人体器官三维模型重建在解剖教学中的应用

宋翠荣 王忠 张海峰

摘要：目的：应用三维重建技术建立人体器官三维模型，应用于人体解剖教学，分析教学效果，为形态学科探索一种新的教学方法。

方法：选择本校2018级临床专业2个自然班作为实验组，与传统教学的2017级临床专业2个自然班对照，从学生日常课堂表现、学习兴趣、章节测验、平时成绩、实验成绩、期末考试、后续学科成绩、学生满意度等方面统计分析教学效果。

结论：应用人体器官三维模型教学可以有效改善教学质量，提高教学效果，值得推广。

关键词：三维模型;人体解剖学;教学

人体解剖学是医学领域中重要的一门基础课，主要讲述人体器官的形态、位置、毗邻，是专业课程的基石，对后续课程的学习与临床操作具有重要作用;恩格斯说过：“没有解剖学，就没有医学[1]。尸体标本与器官模型是解剖教学的重要工具，但随着高校招生规模的扩大，医学院校常处于尸源紧缺的困境：相关资料报道，中国约三十名医学生解剖一具尸体，远低于国际标准[2] ;而器官模型大多仅展现器官的整体形态，内部结构显示不清晰，部分产品制作粗糙，与实际结构差异较大。人体解剖学知识点繁多，器官位置较深、不易观察，学生的空间想象能力弱，难于理解与记忆，教学效果不理想。

近年来，随着计算机的发展，虚拟仿真三维重建技术取得了前所未有的成果，促进了医学等领域的发展[3-4]。本研究将人体器官三维模型应用于教学，并分析其效果，为解剖教学探索一条新途径。

1.建立人体器官三维模型

人体器官三维模型的制作：骨性器官，选取志愿者，要求：正常成年男性/女性各一名、志愿者身高、体重各参数位于中国男/女性人体50百分位标准尺寸（身高1678.0±59.33mm，体质量59.0±6.66kg）之间[6]，进行CT扫描，获得志愿者各器官的影像数据。 将影像资料以.dicom格式导入逆向工程软件mimics17.0，经过一系列处理，最后，生成相应骨骼的三维模型。

肌性器官三维模型的建立：取新鲜标本经冷冻后，进行切割，切片断层厚度为1cm，将切面拍照、导入mimics17.0，建立器官模型[7]。按照教学过程顺序，建立运动、消化、呼吸、泌尿、脉管、神经等人体器官三维模型。

2教学过程设计

2.1研究对象

随机选取我校2018级三年制临床专科学生二个班（50人/班）为实验组， 2017级由相同老师任教的各二个班（50人/班）为对照组。两个年级选用教材相同、授课教师一致，去除了教材、师资因素的影响;学生的入学成绩、年龄、男女比例、既往教育程度等方面经检验，无统计学差异（P > 0.05 ），具有可比性。

2.2研究方法

应用对照法，对2018级学生在授课过程中融入人体器官三维模型，将人体三维模型以课件、投影的形式展现给学生;往届2017级各三个班学生为传统模式，以挂图、板图、模型、标本、多媒体课件教学。效果评价：以调查问卷的形式对学生课堂表现、学习兴趣、教学满意度进行统计，从教务系统调出相应章节成绩、期末成绩、后续课程成绩，等方面分析教学效果。

2.3教学应用过程

理论讲授与实验教学过程中，根据学习目标将三维模型插入课件或投影展示，附以文字解释说明。所建模型可以清晰、直观的显示器官的立体构象，并可以将模型放大、缩小、移动、旋转、显示、隐藏、自由组合等操作，配合学生进行任意角度、任意方位观察。

2.4教学效果评价

采用教师评分、学生座谈、调查问卷与统计分析的方法分析，分析指标包括：章节测试、期末测试，后续相关课程的学习成绩，课堂表现、学习兴趣、教师满意度等指标。

2.4.1章节考试成绩

根据教学大纲，教材知识点，每章内容讲解完毕后进行章节测试，重点考察学生对人体器官的位置、结构、毗邻的掌握程度。

2.4.2 期末考试成绩

课程全部学完后，进行期末考试。涵盖本书的全部内容。题型包括名词解释、填空、问答、判断、简答、论述，考查学生对知识的理解能力、记忆能力、分析归纳能力。

2.4.3 后续课程成绩

跟踪随访，统计分析相接学期的生理学、病理学、药理学、诊断学成绩，由于2017级后续课程正在进行中，在此仅观察前三个年級学生成绩的差异。

2.4.4问卷调查与学生座谈

课程学习结束后发放调查问卷，包括：学习兴趣、积极性、课堂注意力，对课程的满意度等内容（详见表4），评定等级为优秀、良好、可以、较差，对应分值为（20分、15分、10分、5分）采用不记名评价的方式，以保证获取真实客观的信息，发放问卷600份，回收592份，有效问卷579份，有效率96.5%，将问卷收回后进行整理与统计。

2.5数据分析

将获得的各项数据导入SPSS 17. 0统计软件进行分析，计量资料用“均数±标准差”表示，组间比较应用配对t检验，以P<0.05表示差异有统计学意义。

3 研究结果

问卷调查与座谈分析：2018级学生课堂学习注意力集中，学习兴趣高，主动性强，学习氛围浓厚;回应老师提问更积极踊跃，对人体器官的形态、位置、毗邻等知识点的理解与掌握比较牢固。

应用三维模型教学的2018级学生，解剖学章节成绩、期末成绩普遍高于2017级学生;经跟踪调查、随访，相接学期的生理学、病理学，后续学期的药理学、诊断学成绩普遍高于上两级学生。实验组与对照组成绩比较，详见表1-4.

各项结果表明：应用人体三维模型进行人体解剖学教学，有助于学生提高学习兴趣，促进对解剖知识的理解，学生成绩明显优于传统教学。

4 讨论

人体解剖学科知识点繁多，理论性强，传统的授课模式以讲解与挂图模型为主，学生进行抽象的理解与刻板的记忆，理解不深刻，记忆不牢固，教学效果一直不理想。

本研究将人体器官三维模型，应用于解剖学教学，形象直观，激发学生的学习兴趣，提升学习的主动性，有助于解剖知识点的理解与掌握;经统计学分析，章节成绩、期末成绩、相接后续课程成绩，课堂表现，教学满意度均优于传统教学，教学效果明显提高。随着社会的不断发展，对医学教育的要求越来越高，传统教学模式的知识输灌、“填鸭式”、“死记硬背”已经落伍[9-10]。因此，探索一种新的教学手段促进知识的掌握具有重要意义。

4.1 三维模型教学可以激发学习兴趣， 提高主观能动性

对于形态学科的学习，图片比文字直观，三维立体结构比二维图像更容易理解[11-12]。学生对照教材文字去想象器官的位置与形态，难以激发其学习兴趣。人体器官三维模型展示，不仅能使学生全面的观察器官，同时激发学生的学习兴趣， “在快乐中学习”，提升学习主动性。

4.2 三维模型有助于对解剖学知识点的理解

传统的解剖学教学主要以教材、挂图为媒介，仅展示器官的大体形态;基于虚拟技术建立三维模型，可以自由旋转、放大缩小、显示隐藏、多角度观察[13]，解决了尸源不足的难题。将枯燥的理论文字描述转换为形象直观的立体模型，生动逼真的展现器官的形态、内部结构与毗邻关系。三维模型弥补了传统教学手段的不足，有助于学生对解剖学知识点的理解，为学生后续课程的学习奠定坚实的基础。

4.3 三维模型教学有助于后续课程的学习

本研究不仅对比了解剖学的章节成绩、期末成绩、还经过跟踪调查，对后续生理学、药理学课程的成绩进行对比，结果表明三维模型重建有助于知识点的理解与掌握，有助于后续课程的学习。

4.4 展望

所建器官三维模型可制作为动画，动态展示器官生长、损伤变化的过程，如胃的蠕动、心脏泵血、骨折、排卵等，相对传统教学中语言描述与操作演示，更加仿真，可以更直观的观察、简单易懂。

总之，将人体器官三维模型应用于解剖教学，把人体器官直观、生动的展现出来，改变了单一展示授課的教学模式。经对照分析，多方面考核，跟踪调查，表明人体器官三维模型应用于教学，可以激发学生兴趣，发散思维，提升思考力，促进解剖学与后续相关课程的学习，在形态学课程教学中具有广阔的前景。

参考文献：

[1]单伟，秦书俭，曾瑞霞，等.提高局部解剖学实验教学效果的思考[J]. 解剖科学进展，2010，16（4）：386-387

[2]贺昆，云颖，李日昌.虚拟现实运动解剖教学软件的设计与实现[J].南京体育学院学报（自然科学版）， 2015，14（2）：36-38

[3]丁先树.基于膝关节三维重构的前交叉韧带重建研究[D].成都，电子科技大学， 2015.

[4]郑伟，王兴伟，苏芳，等.歼击机飞行员颈后部三维形态数字化测量研究[J].中华航空航天医学杂志，2014，25（1）：23-27

[5]李凡，曹迎春，粟思橙，等.后碰撞中乘员颈部肌肉有限元模型的建立与验证[J].湖南大学学报 （自 然 科 学 版 ），2016，43（8）：45-51

[6]张海峰，宋翠荣，庞胤，等.有限元法建立髋关节三维模型及正立位下的应力分析[J].解剖学杂志，2015， 38（6）：714-716

[7]曹雷，刘文芳，周宇宁，等.大鼠肾标本连续切片的三维重建及形态学测量[J].解剖学报，2010， 41（3）：462-468

[8]张齐，周国伟，贺毅呈，等.数字化虚拟仿真在局部解剖学教学中的应用[J].解剖学杂志， 2018， 41（1）：109-111

[9]王征，季华，安国防.数字化虚拟人在人体解剖学理实一体教学中的应用[J].浙江医学教育， 2016， 15（5）：7-10

[10]吴颜延，古兆琦，潘周娴，等.3D 打印颅骨在颅底解剖教学中的应用[J].基础医学与临床，2017，37（10）：1486-1490

[11]聂政，雍刘军，肖莉，等.解剖虚拟仿真系统在护理专业解剖学实验教学的探索与实践[J].解剖学研究，2015，37（4）：328-329

[12]Rose AS， Kimbell JS，Webster CE，et al. Multi-material 3D Models for Temporal Bone Surgical Simulation [J].Ann Otol Rhinol Laryngol， 2015， 124（7）：528-536

[13]Lim KH，Loo ZY， Goldie SJ，et al.Use of 3D printed models in medical education：A randomized control trial comparing 3D prints versus cadaveric materials for learning external cardiac anatomy [J]. Anat Sci Educ， 2016，9（3）：213-221

作者：宋翠荣，女，硕士，研究方向：人体解剖与临床。

通讯作者：张海峰，男，硕士，副教授，医师，从事人体解剖教学与临床研究十余年，研究方向：骨、三维重建与生物力学。

基金项目：河北省卫健委资助项目（编号：20210150）、沧州医学高等专科学校教改项目（编号：2019JG03）。