數(shù)字解剖學課程的創(chuàng)建及實施*

陳 娜 劉靜靜 劉 麗 李 穎 徐 洲 吳 毅

（陸軍軍醫(yī)大學生物醫(yī)學工程與影像醫(yī)學系數(shù)字醫(yī)學教研室，重慶 400038）

人體解剖學是醫(yī)學發(fā)展的基石，人體詳細的解剖結(jié)構(gòu)、組織形態(tài)、三維形態(tài)和空間毗鄰關(guān)系是醫(yī)學生學習的重點和難點，是臨床診斷和治療的基礎(chǔ)[1]。我國醫(yī)學院校傳統(tǒng)解剖類課程，主要包括系統(tǒng)解剖學、局部解剖學和斷層解剖學，存在尸體利用率低、解剖操作具有破壞性、標本不可重復使用、還原人體真實的三維形態(tài)和空間毗鄰關(guān)系困難、易吸入甲醛等有害氣體等問題[2-4]。

隨著計算機信息學技術(shù)的推廣普及和數(shù)字醫(yī)學時代的到來，數(shù)字化解剖學、醫(yī)學3D打印和數(shù)字化虛擬仿真技術(shù)已逐步成為教育培訓的主要手段[5]。數(shù)字解剖學是應用現(xiàn)代數(shù)字化技術(shù)，將人體形態(tài)結(jié)構(gòu)和解剖學知識數(shù)字化和可視化，研究人體形態(tài)結(jié)構(gòu)規(guī)律及其與生理功能和臨床應用的一門學科[6]。與傳統(tǒng)解剖學相比，數(shù)字解剖學教學解決了標本不足、內(nèi)容抽象、學習理解困難等諸多問題，教學時間地點靈活，教學內(nèi)容豐富新穎，知識前沿性強[7]。將數(shù)字解剖學作為一種教學手段用于傳統(tǒng)解剖學教學，包括數(shù)字解剖教學系統(tǒng)、虛擬仿真等，是解剖學課程的有益補充，反饋較好[5，7，8]。 但將“數(shù)字解剖學”作為一門獨立課程開展，國內(nèi)尚未有報道。

因此，我們基于數(shù)字解剖學教學系統(tǒng)、工業(yè)級3D打印機和數(shù)字化虛擬仿真系統(tǒng)，創(chuàng)建一門獨立的數(shù)字解剖學課程，以我校生物醫(yī)學工程專業(yè)大二下學期為試點進行開設。下面就數(shù)字解剖學的課程創(chuàng)建、實施過程、實施效果進行詳細介紹。

1 對象和方法

1.1 研究對象

選擇陸軍軍醫(yī)大學2018級生物醫(yī)學工程專業(yè)25名本科學生，年齡20~23歲，大一時均學習過人體解剖學課程，均通過了人體解剖學課程考試。

1.2 教學設備

數(shù)字解剖教學系統(tǒng)21套，醫(yī)學三維可視化軟件15套，數(shù)字人虛擬現(xiàn)實VR頭盔式眼鏡7套，數(shù)字人增強現(xiàn)實zSpace設備12臺，工業(yè)級3D打印機1臺，桌面級3D打印機2臺，3D數(shù)字解剖步態(tài)跟蹤儀1臺，3D投影儀及巨幕曲屏1套，3D眼鏡30個，中國數(shù)字化人體1：1 3D打印斷層解剖標本1套。

1.3 教員隊伍

課程科室為數(shù)字醫(yī)學教研室，擁有一支醫(yī)工融合的學術(shù)團隊，教育背景包括臨床醫(yī)學、生物醫(yī)學工程、醫(yī)學圖像學、計算機科學等，課程保障力量雄厚。數(shù)字解剖學課程有3位教師直接參與授課，其中1位理論課授課教師為人體解剖學和數(shù)字醫(yī)學領(lǐng)域教授，2位實踐課教師為數(shù)字醫(yī)學和生物醫(yī)學工程領(lǐng)域講師和實驗師。

1.4 創(chuàng)建教學設計

作為一門新開課程，開課前教學組經(jīng)過多輪次討論，確定和制定其課程教學計劃和實施計劃，包括每次課的學習目標、重點、難點等。

1.5 制定教學內(nèi)容、教學手段

結(jié)合我校生物醫(yī)學工程專業(yè)本科生學習及就業(yè)的需求制定教學內(nèi)容，結(jié)合臨床案例使其更貼近醫(yī)學現(xiàn)實問題，解決臨床實際應用。

1.6 制定教學效果評價

1.6.1 問卷調(diào)查的制定 課程結(jié)束后通過“問卷星”匿名問卷調(diào)查，內(nèi)容包括學生對課程的滿意度、 對教學方式的滿意度以及對教學效果滿意度的評價3方面。具體為：學習效率、學習主動性、授課形式滿意度、師生互動效果、教學效果、創(chuàng)新能力、學習興趣和知識掌握程度7個條目。采用 Likert 5級量表，非常滿意、滿意、一般、不滿意、非常不滿意分別予以5、4、3、2、1分，滿意度=單項平均分/非常滿意5分×100%[9]。

1.6.2 課程考核的設定 （1）理論考試，占比總成績70%，測試內(nèi)容除了一般的主觀概念題，還包括使用數(shù)字斷層解剖圖片和三維數(shù)字化模型的填圖題。（2）實訓考試，占比總成績30%。①虛擬現(xiàn)實測試模塊：通過虛擬現(xiàn)實設備，帶上VR頭盔，使用VR手柄，在虛擬現(xiàn)實中的標本館（系統(tǒng)解剖、局部解剖、斷層解剖標本館）里快速精準查收、識別和取出人體重要解剖結(jié)構(gòu)，題目難度、用時和取出標本的準確性作為評分標準（表1）；②增強現(xiàn)實測試模塊：通過增強現(xiàn)實設備，帶上AR追蹤眼鏡，使用AR觸控筆，在增強現(xiàn)實中的標本館（系統(tǒng)解剖、局部解剖、斷層解剖、組織學、寄生蟲、病理館）的測試模塊中，快速還原人體的三維結(jié)構(gòu)，題目難度、用時和還原標本三維結(jié)構(gòu)的準確性作為評分標準（表1）；③三維建模和3D打印模塊：應用腫瘤病人CT數(shù)據(jù)，快速構(gòu)建腫瘤、骨骼、肺的三維數(shù)字解剖模型，并通過工業(yè)級3D打印機進行3D打印，以打印模型的結(jié)構(gòu)完整性、準確度、平滑度和后處理上色解剖結(jié)構(gòu)區(qū)分度和美觀性作為評價標準（表1）。

表1 數(shù)字解剖虛擬現(xiàn)實（VR）、增強現(xiàn)實、3D打印實訓評分表

學生通過抽簽方式隨機選取題目、結(jié)構(gòu)和難易程度，測試結(jié)構(gòu)名稱如下：①虛擬現(xiàn)實備選結(jié)構(gòu)：1. 右肺，2. 右蝶骨，3. 下頜骨，4. 胃，5. 主動脈，6. 左心耳，7. 甲狀軟骨，8. 子宮，9. 左卵巢，10. 前列腺，11. 胰腺，12. 右橈骨，13. 右髂骨；②增強現(xiàn)實備選結(jié)構(gòu)：1. 心，2. 上肢骨，3. 軀干骨，4. 下肢肌，5. 頭肌，6. 消化系統(tǒng)，7. 顱骨，8. 下肢骨，9. 上肢肌，10. 軀干肌，11. 呼吸系統(tǒng)，12. 男性泌尿生殖系統(tǒng)；③三維建模和3D打印結(jié)構(gòu)：患有胸部腫瘤的臨床CT影像。

1.7 結(jié)果分析

根據(jù)學員的理論考試和筆試考試成績，按照比例統(tǒng)計其總分，并對學員考試成績進行結(jié)果分析，對不同成績段進行計算統(tǒng)計，并視其是否符合正態(tài)分布。

2 結(jié)果

2.1 數(shù)字解剖學課程的創(chuàng)建

我們創(chuàng)建了數(shù)字解剖學課程，完成了其教學實施計劃、課程標準、教學大綱，形成一套授課的PPT以及相應教案。數(shù)字解剖學課程總計21學時，其中理論15學時，實訓6學時。

理論課程以人體局部和斷層解剖學框架為主，包括概論、頭部與頸部數(shù)字解剖學、胸部數(shù)字解剖學、腹部與盆部數(shù)字解剖學、四肢及脊柱數(shù)字解剖學，在我校智慧教室進行，其教室包括觸控授課屏、激光筆和授課云平臺和愛課堂。

實訓課在數(shù)字解剖教學實驗室、虛擬仿真實驗教學實驗室和醫(yī)學3D打印室進行。根據(jù)整個教學班的學習進度，2次實訓課分別為數(shù)字解剖學技術(shù)—醫(yī)學三維可視化與虛擬仿真以及數(shù)字解剖標本應用—3D模型與3D打印。每次實訓課，均組織整個教學班進行一次前期理論課內(nèi)容回顧及復習，由學生分組總結(jié)理論及實訓中遇到的問題，教員針對性點評，答疑解惑（表2）。

2.2 數(shù)字解剖學課程教學內(nèi)容

理論課教學內(nèi)容以數(shù)字解剖教學系統(tǒng)里的中國數(shù)字化人體斷層解剖數(shù)據(jù)集和三維重建模型作為數(shù)字解剖學工具，指導學生進行解剖學習，同時，收集志愿者或臨床患者的CT或MRI數(shù)據(jù)與數(shù)字人進行對比學習，這樣既能有目的、有導向地快速學習人體重要的斷層和三維解剖學知識，了解其部位、二維和三維形態(tài)以及空間毗鄰關(guān)系；其次，掌握數(shù)字解剖模型皆創(chuàng)建于斷層解剖圖像或CT、MRI影像學圖像，斷層圖像或影像的清晰度和分割的精準度，直接反映三維解剖模型的精細程度；最后，學生能夠掌握數(shù)字解剖模型的拓展應用，如人體解剖學的三維展示、腫瘤的三維可視化用于臨床診斷與治療、3D打印適形鈦板用于骨科手術(shù)、虛擬仿真用于手術(shù)技能培訓，讓學生既學習解剖學，又掌握數(shù)字解剖學的拓展應用。實訓課教學內(nèi)容依托數(shù)字解剖教學實驗室、虛擬仿真教學實驗室和醫(yī)學3D打印實驗室開展，將理論課中學習的解剖學知識進行上機操作。同時，掌握醫(yī)學三維可視化軟件、虛擬現(xiàn)實設備、增強現(xiàn)實設備、3D打印機等數(shù)字化設備的概念、原理、軟硬件構(gòu)架和應用。

表2 數(shù)字解剖學課程建設實施方案及進度安排

2.3 數(shù)字解剖學課程具體教學案例展示

2.3.1 案例一：肝臟數(shù)字化斷層解剖 教師應用中國數(shù)字化人體數(shù)據(jù)集，即高精度、真彩色的數(shù)字化斷層解剖圖片和CT以及CTA數(shù)據(jù)集，講述肝臟的數(shù)字化斷層解剖學知識，包括第一肝門、第二肝門的組成、解剖結(jié)構(gòu)二維形態(tài)與空間毗鄰關(guān)系，講述門靜脈與肝靜脈在解剖的區(qū)別，并配套相對應的CT和CTA圖像進行對比講解（圖1）。

2.3.2 案例二：盆腔臟器的數(shù)字解剖學研究 通過數(shù)字解剖教學系統(tǒng)和交互式3D-PDF文件，學習人體盆部的三維數(shù)字化解剖，了解盆腔臟器的部位、三維形態(tài)和空間毗鄰關(guān)系，同時了解數(shù)字解剖教學系統(tǒng)和3D-PDF的構(gòu)成（圖2）。

圖1 肝臟數(shù)字化斷層解剖學研究。A：經(jīng)第二肝門橫斷面；B：經(jīng)肝門靜脈左、右支分叉處橫斷面.圖2 男女性盆部3D-PDF和構(gòu)建的三維形態(tài)結(jié)構(gòu)。A：女性盆部3D-PDF；B：男性盆部3D-PDF；C：女性盆部三維形態(tài)結(jié)構(gòu)；D： 男性盆部三維形態(tài)結(jié)構(gòu).圖3 中國數(shù)字化人體斷層解剖3D打印教學平臺.圖4 3D建模和3D打印輔助胸腔腫瘤切除和胸壁修復.

2.3.3 案例三：數(shù)字解剖模型3D打印拓展應用 教師通過醫(yī)學三維可視化軟件、3D打印機和數(shù)字化3D斷層解剖模型，講述3D打印的基本概念、內(nèi)容、流程和醫(yī)學應用，指導學生進行醫(yī)學三維模型的構(gòu)建和醫(yī)學3D打印。如：教師引入“臨床胸腔腫瘤切除和胸壁修復”案例，講述數(shù)字解剖模型如何創(chuàng)建，并如何輸入3D打印機進行3D打印應用。學生根據(jù)臨床胸壁腫瘤病人的CT圖像、醫(yī)學三維可視化軟件和3D打印機，進行胸壁腫瘤數(shù)字解剖模型的制作和3D打印，并對3D打印模型進行后處理（圖3、4）。

2.3.4 案例四：數(shù)字解剖模擬虛擬現(xiàn)實拓展應用 教師通過數(shù)字解剖虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)和增強現(xiàn)實系統(tǒng)，拓展講述三維數(shù)字解剖模型的虛擬現(xiàn)實和增強現(xiàn)實拓展應用，講述虛擬現(xiàn)實和增強現(xiàn)實的概念、軟硬件構(gòu)架、醫(yī)學和解剖學應用范圍，并讓學生上機操作體驗，最后以數(shù)字解剖模型的三維操作、虛擬解剖和還原進行考核，除了讓學生對重要解剖學知識進行學習，另外加重對解剖虛擬現(xiàn)實和增強現(xiàn)實系統(tǒng)進行學習（圖5、6）。

2.3.5 案例五：數(shù)字解剖學3D動作捕捉與追蹤 教師通過三維數(shù)字解剖模型，拓展講述醫(yī)學3D步態(tài)跟蹤儀、數(shù)字解剖3D投影儀的組成和醫(yī)學應用，讓學生了解其3D步態(tài)跟蹤儀、數(shù)字解剖3D投影儀的使用原理和軟硬件設備，同時了解人體運動系統(tǒng)、呼吸系統(tǒng)、神經(jīng)系統(tǒng)、泌尿系統(tǒng)、骨骼系統(tǒng)等在運動狀態(tài)時的動態(tài)變化，了解各解剖結(jié)構(gòu)和肢體運動的關(guān)系（圖7）。

圖5 虛擬現(xiàn)實軟件界面及學生上課實況.圖6 增強現(xiàn)實軟件界面及學生上課實況.圖7 醫(yī)學本科生使用3D步態(tài)跟蹤儀和3D投影儀學習人體解剖學知識.

2.4 課程考試成績

理論考試根據(jù)了解、熟悉、掌握和綜合應用4個方面，按照7∶13∶70∶10的比例進行出題。按照客觀題（單選、填圖）、主觀題（名詞解釋、簡述和論述）的方式出題，達到數(shù)字解剖學基礎(chǔ)理論與應用能力考核相統(tǒng)一的目的。其中填圖題占30%，包括數(shù)字化斷層解剖與三維解剖，充分考核學員對人體器官的解剖部位、二維三維形態(tài)和空間毗鄰關(guān)系的理解和掌握程度；主觀題共占50%，主要考核學員對數(shù)字解剖學相關(guān)概念的理解和掌握，同時考核了學員對數(shù)字化斷層解剖學知識的理解和掌握。

考試成績統(tǒng)計結(jié)果：參考人數(shù)25人，最高分90.5，最低分60.5，平均分80.68±8.25。

實踐課隨堂測試結(jié)果顯示，利用虛擬現(xiàn)實和增強現(xiàn)實設備，難度為初級時，學生均能在較短的時間內(nèi)完成數(shù)字人體結(jié)構(gòu)拼圖和拖拽分離操作，平均用時為12.32秒，準確率100%；難度為中級時，平均用時19.36秒，準確率96%；難度為高級時，平均用時28.16秒，準確率92%。

2.5 學生問卷調(diào)查

發(fā)放問卷25份，收回有效問卷25份，學生對數(shù)字解剖學授課形式滿意，能達到預期學習目標，學習興趣和教學效果滿意度高（表3）。

表3 學生問卷調(diào)查滿意度情況（%）

3 討論

3.1 數(shù)字解剖學課程開展的意義和優(yōu)勢

根據(jù)文獻報道，國內(nèi)外高校使用數(shù)字解剖學教學系統(tǒng)、虛擬現(xiàn)實、增強現(xiàn)實和3D打印模型，一般僅作為工具進行解剖學授課，單純講述人體解剖學知識[10，11]。而我們開展的數(shù)字解剖學課程除了結(jié)合多種數(shù)字化手段講述臨床重要的解剖學知識，還講述數(shù)字解剖學概念以及運用三維可視化軟件構(gòu)建數(shù)字解剖模型，并對模型進行3D打印方面的拓展應用，數(shù)字解剖模型不僅可以輔助臨床精準診斷和最優(yōu)化手術(shù)方案的選擇，還能增強教學的趣味性和實用性。

通過斷層和三維數(shù)字化模型講述人體解剖學知識，在一定程度上優(yōu)于基于尸體標本的講述，因為尸體標本解剖操作后會發(fā)生形變、移位和破壞，難以還原真實的解剖結(jié)構(gòu)，且面臨吸入甲醛等有害氣體，而數(shù)字解剖則能夠通過舒適的電腦、虛擬現(xiàn)實、增強現(xiàn)實、3D步態(tài)跟蹤儀等，應用鼠標、鍵盤、觸摸屏、3D VR頭盔、手柄、3D AR眼鏡、觸控筆，對數(shù)字解剖模型進行平移、旋轉(zhuǎn)、拉伸、表面透明化、手動分離處理與還原，對人體斷層和三維解剖進行學習，操作舒適性高，通過視覺、聽覺和觸覺的同步，學習效果好。

3.2 數(shù)字解剖學課程在醫(yī)學院校開展的必要性與可行性

隨著數(shù)字化信息時代的到來，傳統(tǒng)教材和授課內(nèi)容已經(jīng)滿足不了現(xiàn)代的數(shù)字化醫(yī)學發(fā)展需求，很多學生在醫(yī)學課程結(jié)束后，進入臨床以前，并不了解和熟悉醫(yī)學3D可視化、醫(yī)學3D打印和虛擬仿真等內(nèi)容。以生物醫(yī)學工程專業(yè)為例，因其是醫(yī)工交叉學科，本科生醫(yī)學基礎(chǔ)普遍薄弱[12，13]，對臨床醫(yī)學或醫(yī)療設備實際存在的問題不了解、不熟悉[14]。數(shù)字解剖學課程在一定程度上能補充傳統(tǒng)基礎(chǔ)醫(yī)學學習內(nèi)容，同時數(shù)字化解剖教學設備和相關(guān)技術(shù)的拓展應用對其醫(yī)學專業(yè)發(fā)展也非常有必要[15-17]。這不僅能推動新興技術(shù)在課程中的實際應用，還能更好地將工程技術(shù)與醫(yī)學緊密結(jié)合起來，提高醫(yī)學生的培養(yǎng)質(zhì)量。例如一個臨床女性盆腔臟器脫垂病例，學生們希望通過本課程的學習，能夠通過三維數(shù)字化模型幫助臨床醫(yī)生確定臟器脫垂的程度以及通過3D模型輔助完成手術(shù)預演等操作，將工程技術(shù)與醫(yī)學應用在教學中相結(jié)合，提高了學生利用理論知識解決實際問題的能力。

作者單位為數(shù)字醫(yī)學學科的創(chuàng)建單位，中華醫(yī)學會數(shù)字醫(yī)學分會和重慶數(shù)字醫(yī)學學會的創(chuàng)建單位，在數(shù)字醫(yī)學的學科建設上有豐富的經(jīng)驗和深厚的基礎(chǔ)，完成了《數(shù)字醫(yī)學導論》、《數(shù)字醫(yī)學概論》2本國家統(tǒng)編的專著和教材，為開展數(shù)字解剖學課程夯實了基礎(chǔ)。教研室人員教育背景包含人體解剖學、臨床醫(yī)學、生物醫(yī)學工程、醫(yī)學圖像學、計算機科學等，為典型的醫(yī)工交叉融合團隊，有助于將數(shù)字醫(yī)學前沿技術(shù)和方法融入數(shù)字解剖學課程的教學。教研室目前已開設7門數(shù)字醫(yī)學前沿課程，教學經(jīng)驗豐富。同時，教研室建設有數(shù)字解剖學教學實驗室和人體形態(tài)學虛擬仿真教學實驗室，這些均為開展數(shù)字解剖學課程提供可能性和重要支撐。

3.3 存在的問題

一是數(shù)字解剖學是近年來發(fā)展起來的教學模式，一些必要的教學支撐如教材并未完全建立起來，目前采用的《人體斷面與影像解剖學》和《數(shù)字醫(yī)學概論》2本教材，尚未具備單獨數(shù)字解剖學教材；二是在數(shù)字解剖學理論授課中，數(shù)字解剖學知識與人體解剖學和斷層解剖學有一定內(nèi)容上的重復；三是由于開設輪次少，且尚未在臨床醫(yī)學等專業(yè)本科生中授課，僅在臨床醫(yī)學和醫(yī)學影像技術(shù)專業(yè)研究生中開展，目前知識框架仍需繼續(xù)調(diào)整、完善和優(yōu)化。國內(nèi)同行院校基本沒有開展單獨的數(shù)字解剖學課程，而只是將數(shù)字解剖教學系統(tǒng)和虛擬仿真技術(shù)用于系統(tǒng)解剖學和斷層解剖學課程的輔助工具，無法進行同行比較和經(jīng)驗交流。

4 總結(jié)和展望

我們創(chuàng)建了一門全新獨立的數(shù)字解剖學課程，并在我校生物醫(yī)學工程專業(yè)本科生中試點開課。通過數(shù)字解剖教學系統(tǒng)、3D打印模型、虛擬仿真設備和3D步態(tài)跟蹤儀等，講述了人體重要解剖結(jié)構(gòu)的部位、二維和三維形態(tài)、空間毗鄰關(guān)系，同時講述了數(shù)字解剖學的定義和內(nèi)容，數(shù)字解剖模型的構(gòu)建和數(shù)字解剖學模型在虛擬仿真、三維可視化展示和3D打印的拓展應用，提高了生物醫(yī)學工程專業(yè)本科生的學習效率，拓展了其醫(yī)工融合的知識面，更有助于其以后研發(fā)的醫(yī)療和教育設備更好地為醫(yī)學和醫(yī)學教育服務。課程的成功開展為國內(nèi)醫(yī)科大學培養(yǎng)現(xiàn)代化的醫(yī)學高層次人才提供重要的參考借鑒，同時有助于向國內(nèi)外醫(yī)科大學進行推廣 應用。