基于CT/MRI三維模型在局部解剖學實驗教學中的應用

于鵬輝 李俏 鞠曉軍 劉雨 蔡世昌

[摘要] 傳統局部解剖實驗教學多以尸體作為主要教學資源，存在尸體標本來源較少、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實驗教學中的應用能減少尸體標本因解剖而導致的資源消耗，縮短處于毒氣環境時間，具有可自主設計、重復使用、多方位觀察等優勢，且不受使用時間與空間的限制，同時也存在一定局限性。將傳統尸體解剖教學模式與虛擬三維模型相結合，取長補短，可有效提高局部解剖學實驗教學質量和提升解剖學學科水平。

[關鍵詞] 三維模型;局部解剖學;實驗教學;Mimics軟件;CT/MRI

[中圖分類號] R322? ? ? ? ? [文獻標識碼] 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

作為連接醫學基礎理論與臨床實踐的必備橋梁，局部解剖學一直以來都被視為重要的醫學基礎課程之一。尸體標本是傳統局部解剖學實驗教學的必備教學資源。然而，由于各醫學院招生規模逐年增長，遺體捐獻者數量逐漸降低等因素，提供局部解剖學教學用的標本出現了相對缺乏的現象[1-3]。而數字醫學技術的飛速發展，醫學三維重建軟件可將CT、MRI二維圖像轉化為虛擬三維模型，并可在解剖學教學中應用，使解剖學教學困境隨著新技術的應用而得到部分緩解[4-7]。這給學生帶來了積極的態度，在課堂上能夠主動參與，創建的三維模型可靠地重現真實人體結構的解剖細節，能提供便捷、可重復操作的教學環境，還能有效減少尸體標本因解剖而導致的資源消耗，縮短處于毒氣環境時間等[8-9]。因此，近年來湖南醫藥學院（以下簡稱“我校”）從解剖學教學發展的角度出發，擬運用虛擬三維模型充實局部解剖學實驗教學資源。在教學操作過程中，我們發現虛擬三維模型雖然擁有諸多的優越性，但也存在一些局限性。為此，結合我校實際，從以下方面淺析三維模型在局部解剖學實驗教學中的應用。

1 基于CT/MRI的虛擬三維模型庫構建

采用Mimics 19.0軟件對CT/MRI數據進行三維重建。類似于其他三維重建軟件，Mimics軟件的三維重建是通過CT、MRI等技術獲得的圖像進行的[10-11]。根據局部解剖學課程內容，分別將頭部、頸部、胸部、腹部、盆部與會陰等部位的CT/MRI圖像數據導入Mimics 19.0軟件，根據灰度值不同，區分骨、軟組織、肌肉、空腔、液性組織等結構，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構逐層進行手動分割，勾畫出淺筋膜、肌肉、血管、椎間盤、硬膜囊、腦及皮膚等相關軟組織結構，每一個器官創建一個圖層，并填充不同顏色以示區別，再運用“區域增長”“閾值分割法”進行三維重建，以STL格式導出三維模型并保存。

2 虛擬三維模型在局部解剖學實驗教學中的應用實施

對5年制臨床醫學的局部解剖學課程實驗教學進行改革，在傳統教學“學生自主解剖、觀察標本”模式的基礎上添加虛擬三維模型，輔助教師利用人體標本教學。每間實驗室標配1臺計算機工作站和1個大型投影顯示屏，計算機工作站播放的虛擬三維模型內容可同步投影給每位學生觀察（有個人電腦的同學也可預裝Mimics軟件，并在課前自行在Mimics軟件中預習相關內容）。每次實驗教學有一位教師負責1個小班（約30名），每班分2個小組，每組一具尸體標本，同時開始虛實結合操作模式解剖觀察實驗。虛實結合操作模式的具體操作過程，包括前虛后實-虛實結合-化虛為實。①前虛后實：學生首先利用Mimics 19.0軟件，通過反復地辨認虛擬三維模型人體層次結構及各器官的毗鄰位置關系，讓學生對人體局部的器官層次和空間毗鄰關系更好地理解，再進行尸體標本解剖與觀察。②虛實結合：學生參照虛擬三維模型的解剖層次與結構，在尸體標本上進行解剖，結合尸體標本與虛擬三維模型，弄清尸體標本各結構層次與毗鄰關系，以虛擬三維模型指導尸體標本解剖。③化虛為實：尸體標本操作完成后，可進行虛實對比觀察各局部結構，將虛擬三維模型的結構層次一一實化，多次進行，直至完全掌握。

3 虛擬三維模型應用于局部解剖學實驗教學的優越性

3.1 彌補傳統教學的不足，提高局部解剖學教學質量

虛擬三維模型的應用彌補了傳統教學模式的不足[12-13]，這樣教師對每個知識點能更全面直觀地講解，有利于學生形成三維立體的人體結構概念，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部位可以共同或單獨地多角度顯示某個局部的層次與位置毗鄰關系，并可依照實驗目的與計劃對局部結構進行逐層剝離、單獨顯示、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上的特點，清晰顯示該結構的形狀特點和毗鄰關系。也可運用鼠標點擊該結構時，會顯示不同顏色，有利于教師授課畫面清晰明了和學生自學。

虛擬三維模型具有可自主設計和重復使用的優勢，教師可依據教學目標截取需要的圖片和錄制簡短的視頻，在少許時間內對結構講解透徹，讓學生更快記住結構層次與位置關系，有利于教師教學。現國內醫學院校尸體標本數量有限，虛擬三維模型應用于局部解剖學實驗教學，可模擬標本，重復使用，教學資源占用較少，彌補了解剖學教學資源的局限。虛擬三維模型的應用，可不受實驗室場地與時間限制。學生可在任意時間、任意地點，通過個人電腦安裝的Mimics軟件預習與復習。局部解剖學知識點多、授課時間少，課堂講授內容滿足不了學生的需求，所以學生需要在課余時間復習相關內容，在沒有實驗室里的尸體標本的條件下，利用個人電腦Mimics軟件里的三維模型，有利于學生復習及消化所學知識，還能把自己未弄懂的知識點及學習過程中發現的問題得以解決，使學生的自主學習能力和解決問題能力得以提高。

3.2 加強了解剖學基礎與臨床聯系，提高局部解剖學教學質量

虛擬三維模型能加強局部解剖學與臨床的聯系。虛擬三維模型的原始數據中CT、MRI圖像，可對斷層影像解剖學教學起到極大的輔助作用，對于醫學生進入臨床后，學習新的醫學技術如微創手術、醫學三維可視化及醫學3D打印等，診斷和治療外科疾病打下堅實的解剖學基礎[14]。利用CT、MRI斷層圖像，結合整體與斷層，對人體結構的位置毗鄰關系與局部層次更深入的理解，創建一種局部解剖學基礎與臨床斷層影像結合的教學方法，可提高學生的自主學習能力、發現問題與解決問題的能力。

3.3 提高尸體標本使用率，有利實驗教學可持續發展

局部解剖學內容中人體結構層次、位置毗鄰關系復雜難懂，尸體解剖存在破壞性和不可逆性[15]。傳統的局部解剖學實驗教學尸體標本使用效率不高、實驗教學效果不好、尸體標本浪費現象高等問題突出。如解剖深層結構時，較多的結構層次，而課本、掛圖或圖譜只能相應地解釋和說明深層結構，不能清晰地由淺入深逐層顯示和暴露深層結構。學生在解剖尸體操作過程中常會出現人體局部結構無可修復的損壞，導致這種情況的出現主要是學生對結構的不熟悉，操作時動刀過快、過深，這樣既會導致尸體標本的浪費，又會給學生帶來挫敗感。虛擬三維模型可以任意性多方位逐層觀察淺、中和深層的所有結構，還可通過把淺層結構透明化而顯示深層結構，可避免結構的重疊而無法觀察深層結構的特點及與周圍結構的毗鄰關系，從而引導學生更清晰地掌握人體形態的逐層結構，既提高了實驗課程的教學效果，又節省了尸體標本資源，有利于局部解剖學實驗教學的長期可持續發展。

3.4 提升學生的成就感，培養動手操作積極性

“學生自主解剖標本”的實驗教學模式使學習者的主觀能動性得以極大的發揮[16-18]，培養學生的實踐操作能力和對解剖過程的現場體驗。但在授課過程中，教師難以對每個學生的每個解剖步驟進行細致地指導，學生在實際動手過程中也會遇到不敢動刀、動刀速度慢甚至操作失誤等問題。計算機工作站中的三維模型可顯示實驗內容，學生在對其進行可視化時，難以理解的解剖學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錯誤時也不受影響，因他們可在虛擬三維模型上重復該操作。指導教師也只需對學生的解剖手法及在重難點部位的解剖操作進行監督指導和答疑，師資不足的問題得以有效緩解。同時，學生不用擔心因尸體標本被破壞而造成的浪費，能夠大膽積極地動手進行實驗操作，在有疑難問題時，也能得到教師的及時指導。學生在反復操作體驗中鍛煉了動手實踐能力，提高了對解剖過程的主觀體驗，加強了對標本結構的深層了解，從而提高了實驗課程中的成就感，培養了動手的積極性，提升了實驗課程的效果。

3.5 軟件操作簡易，使用靈活廣泛

局部解剖學實驗課受限于授課時間和地點，學生在實驗課堂上的疑惑，課后不能得以解決，導致問題累積，甚至將其帶入以后的臨床實踐，這在提升局部解剖學教學質量、培育高質量醫學人才方面是極其不利的因素。而借助Mimics軟件，在計算機工作站及個人電腦中導入人體相應部位的虛擬三維模型，可對局部解剖學的教學資源實現最大程度上的共享。這樣在實驗教學上，可對師資力量的缺乏起到一定的緩解，選擇性的指導學生進行尸體標本操作，主要對解剖的操作方法與知識的重難點進行把控。課前學生通過個人電腦的Mimics軟件打開三維模型，在教室、宿舍或自修室提前預習、制訂實驗方案;課后也可使用該模型查漏補缺課堂上未發現或解剖操作不當的問題，及時歸納總結，為以后的局部解剖學實驗打下堅實的基礎。

4 虛擬三維模型的局限性

虛擬三維模型雖然有許多優點，但也有一些局限性[19-21]。首先，虛擬三維模型是在Mimics 19.0軟件平臺上，通過鼠標操作對人體結構進行拆分、組合、透明化與多角度旋轉，而傳統的尸體標本解剖則使用手術器械進行操作。因此，在培養醫學生外科動手能力方面，尸體標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實驗教學中廣泛應用，但其在微小結構方面的處理程度上仍不完美，同時各結構之間精準位置關系、器官外形制作尚有所不足。最后，在實驗教學課堂上，有少數學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行學習。因此，少數學生在解剖學實驗考試中未能辨認出尸體標本上的結構，導致成績不合格的現象。

5 結語

總之，運用虛擬三維模型輔助局部解剖學實驗教學的優勢明顯，而單獨地虛擬三維模型還是無法替代傳統的尸體標本解剖實驗教學，但從我國醫學高等教育當前的總體教學改革方向來看，數字醫學現代技術應用于人體解剖學教學已成為不可逆轉的趨勢。因此，在探索解剖學教學改革和發展的進程中，將傳統的尸體解剖教學模式與虛擬三維模型相結合，取長補短，可明顯提高局部解剖學實驗教學質量和提升解剖學學科水平。

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