数字化虚拟人在运动解剖学教学中的应用

2012-08-15周多奇钱振宇

赤峰学院学报·自然科学版 2012年11期

关键词：解剖学人体数字化

周多奇，钱振宇

（安庆师范学院体育学院，安徽安庆 246133）

数字化虚拟人在运动解剖学教学中的应用

周多奇，钱振宇

（安庆师范学院体育学院，安徽安庆 246133）

数字化虚拟人是现代计算机信息枝术与医学等学科相互结合的成果.本研究从数字虚拟人研究进展、虚拟人在人体结构教学、生理功能模拟、体育动作工作分析和运动损伤教学等方面综述了数字虚拟人及其在运动解剖学教学中的应用.结果表明：数字虚拟人应用于运动解剖学教学，能弥补尸体等实验资源不足，有利于学生掌握人体器官的立体结构和微观内部构造，增加学生的学习兴趣，显著提高运动解剖学的教学质量.

数字化虚拟人；运动解剖学；教学

运动解剖学是体育相关专业学生进入大学阶段的一门必修的重要基础理论课，其教学质量直接影响学生后继课程的学习.课程除人体解剖结构知识，更加注重运动系统、体育动作的解剖学分析和运动损伤的结构分析等知识的介绍.运动解剖学的内容和知识点繁多、杂乱,有较多抽象难记的名词，学生学习兴趣较低,学习效果欠佳.各个器官标本的空间结构位置使学生难以理解和掌握，学生的学习动力明显不足，学习兴趣不高.如何减少传统教学模式的这些弊病，进一步提高学生学习的积极性和主动性,改善学生的观察、理解、实际分析及动手等能力，提高教学效果成为运动解剖教学中的一个亟待解决的课题.

数字化虚拟人是将人体按需要切成若干断面经扫描分析后，将原始数据输入计算机整合，在计算机里合成一个三维立体的人体结构.它可代替真实的人体进行实验研究，并提供各种精确数据.它是医学与信息技术、计算机技术相结合的成果，由虚拟可视人、虚拟物理人、虚拟生理人和虚拟智能人组成.它构成了人体形态学信息研究的实验平台,为临床医学、航天、汽车碰撞和体育等的科学研究和应用提供平台和技术支持；同时随着数字人技术的不断发展，运动解剖学的教学过程可能将会发生重要变化[1,2].

1 数字化虚拟人的研究

1.1 国际数字化虚拟人的研究

上世纪80年代末，美国科学家启动了可视人计划，随后又酝酿实施了一系列数字人研究计划，目标是实现人体从分子到细胞、组织、器官、系统和整体的精确模拟，主要有:人类基因组计划，可视人计划，生理人计划等.

世界上首例数字化虚拟人是1989年美国国立医学图书馆发起，Colorado大学承担实施启动了“可视人计划”，通过获取人体标本横断面的二维图像信息，建立人体断层的数字化的“解剖人”，先后获得一男一女两组的断层光学照片数据，以及CT和MRI断层扫描图像.组织切片，男性共有1878个横断面切片，女性为5190，片层间距分别是1.0mm和0.33mm.即1994年11月完成并向世界公布.在此基础上，已经建立了数字化的三维解剖图谱.这是人类在信息技术基础上建立数字化解剖学的首例尝试.美国可视人计划的实施在全世界引起了巨大反响.在可视人数据集的基础上，到2O00年为止，美国人已经建立了全身皮肤、肌肉、骨骼和心脏等部分器官的三维模型.韩国由亚洲大学和科技信息研究所承担，于2000年开始的韩国可视人五年计划，要无损失地完整获取CT、MRI断层扫描以及组织切片的0.2mm精度的切片数据.韩国是世界上第二个尝试建立可视人数据集的国家，也是第一个获取具有东方人种特征的人体数据集的国家[3].

1.2 中国数字化虚拟人的研究

2001年，第174次香山科学会议的与会专家重点研讨了“中国数字化虚拟人体”课题[4,5].2002年，我国首套男女数字化可视人体数据由第三军医大学张绍祥教授研究采集组完[6].目前，我国共有男女各3个数据集被上海、重庆、广州等地的解剖专家们采集建立.上海男、女切片间距分别为1.7mm和0.57mm,重庆男、女为1.0-0.1mm，广州男、女为0.2mm.上海男、女切削断面分别为1058片和3022片,重庆男、女分别为2518片和3640片,广州男女分别为9232片和8556片.上海男、女数据集量分别为10GB和30GB,重庆男女分别为90.648GB和130.04GB,广州男、女分别为161.6GB和149.7CB.在这些数据集的基础上,众多科研、教学、医疗单位如北京同仁医院、清华大学等共同合作,研发了各种应用软件[7].

2 数字化虚拟人运动解剖学教学中的应用

2.1 数字化虚拟人在人体结构教学中的应用

数字化虚拟人技术可以清楚、立体、动态地显示各个器官组织的空间位置和内部结构.如脑知识的学习一直是个难点，在教学中可以利用波士顿科学家开发的脑模型，让学生佩戴特殊的眼镜可以感知“立体”图像，通过敲击计算机键盘，使脑模型图像旋转，还可以把大脑皮层、灰质、白质等结构逐层剥离以显示大脑的内部结构，该模型在脑结构的教学中可以便利地展示的脑的空间结构[8].教师可按照教学大纲的要求，依据教学经验将教学内容总结提炼,构思出教学过程所需的人体三维图片(如骨骼肌、关节和心脏等)及三维动画，运用三维可视化系统将人体数据重建出三维图片和动画，应用于教学能取得较好的教学效果.文敏等[9]利用数字虚拟人对贵阳医学院2005级临床专业学生局部解剖教学.学生普遍反应三维重建的模型可以清楚的显示人体的空间结构和毗邻关系,方位感、层次感强,大大降低了学习的难度,提高了学习效率，与2004级临床专业学生考试成绩相比,成绩有了显著提高，及格率由2004级的71%上升到2005的97%,平均分也由2004级的65.63上升到77.93,学生的成绩有了显著提高.作者认为虚拟技术有如下优点：可以弥补教学中标本缺乏,标本毁损、结构显示不清等困难；可以更好、更全面的显示人体结构,可以大大的方便教学；进行人体管道的漫游(如食管、肠管、内耳等)；可以生成三维动画视频并发布到网上，便于学生学习.李鉴轶等[10]利用胸廓三维模型对南方医科大学05级临床医学专业学生教学后发现大大减小了解剖学的教与学的难度,提高了学习效率.邝满元等研究发现采用数字化虚拟人教学具有较多优势.（1）只要将光标移动到利用数字化虚拟人数据集制成的数字解剖图谱的某个解剖结构上，通过超链接，此结构的详尽说明便会显示出来，可以直观生动地展示知识点；（2）用数字化虚拟人即可以看到某个结构部位的横断面，也从不同的角度和方向立体地观察该部位的空间结构；（3）在实验教学中利用虚拟人体可以节省很多标本、器械.学生可以在虚拟尸体上进行虚拟手术，同时可以通过操纵杆和手套等设备的触觉反馈来感知到人体不同组织的质感.虚拟手术可以多次重复进行，不断纠正错误.虚拟解剖过程学生可以随时进行，既便于师生教学的安排，也可节约珍贵的尸体标本，减少器械的消耗[11].

2.2 数字化虚拟人在生理功能模拟教学中的应用

动态的虚拟人模型能说明在正常的和疾病生理状态下各器官和系统的情况，对外界刺激怎样反应.在教学中，学生能清楚地观察到不同运动时哪些骨骼肌如何收缩，关节转动方式，微观上骨骼肌纤维的粗细肌丝的肌丝滑行过程，观察到从感知外界刺激到大脑皮层整合分析做出指令再到骨骼肌收缩的兴奋-收缩过程；心脏安静工作的状态，剧烈运动时心脏工作变化；食物在体内的行进路线，食物如何被消化吸收；声波和光波传导及其神经传递路径；观察到人体系统如何在神经和内分泌系统的调控下相互配合，协调工作的.

2.3 数字化虚拟人在体育动作分析教学中的应用

体育动作的肌肉工作分析是运动解剖学教学的重要内容，也人体解剖学联系体育运动实践较为紧密的部分，也是教学的难点之一.可以利用虚拟人技术建立可视人的运动过程，尤其是关键动作（如立定跳远的起跳动作），形象地展示各个运动环节所作运动，是哪些骨骼肌在收缩，带动什么骨绕什么关节运动，哪些骨骼肌起主要作用，主要作用肌在什么条件下做什么性质的工作？学生们能形象地理解动作.研究者开发了一个自动的人体骨骼肌结构系统的虚拟人环境，可以利用此系统进行“关节引擎”的运动生物机械学分析和计算机辅助教学，这是一款交互式的动力学参数限制的操作模型[12].

2.4 数字化虚拟人在运动损伤教学中的应用

数字化虚拟人的出现为运动损伤的诊断和防治提供了新的方向和思路.可以对虚拟人可以进行各种诊断与治疗研究，包括有些不能在真人身上进行的，从而使运动损伤的诊断和治疗个性化，最后实现对新方法的治疗效果进行预测.在运动损伤教学中可以利用虚拟人立体显示易损伤部位结构，动态模拟损伤过程，病症特点、手术和治疗过程等，使学习更加直观、生动和有效.如运动员半月板是易损伤部位，教学中用虚拟人立体展示半月板的空间位置和结构，膝关节运动时半月板的运动特点等，模拟半月板损伤的动态过程和治疗，能够使学生轻松掌握半月板损伤有关知识.刘红菊和王媛媛等人的研究发现虚拟人有利于人体穴位经络的教学和研究，为针灸学及推拿和按摩的发展提供了新的契机[13,14].

〔1〕邱明国，张绍祥，刘正津，等.数字化可视人体在解剖学教学中的初步应用[J].四川解剖学杂志,2004,12（1）：41-42.

〔2〕邓长弓.数字化可视人体在解剖教学中的应用趋势初探[J].川北医学院学报，2010，25（5）：504-505.

〔3〕钟世镇，李华，林宗楷，等.数字化虚拟人背最和意义[J].中国基础科学，2002（6）：12-16.

〔4〕罗述谦.中国虚拟人医学图像方法学考虑[J].中国基础科学，2002（6）：20-24.

〔5〕王旭,桂业英.可视人体(VH)数据集及使用[J].生物医学工程学杂志，1999，16（1）：109-111.

〔6〕张绍祥，刘正津，谭立文，等.首例中国数字化可视人体完成[J].第三军医大学学报，2002，24（10）：1231-1232.

〔7〕张彦，王惠，李振平.数字化虚拟人体的研究进展[J].医学影像学杂志，2006，16（4）：414-416.

〔8〕钟世镇.虚拟人体将为创伤骨科研究提供新技术[J].中华创伤骨科杂志，2003，5（2）：81.

〔9〕文敏，周波，李宏伟，等.三维重建技术在局部解剖学教学中的运用[J].贵阳医学院学报，2008，33（5）：542-544.

〔10〕李鉴轶，赵卫东，张美超，等.医学影像资料三维重建及在解剖学教学中的应用 [J].解剖学研究，2007，29（2）：154-156.

〔11〕邝满元，姜平，彭汉忠.数字化可视人体在解剖学教学中的应用简介 [J].郴州医学高等专科学校学报，2004，6（1）：70-71.

〔12〕王春阳，宋君毅，许永刚.数字化虚拟人的研究进展及其在体育中的应用前景 [J].广州体育学院学报，2004，24（3）：126-128.