CC BY
31
УДК 615.47:616-074
А. И. Клыков, Н. А. Фролова
Смоленская государственная медицинская академия
МОДЕЛИРОВАНИЕ УЧАСТКА МИКРОЦИРКУЛЯТОРНОГО РУСЛА В 3Б-РЕДАКТОРЕ BLENDER 2.49B
Эта работа о возможности моделирования трехмерных биологических объектов с использованием бесплатной открытой программы для создания 3D-объектов Blender. При помощи данной программы был смоделирован кровеносный капилляр. Показаны этапы создания трехмерной модели.
Ключевые слова: трехмерная модель, биологический объект, капилляр.
Одной из наиболее распространенных методик изучения морфологии микроциркуляторного русла является световая микроскопия с применением различных техник гистологической окраски. Однако при просмотре микроскопируемых объектов в проходящем свете информация об объеме, характерная для изучаемых трехмерных объектов, практически теряется. Значительно больше знаний о трехмерной структуре микрообъектов мы можем получить при применении сканирующей электронной микроскопии. Пространственное восприятие человеком будет неполным без возможности рассмотреть изучаемый объект со всех сторон. Это достижимо только при применении методик трехмерного моделирования. Только они помогут представить результаты различных методов исследования биологического явления или структуры в наглядной форме.
Пакетом объемной визуализации является программный продукт Blender. Это не единственный профессиональный продукт для трехмерного моделирования, рендеринга и анимации, но он имеет одно очень серьезное преимущество - доступность. Blender распространяется по лицензии GNU GPL, то есть является бесплатным продуктом с открытым кодом. В то же время стоимость таких продуктов, как 3ds Max от Autodesk, достигает десятки и сотни тысяч рублей в зависимости от версии. Помимо бесплатности, у данного проекта есть и второе большое преимущество - поддержка и дальнейшее совершенствование продукта. Этим занимается организация Blender Foundation, одной из основных целей которой является дать доступ интернет-сообществу к 3D-технологии с Blender в качестве технической основы [3]. За время прогрессирования проекта выпущен ряд версий Blender, последней на данный момент времени является версия 2.49b. Однако недостатком данного программного обеспечивая является сложность обучения работе, трудность проектирования объектов со строго заданными размерами и нестандартность пользовательского интерфейса.
При построении трехмерной модели за основу были взяты микрофотографии различных участков капиллярного русла, сканирующие электронные микрофотографии и схемы строения различных элементов капилляра [1, 2, 4]. Построение модели начато с формирования клеточной стенки капилляра, и основой ее построения явились эндотелиальные клетки (моделировался капилляр III типа). При объемном моделировании клеток эндотелия применялась методика, основанная на построении mesh-объектов. Mesh-объекты - один из основных типов объектов в Blender. Они представляют собой трехмерные каркасные структуры, взаимодействующие с окружающим миром в редакторе. Для создания mesh-объектов использовался метод конвертации в них совокупности NURBS-кривых. Объекты NURBS (неоднородный рациональный B-сплайн)
- второй основной тип объектов в Blender. Данные объекты являются аналогами кривых Безье, но с несколько другими алгоритмами деформации. Благодаря гибкости изменения NURBS-кривых первоначальная плоская основа каркаса сложной формы строилась из них. Потом путем применения методики экструдирования плоской форме придавался объем, и далее объект конвертировался в каркасную структуру. Каркасная основа будущего эндотелиоцита в дальнейшем деформировалась согласно типичной форме данного типа клеток методом пропорционального редактирования вершин и граней. Реальные клетки не имеют острых граней, поэтому к mesh-объекту применялся модификатор Smooth (сглаживание). Моделирование ядер клеток велось непосредственной осевой трансформацией UV-сферы (стандартного mesh-объекта Blender) с дальнейшим созданием отверстий (ядерных пор) в стенке сферы. Для придания реалистичности к данному объекту также применялся модификатор Smooth. Ядрышки были смоделированы аналогично из UV-сфер.
Моделирование митохондрий проходило в два этапа. На первом из UV-сферы путем пропорционального деформирования создавалась наружная мембрана митохондрии. На втором этапе путем дупликации - аналогичный объект, который масштабировался с уменьшением и помещался внутри первого - внутренняя мембрана. Далее внутренняя копия деформировалась с применением пропорционального редактирования вершин, в результате чего создавались кристы митохондрии. Пиноцитозные вакуоли также моделировались UV-сферами с последующим масштабированием. Эндоплазматическая сеть создавалась по аналогичной методике, как и каркасная основа эндотелиальной клетки. На первом этапе из NURBS-кривых моделировался общий плоский профиль структуры. После преобразования в mesh-объект и дальнейшего экструдирования формировалась структура нужной формы.
На следующем этапе на различные структуры эндотелиоцитов накладывались текстуры с применением эффектов прозрачности в режиме Z-буфера и зеркалирования. Далее из полученного набора собирались отдельные эндотелиальные клетки, а потом из них - участок капилляра. Клетки крови (эритроциты, лимфоциты, нейтрофильные лейкоциты) были импортированы из ранее созданных файлов и размещены внутри капилляра. Результаты до и после рендеринга модели видны на рис. 1, 2.
Рис. 1. Готовая модель капилляра до рендеринга
Рис. 2. Тот же участок капилляра после рендеринга
Таким образом, трехмерный редактор Blender 2.49 позволяет моделировать с минимальными ограничениями достаточно сложные трехмерные биологические структуры, в том числе участки микроциркуляторного русла. Эти модели могут применятся как в учебном процессе, так и в научных работах по изучению микрососудистого русла человека. При этом, являясь полностью бесплатным для некоммерческого применения, проект Blender наиболее оптимален для задач по моделированию при ограниченном бюджете, особенно на начальных этапах проекта.
Библиографический список
1. Атлас клеток крови и костного мозга / под ред. проф. Г. И. Козинцева. - М. : Триада-Х, 1998. - 160 с.
2. Кузнецов, С. Л. Атлас по гистологии, цитологии, эмбриологии / С. Л. Кузнецов, Н. Н. Мушкамбаров, В. Л. Горячкина. - М. : Медицинское информационное агентство, 2006. - 374 с.
3. Официальный сайт проекта Blender [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.blender.org/ (дата обращения: 14.03.2010).
4. Dr. Jastrow's electron microscopic atlas [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http: //www.uni-mainz.de / FB /Medizin/ Anatomie / workshop/EM/EMAtlas.html (дата обращения: 21.04.2010).
© Клыков А. И., Фролова Н. А., 2010
Авторы статьи: Алексей Игоревич Клыков, кандидат медицинских наук, старший преподаватель Смоленской государственной медицинской академии (кафедра анатомии человека). E-mail: al_ksej@mail.ru;
Наталья Александровна Фролова, кандидат медицинских наук, старший преподаватель Смоленской государственной медицинской академии (кафедра анатомии человека). Email: natalfrol@mail.ru.
Рецензент - В. А. Глотов, доктор медицинских наук, профессор кафедры анатомии человека Смоленской государственной медицинской академии.
