已應用于神經外科、眼科、心臟外科、整形外科等領域。我們可以利用該項技術制作出膽道系統虛擬組織、器官模型，并將膽石癥的發病機制、病理改變、臨床表現、檢查方法、診斷及鑒別診斷、并發癥、治療方法、預后以及人群的健康教育等內容，以形象、生動的三維動畫形式進行展現，有利于醫學生的快速理解。而且動畫視頻可以通過網絡進行傳播，其表現的直觀性、傳播的廣泛性是傳統紙質圖文宣傳無法達到的，是普及膽石癥診治知識，提高教學效果的有效手段[6]。

CBL是以案例為基礎的教學方法，起源于古希臘、古羅馬時代的“啟發式問答法”，是一種古老的教學方法。但直到1870年，哈佛大學的Christopher Colum- bus Langdell將其在法律教學領域應用后，才上升為系統的教學理論[7]。CBL教學法是臨床實習課中新嘗試的教學方式，該模式的理念為：“以學生為主體，以病例為基礎，以問題為引導”。在Srinivasan M等[8]有關PBL 與CBL 的教學效果的比較研究中發現，CBL最大的優勢就在于它能夠有效地利用時間[9-10]，減少了學生對不相關問題的聚焦，縮短了學生在課外所花的時間，為學生提供了運用臨床技能的機會[11]。

膽石癥CBL教學過程中，教師首先提出一例膽石癥病例，通過癥狀、體征讓學生討論出相應的診斷和治療方法；再通過播放一例膽石癥患者就診過程，用三維動畫仿真技術模擬膽道系統內部細節、進行情景再現，用虛擬建模、高速圖形顯示與圖像處理等技術將膽石成因、類型、診斷、治療進行可視化展示，最后進行討論。使學生借助三維動畫仿真技術通俗易懂的特點，快速了解膽石癥的相關知識，使枯燥的醫學知識變得生動、形象。還模擬手術操作過程，實現了膽石癥診斷、治療方法的完整模擬仿真。經過問卷調查發現，這種新的教學資料有利于學生記憶理解能力的培養和思維能力的鍛煉，提高了空間想象能力，激發了學生對肝膽外科的興趣，達到了較好的教學效果。但是還存在一些不足之處，例如軟件目前僅為視頻動畫，可以在此基礎上設計開發醫學三維影像輔助工具，該工具可調用三維醫學動畫部件庫中的實體模型，對人體器官模型進行分離、結合、放大、測量、旋轉和重建等。通過制作引擎的調用和簡易的調整便可進行教學、科研應用。