人體胚胎發(fā)育3D虛擬模型和3D打印模型的制備和應(yīng)用*

方曉燕 黎 飚△ 李興余 黃啟川 周善金 王金花

（右江民族醫(yī)學(xué)院，1 基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院，3 信息技術(shù)中心，百色 533000；2 百色學(xué)院教育科學(xué)系，百色 533000）

隨著網(wǎng)絡(luò)化教學(xué)的普及，各類輔助教學(xué)的應(yīng)用型軟件和平臺不斷地涌現(xiàn)，為課程教學(xué)改革提供了技術(shù)手段和條件，如何將教育技術(shù)應(yīng)用水平引向深入成為了新課題。利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)制作虛擬標(biāo)本和實體模型，虛實結(jié)合輔助教學(xué)是國家倡導(dǎo)的教學(xué)研究方向之一[1-4]。在醫(yī)學(xué)教育領(lǐng)域，由于遺體捐獻(xiàn)者減少，實體標(biāo)本越來越稀缺，3D 打印技術(shù)在形態(tài)學(xué)方面有很好的展現(xiàn)能力，不但可以一定程度地彌補(bǔ)解剖學(xué)標(biāo)本缺乏，還可通過適當(dāng)縮放幫助醫(yī)學(xué)生更好地理解解剖結(jié)構(gòu)[5-7]。使用3D打印技術(shù)制作醫(yī)學(xué)形態(tài)學(xué)教學(xué)模型目前研究較少，由于技術(shù)的發(fā)展，3D打印制作具有自主知識產(chǎn)權(quán)的、自制的模型已變成可能，可為虛實結(jié)合的實驗教學(xué)的開展提供更多選擇。為了讓抽象的人體胚胎發(fā)育過程的教學(xué)形象化、具體化，幫助學(xué)生內(nèi)化胚胎發(fā)育動態(tài)的相關(guān)知識，以及為后續(xù)學(xué)習(xí)婦產(chǎn)科學(xué)、兒科學(xué)、胚胎影像學(xué)打下基礎(chǔ)，筆者收集胚胎正常、異常實體教學(xué)模型以及3～9個月胎兒標(biāo)本，與信息科學(xué)技術(shù)人員合作制作了胚胎3D虛擬模型，與百色學(xué)院技術(shù)合作，采用3D打印機(jī)根據(jù)各月齡的胎兒標(biāo)本數(shù)據(jù)打印3D胚胎模型，并對3D虛擬模型和3D打印模型的應(yīng)用進(jìn)行初步應(yīng)用探索，以期為胚胎學(xué)3D打印模型標(biāo)本制作和教學(xué)提供一定的參考。

1 材料和方法

1.1 材料、設(shè)備和軟件

正常胚胎、異常胚胎病理實體教學(xué)模型（43個）、3～9個月的胎兒標(biāo)本（14個），打印耗材為直徑1.75 mm ABS塑料；打印機(jī)器極光爾沃z-603s，佳能5DⅡ相機(jī)；3DMAX軟件和PhotoModeder Pro軟件。

1.2 3D虛擬模型制作過程

①使用佳能數(shù)碼相機(jī)拍攝正常胚胎、異常胚胎病理實體教學(xué)模型（43個），利用PhotoModeder Pro軟件將照片轉(zhuǎn)換成初步的三維模型。②了解模型形態(tài)特征之后，靈活運用3DMAX中的基本幾何體、擴(kuò)展幾何體等三維建模技術(shù)進(jìn)行整合修改，構(gòu)建了數(shù)字化模型，格式為WRL。③將制作的3D模型使用3D瀏覽器或嵌入課程網(wǎng)頁中，用普通瀏覽器（需安裝如Cortona或BS contact插件，或在PW控件工具箱選擇BScontactVRML control對象），即能體驗3D良好的表現(xiàn)能力和交互功能（見圖1和https：//www.bilibili.com/video/BV1uf4y1U7x6）。

1.3 3D打印模型的制備

測量3～9月份胎兒實體標(biāo)本，結(jié)合各月份胎兒生長發(fā)育指標(biāo)，用數(shù)碼相機(jī)拍攝胎兒實物標(biāo)本，利用3DMAX軟件建模（https：//www.bilibili.com/video/BV1w5411s7fY），使用3D打印機(jī)器極光爾沃z-603s，以ABS塑料（直徑1.75 mm）為原料將3DMAX軟件建好的各月份胎兒數(shù)字模型按1∶1打印3D胎兒模型（https：//www.bilibili.com/video/BV16Q4y1A7AM），精度為1.75 mm，打印出來后進(jìn)行打磨使其變光滑。

2 制作的成品

2.1 3D虛擬模型、標(biāo)本

在構(gòu)建《組織學(xué)與胚胎學(xué)》網(wǎng)絡(luò)課程中置入胚胎植入的3D虛擬模型/虛擬標(biāo)本（網(wǎng)址：http：//172.17.1.58/zzpt2009/News_View.asp?NewsID=318&page=2校園網(wǎng)，圖1）。嵌入虛擬模型和標(biāo)本的課程在參加各級組織的教育技術(shù)比賽中，獲全國三等獎2項，廣西一等獎1項、二等獎1項，學(xué)院特等獎1項；在實驗教學(xué)中也起到很好的輔助演示作用，而學(xué)生可反復(fù)利用其學(xué)習(xí)，教師和學(xué)生一致希望有更多的這類模型。

圖1 嵌入胚胎虛擬3D模型的網(wǎng)絡(luò)課程頁面

2.2 各個月齡的3D打印胎兒模型

顯示制作的3月齡胎兒模型的左側(cè)、右側(cè)、正面觀。顯示3-9月齡胎兒的1∶1打印模型（圖2D、E）。

圖2 制作的3D打印胚胎模型

2.3 3D虛擬模型和3D打印模型的應(yīng)用探索

3D數(shù)字模型/標(biāo)本放置在學(xué)院計算機(jī)科學(xué)與信息技術(shù)中心和形態(tài)學(xué)實驗教學(xué)中心的資源服務(wù)器上，可供全校師生方便調(diào)用及瀏覽，增加感性認(rèn)識，滿足學(xué)生的學(xué)習(xí)需要（圖3A）。

圖3 3D虛擬模型和3D打印模型的應(yīng)用情景（A，B）和學(xué)生真切感受3D打印胎兒，并將其與胎兒實物標(biāo)本進(jìn)行對比學(xué)習(xí)（C，D）

各月份的3D胎兒模型供學(xué)生觸摸學(xué)習(xí)，感受胎兒各月齡的變化，增強(qiáng)學(xué)生對生命的奇跡變化的感悟，為臨床實踐打下基礎(chǔ)，同時領(lǐng)悟生命的奇跡，從而珍惜生命，感恩父母（圖3B）。并介紹學(xué)生使用優(yōu)秀在線的胚胎學(xué)學(xué)習(xí)平臺（https：//www.ehd.org/virtual-human-embryo/）。學(xué)生在利用這些資源學(xué)習(xí)后表示真切感受到了生命的奇跡和美好（圖3C、D），慶幸自己沒有出現(xiàn)畸形，很健康。教師在教學(xué)應(yīng)用過程中反映學(xué)生積極性很高，對生命的變化十分感興趣。應(yīng)用虛實模型和標(biāo)本進(jìn)行實驗教學(xué)后，學(xué)生的標(biāo)本考核成績有明顯提升。

3 討論

胚胎實體教學(xué)模型和標(biāo)本作為教學(xué)手段的重要組成部分，在幫助學(xué)生形象理解教學(xué)內(nèi)容的過程中，發(fā)揮著積極的輔助教學(xué)作用。

本研究實踐表明胚胎實體教學(xué)模型/標(biāo)本三維虛擬數(shù)字化和3D打印模型有如下特點和教學(xué)應(yīng)用優(yōu)勢：①可部分取代傳統(tǒng)的實物模型，在局部細(xì)微觀察時虛擬標(biāo)本的特征更易分辨；②可做為學(xué)生課下學(xué)習(xí)的助學(xué)型資源、教具；③虛擬標(biāo)本和虛擬模型可作為實踐性教學(xué)的素材使用，增加互動的感知性和趣味性，有助于激發(fā)學(xué)習(xí)者的觀察能力和邏輯聯(lián)想力，增強(qiáng)空間立體感知能力，提高了學(xué)習(xí)興趣[9-10]。

虛擬標(biāo)本和模型的制作需要以實物標(biāo)本為原型，通過拍攝與建模，制作成數(shù)字化資源[11]，此過程耗費技術(shù)人員較多時間，同時需要與實驗室教師和學(xué)科教師多次確認(rèn)辨識，以保證采集到具有典型組織結(jié)構(gòu)特征和病理特征的標(biāo)本或模型，并在數(shù)字化標(biāo)本和模型上添加特征性注釋，以利于學(xué)生自主學(xué)習(xí)。

3D打印胎兒數(shù)字模型制作開始時需要根據(jù)拍攝的實體圖片和胎兒各月份發(fā)育的具體數(shù)據(jù)相結(jié)合而進(jìn)行調(diào)整，方能打印出符合月齡大小的胎兒模型。在開發(fā)過程中需教學(xué)人員和技術(shù)人員及時溝通，共同確認(rèn)模型的尺寸和細(xì)節(jié)，以更契合標(biāo)本原貌和胎兒實際大小。選用直徑1.75 mm的ABS塑料較合適，可以使得胎兒細(xì)節(jié)表現(xiàn)較好，易于打磨。

在體現(xiàn)素質(zhì)教育的思想指導(dǎo)下，利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)，制作了胚胎教學(xué)所需的虛實標(biāo)本、模型，同時應(yīng)用其建立了以學(xué)生為中心的多邊互動模型教學(xué)新媒體方式，進(jìn)一步豐富了形態(tài)學(xué)科的教學(xué)資源及其利用，降低了教學(xué)運行成本，也為實體教學(xué)模型保值發(fā)揮作用，實施學(xué)校每年受益學(xué)生人數(shù)約2 600人。

基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)和3D打印技術(shù)在胚胎學(xué)教學(xué)中應(yīng)用，不僅能更好地服務(wù)于學(xué)習(xí)基礎(chǔ)知識的醫(yī)學(xué)生，還可以為醫(yī)師更好地繼續(xù)學(xué)習(xí)提供保障，并且該技術(shù)還能提高學(xué)習(xí)效率，提升學(xué)習(xí)容量，也為醫(yī)師更好地運用胚胎學(xué)知識服務(wù)于病患，提供了一個重要的學(xué)習(xí)和研究平臺。