數字化三維重建技術在解剖教學中的應用

摘 要:本文的目的是探索數字化三維重建技術對輔助解剖教學的作用。

關鍵詞:數字化三維重建解剖教學

中圖分類號:G642文獻標識碼:A文章編號:1673-9795(2011)05(a)-0069-01

隨著計算機技術在醫學領域的廣泛應用，計算機輔助教學在醫學院校變得越來越重要。計算機輔助醫學的基礎是解剖學，現有的解剖學知識和數據是通過將人體剖切開以后進行觀察和測量得來的，常規的教學手段，如使用書本和插圖教學、實際尸體解剖示教等都有很大的局限性。數字化三維虛擬解剖模型能形象逼真地再現三維解剖結構、畸形特征及毗鄰結構的空間關系，動態旋轉觀察、任意剖面顯示的“無損傷活體電子解剖”，讓學生可以更快、更便捷地了解人體組織器官的基本形態及不同剖面解剖結構。

1#8201;三維模型重建

現代醫學掃描設備快速發展，可以高效的掃描人體組織，得到二維斷層掃描圖像(如CT、MRI)，然后利用醫學圖像處理技術和三維圖形建模技術重建組織器官的三維模型。目前，人體組織成像最清晰的是CT掃描的骨骼組織的圖像。本文重點闡述骨組織的三維重建技術。

用于解剖教學時，需要明確分離出各個獨立的骨骼組織模型。但是，由于掃描數據分辨率本身的限制和解剖結構之間相互滲透，各骨邊界在CT掃描圖像上并不清晰，比如牙齒的牙根部分嵌入在頜骨之中，顳骨和顴骨之間基本上是連成一塊的，邊界非常模糊。因此，準確地分割、提取出醫學圖像中諸骨各自獨立的興趣區域是一個技術難點。

本文采用基本圖像分割技術與高級圖像分割技術相結合、自動分割技術與手工交互相結合的方法解決這一問題。首先，利用閾值法分割出所有骨組織的整體興趣區域。然后由經驗豐富的醫師參照傳統解剖圖譜，在掃描圖像X、Y、Z三個方向的插值圖層上找邊界可辨識處、交互建立相鄰骨塊之間的邊界曲線，得到一組不連續的、非封閉的邊界曲線，然后輸入專門設計的局部邊界曲線演化算法，結合圖像的灰度和梯度信息，將這些不連續的邊界曲線連接擴展為邊界曲面，生成諸骨各自獨立的興趣區域。最后，再由經驗豐富的醫師參照傳統解剖圖譜的解剖知識和拓撲信息，對分割結果做手工交互修改，改進相鄰骨塊之間的邊界以及各種腔、竇的解剖結構，提高圖像分割的準確性。如圖1顯示了兩個典型的三維骨組織重建模型，可以看到模型具有精美的外形和各種腔、竇的解剖結構。

2#8201;解剖教學與應用

人體解剖課程是醫學院的最基礎、最重要的課程。現在的解剖圖譜已構成了醫學學習的基礎，學生們通過閱讀教材，看解剖圖譜的講解來學習。然而解剖圖譜是對人體器官三維結構的二維表達，制約了學習者對解剖結構的學習和理解。解剖圖譜有很多的標注，細線一端指向結構，另一端是名稱，看上去十分繁瑣，復雜。有時，為了使學生掌握人的解剖結構，需要對實際的尸體進行解剖實踐，但是目前能讓學生親手做實驗的尸體非常有限，同時操作上也有很多限制。

本文初步進行了利用數字化三維重建模型進行輔助教育的實踐，選取某醫學院的口腔頜面部解剖教學進行兩個班的教學實驗對比，A班使用傳統的書本和插圖的方式進行教學，B班使用數字化三維重建模型進行輔助教學。結果課后B班學生們普遍反映使用數字化三維模型進行教學的課堂氣氛活躍，學習的積極性高，知識點掌握得透徹。

總的來說，數字化虛擬三維解剖模型可以形象逼真地再現各種組織器官的解剖結構、畸形特征及毗鄰結構的空間關系，動態旋轉觀察、任意剖面顯示的“無損傷活體電子解剖”[1～2]，可以對器官組織的三維重建圖像進行鳥瞰或深入其內部觀察、拆分和組合等，能獲得在實際尸體解剖示教時難以達到的教學效果，學生可以更快、更便捷地了解各種組織器官的基本形態及不同剖面解剖結構。同時，可以部分代替尸體標本的解剖實驗，可以方便老師和學生，同時又可以節約寶貴的尸體標本并減少其他器械如手套和刀片等的消耗，為學校和教研室減輕經濟負擔。另外，數字化虛擬三維模型不但可以用于輔助教師教學，也可用于學生自學，可為學生提供富有多樣性的主動學習的環境，教學和學習活動的空間和時間得到了無形擴展，使學生從被動學習轉變成主動、積極、靈活的學習，也大大提高了教學效率和教學質量。

3#8201;結語

計算機輔助醫學的基礎是解剖學，現有的解剖學知識和數據是通過將人體剖切開以后進行觀察和測量得來的，常規的教學手段，如使用書本和插圖教學、實際尸體解剖示教等都有很大的局限性。隨著數字化虛擬人技術的發展，計算機模擬人體將為解剖學的教學提供革命性的變化，為古老的人體解剖學科帶來一次劃時代的革命。實踐證明，使用數字化三維解剖模型進行解剖教學，能大大提高學生的學習主動性和學習興趣，明顯改善教學效果，提高教學效率。

參考文獻

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[2] 李七渝，張紹祥，王平安，等.人體大腦數字化解剖模型的構建及可視化[J].解剖學報，2005，36(6):638～641.