基于CT/MRI三维模型在局部解剖学实验教学中的应用

于鹏辉 李俏 鞠晓军 刘雨 蔡世昌

[摘要] 传统局部解剖实验教学多以尸体作为主要教学资源，存在尸体标本来源较少、易损坏、毒气易损害师生健康等问题。虚拟三维模型在局部解剖学实验教学中的应用能减少尸体标本因解剖而导致的资源消耗，缩短处于毒气环境时间，具有可自主设计、重复使用、多方位观察等优势，且不受使用时间与空间的限制，同时也存在一定局限性。将传统尸体解剖教学模式与虚拟三维模型相结合，取长补短，可有效提高局部解剖学实验教学质量和提升解剖学学科水平。

[关键词] 三维模型;局部解剖学;实验教学;Mimics软件;CT/MRI

[中图分类号] R322          [文献标识码] A          [文章编号] 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

作為连接医学基础理论与临床实践的必备桥梁，局部解剖学一直以来都被视为重要的医学基础课程之一。尸体标本是传统局部解剖学实验教学的必备教学资源。然而，由于各医学院招生规模逐年增长，遗体捐献者数量逐渐降低等因素，提供局部解剖学教学用的标本出现了相对缺乏的现象[1-3]。而数字医学技术的飞速发展，医学三维重建软件可将CT、MRI二维图像转化为虚拟三维模型，并可在解剖学教学中应用，使解剖学教学困境随着新技术的应用而得到部分缓解[4-7]。这给学生带来了积极的态度，在课堂上能够主动参与，创建的三维模型可靠地重现真实人体结构的解剖细节，能提供便捷、可重复操作的教学环境，还能有效减少尸体标本因解剖而导致的资源消耗，缩短处于毒气环境时间等[8-9]。因此，近年来湖南医药学院（以下简称“我校”）从解剖学教学发展的角度出发，拟运用虚拟三维模型充实局部解剖学实验教学资源。在教学操作过程中，我们发现虚拟三维模型虽然拥有诸多的优越性，但也存在一些局限性。为此，结合我校实际，从以下方面浅析三维模型在局部解剖学实验教学中的应用。

1 基于CT/MRI的虚拟三维模型库构建

采用Mimics 19.0软件对CT/MRI数据进行三维重建。类似于其他三维重建软件，Mimics软件的三维重建是通过CT、MRI等技术获得的图像进行的[10-11]。根据局部解剖学课程内容，分别将头部、颈部、胸部、腹部、盆部与会阴等部位的CT/MRI图像数据导入Mimics 19.0软件，根据灰度值不同，区分骨、软组织、肌肉、空腔、液性组织等结构，寻找边界清晰的重要组织，首先利用软件中“CT Bone Segmentation”工具三维重建各部位骨组织数字解剖模型，再通过Mimics 19.0软件把断层图像放大，在肉眼观察下对各软组织结构逐层进行手动分割，勾画出浅筋膜、肌肉、血管、椎间盘、硬膜囊、脑及皮肤等相关软组织结构，每一个器官创建一个图层，并填充不同颜色以示区别，再运用“区域增长”“阈值分割法”进行三维重建，以STL格式导出三维模型并保存。

2 虚拟三维模型在局部解剖学实验教学中的应用实施

对5年制临床医学的局部解剖学课程实验教学进行改革，在传统教学“学生自主解剖、观察标本”模式的基础上添加虚拟三维模型，辅助教师利用人体标本教学。每间实验室标配1台计算机工作站和1个大型投影显示屏，计算机工作站播放的虚拟三维模型内容可同步投影给每位学生观察（有个人电脑的同学也可预装Mimics软件，并在课前自行在Mimics软件中预习相关内容）。每次实验教学有一位教师负责1个小班（约30名），每班分2个小组，每组一具尸体标本，同时开始虚实结合操作模式解剖观察实验。虚实结合操作模式的具体操作过程，包括前虚后实-虚实结合-化虚为实。①前虚后实：学生首先利用Mimics 19.0软件，通过反复地辨认虚拟三维模型人体层次结构及各器官的毗邻位置关系，让学生对人体局部的器官层次和空间毗邻关系更好地理解，再进行尸体标本解剖与观察。②虚实结合：学生参照虚拟三维模型的解剖层次与结构，在尸体标本上进行解剖，结合尸体标本与虚拟三维模型，弄清尸体标本各结构层次与毗邻关系，以虚拟三维模型指导尸体标本解剖。③化虚为实：尸体标本操作完成后，可进行虚实对比观察各局部结构，将虚拟三维模型的结构层次一一实化，多次进行，直至完全掌握。

3 虚拟三维模型应用于局部解剖学实验教学的优越性

3.1 弥补传统教学的不足，提高局部解剖学教学质量

虚拟三维模型的应用弥补了传统教学模式的不足[12-13]，这样教师对每个知识点能更全面直观地讲解，有利于学生形成三维立体的人体结构概念，解决书本和图谱大部分是二维模式图的问题。Mimics软件重建的虚拟三维模型每个部位可以共同或单独地多角度显示某个局部的层次与位置毗邻关系，并可依照实验目的与计划对局部结构进行逐层剥离、单独显示、透明化等特殊处理，还可利用虚拟三维模型与CT、MRI断面图像显示在同一平台上的特点，清晰显示该结构的形状特点和毗邻关系。也可运用鼠标点击该结构时，会显示不同颜色，有利于教师授课画面清晰明了和学生自学。

虚拟三维模型具有可自主设计和重复使用的优势，教师可依据教学目标截取需要的图片和录制简短的视频，在少许时间内对结构讲解透彻，让学生更快记住结构层次与位置关系，有利于教师教学。现国内医学院校尸体标本数量有限，虚拟三维模型应用于局部解剖学实验教学，可模拟标本，重复使用，教学资源占用较少，弥补了解剖学教学资源的局限。虚拟三维模型的应用，可不受实验室场地与时间限制。学生可在任意时间、任意地点，通过个人电脑安装的Mimics软件预习与复习。局部解剖学知识点多、授课时间少，课堂讲授内容满足不了学生的需求，所以学生需要在课余时间复习相关内容，在没有实验室里的尸体标本的条件下，利用个人电脑Mimics软件里的三维模型，有利于学生复习及消化所学知识，还能把自己未弄懂的知识点及学习过程中发现的问题得以解决，使学生的自主学习能力和解决问题能力得以提高。

3.2 加强了解剖学基础与临床联系，提高局部解剖学教学质量

虚拟三维模型能加强局部解剖学与临床的联系。虚拟三维模型的原始数据中CT、MRI图像，可对断层影像解剖学教学起到极大的辅助作用，对于医学生进入临床后，学习新的医学技术如微创手术、医学三维可视化及医学3D打印等，诊断和治疗外科疾病打下坚实的解剖学基础[14]。利用CT、MRI断层图像，结合整体与断层，对人体结构的位置毗邻关系与局部层次更深入的理解，创建一种局部解剖学基础與临床断层影像结合的教学方法，可提高学生的自主学习能力、发现问题与解决问题的能力。

3.3 提高尸体标本使用率，有利实验教学可持续发展

局部解剖学内容中人体结构层次、位置毗邻关系复杂难懂，尸体解剖存在破坏性和不可逆性[15]。传统的局部解剖学实验教学尸体标本使用效率不高、实验教学效果不好、尸体标本浪费现象高等问题突出。如解剖深层结构时，较多的结构层次，而课本、挂图或图谱只能相应地解释和说明深层结构，不能清晰地由浅入深逐层显示和暴露深层结构。学生在解剖尸体操作过程中常会出现人体局部结构无可修复的损坏，导致这种情况的出现主要是学生对结构的不熟悉，操作时动刀过快、过深，这样既会导致尸体标本的浪费，又会给学生带来挫败感。虚拟三维模型可以任意性多方位逐层观察浅、中和深层的所有结构，还可通过把浅层结构透明化而显示深层结构，可避免结构的重叠而无法观察深层结构的特点及与周围结构的毗邻关系，从而引导学生更清晰地掌握人体形态的逐层结构，既提高了实验课程的教学效果，又节省了尸体标本资源，有利于局部解剖学实验教学的长期可持续发展。

3.4 提升学生的成就感，培养动手操作积极性

“学生自主解剖标本”的实验教学模式使学习者的主观能动性得以极大的发挥[16-18]，培养学生的实践操作能力和对解剖过程的现场体验。但在授课过程中，教师难以对每个学生的每个解剖步骤进行细致地指导，学生在实际动手过程中也会遇到不敢动刀、动刀速度慢甚至操作失误等问题。计算机工作站中的三维模型可显示实验内容，学生在对其进行可视化时，难以理解的解剖学概念将变得更加清晰，即便虚拟三维模型解剖观察过程中出现错误时也不受影响，因他们可在虚拟三维模型上重复该操作。指导教师也只需对学生的解剖手法及在重难点部位的解剖操作进行监督指导和答疑，师资不足的问题得以有效缓解。同时，学生不用担心因尸体标本被破坏而造成的浪费，能够大胆积极地动手进行实验操作，在有疑难问题时，也能得到教师的及时指导。学生在反复操作体验中锻炼了动手实践能力，提高了对解剖过程的主观体验，加强了对标本结构的深层了解，从而提高了实验课程中的成就感，培养了动手的积极性，提升了实验课程的效果。

3.5 软件操作简易，使用灵活广泛

局部解剖学实验课受限于授课时间和地点，学生在实验课堂上的疑惑，课后不能得以解决，导致问题累积，甚至将其带入以后的临床实践，这在提升局部解剖学教学质量、培育高质量医学人才方面是极其不利的因素。而借助Mimics软件，在计算机工作站及个人电脑中导入人体相应部位的虚拟三维模型，可对局部解剖学的教学资源实现最大程度上的共享。这样在实验教学上，可对师资力量的缺乏起到一定的缓解，选择性的指导学生进行尸体标本操作，主要对解剖的操作方法与知识的重难点进行把控。课前学生通过个人电脑的Mimics软件打开三维模型，在教室、宿舍或自修室提前预习、制订实验方案;课后也可使用该模型查漏补缺课堂上未发现或解剖操作不当的问题，及时归纳总结，为以后的局部解剖学实验打下坚实的基础。

4 虚拟三维模型的局限性

虚拟三维模型虽然有许多优点，但也有一些局限性[19-21]。首先，虚拟三维模型是在Mimics 19.0软件平台上，通过鼠标操作对人体结构进行拆分、组合、透明化与多角度旋转，而传统的尸体标本解剖则使用手术器械进行操作。因此，在培养医学生外科动手能力方面，尸体标本解剖是无法完全由虚拟三维模型来替代的。其次，虚拟三维模型虽然可在局部解剖学实验教学中广泛应用，但其在微小结构方面的处理程度上仍不完美，同时各结构之间精准位置关系、器官外形制作尚有所不足。最后，在实验教学课堂上，有少数学生对尸体解剖存在抵触、排斥情绪，而一直依赖虚拟三维模型进行学习。因此，少数学生在解剖学实验考试中未能辨认出尸体标本上的结构，导致成绩不合格的现象。

5 结语

总之，运用虚拟三维模型辅助局部解剖学实验教学的优势明显，而单独地虚拟三维模型还是无法替代传统的尸体标本解剖实验教学，但从我国医学高等教育当前的总体教学改革方向来看，数字医学现代技术应用于人体解剖学教学已成为不可逆转的趋势。因此，在探索解剖学教学改革和发展的进程中，将传统的尸体解剖教学模式与虚拟三维模型相结合，取长补短，可明显提高局部解剖学实验教学质量和提升解剖学学科水平。

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