自制3D动画在胆石症CBL教学中的实践

蒋 安，王贵虎，李宗芳，龙飞帆

1 西安交通大学第二附属医院陕西省肝脾疾病临床医学研究中心， 西安 710004；2 西安磐石信息科技有限公司， 西安 710049

胆石症是发生于胆道系统任何部位的结石病。据世界流行病学调查，成年人胆石病发病率为9%～10%，我国成人患病率为1.7%～9.0%，即至少有0.2～1.0亿人罹患胆石症。每年作胆囊切除术几十万例[1]。而且，近年来胆石症的发病率有逐年升高的趋势，陕西省也是胆石症的高发区。

胆石症的病因复杂、临床表现多样且治疗手段较多，所以误诊误治现象非常普遍。胆石症的复发率较高，一旦出现并发症往往较为严重，所以非常强调首次规范治疗[2]，否则会增加严重并发症的发生率和死亡率，不但给患者造成巨大的痛苦，不利于家庭和社会的稳定，也给一些江湖游医、封建迷信和邪教组织造成可乘之机。所以，有必要加强胆石症的教学工作。在胆石症教学过程中，由于胆道系统解剖需要三维空间想象力，如果能用简单、直观、有效的方式展示胆石症的发病机制、诊治方法和手术操作，替代传统的文字、图片、手术录像等教学材料，有望得到更好的教学效果。

2015年起由西安交通大学第二附属医院与西安磐石信息科技有限公司合作，在陕西省科技统筹创新工程项目(2013KTCQ03-06)的支持下，将胆石症病因、诊断、治疗和预防与三维动画仿真技术相结合，完成三维动漫胆石症视频软件的开发，并申请国家软件著作权证书。

1 胆石症三维动画制作的技术步骤

1.1 撰写剧本

肝胆外科医师和软件制作人员经过详细讨论完成剧本制作，决定从引入一例胆石症典型病例因为高脂饮食发病就诊开始，引出胆石症的症状表述。医师先展示查体手法，进而对发病机制进行介绍和动画展现，医患双方对各种治疗方法进行讨论，并模拟显示手术步骤，最后由医师介绍胆石症的预防和健康的生活方式。

1.2 文字分镜头

确认故事剧本后，分镜导演将该次就医情况用视频语言的形式通过文字进行描述，并且最终讨论确认。

1.3 手绘分镜

文字分镜头确认后，交给分镜头画师，经过与导演讨论后依照镜头语言进行诊室内、腹腔内、胆石形成过程、非手术疗法、手术疗法、内镜下治疗等几个分镜画面的绘制和编排，经反复修改后确认。

1.4 角色和场景的概念设定

在进行分镜头绘制的同时，2D组原画师开始进行3个人物角色和诊室内、手术室内等主要场景的概念设定[3]。

1.5 3D模型的制作

概念设定经医师讨论修改通过后，开始在Maya软件中进行角色和场景的制作，主要使用Polygon的多边形编辑模型进行建模和展平，通过Bodypoint软件和Photoshop软件进行贴图的相关绘制。

1.6 动画layout制作

三维角色模型和场景模型完成后，我们在Maya软件或Max软件中先对角色部分进行蒙皮的绑定，再用骨骼进行蒙皮的动画驱动。场景模型的搭建也同时开展，并且进行镜头Layout制作，其集成了分镜头的六要素：空间关系、镜头运动、镜头时间、分解动作、制作台词以及文字说明，能比较直观地表达出胆石症动画短片的主要需求意向，对之后动画的细节制作打好基础[4]。

1.7 动画Layout确认及修饰

导演与临床医师对动画Layout后的效果进行讨论确认及反复修改后，动画师们开始集中精力细化短片中所有能动的部分，使其更自然流畅，包括人物角色和场景物件动画等。

1.8 灯光材质设定

在进行动画制作的同时，灯光师对场景内所有的物件进行材质贴图和灯光设定，并同时测试渲染小样，准备为最后输出成片作渲染准备。

1.9 渲染

在Maya或Max软件中对三维胆石症动漫短片进行最终的素材分层渲染，需要渲染color层、ID层、AO层这三种基本层级[5]。

1.10 合成和效果制作

将渲染出来的序列帧素材在After Effects软件中进行分段合成，并对短片的颜色、对比度、饱和度进行细微的调节。

1.11 录制对话和旁白

选择专业的解说人员在录音棚内录制高质量Wav声音文件，使其与动画内容及字幕匹配。

1.12 合成及出片

最终在Premiere软件里进行分段拼接、剪辑和声音匹配，合成后输出成片，根据具体需要进行相应的格式转换，刻盘发出。

2 三维动画教学片的性能指标

①该动画视频可实现三维、全屏、高清、多窗口显示，分辨率为1280×1024像素。

②实时性：用户操作响应时间小于2 s，场景显示响应时间小于1 s，场景切换响应时间小于20 s。

③可靠性：软件平均故障间隔时间大于3000 h。

④可扩展性：可根据需要加入不同的音频、视频、字幕、效果，并可加入相关组织器官。

3 胆石症三维动画教学片的内容

经试用该视频完全满足使用需要，其通过一例胆石症患者从进高脂饮食发病就医开始，医师查体及B超等辅助检查获得胆囊炎伴胆囊结石诊断，进而磁共振胰胆管成像(magnetic resonance cholangiopancreato- graphy,MRCP)得出其还患有胆总管结石。随着患者的问询，医师解释胆石症的分型以及发病机制，动画重点显示胆石形成过程，以及原发与继发胆总管结石的差异，急性化脓性胆管炎的发生机制。进而患者住院治疗，问及治疗方法以及碎石、排石等疗法的效果，医师结合动画逐一做出解答，针对胆囊结石，可行腹腔镜下胆囊切除术，小切口胆囊切除术等；针对胆总管结石，可行内镜下逆行胰胆管造影术(endoscopic re- trograde cholangiopancreatograpy,ERCP)，腹腔镜下胆总管探查术等。动画同时逐一演示手术过程。患者最后行ERCP结合腹腔镜胆囊切除术。医师叮嘱术后康复及注意事项，出院前患者问及其较为关心的饮食问题，医师从健康饮食、健康保健等角度一一作了回答，同时动画作了相应的展示。整片借助三维动画，将抽象的理论形象化，通俗易懂地阐述了胆石症的诊疗知识(如图1所示)。

图1 胆石症诊疗三维动画部分内容展示图

4 借助胆石症三维动画教学片进行CBL教学实践

选取住院医师规范化培训轮转至该科的学生12人，首先选择一例主诉为进油腻食物后右上腹疼痛1 d的病例作为CBL案例。让学生围绕病因、发病机制、诊断、鉴别诊断、查体手法、辅助检查、治疗方法的选择、预防等方面进行讨论。其中1位学生将讨论结果记录下来。最后辅导教师将该视频作为该次胆石症CBL教学的补充和说明进行播放，同时配以教师讲解。此结合三维动画的CBL教学方法与之前单纯讨论案例不配视频的教学方法进行比较。发放调查问卷统计数据，结果如表1所示。

表1学生对结合三维动画的CBL教学法的看法n(%)

调查内容 有很大帮助有帮助一般帮助不大或无帮助学习胆石症知识10(83.3)2(16.7)0(0.0)0(0.0)提高学生探究和解决问题的能力9(75.0)2(16.7)1(8.3)0(0.0)胆石症教学内容的记忆理解11(91.7)1(8.3)0(0.0)0(0.0)促进学生的临床思维能力8(66.7)2(16.7)2(16.7)0(0.0)促进学生之间的交流与合作10(83.3)1(8.3)1(8.3)0(0.0)激发学生肝胆外科的兴趣9(75.0)2(14.6)1(8.3)0(0.0)提高学生的三维空间想象能力10(83.3)2(16.7)0(0.0)0(0.0)提高学生批判性思维8(66.7)2(16.7)2(16.7)0(0.0)提高学生处理实际问题的能力9(75.0)2(16.7)1(8.3)0(0.0)

5 讨论

三维动画仿真技术能将肉眼无法看见、摄像机无法拍摄的人体内部世界、细胞的微观世界等，生动、简明地呈现在学生面前,还可对各种手术方式进行模拟展示。此技术已应用于神经外科、眼科、心脏外科、整形外科等领域。我们可以利用该项技术制作出胆道系统虚拟组织、器官模型，并将胆石症的发病机制、病理改变、临床表现、检查方法、诊断及鉴别诊断、并发症、治疗方法、预后以及人群的健康教育等内容，以形象、生动的三维动画形式进行展现，有利于医学生的快速理解。而且动画视频可以通过网络进行传播，其表现的直观性、传播的广泛性是传统纸质图文宣传无法达到的，是普及胆石症诊治知识，提高教学效果的有效手段[6]。

CBL是以案例为基础的教学方法，起源于古希腊、古罗马时代的“启发式问答法”，是一种古老的教学方法。但直到1870年，哈佛大学的Christopher Colum- bus Langdell将其在法律教学领域应用后，才上升为系统的教学理论[7]。CBL教学法是临床实习课中新尝试的教学方式，该模式的理念为：“以学生为主体，以病例为基础，以问题为引导”。在Srinivasan M等[8]有关PBL 与CBL 的教学效果的比较研究中发现，CBL最大的优势就在于它能够有效地利用时间[9-10]，减少了学生对不相关问题的聚焦，缩短了学生在课外所花的时间，为学生提供了运用临床技能的机会[11]。

胆石症CBL教学过程中，教师首先提出一例胆石症病例，通过症状、体征让学生讨论出相应的诊断和治疗方法；再通过播放一例胆石症患者就诊过程，用三维动画仿真技术模拟胆道系统内部细节、进行情景再现，用虚拟建模、高速图形显示与图像处理等技术将胆石成因、类型、诊断、治疗进行可视化展示，最后进行讨论。使学生借助三维动画仿真技术通俗易懂的特点，快速了解胆石症的相关知识，使枯燥的医学知识变得生动、形象。还模拟手术操作过程，实现了胆石症诊断、治疗方法的完整模拟仿真。经过问卷调查发现，这种新的教学资料有利于学生记忆理解能力的培养和思维能力的锻炼，提高了空间想象能力，激发了学生对肝胆外科的兴趣，达到了较好的教学效果。但是还存在一些不足之处，例如软件目前仅为视频动画，可以在此基础上设计开发医学三维影像辅助工具，该工具可调用三维医学动画部件库中的实体模型，对人体器官模型进行分离、结合、放大、测量、旋转和重建等。通过制作引擎的调用和简易的调整便可进行教学、科研应用。