人體解剖結(jié)構(gòu)數(shù)字3D互動(dòng)教學(xué)研究

宋燕飛

河南推拿職業(yè)學(xué)院 河南 洛陽(yáng) 471023

引言

人體解剖學(xué)是當(dāng)前各醫(yī)科學(xué)校的重點(diǎn)教育教學(xué)方法之一，也是幫助學(xué)生掌握基本人體結(jié)構(gòu)、開(kāi)展深入學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)。但從實(shí)際情況來(lái)看，當(dāng)前各醫(yī)科高校主要利用一對(duì)多、幻燈片演示的教學(xué)方式為學(xué)生傳授相關(guān)概念、病理等教學(xué)資源。但解剖學(xué)科的學(xué)習(xí)需要學(xué)生具備一定的三維構(gòu)建能力，扎實(shí)掌握不同人體組織結(jié)構(gòu)的空間對(duì)應(yīng)關(guān)系，因此將極大提高解剖學(xué)學(xué)習(xí)難度。而通過(guò)引進(jìn)各類(lèi)數(shù)字3D技術(shù)，可幫助學(xué)生較為直觀地掌握教師授課內(nèi)容，提高課堂交互性，進(jìn)一步激發(fā)學(xué)生的求知欲與探索欲，為解剖教學(xué)提供必要指導(dǎo)。

1 人體解剖結(jié)構(gòu)數(shù)字3D互動(dòng)教學(xué)優(yōu)勢(shì)

數(shù)字3D互動(dòng)教學(xué)是當(dāng)前人體解剖課程中較為常見(jiàn)的授課方式之一，具有可視化、高精度、立體化、可縮放等特點(diǎn)，教師可依據(jù)現(xiàn)有教育教學(xué)要求進(jìn)行精確調(diào)整，幫助學(xué)生進(jìn)行過(guò)渡學(xué)習(xí)，降低其對(duì)實(shí)體解剖的抵觸心理。在實(shí)際開(kāi)展教育教學(xué)期間，教師可結(jié)合現(xiàn)有資源設(shè)計(jì)較為完善的數(shù)據(jù)庫(kù)，并以此制作對(duì)應(yīng)的標(biāo)本模型課件，豐富電子資源，便于學(xué)生訪問(wèn)，打破時(shí)間及空間的限制，避免出現(xiàn)資源分配不均衡的情況，與此同時(shí)也有效解決人體標(biāo)本不易獲取、保存的問(wèn)題，強(qiáng)化學(xué)生的學(xué)習(xí)體驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)課堂延伸。利用數(shù)字3D技術(shù)可全方位展示人體不同組織器官間的立體對(duì)應(yīng)關(guān)系，并結(jié)合不同的教學(xué)需要適當(dāng)放縮解剖部位，如在講解淚器、錘骨、聽(tīng)小骨、腎小球等較為特殊的人體結(jié)構(gòu)時(shí)，由于利用實(shí)際標(biāo)本無(wú)法進(jìn)行有效觀察，因此教師可利用該技術(shù)打印相應(yīng)的教具模型，提高解剖學(xué)知識(shí)的立體性、互動(dòng)性，充分鍛煉學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性。另外數(shù)字3D技術(shù)也可利用顏色渲染的方式對(duì)不同人體結(jié)構(gòu)進(jìn)行標(biāo)記，有效提高學(xué)生的課堂集中力，達(dá)到深度學(xué)習(xí)的教育教學(xué)要求。與以往的實(shí)體標(biāo)本相比，數(shù)字3D技術(shù)的應(yīng)用可幫助學(xué)生更為直觀、安全、細(xì)致、全面地觀察人體構(gòu)造，尊重了不同文化背景、民族信仰學(xué)生的學(xué)習(xí)需求，降低其恐懼、害怕的心理，舒緩異樣的情感體驗(yàn)[1]。

2 3D可視化技術(shù)在解剖學(xué)教學(xué)中的具體應(yīng)用

2.1 3D平板顯示及解剖教學(xué)應(yīng)用程序

3D平板顯示主要結(jié)合各類(lèi)智能終端設(shè)備及應(yīng)用程序進(jìn)行教學(xué)。當(dāng)前常見(jiàn)的人體解剖程序包含Pocket Anatomy、3D Medical、Visible Body等，使得學(xué)生可結(jié)合各類(lèi)仿真模型得到較為精確的骨骼、肌肉、神經(jīng)、血管、器官、淋巴等人體解剖結(jié)構(gòu)。此類(lèi)應(yīng)用程序具有交互式三維功能，學(xué)生可利用較為簡(jiǎn)單的手勢(shì)完成放縮、識(shí)別、旋轉(zhuǎn)等行為，并結(jié)合淡化或凸顯結(jié)構(gòu)、減少或增加圖層等方式幫助學(xué)生理解人體結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)。部分應(yīng)用程序也包含了臨床視頻實(shí)例、交互教學(xué)檢測(cè)等功能，可結(jié)合共享屏幕、投影儀等裝置，幫助學(xué)生可隨著教師的講解實(shí)時(shí)完成具體的解剖操作。但利用該技術(shù)也存在一定的不足，一是虛擬模型并不是通過(guò)掃描實(shí)體標(biāo)本得到的，因此對(duì)于三叉神經(jīng)分支等較為細(xì)化的結(jié)構(gòu)其建模準(zhǔn)確性較低，存在結(jié)構(gòu)混亂等問(wèn)題；二是利用該程序不能完全取代教師的動(dòng)手實(shí)操過(guò)程，僅起到一定的輔助教學(xué)作用，可使得學(xué)生感受到互動(dòng)學(xué)習(xí)的興趣，實(shí)用性一般。

2.2 3D增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)及虛擬現(xiàn)實(shí)

以VR或AR技術(shù)為基礎(chǔ)的解剖教學(xué)方式可幫助學(xué)生熟練掌握結(jié)構(gòu)復(fù)雜的人體模型，并結(jié)合自身學(xué)習(xí)能力開(kāi)展重復(fù)模擬訓(xùn)練，提高學(xué)生的沉浸感及體驗(yàn)感，保證實(shí)際教育教學(xué)成效。以全息沉浸式AnatomyX解剖學(xué)教育平臺(tái)為例，其中包含了上千例真實(shí)的MRI、CT掃描數(shù)據(jù)及各類(lèi)3D解剖結(jié)構(gòu)模型，支持學(xué)生完成旋轉(zhuǎn)、拆解人體結(jié)構(gòu)模型等學(xué)習(xí)要求，能夠有效提高學(xué)生的學(xué)習(xí)成績(jī)。另外，教師也可引進(jìn)zSpace沉浸式醫(yī)療醫(yī)學(xué)平臺(tái)、線上VR醫(yī)療課程教學(xué)平臺(tái)、Kinect人體解剖學(xué)教學(xué)系統(tǒng)、人衛(wèi)3D系統(tǒng)解剖學(xué)軟件等，充分展現(xiàn)將VR、AR技術(shù)融入人體解剖教學(xué)的使用優(yōu)勢(shì)，但該教學(xué)方法需要學(xué)校采購(gòu)特定的軟、硬件裝置，成本較高，因此無(wú)法在全國(guó)范圍內(nèi)大面積推廣，且相關(guān)領(lǐng)域的研究較少，無(wú)法滿足后續(xù)愈加精細(xì)、全面的解剖學(xué)教學(xué)要求。

2.3 醫(yī)學(xué)影像資料三維重建

當(dāng)前醫(yī)學(xué)影像領(lǐng)域的不斷發(fā)展使得學(xué)生可結(jié)合US超聲成像、MRI磁共振成像、CT電子計(jì)算機(jī)斷層掃描等方式詳細(xì)學(xué)習(xí)人體結(jié)構(gòu)及不同組織器官的使用功能。隨著圖像分析技術(shù)愈發(fā)成熟，將使得相關(guān)工作人員可結(jié)合二維計(jì)算機(jī)掃描影像提取三維重建資料，幫助學(xué)生從多角度開(kāi)展深入研究，為后續(xù)的實(shí)體解剖及臨床教學(xué)奠定基礎(chǔ)?，F(xiàn)階段較為常見(jiàn)的醫(yī)學(xué)影像三維重建程序包含OsiriX軟件、3D Slicer軟件、Santesoft軟件、Radiant DICOM Vierwer軟件等，可將DICOM資料進(jìn)行序列斷層分割，使其轉(zhuǎn)變?yōu)榱Ⅲw直觀的三維學(xué)習(xí)資料，進(jìn)而豐富現(xiàn)有解剖信息，為開(kāi)展仿真模擬提供視覺(jué)交互參考數(shù)據(jù)。以現(xiàn)實(shí)的人體標(biāo)本為基礎(chǔ)制作對(duì)應(yīng)的模型，可幫助學(xué)生從病理及生理的角度掌握人體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，降低斷層解剖知識(shí)點(diǎn)的學(xué)習(xí)難度。

以膝關(guān)節(jié)為例，考慮到不同人體的差異性及活體、標(biāo)本的不同，教師可結(jié)合當(dāng)前患者的病例，將其膝關(guān)節(jié)CT圖像上傳至3D重建軟件，使其繪制出較為完整的骨骼、肌肉、皮膚及筋膜結(jié)構(gòu)，幫助學(xué)生掌握不同組織結(jié)構(gòu)的關(guān)系，滿足放縮、分層等顯示要求。該方式對(duì)于軟硬件設(shè)備的要求較高，僅支持部分大型醫(yī)院的工作需要，且部分環(huán)節(jié)需進(jìn)行手動(dòng)操作，工作量較大，因此尚且無(wú)法用于人體解剖學(xué)教學(xué)需求，同時(shí)不同影像對(duì)于人體組織結(jié)構(gòu)的分辨率及敏感性存在差異，因此醫(yī)學(xué)影像資料三維重建法具有一定的使用局限[2]。

3 人體解剖結(jié)構(gòu)數(shù)字3D互動(dòng)教學(xué)流程

本文以Autodesk 123D Catch軟件為例開(kāi)展人體結(jié)構(gòu)的3D數(shù)字建模操作，并使用3Ds Max軟件對(duì)模型進(jìn)行修改、渲染，使其可組建為較為完整的三維人體結(jié)構(gòu)，最后使用Unity設(shè)計(jì)交互操作界面，確保將得到的仿真模型全面展現(xiàn)在智能終端設(shè)備上，方便學(xué)生進(jìn)行學(xué)習(xí)。

3.1 準(zhǔn)備工作

第一，準(zhǔn)備人體組織器官的模型標(biāo)本。依據(jù)實(shí)際教學(xué)要求，工作人員可選擇相應(yīng)的人體組織器官標(biāo)本，使其滿足生理功能、結(jié)構(gòu)解剖等一系列教育教學(xué)要求。第二，拍照。盡量選擇背景顏色統(tǒng)一、無(wú)反光的拍照環(huán)境，在標(biāo)本一側(cè)固定光強(qiáng)較大的照明設(shè)備，并盡量使得標(biāo)本處于懸空狀態(tài)，以15°為間隔進(jìn)行環(huán)周拍攝。若需表現(xiàn)上下視角，則需要按照標(biāo)本弧度進(jìn)行上下移動(dòng)，確保對(duì)焦清晰且與標(biāo)本距離相對(duì)固定。

3.2 人體3D建模與渲染

3.2.1 利用Autodesk 123D Catch系統(tǒng)進(jìn)行初步建模。需提前安裝并注冊(cè)該軟件，上傳需要制作的標(biāo)本照片，并等待最終建模結(jié)果。該軟件可同時(shí)繪制格式為.avi的視頻材料，并結(jié)合Adobe Audition等音頻軟件添加教學(xué)講解內(nèi)容。若對(duì)該環(huán)節(jié)得到的建模結(jié)果不滿意，可使其以.FBX的格式導(dǎo)出，并使用3D建模軟件進(jìn)行修改。

3.2.2 使用3Ds Max軟件對(duì)建模進(jìn)行修改渲染?？芍苯訉?dǎo)入由以上操作得到的文件，對(duì)需要調(diào)整的區(qū)域以點(diǎn)、線、面的流程進(jìn)行修改。在此期間，技術(shù)人員需參考實(shí)際模型標(biāo)本、解剖圖譜、CT或MRI影像等資料，確保得到的數(shù)字3D建模資料與實(shí)際人體結(jié)構(gòu)相同、比例相仿，有利于幫助學(xué)生獲取較為精確的組織器官數(shù)據(jù)，并完成后續(xù)的影像技術(shù)教學(xué)。該軟件也可同時(shí)生成對(duì)應(yīng)的教學(xué)動(dòng)畫(huà)，參考各教學(xué)知識(shí)點(diǎn)提前設(shè)定攝像機(jī)拍攝路線，并輸出格式為.avi的資料，隨后導(dǎo)入Powerpoint軟件進(jìn)行展示。

3.2.3 材質(zhì)及渲染。在設(shè)計(jì)骨骼時(shí)，可利用白色合成樹(shù)脂乳液涂料，并將其發(fā)生漫反射的區(qū)域調(diào)整為灰白色，反射區(qū)域調(diào)整為深灰色，取消跟蹤反射選項(xiàng)，將高光光色度調(diào)整為0.36，突出骨骼質(zhì)感[3]。

3.3 利用工程軟件進(jìn)行互動(dòng)

在以上取景及場(chǎng)景搭建工作完成后，工作人員可將以上資料上傳至unity4.x軟件中，以此組建全新的工程內(nèi)容，并編寫(xiě)滿足課堂教學(xué)要求的基礎(chǔ)程序，設(shè)計(jì)交互界面，滿足交互式學(xué)習(xí)需要，使得學(xué)生可簡(jiǎn)單利用鼠標(biāo)、鍵盤(pán)等方式完成學(xué)習(xí)任務(wù)。以外科手術(shù)為例，該程序可模擬腫瘤部位、形態(tài)及醫(yī)護(hù)人員操作動(dòng)作、胃腸鏡拍攝畫(huà)面等。另外，也可隨意切換第一人稱視角的觀察角度，并額外加裝操作腳本，使得學(xué)生可利用鍵盤(pán)或鼠標(biāo)控制畫(huà)面視野及角度。若需要使用unity4.x系統(tǒng)，需提前下載SDK、JDK等軟件，以便可接入安卓平臺(tái)開(kāi)展手機(jī)端的互動(dòng)學(xué)習(xí)。

3.3.1 應(yīng)明確具體的教育教學(xué)要求，掌握基礎(chǔ)《解剖學(xué)》的臨床及教學(xué)需要，針對(duì)如胃腸鏡通過(guò)部位、穿刺針突破組織、胎兒分娩涉及器官等進(jìn)行立體透視解剖，配合解說(shuō)的方式提高教學(xué)直觀性，以便學(xué)生理解記憶，加深對(duì)知識(shí)的掌握程度。若制作出來(lái)的課件內(nèi)容需要學(xué)生結(jié)合計(jì)算機(jī)的交互操作方式進(jìn)行動(dòng)手實(shí)操，則應(yīng)額外設(shè)計(jì)交互作業(yè)模塊。

3.3.2 策劃準(zhǔn)備。該過(guò)程需要明確3D數(shù)字建模運(yùn)行平臺(tái)類(lèi)型及交互操作支持模式，準(zhǔn)備好圖文、音頻、視頻、動(dòng)畫(huà)等解剖.FBX文件。

3.3.3 調(diào)整操作界面及系統(tǒng)架構(gòu)。應(yīng)提前設(shè)計(jì)主菜單、子菜單操作界面，增加光源、病床、手術(shù)刀、攝像機(jī)及各類(lèi)手術(shù)室場(chǎng)景，仿照現(xiàn)有工作環(huán)境及不同工具的比例，提高模擬真實(shí)性，進(jìn)一步保證實(shí)際教育教學(xué)效果。

3.3.4 菜單和腳本。該項(xiàng)目主要使用unity4.x軟件，需上傳場(chǎng)景、聲音、圖片、解剖物等文件信息，并結(jié)合Mono Develop軟件創(chuàng)新全新的功能腳本?，F(xiàn)階段較為常見(jiàn)的編程語(yǔ)言包含Boo、C#、Javascript三類(lèi)，工作人員可結(jié)合自身水平選擇難度不同的編程方式。

3.3.5 輸出展示。在以上工作環(huán)節(jié)完成后，工作人員可及時(shí)對(duì)外公布教學(xué)成果，并在不同的系統(tǒng)平臺(tái)上分享成功的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效率及主動(dòng)性[4]。

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上而言，信息化時(shí)代的發(fā)展，使得人體解剖學(xué)正逐漸朝著數(shù)字化的方向發(fā)展，在各類(lèi)先進(jìn)計(jì)算機(jī)儀器的幫助下，可將數(shù)字3D技術(shù)與口授教學(xué)、翻轉(zhuǎn)課堂等教育教學(xué)方式相結(jié)合，保證教育的嚴(yán)謹(jǐn)性、規(guī)范性，打破常規(guī)，以科技成果帶動(dòng)教學(xué)創(chuàng)新，確保各醫(yī)學(xué)院可真正培養(yǎng)出技術(shù)高超、基礎(chǔ)扎實(shí)的高素養(yǎng)醫(yī)學(xué)人才，進(jìn)一步為實(shí)現(xiàn)醫(yī)療領(lǐng)域的長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展奠定人才基礎(chǔ)。