數(shù)字化虛擬人解剖學(xué)教學(xué)平臺(tái)的應(yīng)用現(xiàn)狀

萬(wàn)麗丹，伍洪昊

（南昌大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院人體解剖學(xué)教研室，南昌 330006）

數(shù)字化虛擬人解剖學(xué)教學(xué)平臺(tái)的應(yīng)用現(xiàn)狀

萬(wàn)麗丹1，伍洪昊*

（南昌大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院人體解剖學(xué)教研室，南昌 330006）

利用計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)是我國(guó)面向21世紀(jì)高等教育改革的一項(xiàng)重要模式，它對(duì)推動(dòng)和培養(yǎng)具有獨(dú)立思維和創(chuàng)新精神的高素質(zhì)人才具有重要作用。數(shù)字化虛擬人解剖學(xué)教學(xué)平臺(tái)是現(xiàn)代計(jì)算機(jī)信息技術(shù)與醫(yī)學(xué)等學(xué)科相互整合的產(chǎn)物，人體的可視化、虛擬化和可控化，是生命科學(xué)與信息科學(xué)相結(jié)合的前沿性科技產(chǎn)物。它的出現(xiàn)必將對(duì)數(shù)字化醫(yī)學(xué)教育改革以及遠(yuǎn)程醫(yī)學(xué)教育的發(fā)展產(chǎn)生重大影響。

數(shù)字化虛擬人；人體解剖學(xué)；教學(xué)研究；教學(xué)改革

數(shù)字化虛擬人解剖學(xué)教學(xué)平臺(tái)是應(yīng)用數(shù)字圖像和現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)，采用CT、MRI斷層掃描等影像學(xué)方法獲取人體尸身超薄切削的數(shù)據(jù)信息，在計(jì)算機(jī)上構(gòu)建全數(shù)字化、可視化的完整人體三維模型，生動(dòng)地重現(xiàn)逼真實(shí)物圖像、器官組織內(nèi)部的結(jié)構(gòu)，并模擬各種解剖學(xué)和外科學(xué)的操作。本文就該平臺(tái)的使用情況和積極意義做一闡述，希望能進(jìn)一步推動(dòng)數(shù)字化虛擬人解剖學(xué)教學(xué)平臺(tái)的推廣。

1 數(shù)字化虛擬人的歷史

世界上首例數(shù)字化虛擬人是1989年美國(guó)國(guó)立醫(yī)學(xué)圖書館發(fā)起，以提供生物醫(yī)學(xué)文獻(xiàn)的圖像檢索系統(tǒng)，這項(xiàng)隨之由Colorado大學(xué)健康科學(xué)中心承擔(dān)并實(shí)施的人體斷面的二維圖像信息獲取工作被稱為“可視人計(jì)劃”（Visible Human Project, VHP），即數(shù)字化的“解剖人”，它包含一男一女兩組斷層光學(xué)照片數(shù)據(jù)以及CT和MRI斷層掃描圖像、組織切片，男性有1878個(gè)橫斷面切片，女性有5190個(gè)切片，切片間距分別為1.0mm和0.33mm，1994年11月完成并向世界公布。1999年10月，美國(guó)又啟動(dòng)了橡樹(shù)嶺計(jì)劃，至2001年美國(guó)建立了“數(shù)字化人體”，包含數(shù)字化虛擬人數(shù)據(jù)集和輔助數(shù)據(jù)集、虛擬人體的解剖層次、疾病和綜合癥的臨床基礎(chǔ)信息、相關(guān)的醫(yī)學(xué)知識(shí)以及不斷擴(kuò)展的工具和產(chǎn)品。全世界對(duì)美國(guó)的可視人體計(jì)劃有著非常大的反響，韓國(guó)、日本、德國(guó)、澳大利亞都效仿過(guò)這個(gè)可視人體研究。

2001年11月，我國(guó)科技專家在第174次香山科學(xué)會(huì)議上重點(diǎn)研討了“中國(guó)數(shù)字化虛擬人”（Visible China Human, VCH）。2002年，我國(guó)首套男女?dāng)?shù)字化虛擬人數(shù)據(jù)由第三軍醫(yī)大學(xué)張紹祥教授研究采集完畢。目前，我國(guó)共有男女各3個(gè)數(shù)據(jù)集被上海、重慶、廣州等地的解剖專家們采集建立。在這些數(shù)據(jù)集的基礎(chǔ)上，眾多科研、教學(xué)、醫(yī)療單位共同合作并研發(fā)了各種應(yīng)用軟件，例如由山東易創(chuàng)電子有限公司研發(fā)的《中國(guó)數(shù)字人解剖系統(tǒng)》，采用第三軍醫(yī)大學(xué)的斷層數(shù)據(jù)（獲2007年國(guó)家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)），經(jīng)計(jì)算機(jī)和圖像處理，在電腦屏幕上呈現(xiàn)出由2800多個(gè)人體橫斷面切片數(shù)據(jù)信息（男性人體2300個(gè)，女性人體500多個(gè)）整合重建出的三維立體虛擬人。

2 數(shù)字化虛擬人在人體解剖學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用調(diào)查

目前國(guó)內(nèi)醫(yī)學(xué)院校采用的數(shù)字化虛擬人解剖學(xué)教學(xué)平臺(tái)，主要有以下幾種：①杭州醫(yī)學(xué)院[1]、梧州市衛(wèi)生學(xué)校[2]等引進(jìn)的單機(jī)版《中國(guó)數(shù)字人解剖系統(tǒng)》。②長(zhǎng)春中醫(yī)藥大學(xué)[3]引進(jìn)的美國(guó)國(guó)家醫(yī)學(xué)圖書館的三維數(shù)字化可視人體工程，平臺(tái)構(gòu)建了全數(shù)字化的虛擬可視人體三維解剖模型，結(jié)構(gòu)逼真，骨、肌肉、纖維結(jié)締組織、血管、神經(jīng)等結(jié)構(gòu)可形成明顯對(duì)比，該平臺(tái)還可用于考試系統(tǒng)連接到網(wǎng)站上，考核學(xué)生對(duì)解剖學(xué)知識(shí)的掌握程度[4]。③廣州醫(yī)科大學(xué)[5]采用的“三維虛擬人體解剖展示平臺(tái)V2.0”，平臺(tái)包含圖像錄入系統(tǒng)和圖像處理系統(tǒng)兩部分，使用Nikon D7000單反相機(jī)環(huán)360度拍攝，取得標(biāo)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圖或立方圖，通過(guò)J builder9.0及Delphi程序開(kāi)發(fā)的圖像處理系統(tǒng)進(jìn)行拼接加工，得到三維虛擬標(biāo)本的影像，按解剖各大系統(tǒng)進(jìn)行分類排列，并配上說(shuō)明文字，最終實(shí)現(xiàn)全方位互動(dòng)式觀看的真實(shí)標(biāo)本。

一般來(lái)說(shuō)，數(shù)字化虛擬人解剖實(shí)驗(yàn)室配有1個(gè)教師控制平臺(tái)，10臺(tái)虛擬終端電腦，2組高清攝像頭，2個(gè)解剖操作臺(tái)，人體血管、神經(jīng)、肌肉標(biāo)本若干以及大量模型，其室內(nèi)布局設(shè)計(jì)參見(jiàn)圖1。數(shù)字化虛擬人解剖學(xué)教學(xué)平臺(tái)的特點(diǎn)包括：①提供任意角度和維度的透明人體結(jié)構(gòu)和各器官清晰的位置毗鄰關(guān)系，能旋轉(zhuǎn)、放大、縮小顯示。②具有逼真的連續(xù)數(shù)字化圖像、鮮明的色彩及清晰的層次，擁有與CT、MRI工作站相同的3D醫(yī)學(xué)影像重建技術(shù)。③界面簡(jiǎn)潔，操作簡(jiǎn)單，通過(guò)鼠標(biāo)在不同組織、器官和結(jié)構(gòu)上的移動(dòng)，可顯示出它們的中英文名稱和釋義，能反復(fù)多次觀察復(fù)雜多樣的組織器官，便于理解和記憶。④操作者可充分發(fā)揮想象力，對(duì)虛擬人進(jìn)行體位旋轉(zhuǎn)和局部拆分，如觀察脊柱時(shí)，即可觀察全貌，也可以通過(guò)拆分將椎骨獨(dú)立出來(lái)進(jìn)行細(xì)致的觀察；通過(guò)點(diǎn)擊、選擇還可以完成逐層解剖、構(gòu)建組織與器官，虛擬手術(shù)可反復(fù)進(jìn)行，不斷糾錯(cuò)，熟練操作。⑤設(shè)計(jì)了很多快捷方便的數(shù)字化特效功能，包括分離顯示、輪廓示意、染色、逐層剝離、隨手畫、隱藏等，比如學(xué)生可利用畫筆工具標(biāo)記突出重要的解剖位置，截圖保存，以便隨時(shí)瀏覽。⑥提供了大量斷層解剖學(xué)、系統(tǒng)解剖學(xué)、局部解剖學(xué)的教學(xué)素材，豐富了教學(xué)資源，有效地緩解當(dāng)前人體解剖標(biāo)本和尸體來(lái)源緊張的現(xiàn)狀。

圖1 數(shù)字化虛擬人解剖學(xué)教學(xué)平臺(tái)的布局設(shè)計(jì)Fig. 1 Layout of digital virtual human anatomy teaching platform

本校在引進(jìn)數(shù)字化虛擬人教學(xué)系統(tǒng)后，以問(wèn)卷調(diào)查的形式對(duì)200名臨床醫(yī)學(xué)專業(yè)的學(xué)生，分別從學(xué)習(xí)態(tài)度、自學(xué)能力、團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力和臨床實(shí)踐能力4項(xiàng)內(nèi)容進(jìn)行了調(diào)研評(píng)估（表1）?；厥盏膯?wèn)卷用Excel軟件建立數(shù)據(jù)庫(kù)，發(fā)放調(diào)查問(wèn)卷表200份，回收有效問(wèn)卷200份，回收率100%。整體問(wèn)卷信度系數(shù)Cronbach α＝0.915＞0.8，故可以推斷問(wèn)卷的內(nèi)在一致性較高，信度較好。使用SPSS 19.0軟件對(duì)學(xué)生考核成績(jī)和調(diào)查結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，經(jīng)調(diào)查得出，數(shù)字化虛擬人解剖教學(xué)平臺(tái)得到學(xué)生的高度認(rèn)可，調(diào)查結(jié)果見(jiàn)表1。其中學(xué)習(xí)教科書的時(shí)間是否延長(zhǎng)，所呈現(xiàn)出來(lái)的調(diào)查結(jié)果是不一定顯著延長(zhǎng)，這可能是因?yàn)閿?shù)字化虛擬人教學(xué)平臺(tái)能夠使學(xué)習(xí)更容易。

表1學(xué)生對(duì)數(shù)字化虛擬人解剖教學(xué)平臺(tái)教學(xué)評(píng)價(jià)Tab. 1 Student feedbacks on digital virtual human anatomy teaching platform

3 數(shù)字化虛擬人在人體解剖學(xué)教學(xué)中的優(yōu)勢(shì)和積極意義

傳統(tǒng)的解剖學(xué)教學(xué)，學(xué)習(xí)者無(wú)法建立清晰的三維圖像，對(duì)人體結(jié)構(gòu)的空間位置和形態(tài)理解比較抽象，對(duì)器官的位置、毗鄰等立體關(guān)系了解模糊，容易造成畏難心理。數(shù)字化虛擬人解剖系統(tǒng)具有完整性、系統(tǒng)性、層次性、交互性的特點(diǎn)，圖像清晰度和飽和度均優(yōu)于圖譜，能顯示器官的立體構(gòu)象，解剖結(jié)構(gòu)可任意角度旋轉(zhuǎn)，便于轉(zhuǎn)變視角、多方位觀察，增強(qiáng)學(xué)習(xí)者的直觀視覺(jué)效應(yīng)和立體思維能力，每個(gè)結(jié)構(gòu)都加注了文字說(shuō)明和關(guān)鍵結(jié)構(gòu)標(biāo)注，有效提高學(xué)習(xí)者對(duì)人體結(jié)構(gòu)的理解和記憶。再者，三維數(shù)字化虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)可有效減少實(shí)驗(yàn)室常規(guī)損耗，節(jié)省教育經(jīng)費(fèi)的投入，還可以共享其他學(xué)校相關(guān)學(xué)科的先進(jìn)實(shí)驗(yàn)條件，改善醫(yī)學(xué)院校辦學(xué)條件，提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)水平。

數(shù)字化虛擬人解剖系統(tǒng)的運(yùn)用，能更好的引入辯證唯物主義的人體觀，以發(fā)展、運(yùn)動(dòng)、變化的觀點(diǎn)，來(lái)闡明人體形態(tài)、結(jié)構(gòu)、功能間的相互關(guān)系和矛盾運(yùn)動(dòng)的規(guī)律，可以更好地幫助學(xué)生理解與解釋人體，有利于學(xué)生形成正確而穩(wěn)固的世界觀和方法論[6]。以解剖學(xué)常用的肌肉的定點(diǎn)和動(dòng)點(diǎn)為例，肌肉的定點(diǎn)和動(dòng)點(diǎn)在一定條件下可以相互置換，如背闊肌起于下6個(gè)胸椎和全部腰椎棘突，肌束向外上方，集中止于肱骨小結(jié)節(jié)下方的骨嵴。其作用是使肱骨內(nèi)收、旋內(nèi)和后伸，但是當(dāng)上肢上舉被固定時(shí)，則上提軀干（如引體向上）。再比如肌肉按功能可分為屈肌群和伸肌群，這兩組運(yùn)動(dòng)方向完全相反的拮抗肌群在功能上既相互對(duì)抗，又相互協(xié)調(diào)依存。如屈膝關(guān)節(jié)，經(jīng)過(guò)該關(guān)節(jié)后方的股屈肌群收縮，伸肌群舒張則限制屈肌群過(guò)度收縮，當(dāng)然這一動(dòng)作的完成是在神經(jīng)系統(tǒng)的統(tǒng)一支配下，互相協(xié)調(diào)又互相配合共同完成的。但是這種變化的、對(duì)立又統(tǒng)一的關(guān)系是無(wú)法用圖譜顯示出來(lái)的，而數(shù)字化虛擬人的運(yùn)用則很好的彌補(bǔ)了圖譜的這一缺陷。

依托電腦和網(wǎng)絡(luò)已成為當(dāng)代大學(xué)生學(xué)習(xí)的重要手段和接收信息的主要來(lái)源方式，數(shù)字化虛擬人解剖系統(tǒng)共享到校園網(wǎng)上，學(xué)生可以根據(jù)自身實(shí)際情況調(diào)節(jié)學(xué)習(xí)內(nèi)容，把握學(xué)習(xí)進(jìn)度，培養(yǎng)學(xué)習(xí)興趣和獨(dú)立分析和解決問(wèn)題的能力，學(xué)會(huì)不斷探索未知的領(lǐng)域，為學(xué)生的終身學(xué)習(xí)鋪墊基礎(chǔ)。

4 目前存在的問(wèn)題和展望

數(shù)字化虛擬人是對(duì)傳統(tǒng)解剖學(xué)教學(xué)方法的豐富和補(bǔ)充，實(shí)驗(yàn)室的前期投入價(jià)格不菲。該系統(tǒng)信息量巨大，教師須在有限時(shí)間內(nèi)引導(dǎo)學(xué)生準(zhǔn)確快速的使用軟件，循序漸進(jìn)地布置學(xué)習(xí)任務(wù)，讓學(xué)生自己發(fā)現(xiàn)、提出并解決問(wèn)題，形成一套自律的學(xué)習(xí)模式。但是數(shù)字化虛擬人畢竟是計(jì)算機(jī)模擬的虛擬人體，缺乏真實(shí)的實(shí)驗(yàn)操作情景。因此，在人體解剖學(xué)教學(xué)過(guò)程中必須堅(jiān)持使用數(shù)字化虛擬人解剖學(xué)教學(xué)平臺(tái)的同時(shí)保留尸體解剖和標(biāo)本觀摩，兩者有機(jī)結(jié)合，取長(zhǎng)補(bǔ)短，合理運(yùn)用先進(jìn)的教學(xué)資源，更好地為解剖學(xué)教學(xué)服務(wù)。

此外，數(shù)字化虛擬人還可應(yīng)用于臨床相關(guān)手術(shù)入路的研究，指導(dǎo)臨床手術(shù)，為局部結(jié)構(gòu)定量、定向、定性研究及手術(shù)提供準(zhǔn)確、可靠的參考信息，在虛擬手術(shù)訓(xùn)練、術(shù)前計(jì)劃的制定、手術(shù)入路的設(shè)計(jì)、手術(shù)方式的選擇、手術(shù)操作的模擬中有著重大的應(yīng)用價(jià)值，還能為臨床MRI及PET等影像診斷提供數(shù)字形態(tài)學(xué)依據(jù)和解剖對(duì)照，為放療方案的設(shè)計(jì)和數(shù)字微創(chuàng)介入治療提供實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)，為醫(yī)學(xué)、生命科學(xué)等研究和應(yīng)用提供基礎(chǔ)與技術(shù)支撐。

[1] 王征，季華，安國(guó)防，等. 數(shù)字化虛擬人在人體解剖學(xué)理實(shí)一體教學(xué)中的應(yīng)用. 浙江醫(yī)學(xué)教育，2016，15（5）：8-10.

[2] 黃翠微. “數(shù)字人”解剖系統(tǒng)在解剖學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用. 大眾科技，2016，18（206）：80-81.

[3] 李一帆，楊茂有，尚云龍，等. 三維虛擬數(shù)字化可視人體在解剖教學(xué)中的應(yīng)用. 解剖學(xué)研究，2012，34（5）：393-394.

[4] 沈雷，何軍，馬勇，等. 促進(jìn)虛擬人體解剖實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果提高的策略研究. 繼續(xù)醫(yī)學(xué)教育，2016，30（1）：75-77.

[5] 涂臘根，廖丙修，楊蔭，等. 三維虛擬人體展示平臺(tái)在高職檢驗(yàn)醫(yī)學(xué)技術(shù)專業(yè)解剖學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用. 國(guó)際檢驗(yàn)醫(yī)學(xué)雜志，2017，38（2）：281-282.

[6] 毛賽，李瑋，趙麗. 在解剖學(xué)教學(xué)中運(yùn)用一點(diǎn)辯證法. 白求恩軍醫(yī)學(xué)院學(xué)報(bào)，2010，8（1）：50-51.

The application status of digital virtual human anatomy teaching platform

Wan Lidan, Wu Honghao*(Department of human anatomy, basic medical school of Nanchang University, Nanchang 330006, China)

Computer-assisted instruction promotes the cultivation of high-quality talents with independent thinking and innovative spirit, therefore has become an important model in China’s higher education reform in twenty- first century. Digital virtual human anatomy teaching platform, a leading technology combining modern computer information technology with medical science,provides controllable visualization and virtualization of human body. Its emergence is bound to have a significant impact on the reform of medical education and the development of remote digital medical education.

Digitized virtual human; human anatomy; teaching research; teaching reform

G642.0

A

10.16705/ j. cnki. 1004-1850. 2017. 06. 018

2017-03-02

2017-11-17

南昌大學(xué)博士科研啟動(dòng)基金

萬(wàn)麗丹，女(1980年)，漢族，講師

*通訊作者(To whom correspondence should be addressed)：whh107@163.com