人体解剖结构数字3D互动教学研究

宋燕飞

河南推拿职业学院 河南 洛阳 471023

引言

人体解剖学是当前各医科学校的重点教育教学方法之一，也是帮助学生掌握基本人体结构、开展深入学习的基础。但从实际情况来看，当前各医科高校主要利用一对多、幻灯片演示的教学方式为学生传授相关概念、病理等教学资源。但解剖学科的学习需要学生具备一定的三维构建能力，扎实掌握不同人体组织结构的空间对应关系，因此将极大提高解剖学学习难度。而通过引进各类数字3D技术，可帮助学生较为直观地掌握教师授课内容，提高课堂交互性，进一步激发学生的求知欲与探索欲，为解剖教学提供必要指导。

1 人体解剖结构数字3D互动教学优势

数字3D互动教学是当前人体解剖课程中较为常见的授课方式之一，具有可视化、高精度、立体化、可缩放等特点，教师可依据现有教育教学要求进行精确调整，帮助学生进行过渡学习，降低其对实体解剖的抵触心理。在实际开展教育教学期间，教师可结合现有资源设计较为完善的数据库，并以此制作对应的标本模型课件，丰富电子资源，便于学生访问，打破时间及空间的限制，避免出现资源分配不均衡的情况，与此同时也有效解决人体标本不易获取、保存的问题，强化学生的学习体验，实现课堂延伸。利用数字3D技术可全方位展示人体不同组织器官间的立体对应关系，并结合不同的教学需要适当放缩解剖部位，如在讲解泪器、锤骨、听小骨、肾小球等较为特殊的人体结构时，由于利用实际标本无法进行有效观察，因此教师可利用该技术打印相应的教具模型，提高解剖学知识的立体性、互动性，充分锻炼学生的学习主动性。另外数字3D技术也可利用颜色渲染的方式对不同人体结构进行标记，有效提高学生的课堂集中力，达到深度学习的教育教学要求。与以往的实体标本相比，数字3D技术的应用可帮助学生更为直观、安全、细致、全面地观察人体构造，尊重了不同文化背景、民族信仰学生的学习需求，降低其恐惧、害怕的心理，舒缓异样的情感体验[1]。

2 3D可视化技术在解剖学教学中的具体应用

2.1 3D平板显示及解剖教学应用程序

3D平板显示主要结合各类智能终端设备及应用程序进行教学。当前常见的人体解剖程序包含Pocket Anatomy、3D Medical、Visible Body等，使得学生可结合各类仿真模型得到较为精确的骨骼、肌肉、神经、血管、器官、淋巴等人体解剖结构。此类应用程序具有交互式三维功能，学生可利用较为简单的手势完成放缩、识别、旋转等行为，并结合淡化或凸显结构、减少或增加图层等方式帮助学生理解人体结构细节。部分应用程序也包含了临床视频实例、交互教学检测等功能，可结合共享屏幕、投影仪等装置，帮助学生可随着教师的讲解实时完成具体的解剖操作。但利用该技术也存在一定的不足，一是虚拟模型并不是通过扫描实体标本得到的，因此对于三叉神经分支等较为细化的结构其建模准确性较低，存在结构混乱等问题；二是利用该程序不能完全取代教师的动手实操过程，仅起到一定的辅助教学作用，可使得学生感受到互动学习的兴趣，实用性一般。

2.2 3D增强现实及虚拟现实

以VR或AR技术为基础的解剖教学方式可帮助学生熟练掌握结构复杂的人体模型，并结合自身学习能力开展重复模拟训练，提高学生的沉浸感及体验感，保证实际教育教学成效。以全息沉浸式AnatomyX解剖学教育平台为例，其中包含了上千例真实的MRI、CT扫描数据及各类3D解剖结构模型，支持学生完成旋转、拆解人体结构模型等学习要求，能够有效提高学生的学习成绩。另外，教师也可引进zSpace沉浸式医疗医学平台、线上VR医疗课程教学平台、Kinect人体解剖学教学系统、人卫3D系统解剖学软件等，充分展现将VR、AR技术融入人体解剖教学的使用优势，但该教学方法需要学校采购特定的软、硬件装置，成本较高，因此无法在全国范围内大面积推广，且相关领域的研究较少，无法满足后续愈加精细、全面的解剖学教学要求。

2.3 医学影像资料三维重建

当前医学影像领域的不断发展使得学生可结合US超声成像、MRI磁共振成像、CT电子计算机断层扫描等方式详细学习人体结构及不同组织器官的使用功能。随着图像分析技术愈发成熟，将使得相关工作人员可结合二维计算机扫描影像提取三维重建资料，帮助学生从多角度开展深入研究，为后续的实体解剖及临床教学奠定基础。现阶段较为常见的医学影像三维重建程序包含OsiriX软件、3D Slicer软件、Santesoft软件、Radiant DICOM Vierwer软件等，可将DICOM资料进行序列断层分割，使其转变为立体直观的三维学习资料，进而丰富现有解剖信息，为开展仿真模拟提供视觉交互参考数据。以现实的人体标本为基础制作对应的模型，可帮助学生从病理及生理的角度掌握人体结构特点，降低断层解剖知识点的学习难度。

以膝关节为例，考虑到不同人体的差异性及活体、标本的不同，教师可结合当前患者的病例，将其膝关节CT图像上传至3D重建软件，使其绘制出较为完整的骨骼、肌肉、皮肤及筋膜结构，帮助学生掌握不同组织结构的关系，满足放缩、分层等显示要求。该方式对于软硬件设备的要求较高，仅支持部分大型医院的工作需要，且部分环节需进行手动操作，工作量较大，因此尚且无法用于人体解剖学教学需求，同时不同影像对于人体组织结构的分辨率及敏感性存在差异，因此医学影像资料三维重建法具有一定的使用局限[2]。

3 人体解剖结构数字3D互动教学流程

本文以Autodesk 123D Catch软件为例开展人体结构的3D数字建模操作，并使用3Ds Max软件对模型进行修改、渲染，使其可组建为较为完整的三维人体结构，最后使用Unity设计交互操作界面，确保将得到的仿真模型全面展现在智能终端设备上，方便学生进行学习。

3.1 准备工作

第一，准备人体组织器官的模型标本。依据实际教学要求，工作人员可选择相应的人体组织器官标本，使其满足生理功能、结构解剖等一系列教育教学要求。第二，拍照。尽量选择背景颜色统一、无反光的拍照环境，在标本一侧固定光强较大的照明设备，并尽量使得标本处于悬空状态，以15°为间隔进行环周拍摄。若需表现上下视角，则需要按照标本弧度进行上下移动，确保对焦清晰且与标本距离相对固定。

3.2 人体3D建模与渲染

3.2.1 利用Autodesk 123D Catch系统进行初步建模。需提前安装并注册该软件，上传需要制作的标本照片，并等待最终建模结果。该软件可同时绘制格式为.avi的视频材料，并结合Adobe Audition等音频软件添加教学讲解内容。若对该环节得到的建模结果不满意，可使其以.FBX的格式导出，并使用3D建模软件进行修改。

3.2.2 使用3Ds Max软件对建模进行修改渲染。可直接导入由以上操作得到的文件，对需要调整的区域以点、线、面的流程进行修改。在此期间，技术人员需参考实际模型标本、解剖图谱、CT或MRI影像等资料，确保得到的数字3D建模资料与实际人体结构相同、比例相仿，有利于帮助学生获取较为精确的组织器官数据，并完成后续的影像技术教学。该软件也可同时生成对应的教学动画，参考各教学知识点提前设定摄像机拍摄路线，并输出格式为.avi的资料，随后导入Powerpoint软件进行展示。

3.2.3 材质及渲染。在设计骨骼时，可利用白色合成树脂乳液涂料，并将其发生漫反射的区域调整为灰白色，反射区域调整为深灰色，取消跟踪反射选项，将高光光色度调整为0.36，突出骨骼质感[3]。

3.3 利用工程软件进行互动

在以上取景及场景搭建工作完成后，工作人员可将以上资料上传至unity4.x软件中，以此组建全新的工程内容，并编写满足课堂教学要求的基础程序，设计交互界面，满足交互式学习需要，使得学生可简单利用鼠标、键盘等方式完成学习任务。以外科手术为例，该程序可模拟肿瘤部位、形态及医护人员操作动作、胃肠镜拍摄画面等。另外，也可随意切换第一人称视角的观察角度，并额外加装操作脚本，使得学生可利用键盘或鼠标控制画面视野及角度。若需要使用unity4.x系统，需提前下载SDK、JDK等软件，以便可接入安卓平台开展手机端的互动学习。

3.3.1 应明确具体的教育教学要求，掌握基础《解剖学》的临床及教学需要，针对如胃肠镜通过部位、穿刺针突破组织、胎儿分娩涉及器官等进行立体透视解剖，配合解说的方式提高教学直观性，以便学生理解记忆，加深对知识的掌握程度。若制作出来的课件内容需要学生结合计算机的交互操作方式进行动手实操，则应额外设计交互作业模块。

3.3.2 策划准备。该过程需要明确3D数字建模运行平台类型及交互操作支持模式，准备好图文、音频、视频、动画等解剖.FBX文件。

3.3.3 调整操作界面及系统架构。应提前设计主菜单、子菜单操作界面，增加光源、病床、手术刀、摄像机及各类手术室场景，仿照现有工作环境及不同工具的比例，提高模拟真实性，进一步保证实际教育教学效果。

3.3.4 菜单和脚本。该项目主要使用unity4.x软件，需上传场景、声音、图片、解剖物等文件信息，并结合Mono Develop软件创新全新的功能脚本。现阶段较为常见的编程语言包含Boo、C#、Javascript三类，工作人员可结合自身水平选择难度不同的编程方式。

3.3.5 输出展示。在以上工作环节完成后，工作人员可及时对外公布教学成果，并在不同的系统平台上分享成功的教学经验，提高学生的学习效率及主动性[4]。

4 结束语

综上而言，信息化时代的发展，使得人体解剖学正逐渐朝着数字化的方向发展，在各类先进计算机仪器的帮助下，可将数字3D技术与口授教学、翻转课堂等教育教学方式相结合，保证教育的严谨性、规范性，打破常规，以科技成果带动教学创新，确保各医学院可真正培养出技术高超、基础扎实的高素养医学人才，进一步为实现医疗领域的长远发展奠定人才基础。