基于CT/MRI三維模型在局部解剖學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用

于鵬輝 李俏 鞠曉軍 劉雨 蔡世昌

[摘要] 傳統(tǒng)局部解剖實(shí)驗(yàn)教學(xué)多以尸體作為主要教學(xué)資源，存在尸體標(biāo)本來源較少、易損壞、毒氣易損害師生健康等問題。虛擬三維模型在局部解剖學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用能減少尸體標(biāo)本因解剖而導(dǎo)致的資源消耗，縮短處于毒氣環(huán)境時(shí)間，具有可自主設(shè)計(jì)、重復(fù)使用、多方位觀察等優(yōu)勢，且不受使用時(shí)間與空間的限制，同時(shí)也存在一定局限性。將傳統(tǒng)尸體解剖教學(xué)模式與虛擬三維模型相結(jié)合，取長補(bǔ)短，可有效提高局部解剖學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量和提升解剖學(xué)學(xué)科水平。

[關(guān)鍵詞] 三維模型;局部解剖學(xué);實(shí)驗(yàn)教學(xué);Mimics軟件;CT/MRI

[中圖分類號] R322? ? ? ? ? [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A? ? ? ? ? [文章編號] 1673-7210（2020）09（a）-0080-04

[Abstract] Traditional local anatomy experiment teaching mostly uses cadavers as the main teaching resources， and there are problems such as fewer sources of cadaver specimens， easy damage， and poisonous gas that can damage the health of teachers and students. The application of virtual three-dimensional model in the local anatomy experiment teaching can reduce the resource consumption of cadaver specimens caused by anatomy， shorten the time in the toxic gas environment， and have the advantages of independent design， repeated use， and multi-directional observation， while it is not limited by using time and space. At the same time， it also has certain limitations. Combining the traditional autopsy teaching mode with the virtual three-dimensional model， and learning from each other， can effectively improve the quality of regional anatomy experimental teaching and enhance the level of anatomy.

[Key words] 3D model; Regional anatomy; Experimental teaching; Mimics software; CT/MRI

作為連接醫(yī)學(xué)基礎(chǔ)理論與臨床實(shí)踐的必備橋梁，局部解剖學(xué)一直以來都被視為重要的醫(yī)學(xué)基礎(chǔ)課程之一。尸體標(biāo)本是傳統(tǒng)局部解剖學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的必備教學(xué)資源。然而，由于各醫(yī)學(xué)院招生規(guī)模逐年增長，遺體捐獻(xiàn)者數(shù)量逐漸降低等因素，提供局部解剖學(xué)教學(xué)用的標(biāo)本出現(xiàn)了相對缺乏的現(xiàn)象[1-3]。而數(shù)字醫(yī)學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，醫(yī)學(xué)三維重建軟件可將CT、MRI二維圖像轉(zhuǎn)化為虛擬三維模型，并可在解剖學(xué)教學(xué)中應(yīng)用，使解剖學(xué)教學(xué)困境隨著新技術(shù)的應(yīng)用而得到部分緩解[4-7]。這給學(xué)生帶來了積極的態(tài)度，在課堂上能夠主動(dòng)參與，創(chuàng)建的三維模型可靠地重現(xiàn)真實(shí)人體結(jié)構(gòu)的解剖細(xì)節(jié)，能提供便捷、可重復(fù)操作的教學(xué)環(huán)境，還能有效減少尸體標(biāo)本因解剖而導(dǎo)致的資源消耗，縮短處于毒氣環(huán)境時(shí)間等[8-9]。因此，近年來湖南醫(yī)藥學(xué)院（以下簡稱“我?！保慕馄蕦W(xué)教學(xué)發(fā)展的角度出發(fā)，擬運(yùn)用虛擬三維模型充實(shí)局部解剖學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源。在教學(xué)操作過程中，我們發(fā)現(xiàn)虛擬三維模型雖然擁有諸多的優(yōu)越性，但也存在一些局限性。為此，結(jié)合我校實(shí)際，從以下方面淺析三維模型在局部解剖學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用。

1 基于CT/MRI的虛擬三維模型庫構(gòu)建

采用Mimics 19.0軟件對CT/MRI數(shù)據(jù)進(jìn)行三維重建。類似于其他三維重建軟件，Mimics軟件的三維重建是通過CT、MRI等技術(shù)獲得的圖像進(jìn)行的[10-11]。根據(jù)局部解剖學(xué)課程內(nèi)容，分別將頭部、頸部、胸部、腹部、盆部與會(huì)陰等部位的CT/MRI圖像數(shù)據(jù)導(dǎo)入Mimics 19.0軟件，根據(jù)灰度值不同，區(qū)分骨、軟組織、肌肉、空腔、液性組織等結(jié)構(gòu)，尋找邊界清晰的重要組織，首先利用軟件中“CT Bone Segmentation”工具三維重建各部位骨組織數(shù)字解剖模型，再通過Mimics 19.0軟件把斷層圖像放大，在肉眼觀察下對各軟組織結(jié)構(gòu)逐層進(jìn)行手動(dòng)分割，勾畫出淺筋膜、肌肉、血管、椎間盤、硬膜囊、腦及皮膚等相關(guān)軟組織結(jié)構(gòu)，每一個(gè)器官創(chuàng)建一個(gè)圖層，并填充不同顏色以示區(qū)別，再運(yùn)用“區(qū)域增長”“閾值分割法”進(jìn)行三維重建，以STL格式導(dǎo)出三維模型并保存。

2 虛擬三維模型在局部解剖學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用實(shí)施

對5年制臨床醫(yī)學(xué)的局部解剖學(xué)課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)進(jìn)行改革，在傳統(tǒng)教學(xué)“學(xué)生自主解剖、觀察標(biāo)本”模式的基礎(chǔ)上添加虛擬三維模型，輔助教師利用人體標(biāo)本教學(xué)。每間實(shí)驗(yàn)室標(biāo)配1臺(tái)計(jì)算機(jī)工作站和1個(gè)大型投影顯示屏，計(jì)算機(jī)工作站播放的虛擬三維模型內(nèi)容可同步投影給每位學(xué)生觀察（有個(gè)人電腦的同學(xué)也可預(yù)裝Mimics軟件，并在課前自行在Mimics軟件中預(yù)習(xí)相關(guān)內(nèi)容）。每次實(shí)驗(yàn)教學(xué)有一位教師負(fù)責(zé)1個(gè)小班（約30名），每班分2個(gè)小組，每組一具尸體標(biāo)本，同時(shí)開始虛實(shí)結(jié)合操作模式解剖觀察實(shí)驗(yàn)。虛實(shí)結(jié)合操作模式的具體操作過程，包括前虛后實(shí)-虛實(shí)結(jié)合-化虛為實(shí)。①前虛后實(shí)：學(xué)生首先利用Mimics 19.0軟件，通過反復(fù)地辨認(rèn)虛擬三維模型人體層次結(jié)構(gòu)及各器官的毗鄰位置關(guān)系，讓學(xué)生對人體局部的器官層次和空間毗鄰關(guān)系更好地理解，再進(jìn)行尸體標(biāo)本解剖與觀察。②虛實(shí)結(jié)合：學(xué)生參照虛擬三維模型的解剖層次與結(jié)構(gòu)，在尸體標(biāo)本上進(jìn)行解剖，結(jié)合尸體標(biāo)本與虛擬三維模型，弄清尸體標(biāo)本各結(jié)構(gòu)層次與毗鄰關(guān)系，以虛擬三維模型指導(dǎo)尸體標(biāo)本解剖。③化虛為實(shí)：尸體標(biāo)本操作完成后，可進(jìn)行虛實(shí)對比觀察各局部結(jié)構(gòu)，將虛擬三維模型的結(jié)構(gòu)層次一一實(shí)化，多次進(jìn)行，直至完全掌握。

3 虛擬三維模型應(yīng)用于局部解剖學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的優(yōu)越性

3.1 彌補(bǔ)傳統(tǒng)教學(xué)的不足，提高局部解剖學(xué)教學(xué)質(zhì)量

虛擬三維模型的應(yīng)用彌補(bǔ)了傳統(tǒng)教學(xué)模式的不足[12-13]，這樣教師對每個(gè)知識(shí)點(diǎn)能更全面直觀地講解，有利于學(xué)生形成三維立體的人體結(jié)構(gòu)概念，解決書本和圖譜大部分是二維模式圖的問題。Mimics軟件重建的虛擬三維模型每個(gè)部位可以共同或單獨(dú)地多角度顯示某個(gè)局部的層次與位置毗鄰關(guān)系，并可依照實(shí)驗(yàn)?zāi)康呐c計(jì)劃對局部結(jié)構(gòu)進(jìn)行逐層剝離、單獨(dú)顯示、透明化等特殊處理，還可利用虛擬三維模型與CT、MRI斷面圖像顯示在同一平臺(tái)上的特點(diǎn)，清晰顯示該結(jié)構(gòu)的形狀特點(diǎn)和毗鄰關(guān)系。也可運(yùn)用鼠標(biāo)點(diǎn)擊該結(jié)構(gòu)時(shí)，會(huì)顯示不同顏色，有利于教師授課畫面清晰明了和學(xué)生自學(xué)。

虛擬三維模型具有可自主設(shè)計(jì)和重復(fù)使用的優(yōu)勢，教師可依據(jù)教學(xué)目標(biāo)截取需要的圖片和錄制簡短的視頻，在少許時(shí)間內(nèi)對結(jié)構(gòu)講解透徹，讓學(xué)生更快記住結(jié)構(gòu)層次與位置關(guān)系，有利于教師教學(xué)?，F(xiàn)國內(nèi)醫(yī)學(xué)院校尸體標(biāo)本數(shù)量有限，虛擬三維模型應(yīng)用于局部解剖學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，可模擬標(biāo)本，重復(fù)使用，教學(xué)資源占用較少，彌補(bǔ)了解剖學(xué)教學(xué)資源的局限。虛擬三維模型的應(yīng)用，可不受實(shí)驗(yàn)室場地與時(shí)間限制。學(xué)生可在任意時(shí)間、任意地點(diǎn)，通過個(gè)人電腦安裝的Mimics軟件預(yù)習(xí)與復(fù)習(xí)。局部解剖學(xué)知識(shí)點(diǎn)多、授課時(shí)間少，課堂講授內(nèi)容滿足不了學(xué)生的需求，所以學(xué)生需要在課余時(shí)間復(fù)習(xí)相關(guān)內(nèi)容，在沒有實(shí)驗(yàn)室里的尸體標(biāo)本的條件下，利用個(gè)人電腦Mimics軟件里的三維模型，有利于學(xué)生復(fù)習(xí)及消化所學(xué)知識(shí)，還能把自己未弄懂的知識(shí)點(diǎn)及學(xué)習(xí)過程中發(fā)現(xiàn)的問題得以解決，使學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力和解決問題能力得以提高。

3.2 加強(qiáng)了解剖學(xué)基礎(chǔ)與臨床聯(lián)系，提高局部解剖學(xué)教學(xué)質(zhì)量

虛擬三維模型能加強(qiáng)局部解剖學(xué)與臨床的聯(lián)系。虛擬三維模型的原始數(shù)據(jù)中CT、MRI圖像，可對斷層影像解剖學(xué)教學(xué)起到極大的輔助作用，對于醫(yī)學(xué)生進(jìn)入臨床后，學(xué)習(xí)新的醫(yī)學(xué)技術(shù)如微創(chuàng)手術(shù)、醫(yī)學(xué)三維可視化及醫(yī)學(xué)3D打印等，診斷和治療外科疾病打下堅(jiān)實(shí)的解剖學(xué)基礎(chǔ)[14]。利用CT、MRI斷層圖像，結(jié)合整體與斷層，對人體結(jié)構(gòu)的位置毗鄰關(guān)系與局部層次更深入的理解，創(chuàng)建一種局部解剖學(xué)基礎(chǔ)與臨床斷層影像結(jié)合的教學(xué)方法，可提高學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力、發(fā)現(xiàn)問題與解決問題的能力。

3.3 提高尸體標(biāo)本使用率，有利實(shí)驗(yàn)教學(xué)可持續(xù)發(fā)展

局部解剖學(xué)內(nèi)容中人體結(jié)構(gòu)層次、位置毗鄰關(guān)系復(fù)雜難懂，尸體解剖存在破壞性和不可逆性[15]。傳統(tǒng)的局部解剖學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)尸體標(biāo)本使用效率不高、實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果不好、尸體標(biāo)本浪費(fèi)現(xiàn)象高等問題突出。如解剖深層結(jié)構(gòu)時(shí)，較多的結(jié)構(gòu)層次，而課本、掛圖或圖譜只能相應(yīng)地解釋和說明深層結(jié)構(gòu)，不能清晰地由淺入深逐層顯示和暴露深層結(jié)構(gòu)。學(xué)生在解剖尸體操作過程中常會(huì)出現(xiàn)人體局部結(jié)構(gòu)無可修復(fù)的損壞，導(dǎo)致這種情況的出現(xiàn)主要是學(xué)生對結(jié)構(gòu)的不熟悉，操作時(shí)動(dòng)刀過快、過深，這樣既會(huì)導(dǎo)致尸體標(biāo)本的浪費(fèi)，又會(huì)給學(xué)生帶來挫敗感。虛擬三維模型可以任意性多方位逐層觀察淺、中和深層的所有結(jié)構(gòu)，還可通過把淺層結(jié)構(gòu)透明化而顯示深層結(jié)構(gòu)，可避免結(jié)構(gòu)的重疊而無法觀察深層結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)及與周圍結(jié)構(gòu)的毗鄰關(guān)系，從而引導(dǎo)學(xué)生更清晰地掌握人體形態(tài)的逐層結(jié)構(gòu)，既提高了實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)效果，又節(jié)省了尸體標(biāo)本資源，有利于局部解剖學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的長期可持續(xù)發(fā)展。

3.4 提升學(xué)生的成就感，培養(yǎng)動(dòng)手操作積極性

“學(xué)生自主解剖標(biāo)本”的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式使學(xué)習(xí)者的主觀能動(dòng)性得以極大的發(fā)揮[16-18]，培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐操作能力和對解剖過程的現(xiàn)場體驗(yàn)。但在授課過程中，教師難以對每個(gè)學(xué)生的每個(gè)解剖步驟進(jìn)行細(xì)致地指導(dǎo)，學(xué)生在實(shí)際動(dòng)手過程中也會(huì)遇到不敢動(dòng)刀、動(dòng)刀速度慢甚至操作失誤等問題。計(jì)算機(jī)工作站中的三維模型可顯示實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，學(xué)生在對其進(jìn)行可視化時(shí)，難以理解的解剖學(xué)概念將變得更加清晰，即便虛擬三維模型解剖觀察過程中出現(xiàn)錯(cuò)誤時(shí)也不受影響，因他們可在虛擬三維模型上重復(fù)該操作。指導(dǎo)教師也只需對學(xué)生的解剖手法及在重難點(diǎn)部位的解剖操作進(jìn)行監(jiān)督指導(dǎo)和答疑，師資不足的問題得以有效緩解。同時(shí)，學(xué)生不用擔(dān)心因尸體標(biāo)本被破壞而造成的浪費(fèi)，能夠大膽積極地動(dòng)手進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，在有疑難問題時(shí)，也能得到教師的及時(shí)指導(dǎo)。學(xué)生在反復(fù)操作體驗(yàn)中鍛煉了動(dòng)手實(shí)踐能力，提高了對解剖過程的主觀體驗(yàn)，加強(qiáng)了對標(biāo)本結(jié)構(gòu)的深層了解，從而提高了實(shí)驗(yàn)課程中的成就感，培養(yǎng)了動(dòng)手的積極性，提升了實(shí)驗(yàn)課程的效果。

3.5 軟件操作簡易，使用靈活廣泛

局部解剖學(xué)實(shí)驗(yàn)課受限于授課時(shí)間和地點(diǎn)，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)課堂上的疑惑，課后不能得以解決，導(dǎo)致問題累積，甚至將其帶入以后的臨床實(shí)踐，這在提升局部解剖學(xué)教學(xué)質(zhì)量、培育高質(zhì)量醫(yī)學(xué)人才方面是極其不利的因素。而借助Mimics軟件，在計(jì)算機(jī)工作站及個(gè)人電腦中導(dǎo)入人體相應(yīng)部位的虛擬三維模型，可對局部解剖學(xué)的教學(xué)資源實(shí)現(xiàn)最大程度上的共享。這樣在實(shí)驗(yàn)教學(xué)上，可對師資力量的缺乏起到一定的緩解，選擇性的指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行尸體標(biāo)本操作，主要對解剖的操作方法與知識(shí)的重難點(diǎn)進(jìn)行把控。課前學(xué)生通過個(gè)人電腦的Mimics軟件打開三維模型，在教室、宿舍或自修室提前預(yù)習(xí)、制訂實(shí)驗(yàn)方案;課后也可使用該模型查漏補(bǔ)缺課堂上未發(fā)現(xiàn)或解剖操作不當(dāng)?shù)膯栴}，及時(shí)歸納總結(jié)，為以后的局部解剖學(xué)實(shí)驗(yàn)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

4 虛擬三維模型的局限性

虛擬三維模型雖然有許多優(yōu)點(diǎn)，但也有一些局限性[19-21]。首先，虛擬三維模型是在Mimics 19.0軟件平臺(tái)上，通過鼠標(biāo)操作對人體結(jié)構(gòu)進(jìn)行拆分、組合、透明化與多角度旋轉(zhuǎn)，而傳統(tǒng)的尸體標(biāo)本解剖則使用手術(shù)器械進(jìn)行操作。因此，在培養(yǎng)醫(yī)學(xué)生外科動(dòng)手能力方面，尸體標(biāo)本解剖是無法完全由虛擬三維模型來替代的。其次，虛擬三維模型雖然可在局部解剖學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中廣泛應(yīng)用，但其在微小結(jié)構(gòu)方面的處理程度上仍不完美，同時(shí)各結(jié)構(gòu)之間精準(zhǔn)位置關(guān)系、器官外形制作尚有所不足。最后，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)課堂上，有少數(shù)學(xué)生對尸體解剖存在抵觸、排斥情緒，而一直依賴虛擬三維模型進(jìn)行學(xué)習(xí)。因此，少數(shù)學(xué)生在解剖學(xué)實(shí)驗(yàn)考試中未能辨認(rèn)出尸體標(biāo)本上的結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致成績不合格的現(xiàn)象。

5 結(jié)語

總之，運(yùn)用虛擬三維模型輔助局部解剖學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的優(yōu)勢明顯，而單獨(dú)地虛擬三維模型還是無法替代傳統(tǒng)的尸體標(biāo)本解剖實(shí)驗(yàn)教學(xué)，但從我國醫(yī)學(xué)高等教育當(dāng)前的總體教學(xué)改革方向來看，數(shù)字醫(yī)學(xué)現(xiàn)代技術(shù)應(yīng)用于人體解剖學(xué)教學(xué)已成為不可逆轉(zhuǎn)的趨勢。因此，在探索解剖學(xué)教學(xué)改革和發(fā)展的進(jìn)程中，將傳統(tǒng)的尸體解剖教學(xué)模式與虛擬三維模型相結(jié)合，取長補(bǔ)短，可明顯提高局部解剖學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量和提升解剖學(xué)學(xué)科水平。

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