數(shù)字化虛擬人在運動解剖學教學中的應用

周多奇，錢振宇

（安慶師范學院 體育學院，安徽 安慶 246133）

數(shù)字化虛擬人在運動解剖學教學中的應用

周多奇，錢振宇

（安慶師范學院 體育學院，安徽 安慶 246133）

數(shù)字化虛擬人是現(xiàn)代計算機信息枝術與醫(yī)學等學科相互結合的成果.本研究從數(shù)字虛擬人研究進展、虛擬人在人體結構教學、生理功能模擬、體育動作工作分析和運動損傷教學等方面綜述了數(shù)字虛擬人及其在運動解剖學教學中的應用.結果表明：數(shù)字虛擬人應用于運動解剖學教學，能彌補尸體等實驗資源不足，有利于學生掌握人體器官的立體結構和微觀內部構造，增加學生的學習興趣，顯著提高運動解剖學的教學質量.

數(shù)字化虛擬人；運動解剖學；教學

運動解剖學是體育相關專業(yè)學生進入大學階段的一門必修的重要基礎理論課，其教學質量直接影響學生后繼課程的學習.課程除人體解剖結構知識，更加注重運動系統(tǒng)、體育動作的解剖學分析和運動損傷的結構分析等知識的介紹.運動解剖學的內容和知識點繁多、雜亂,有較多抽象難記的名詞，學生學習興趣較低,學習效果欠佳.各個器官標本的空間結構位置使學生難以理解和掌握，學生的學習動力明顯不足，學習興趣不高.如何減少傳統(tǒng)教學模式的這些弊病，進一步提高學生學習的積極性和主動性,改善學生的觀察、理解、實際分析及動手等能力，提高教學效果成為運動解剖教學中的一個亟待解決的課題.

數(shù)字化虛擬人是將人體按需要切成若干斷面經掃描分析后，將原始數(shù)據(jù)輸入計算機整合，在計算機里合成一個三維立體的人體結構.它可代替真實的人體進行實驗研究，并提供各種精確數(shù)據(jù).它是醫(yī)學與信息技術、計算機技術相結合的成果，由虛擬可視人、虛擬物理人、虛擬生理人和虛擬智能人組成.它構成了人體形態(tài)學信息研究的實驗平臺,為臨床醫(yī)學、航天、汽車碰撞和體育等的科學研究和應用提供平臺和技術支持；同時隨著數(shù)字人技術的不斷發(fā)展，運動解剖學的教學過程可能將會發(fā)生重要變化[1,2].

1 數(shù)字化虛擬人的研究

1.1 國際數(shù)字化虛擬人的研究

上世紀80年代末，美國科學家啟動了可視人計劃，隨后又醞釀實施了一系列數(shù)字人研究計劃，目標是實現(xiàn)人體從分子到細胞、組織、器官、系統(tǒng)和整體的精確模擬，主要有:人類基因組計劃，可視人計劃，生理人計劃等.

世界上首例數(shù)字化虛擬人是1989年美國國立醫(yī)學圖書館發(fā)起，Colorado大學承擔實施啟動了“可視人計劃”，通過獲取人體標本橫斷面的二維圖像信息，建立人體斷層的數(shù)字化的“解剖人”，先后獲得一男一女兩組的斷層光學照片數(shù)據(jù)，以及CT和MRI斷層掃描圖像.組織切片，男性共有1878個橫斷面切片，女性為5190，片層間距分別是1.0mm和0.33mm.即1994年11月完成并向世界公布.在此基礎上，已經建立了數(shù)字化的三維解剖圖譜.這是人類在信息技術基礎上建立數(shù)字化解剖學的首例嘗試.美國可視人計劃的實施在全世界引起了巨大反響.在可視人數(shù)據(jù)集的基礎上，到2O00年為止，美國人已經建立了全身皮膚、肌肉、骨骼和心臟等部分器官的三維模型.韓國由亞洲大學和科技信息研究所承擔，于2000年開始的韓國可視人五年計劃，要無損失地完整獲取CT、MRI斷層掃描以及組織切片的0.2mm精度的切片數(shù)據(jù).韓國是世界上第二個嘗試建立可視人數(shù)據(jù)集的國家，也是第一個獲取具有東方人種特征的人體數(shù)據(jù)集的國家[3].

1.2 中國數(shù)字化虛擬人的研究

2001年，第174次香山科學會議的與會專家重點研討了“中國數(shù)字化虛擬人體”課題[4,5].2002年，我國首套男女數(shù)字化可視人體數(shù)據(jù)由第三軍醫(yī)大學張紹祥教授研究采集組完[6].目前，我國共有男女各3個數(shù)據(jù)集被上海、重慶、廣州等地的解剖專家們采集建立.上海男、女切片間距分別為1.7mm和0.57mm,重慶男、女為1.0-0.1mm，廣州男、女為0.2mm.上海男、女切削斷面分別為1058片和3022片,重慶男、女分別為2518片和3640片,廣州男女分別為9232片和8556片.上海男、女數(shù)據(jù)集量分別為10GB和30GB,重慶男女分別為90.648GB和130.04GB,廣州男、女分別為161.6GB和149.7CB.在這些數(shù)據(jù)集的基礎上,眾多科研、教學、醫(yī)療單位如北京同仁醫(yī)院、清華大學等共同合作,研發(fā)了各種應用軟件[7].

2 數(shù)字化虛擬人運動解剖學教學中的應用

2.1 數(shù)字化虛擬人在人體結構教學中的應用

數(shù)字化虛擬人技術可以清楚、立體、動態(tài)地顯示各個器官組織的空間位置和內部結構.如腦知識的學習一直是個難點，在教學中可以利用波士頓科學家開發(fā)的腦模型，讓學生佩戴特殊的眼鏡可以感知“立體”圖像，通過敲擊計算機鍵盤，使腦模型圖像旋轉，還可以把大腦皮層、灰質、白質等結構逐層剝離以顯示大腦的內部結構，該模型在腦結構的教學中可以便利地展示的腦的空間結構[8].教師可按照教學大綱的要求，依據(jù)教學經驗將教學內容總結提煉,構思出教學過程所需的人體三維圖片(如骨骼肌、關節(jié)和心臟等)及三維動畫，運用三維可視化系統(tǒng)將人體數(shù)據(jù)重建出三維圖片和動畫，應用于教學能取得較好的教學效果.文敏等[9]利用數(shù)字虛擬人對貴陽醫(yī)學院2005級臨床專業(yè)學生局部解剖教學.學生普遍反應三維重建的模型可以清楚的顯示人體的空間結構和毗鄰關系,方位感、層次感強,大大降低了學習的難度,提高了學習效率，與2004級臨床專業(yè)學生考試成績相比,成績有了顯著提高，及格率由2004級的71%上升到2005的97%,平均分也由2004級的65.63上升到77.93,學生的成績有了顯著提高.作者認為虛擬技術有如下優(yōu)點：可以彌補教學中標本缺乏,標本毀損、結構顯示不清等困難；可以更好、更全面的顯示人體結構,可以大大的方便教學；進行人體管道的漫游(如食管、腸管、內耳等)；可以生成三維動畫視頻并發(fā)布到網上，便于學生學習.李鑒軼等[10]利用胸廓三維模型對南方醫(yī)科大學05級臨床醫(yī)學專業(yè)學生教學后發(fā)現(xiàn)大大減小了解剖學的教與學的難度,提高了學習效率.鄺滿元等研究發(fā)現(xiàn)采用數(shù)字化虛擬人教學具有較多優(yōu)勢.（1）只要將光標移動到利用數(shù)字化虛擬人數(shù)據(jù)集制成的數(shù)字解剖圖譜的某個解剖結構上，通過超鏈接，此結構的詳盡說明便會顯示出來，可以直觀生動地展示知識點；（2）用數(shù)字化虛擬人即可以看到某個結構部位的橫斷面，也從不同的角度和方向立體地觀察該部位的空間結構；（3）在實驗教學中利用虛擬人體可以節(jié)省很多標本、器械.學生可以在虛擬尸體上進行虛擬手術，同時可以通過操縱桿和手套等設備的觸覺反饋來感知到人體不同組織的質感.虛擬手術可以多次重復進行，不斷糾正錯誤.虛擬解剖過程學生可以隨時進行，既便于師生教學的安排，也可節(jié)約珍貴的尸體標本，減少器械的消耗[11].

2.2 數(shù)字化虛擬人在生理功能模擬教學中的應用

動態(tài)的虛擬人模型能說明在正常的和疾病生理狀態(tài)下各器官和系統(tǒng)的情況，對外界刺激怎樣反應.在教學中，學生能清楚地觀察到不同運動時哪些骨骼肌如何收縮，關節(jié)轉動方式，微觀上骨骼肌纖維的粗細肌絲的肌絲滑行過程，觀察到從感知外界刺激到大腦皮層整合分析做出指令再到骨骼肌收縮的興奮-收縮過程；心臟安靜工作的狀態(tài)，劇烈運動時心臟工作變化；食物在體內的行進路線，食物如何被消化吸收；聲波和光波傳導及其神經傳遞路徑；觀察到人體系統(tǒng)如何在神經和內分泌系統(tǒng)的調控下相互配合，協(xié)調工作的.

2.3 數(shù)字化虛擬人在體育動作分析教學中的應用

體育動作的肌肉工作分析是運動解剖學教學的重要內容，也人體解剖學聯(lián)系體育運動實踐較為緊密的部分，也是教學的難點之一.可以利用虛擬人技術建立可視人的運動過程，尤其是關鍵動作（如立定跳遠的起跳動作），形象地展示各個運動環(huán)節(jié)所作運動，是哪些骨骼肌在收縮，帶動什么骨繞什么關節(jié)運動，哪些骨骼肌起主要作用，主要作用肌在什么條件下做什么性質的工作？學生們能形象地理解動作.研究者開發(fā)了一個自動的人體骨骼肌結構系統(tǒng)的虛擬人環(huán)境，可以利用此系統(tǒng)進行“關節(jié)引擎”的運動生物機械學分析和計算機輔助教學，這是一款交互式的動力學參數(shù)限制的操作模型[12].

2.4 數(shù)字化虛擬人在運動損傷教學中的應用

數(shù)字化虛擬人的出現(xiàn)為運動損傷的診斷和防治提供了新的方向和思路.可以對虛擬人可以進行各種診斷與治療研究，包括有些不能在真人身上進行的，從而使運動損傷的診斷和治療個性化，最后實現(xiàn)對新方法的治療效果進行預測.在運動損傷教學中可以利用虛擬人立體顯示易損傷部位結構，動態(tài)模擬損傷過程，病癥特點、手術和治療過程等，使學習更加直觀、生動和有效.如運動員半月板是易損傷部位，教學中用虛擬人立體展示半月板的空間位置和結構，膝關節(jié)運動時半月板的運動特點等，模擬半月板損傷的動態(tài)過程和治療，能夠使學生輕松掌握半月板損傷有關知識.劉紅菊和王媛媛等人的研究發(fā)現(xiàn)虛擬人有利于人體穴位經絡的教學和研究，為針灸學及推拿和按摩的發(fā)展提供了新的契機[13,14].

〔1〕邱明國，張紹祥，劉正津，等.數(shù)字化可視人體在解剖學教學中的初步應用[J].四川解剖學雜志,2004,12（1）：41-42.

〔2〕鄧長弓.數(shù)字化可視人體在解剖教學中的應用趨勢初探[J].川北醫(yī)學院學報，2010，25（5）：504-505.

〔3〕鐘世鎮(zhèn)，李華，林宗楷，等.數(shù)字化虛擬人背最和意義[J].中國基礎科學，2002（6）：12-16.

〔4〕羅述謙.中國虛擬人醫(yī)學圖像方法學考慮[J].中國基礎科學，2002（6）：20-24.

〔5〕王旭,桂業(yè)英.可視人體(VH)數(shù)據(jù)集及使用[J].生物醫(yī)學工程學雜志，1999，16（1）：109-111.

〔6〕張紹祥，劉正津，譚立文，等.首例中國數(shù)字化可視人體完成[J].第三軍醫(yī)大學學報，2002，24（10）：1231-1232.

〔7〕張彥，王惠，李振平.數(shù)字化虛擬人體的研究進展[J].醫(yī)學影像學雜志，2006，16（4）：414-416.

〔8〕鐘世鎮(zhèn).虛擬人體將為創(chuàng)傷骨科研究提供新技術[J].中華創(chuàng)傷骨科雜志，2003，5（2）：81.

〔9〕文敏，周波，李宏偉，等.三維重建技術在局部解剖學教學中的運用[J].貴陽醫(yī)學院學報，2008，33（5）：542-544.

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〔11〕鄺滿元，姜平，彭漢忠.數(shù)字化可視人體在解剖學教學中的應用簡介 [J].郴州醫(yī)學高等?？茖W校學報，2004，6（1）：70-71.

〔12〕王春陽，宋君毅，許永剛.數(shù)字化虛擬人的研究進展及其在體育中的應用前景 [J].廣州體育學院學報，2004，24（3）：126-128.

〔13〕劉紅菊，嚴振國.數(shù)字化虛擬人為針灸學發(fā)展提供新舞臺[J].上海針灸雜志，2004，23（10）：33-35.

〔14〕王媛媛，王海生，閔友江，等.穴位立體構筑理論與數(shù)字虛擬人相結合的研究 [J].山西中醫(yī)學院學報，2007，8（3）：53-54.

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1673-260X（2012）06-0069-02

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