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数字化虚拟人解剖学教学平台的应用

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[摘要]利用计算机辅助教学是我国面向21世纪高等教育改革的一项重要模式,它对推动和培养具有独立思维和创新精神的高素质人才具有重要作用。数字化虚拟人解剖学教学平台是现代计算机信息技术与医学等学科相互整合的产物,人体的可视化、虚拟化和可控化,是生命科学与信息科学相结合的前沿性科技产物。它的出现必将对数字化医学教育改革以及远程医学教育的发展产生重大影响。

[关键词]数字化虚拟人;人体解剖学;教学研究;教学改革

数字化虚拟人解剖学教学平台是应用数字图像和现代计算机技术,采用CT、MRI断层扫描等影像学方法获取人体尸身超薄切削的数据信息,在计算机上构建全数字化、可视化的完整人体三维模型,生动地重现逼真实物图像、器官组织内部的结构,并模拟各种解剖学和外科学的操作。本文就该平台的使用情况和积极意义做一阐述,希望能进一步推动数字化虚拟人解剖学教学平台的推广。

1数字化虚拟人的历史

世界上首例数字化虚拟人是1989年美国国立医学图书馆发起,以提供生物医学文献的图像检索系统,这项随之由Colorado大学健康科学中心承担并实施的人体断面的二维图像信息获取工作被称为“可视人计划”(VisibleHumanProject,VHP),即数字化的“解剖人”,它包含一男一女两组断层光学照片数据以及CT和MRI断层扫描图像、组织切片,男性有1878个横断面切片,女性有5190个切片,切片间距分别为1.0mm和0.33mm,1994年11月完成并向世界公布。1999年10月,美国又启动了橡树岭计划,至2001年美国建立了“数字化人体”,包含数字化虚拟人数据集和辅助数据集、虚拟人体的解剖层次、疾病和综合症的临床基础信息、相关的医学知识以及不断扩展的工具和产品。全世界对美国的可视人体计划有着非常大的反响,韩国、日本、德国、澳大利亚都效仿过这个可视人体研究。2001年11月,我国科技专家在第174次香山科学会议上重点研讨了“中国数字化虚拟人”(VisibleChinaHuman,VCH)。2002年,我国首套男女数字化虚拟人数据由第三军医大学张绍祥教授研究采集完毕。目前,我国共有男女各3个数据集被上海、重庆、广州等地的解剖专家们采集建立。在这些数据集的基础上,众多科研、教学、医疗单位共同合作并研发了各种应用软件,例如由山东易创电子有限公司研发的《中国数字人解剖系统》,采用第三军医大学的断层数据(获2007年国家科技进步二等奖),经计算机和图像处理,在电脑屏幕上呈现出由2800多个人体横断面切片数据信息(男性人体2300个,女性人体500多个)整合重建出的三维立体虚拟人。

2数字化虚拟人在人体解剖学教学中的应用调查

目前国内医学院校采用的数字化虚拟人解剖学教学平台,主要有以下几种:①杭州医学院[1]、梧州市卫生学校[2]等引进的单机版《中国数字人解剖系统》。②长春中医药大学[3]引进的美国国家医学图书馆的三维数字化可视人体工程,平台构建了全数字化的虚拟可视人体三维解剖模型,结构逼真,骨、肌肉、纤维结缔组织、血管、神经等结构可形成明显对比,该平台还可用于考试系统连接到网站上,考核学生对解剖学知识的掌握程度[4]。③广州医科大学[5]采用的“三维虚拟人体解剖展示平台V2.0”,平台包含图像录入系统和图像处理系统两部分,使用NikonD7000单反相机环360度拍摄,取得标本在不同角度的影像,得到球形全景在不同角度上的矩形投影图或立方图,通过Jbuilder9.0及Delphi程序开发的图像处理系统进行拼接加工,得到三维虚拟标本的影像,按解剖各大系统进行分类排列,并配上说明文字,最终实现全方位互动式观看的真实标本。一般来说,数字化虚拟人解剖实验室配有1个教师控制平台,10台虚拟终端电脑,2组高清摄像头,2个解剖操作台,人体血管、神经、肌肉标本若干以及大量模型。数字化虚拟人解剖学教学平台的特点包括:①提供任意角度和维度的透明人体结构和各器官清晰的位置毗邻关系,能旋转、放大、缩小显示。②具有逼真的连续数字化图像、鲜明的色彩及清晰的层次,拥有与CT、MRI工作站相同的3D医学影像重建技术。③界面简洁,操作简单,通过鼠标在不同组织、器官和结构上的移动,可显示出它们的中英文名称和释义,能反复多次观察复杂多样的组织器官,便于理解和记忆。④操作者可充分发挥想象力,对虚拟人进行体位旋转和局部拆分,如观察脊柱时,即可观察全貌,也可以通过拆分将椎骨独立出来进行细致的观察;通过点击、选择还可以完成逐层解剖、构建组织与器官,虚拟手术可反复进行,不断纠错,熟练操作。⑤设计了很多快捷方便的数字化特效功能,包括分离显示、轮廓示意、染色、逐层剥离、随手画、隐藏等,比如学生可利用画笔工具标记突出重要的解剖位置,截图保存,以便随时浏览。⑥提供了大量断层解剖学、系统解剖学、局部解剖学的教学素材,丰富了教学资源,有效地缓解当前人体解剖标本和尸体来源紧张的现状。本校在引进数字化虚拟人教学系统后,以问卷调查的形式对200名临床医学专业的学生,分别从学习态度、自学能力、团队协作能力和临床实践能力4项内容进行了调研评估。回收的问卷用Excel软件建立数据库,发放调查问卷表200份,回收有效问卷200份,回收率100%。整体问卷信度系数Cronbachα=0.915>0.8,故可以推断问卷的内在一致性较高,信度较好。使用SPSS19.0软件对学生考核成绩和调查结果进行统计分析,经调查得出,数字化虚拟人解剖教学平台得到学生的高度认可。其中学习教科书的时间是否延长,所呈现出来的调查结果是不一定显著延长,这可能是因为数字化虚拟人教学平台能够使学习更容易。

3数字化虚拟人在人体解剖学教学中的优势和积极意义

传统的解剖学教学,学习者无法建立清晰的三维图像,对人体结构的空间位置和形态理解比较抽象,对器官的位置、毗邻等立体关系了解模糊,容易造成畏难心理。数字化虚拟人解剖系统具有完整性、系统性、层次性、交互性的特点,图像清晰度和饱和度均优于图谱,能显示器官的立体构象,解剖结构可任意角度旋转,便于转变视角、多方位观察,增强学习者的直观视觉效应和立体思维能力,每个结构都加注了文字说明和关键结构标注,有效提高学习者对人体结构的理解和记忆。再者,三维数字化虚拟实验平台可有效减少实验室常规损耗,节省教育经费的投入,还可以共享其他学校相关学科的先进实验条件,改善医学院校办学条件,提高实验教学水平。数字化虚拟人解剖系统的运用,能更好的引入辩证唯物主义的人体观,以发展、运动、变化的观点,来阐明人体形态、结构、功能间的相互关系和矛盾运动的规律,可以更好地帮助学生理解与解释人体,有利于学生形成正确而稳固的世界观和方法论[6]。以解剖学常用的肌肉的定点和动点为例,肌肉的定点和动点在一定条件下可以相互置换,如背阔肌起于下6个胸椎和全部腰椎棘突,肌束向外上方,集中止于肱骨小结节下方的骨嵴。其作用是使肱骨内收、旋内和后伸,但是当上肢上举被固定时,则上提躯干(如引体向上)。再比如肌肉按功能可分为屈肌群和伸肌群,这两组运动方向完全相反的拮抗肌群在功能上既相互对抗,又相互协调依存。如屈膝关节,经过该关节后方的股屈肌群收缩,伸肌群舒张则限制屈肌群过度收缩,当然这一动作的完成是在神经系统的统一支配下,互相协调又互相配合共同完成的。但是这种变化的、对立又统一的关系是无法用图谱显示出来的,而数字化虚拟人的运用则很好的弥补了图谱的这一缺陷。依托电脑和网络已成为当代大学生学习的重要手段和接收信息的主要来源方式,数字化虚拟人解剖系统共享到校园网上,学生可以根据自身实际情况调节学习内容,把握学习进度,培养学习兴趣和独立分析和解决问题的能力,学会不断探索未知的领域,为学生的终身学习铺垫基础。

4目前存在的问题和展望

数字化虚拟人是对传统解剖学教学方法的丰富和补充,实验室的前期投入价格不菲。该系统信息量巨大,教师须在有限时间内引导学生准确快速的使用软件,循序渐进地布置学习任务,让学生自己发现、提出并解决问题,形成一套自律的学习模式。但是数字化虚拟人毕竟是计算机模拟的虚拟人体,缺乏真实的实验操作情景。因此,在人体解剖学教学过程中必须坚持使用数字化虚拟人解剖学教学平台的同时保留尸体解剖和标本观摩,两者有机结合,取长补短,合理运用先进的教学资源,更好地为解剖学教学服务。此外,数字化虚拟人还可应用于临床相关手术入路的研究,指导临床手术,为局部结构定量、定向、定性研究及手术提供准确、可靠的参考信息,在虚拟手术训练、术前计划的制定、手术入路的设计、手术方式的选择、手术操作的模拟中有着重大的应用价值,还能为临床MRI及PET等影像诊断提供数字形态学依据和解剖对照,为放疗方案的设计和数字微创介入治疗提供实验指导,为医学、生命科学等研究和应用提供基础与技术支撑。

参考文献

[1]王征,季华,安国防,等.数字化虚拟人在人体解剖学理实一体教学中的应用.浙江医学教育,2016,15(5):8-10.

[2]黄翠微.“数字人”解剖系统在解剖学教学中的应用.大众科技,2016,18(206):80-81.

[3]李一帆,杨茂有,尚云龙,等.三维虚拟数字化可视人体在解剖教学中的应用.解剖学研究,2012,34(5):393-394.

[4]沈雷,何军,马勇,等.促进虚拟人体解剖实验教学效果提高的策略研究.继续医学教育,2016,30(1):75-77.

[5]涂腊根,廖丙修,杨荫,等.三维虚拟人体展示平台在高职检验医学技术专业解剖学教学中的应用.国际检验医学杂志,2017,38(2):281-282.

[6]毛赛,李玮,赵丽.在解剖学教学中运用一点辩证法.白求恩军医学院学报,2010,8(1):50-51.

作者:万丽丹;伍洪昊 单位:南昌大学基础医学院人体解剖学教研室

数字化虚拟人解剖学教学平台的应用责任编辑:张雨    阅读:人次