人体胚胎发育3D虚拟模型和3D打印模型的制备和应用*

方晓燕 黎 飚△ 李兴余 黄启川 周善金 王金花

（右江民族医学院，1 基础医学院，3 信息技术中心，百色 533000；2 百色学院教育科学系，百色 533000）

随着网络化教学的普及，各类辅助教学的应用型软件和平台不断地涌现，为课程教学改革提供了技术手段和条件，如何将教育技术应用水平引向深入成为了新课题。利用虚拟现实技术制作虚拟标本和实体模型，虚实结合辅助教学是国家倡导的教学研究方向之一[1-4]。在医学教育领域，由于遗体捐献者减少，实体标本越来越稀缺，3D 打印技术在形态学方面有很好的展现能力，不但可以一定程度地弥补解剖学标本缺乏，还可通过适当缩放帮助医学生更好地理解解剖结构[5-7]。使用3D打印技术制作医学形态学教学模型目前研究较少，由于技术的发展，3D打印制作具有自主知识产权的、自制的模型已变成可能，可为虚实结合的实验教学的开展提供更多选择。为了让抽象的人体胚胎发育过程的教学形象化、具体化，帮助学生内化胚胎发育动态的相关知识，以及为后续学习妇产科学、儿科学、胚胎影像学打下基础，笔者收集胚胎正常、异常实体教学模型以及3～9个月胎儿标本，与信息科学技术人员合作制作了胚胎3D虚拟模型，与百色学院技术合作，采用3D打印机根据各月龄的胎儿标本数据打印3D胚胎模型，并对3D虚拟模型和3D打印模型的应用进行初步应用探索，以期为胚胎学3D打印模型标本制作和教学提供一定的参考。

1 材料和方法

1.1 材料、设备和软件

正常胚胎、异常胚胎病理实体教学模型（43个）、3～9个月的胎儿标本（14个），打印耗材为直径1.75 mm ABS塑料；打印机器极光尔沃z-603s，佳能5DⅡ相机；3DMAX软件和PhotoModeder Pro软件。

1.2 3D虚拟模型制作过程

①使用佳能数码相机拍摄正常胚胎、异常胚胎病理实体教学模型（43个），利用PhotoModeder Pro软件将照片转换成初步的三维模型。②了解模型形态特征之后，灵活运用3DMAX中的基本几何体、扩展几何体等三维建模技术进行整合修改，构建了数字化模型，格式为WRL。③将制作的3D模型使用3D浏览器或嵌入课程网页中，用普通浏览器（需安装如Cortona或BS contact插件，或在PW控件工具箱选择BScontactVRML control对象），即能体验3D良好的表现能力和交互功能（见图1和https：//www.bilibili.com/video/BV1uf4y1U7x6）。

1.3 3D打印模型的制备

测量3～9月份胎儿实体标本，结合各月份胎儿生长发育指标，用数码相机拍摄胎儿实物标本，利用3DMAX软件建模（https：//www.bilibili.com/video/BV1w5411s7fY），使用3D打印机器极光尔沃z-603s，以ABS塑料（直径1.75 mm）为原料将3DMAX软件建好的各月份胎儿数字模型按1∶1打印3D胎儿模型（https：//www.bilibili.com/video/BV16Q4y1A7AM），精度为1.75 mm，打印出来后进行打磨使其变光滑。

2 制作的成品

2.1 3D虚拟模型、标本

在构建《组织学与胚胎学》网络课程中置入胚胎植入的3D虚拟模型/虚拟标本（网址：http：//172.17.1.58/zzpt2009/News_View.asp?NewsID=318&page=2校园网，图1）。嵌入虚拟模型和标本的课程在参加各级组织的教育技术比赛中，获全国三等奖2项，广西一等奖1项、二等奖1项，学院特等奖1项；在实验教学中也起到很好的辅助演示作用，而学生可反复利用其学习，教师和学生一致希望有更多的这类模型。

图1 嵌入胚胎虚拟3D模型的网络课程页面

2.2 各个月龄的3D打印胎儿模型

显示制作的3月龄胎儿模型的左侧、右侧、正面观。显示3-9月龄胎儿的1∶1打印模型（图2D、E）。

图2 制作的3D打印胚胎模型

2.3 3D虚拟模型和3D打印模型的应用探索

3D数字模型/标本放置在学院计算机科学与信息技术中心和形态学实验教学中心的资源服务器上，可供全校师生方便调用及浏览，增加感性认识，满足学生的学习需要（图3A）。

图3 3D虚拟模型和3D打印模型的应用情景（A，B）和学生真切感受3D打印胎儿，并将其与胎儿实物标本进行对比学习（C，D）

各月份的3D胎儿模型供学生触摸学习，感受胎儿各月龄的变化，增强学生对生命的奇迹变化的感悟，为临床实践打下基础，同时领悟生命的奇迹，从而珍惜生命，感恩父母（图3B）。并介绍学生使用优秀在线的胚胎学学习平台（https：//www.ehd.org/virtual-human-embryo/）。学生在利用这些资源学习后表示真切感受到了生命的奇迹和美好（图3C、D），庆幸自己没有出现畸形，很健康。教师在教学应用过程中反映学生积极性很高，对生命的变化十分感兴趣。应用虚实模型和标本进行实验教学后，学生的标本考核成绩有明显提升。

3 讨论

胚胎实体教学模型和标本作为教学手段的重要组成部分，在帮助学生形象理解教学内容的过程中，发挥着积极的辅助教学作用。

本研究实践表明胚胎实体教学模型/标本三维虚拟数字化和3D打印模型有如下特点和教学应用优势：①可部分取代传统的实物模型，在局部细微观察时虚拟标本的特征更易分辨；②可做为学生课下学习的助学型资源、教具；③虚拟标本和虚拟模型可作为实践性教学的素材使用，增加互动的感知性和趣味性，有助于激发学习者的观察能力和逻辑联想力，增强空间立体感知能力，提高了学习兴趣[9-10]。

虚拟标本和模型的制作需要以实物标本为原型，通过拍摄与建模，制作成数字化资源[11]，此过程耗费技术人员较多时间，同时需要与实验室教师和学科教师多次确认辨识，以保证采集到具有典型组织结构特征和病理特征的标本或模型，并在数字化标本和模型上添加特征性注释，以利于学生自主学习。

3D打印胎儿数字模型制作开始时需要根据拍摄的实体图片和胎儿各月份发育的具体数据相结合而进行调整，方能打印出符合月龄大小的胎儿模型。在开发过程中需教学人员和技术人员及时沟通，共同确认模型的尺寸和细节，以更契合标本原貌和胎儿实际大小。选用直径1.75 mm的ABS塑料较合适，可以使得胎儿细节表现较好，易于打磨。

在体现素质教育的思想指导下，利用虚拟现实技术，制作了胚胎教学所需的虚实标本、模型，同时应用其建立了以学生为中心的多边互动模型教学新媒体方式，进一步丰富了形态学科的教学资源及其利用，降低了教学运行成本，也为实体教学模型保值发挥作用，实施学校每年受益学生人数约2 600人。

基于虚拟现实技术和3D打印技术在胚胎学教学中应用，不仅能更好地服务于学习基础知识的医学生，还可以为医师更好地继续学习提供保障，并且该技术还能提高学习效率，提升学习容量，也为医师更好地运用胚胎学知识服务于病患，提供了一个重要的学习和研究平台。