冠心病教学中三维动画的制作与应用

孙 嘉，丘文峰

广东医学院:1教育技术与信息中心;2信息工程教研室，广东 东莞 523808

医学各分支科学内容普遍存在抽象和微观等特点，一直是医学教育中的重点和难点。对于医学中一些难以理解的概念、微观的事物和病变过程，大多需要借助动画加以表现。早期的医学动画是以人工手绘的居多，随着计算机动画技术，特别是三维动画技术的出现，使得人们不受时间、空间、微观的限制，直接表现各种事物、现象甚至动作行为，将众多学习资源再现在课堂上［1］。而在临床中冠心病的发病率是相当高的，冠心病的发病原理和相关演变过程也是学生理解的难点。如果将冠心病的演变过程，用直观的三维模拟动画加以演示讲解，能有效解决这个教学上的重点、难点问题，让课堂更加生动形象，获得较好的效果［2］。

1 冠心病动画的制作

心脏是人体一个非常重要的器官，它像一个永不停止的泵，随着心脏每次收缩就会将携带氧气和营养物质的血流经主动脉输送到全身，以满足各组织细胞代谢的需要。心脏自身的氧气和营养是由主动脉的根部分出两条动脉向心脏本身的血液循环输送的，这两条动脉称为冠状动脉。如果由于脂质代谢不正常，血液中的脂质沉着在原本光滑的动脉内膜上，在动脉内膜形成一些类似粥样的脂类物质堆积而成白色斑块，称为动脉粥样硬化病变简称冠心病。

1.1 结构分析

根据授课内容，动画制作主要表现心肌血液供应障碍，冠状动脉内膜脂质沉着，复合糖类的积聚，纤维组织增生和钙质沉着，动脉中层病变，导致管腔狭窄或闭塞等一连串的动作。对治疗方法主要介绍经皮冠状动脉介入治疗(PCI):支架术的动画，主要表现血管穿刺把支架或其他器械放入冠状动脉，从而达到解除冠状动脉狭窄的目的。

1.2 媒体的选择

冠心病在教学上之所以是难点，主要是没有一个直观的呈现方式。由于肉眼无法看到这些区域，那么利用三维动画来表现这些区域，使这些区域以虚拟动画的形式重现在学生的眼前，使学生一目了然。我们选用3Ds Max软件制作虚拟模型，用Photoshop对图像进行处理，用After Effects制作视频和处理视频。

1.3 制作要点

1.3.1 模型制作 这里选用3Ds Max来制作模型，制作心脏的模型使用了ploy建模，红细胞使用粒子工具［3］:①把各个腔室看做一个独立的个体分开制作，把心脏的前视图、后视图、左侧视图的结构草图尺寸调为一致，导入到3Ds Max对应视窗中作参考图;②在前视图中建一个几何体，在编辑面板把几何体的段数调高，以便让几何体能更好的变形，把几何体塌陷为ploy建模，然后进到点层级，通过调整点的位置制作出外形，用软化命令使线条柔和，这样建好左心房;③再用同样的方法把右心房和左右心室完成，之后使用布尔运算让它们由几个独立的个体合成一个整体，再进入点层级对外形进行调整;④细小的血管模型制作先根据血管的位置和走势拉出条线，做出一个圆形的横截面积，再使用放样命令，并用曲线调整放样后的图形;⑤粗的血管用管状体工具，血管之间的组合使用布尔运算合成一个整体，再把它们与粗的血管和4个腔室的模型组成(如图1所示);⑥血细胞使用粒子工具，而取样的血细胞的基本几何体为一个球体，先用缩放工具把球体整个变扁，再进图编辑面板中的点层级，选中中间的点，再使用缩放工具做出中间的凹陷部分［4］。

图1 在3DS Max中的心脏模型

图2 血液在血管中流动

1.3.2 动画分镜头 动画的初稿也是在3Ds Max里面完成的。动画要根据冠心病的特点来进行制作，先明确实现哪支冠状动脉以及冠状动脉内正常的血液流动(如图2所示)，之后血液中的脂质沉着在原本光滑的动脉内膜上是怎么样的，这个时候血液通过的状态，支架术的原理，它是在血管中如何实现的，实施后血液流动的状态。这些内容要在这个动画中表现出来，由此得出动画主要分六个镜头:第一个镜头表现心脏的一个跳动，用发光的形式凸显出冠状动脉;第二个镜头表现血管打开后，正常情况下的血液流动;第三个镜头则表现血液中的脂质沉着在原本光滑的动脉内膜上的一个状态，然后是血液的流动状态;第四个镜头表现经皮冠状动脉介入治疗时的球体涨起，把原来狭窄的地方撑开，然后离开;第五个镜头表现球体涨起，连带撑开支架，球体离开，留下支架(如图3所示);第六个镜头就是血液恢复正常的流动。这些镜头最终输出为JPG图片的序列帧，它可以保存高质量的画面，而且可以很好地导入到多种视频编辑软件中。

图3 支架撑起

1.3.3 视频编辑 视频的编辑要注重承上启下［5］。由于整个动画都是在三维模型中来讲解冠心病的形成与治疗，脱离了外部的真实环境，缺少真实环境中的参照物;没有参照物，那么突然变化角度就很容易让观众造成视觉错误。制作的时候，由于有大场景到小场景的转换，这里要注意有一个场景转换的交代，以免给观众造成逻辑上的混乱(如图4所示)。

图4 在After Effects中编辑视频

2 冠心病动画的实践意义

2.1 实践意义

冠心病是临床的多发病，而且有逐年上升趋势，所以我们在培养医学生的时候要充分重视，利用三维动画等教学方式让学生更轻松、更深入地掌握学习中的重点及难点。

在医学CAI课件中利用三维动画可以轻松地阐述医学难点。利用三维技术，把器官或骨骼转动起来，使学生不再是面对一张张的图片来思考，而是像看电影一样，通过一个个三维动画的逼真呈现，轻松理解和掌握知识难点［6］。例如:冠心病的临床表现，通过三维动画，营造一个立体空间，然后用透视的动画表现冠状动脉硬化，心肌血液供应障碍，冠状动脉内膜脂质沉着，复合糖类的积聚，纤维组织增生和钙质沉着，动脉中层病变，导致管腔狭窄或闭塞等一连串的动作，让学生清楚地了解病理特征，极大地提高了教学效果。

2.2 应用分析

冠心病的医学动画主要针对医学院校的本科生。教师可以根据自己讲课的进程播放动画，动画可重复播放、随时暂停，动画的运用降低了教师的上课难度，也在一定程度上活跃了课堂气氛。通过使用动画进行辅助教学，能充分调动学生各种感官功能，激发了学生学习课程内容的热情和强烈的求知欲，学生不只是听懂了，而且更形象地理解了上课的内容。但是由于视频是按照一定的流程播放的，学生是被动的接受，而不会主动的思考，这个是需要上课教师注意的，教师可通过暂停动画的播放，与学生互动，帮助学生在看动画时能进行更深入的思考［7］。

2.3 数据统计

通过对临床、医学检验和药学三个专业的大二及大三共100名学生做问卷调查，接受问卷调查的学生都认为看了医学动画后会引起他们的思考。其中，81%的学生认为提高了其对视频中相关知识的理解，53%认为相关知识更容易理解，64%的学生觉得在课堂中加入动画让课堂更生动、更有吸引力，70%的学生认为加入动画进行教学的效果比传统教学效果更好，74%的学生认为三维医学动画的发展具有极大潜力［8］。

三维动画应用于临床教学，既能提高学生对相关知识的理解，也能使课堂更生动。而且三维医学动画也可以很好地运用在远程教育中，一些难以理解的知识点可以通过三维动画的展示直观的说明;而在展示某些科研成果的时候也可以使用三维动画。所以，三维动画在医学教育、教学中具有很好的应用前景。

［1］周万，李世其，魏发远.基于虚拟现实的动态设计与仿真［J］.计算机仿真，2002，(1):43

［2］刘琳.将三维动画引入医学CAI课件的重要意义［J］.网络财富，2009，(9):94-95

［3］秦斌杰，陈旭，庄天戈.医学图像三维可视化［J］.航天医学与医学工程，2001，14(6):452-455

［4］谭昕.三维医学动画视觉表现特质研究［J］.美术大观，2012，(4):136

［5］陈俊，李健.从分娩机制的制作看三维动画在医学教育中的应用［J］.中国医学教育技术，2005，19(4):294-296

［6］江澍，陈菁.多媒体在医学形态教学中的优势［J］.解剖科学进展，2001，7(3):251-252

［7］李鉴轶，赵卫东，张美超，等.医学影像资料三维重建及在解剖学教学中的应用［J］.解剖学研究，2007，29(2):154-156

［8］王怡栋，宋海江，宇扬，等.数字人体在医学教育中的应用及拓展［J］.中国高等医学教育，2011，(12):25-26