數(shù)字化3D可旋轉(zhuǎn)人體實物心臟標(biāo)本的構(gòu)建及APP的制作與應(yīng)用分析

王晴晴，孟令丙，劉慧兵，劉 宇，吳沂璇，樊 平(河北醫(yī)科大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院人體解剖學(xué)教研室，河北 石家莊 050017)

·論 著·

數(shù)字化3D可旋轉(zhuǎn)人體實物心臟標(biāo)本的構(gòu)建及APP的制作與應(yīng)用分析

王晴晴，孟令丙，劉慧兵，劉 宇，吳沂璇，樊 平*
(河北醫(yī)科大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院人體解剖學(xué)教研室，河北 石家莊 050017)

目的通過精細(xì)解剖人體心臟，對其拍照，運用多媒體技術(shù)生成三維立體可旋轉(zhuǎn)的數(shù)字化心臟標(biāo)本，以網(wǎng)頁和APP的形式展現(xiàn)，為醫(yī)學(xué)生和臨床實踐提供指導(dǎo)。方法①解剖心臟，涂染血管；②編寫劇本，介紹標(biāo)本，完成錄音；③標(biāo)本置于轉(zhuǎn)盤上，進行360 °拍照，合成3D可旋轉(zhuǎn)心臟標(biāo)本，插入劇本和錄音，制作網(wǎng)頁版課件和手機APP軟件；④對手機APP使用情況進行問卷調(diào)查。結(jié)果網(wǎng)頁版課件和APP制作成功,通過問卷調(diào)查網(wǎng)頁版課件和APP有助于更好的學(xué)習(xí)心臟解剖。結(jié)論經(jīng)問卷數(shù)據(jù)分析，3D實物心臟標(biāo)本可適用于臨床專業(yè)教學(xué)，便于對心臟結(jié)構(gòu)的學(xué)習(xí)和理解。

標(biāo)本制備；心臟；教學(xué)

心臟是人體心血管系統(tǒng)中的重要器官，目前的主流標(biāo)本展示主要以傳統(tǒng)教學(xué)使用的實物圖譜、實物標(biāo)本和3D虛擬的模型為主，單純的圖譜往往不夠生動，易產(chǎn)生審美疲勞，而實物標(biāo)本不易隨時觀察，3D虛擬模型與真實標(biāo)本之間有偏差，無法真實的呈現(xiàn)實物標(biāo)本。傳統(tǒng)教學(xué)存在教學(xué)模式單一、表達手段和一次傳達信息量有限的不足[1]，而多媒體技術(shù)集圖、文、聲、像于一體,使單一的書本知識變得立體,打破了傳統(tǒng)教學(xué)模式,能夠刺激學(xué)生的感官器官,激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣,很大程度上提高了學(xué)習(xí)效率[2]。近年來隨著信息技術(shù)的迅猛發(fā)展，數(shù)字化信息已經(jīng)滲透到諸多領(lǐng)域，人們的工作、學(xué)習(xí)及生活方式也發(fā)生了變化；隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進步，全世界智能手機的用戶量也迅猛增加，智能手機已經(jīng)在我國普及；APP是application program的英文縮寫，現(xiàn)多指應(yīng)用于智能手機、平板電腦等移動終端用戶的應(yīng)用程序，也常常成為移動客戶端。智能手機使用人群的迅猛增多，使APP的數(shù)量和下載量迅速增加[3]。因此，本研究將人體實物心臟標(biāo)本與3D技術(shù)相結(jié)合，利用數(shù)字化技術(shù)將標(biāo)本以三維立體動態(tài)球形全景圖的形式生動展現(xiàn)心臟的精細(xì)解剖結(jié)構(gòu)，通過制作成網(wǎng)頁版課件和手機APP軟件方便醫(yī)學(xué)生學(xué)習(xí)心臟解剖結(jié)構(gòu)以及為臨床醫(yī)生心外科手術(shù)、心臟介入治療等提供基礎(chǔ)理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 標(biāo)本材料 福爾馬林固定、保存完好的心臟標(biāo)本10個，標(biāo)本來自河北醫(yī)科大學(xué)人體解剖學(xué)教研室。

1.2 器材及試劑 解剖用不銹鋼方盤，止血鉗，鑷子，剪刀，解剖刀，轉(zhuǎn)盤，自制心臟固定裝置，照相機，雙氧水，毛筆，丙烯畫染料，丙烯調(diào)和劑。

1.3 多媒體技術(shù) Photoshop，繪聲繪影X7，F(xiàn)rontpage，Eclipse，羅蘭聲卡，麥克風(fēng)，耳麥。

1.4 標(biāo)本的解剖 取用福爾馬林浸泡的人體心臟，將心包去除，心臟表面、主動脈、肺動脈、肺靜脈和上下腔靜脈修潔干凈，修潔時注意時常更換刀片，以免刀片變鈍影響修潔。

心血管具有主干位置表淺、末梢深入肌層之中的解剖學(xué)特征，解剖過程不需要像肢體血管那樣切開肌肉，分離肌肉，故操作時關(guān)鍵是要清除干凈冠狀溝、室間溝及血管周圍的脂肪和整個心外膜。針對較難清除的脂肪組織，使用干棉花或紗布等擦拭，注意用力要輕，不然易傷及血管和心肌纖維。如果仍存在脂肪，可用干棉花蘸丙酮和二甲苯濕敷，幾分鐘后再更換，如此反復(fù)進行，直到心表面的脂肪完全清除為止。或者把心臟直接放入丙酮或二甲苯中脫去脂肪，待心血管周圍的脂肪脫凈后再拿出沖洗干凈。由于有心肌作背景，此法制作的標(biāo)本能較清楚地顯示出心血管走形、分支和分布范圍以及心血管與心臟外形結(jié)構(gòu)的毗鄰關(guān)系[4]。

其中1例心臟將供應(yīng)心的左右冠狀動脈及其分支分離干凈，觀察冠狀動脈的分支以及分布范圍(圖1A)；1例心臟將右心房打開，觀察右心房內(nèi)部解剖結(jié)構(gòu)(圖1B)；1例心臟將右心室打開，觀察右心室內(nèi)部解剖結(jié)構(gòu)(圖1C)；1例心臟打開左心室，觀察左心室內(nèi)部解剖結(jié)構(gòu)(圖1D)；1例心臟將左右心房和主動脈肺動脈去掉，觀察心臟的纖維性支架(圖1E)；1例心臟將主動脈弓從根部取出，沿主動脈弓矢狀位剪開，暴露主動脈瓣，觀察主動脈瓣和左右冠狀動脈的開口(圖1F)。標(biāo)本修潔干凈，結(jié)構(gòu)暴露清楚后，放入10%雙氧水中漂白4～5 d。之后小心取出，用紗布吸去多余水分，保持心臟表面干燥，用丙烯調(diào)和劑將丙烯畫染料稀釋，用毛筆蘸取稀釋染料，對心臟血管進行染色。待標(biāo)本顏料干燥后，將之放入合適大小的標(biāo)本缸中，并倒入5%福爾馬林溶液密封保存[5]。

圖1 心臟標(biāo)本A.心的血管;B.右心房;C.右心室;D.左心室;E.心纖維性支架;F.主動脈瓣Figure1 Heartspecimen

1.5 劇本的編寫與錄音 心臟介紹劇本從心的整體觀、心的血管、心纖維性支架和心壁、心的傳導(dǎo)系統(tǒng)、右心房、右心室、左心房、左心室、血液循環(huán)9個方面進行編寫，以語言通俗易懂為基礎(chǔ)，方便醫(yī)學(xué)人員和非醫(yī)學(xué)專業(yè)人員理解[6]。劇本完成后在安靜環(huán)境下錄音。

1.6 標(biāo)本拍照 將心臟固定于自制固定裝置(圖2)上，放于轉(zhuǎn)盤中，使心臟的重心在轉(zhuǎn)盤中央。啟動轉(zhuǎn)盤，對標(biāo)本進行360 °拍照。

通過散射反射光和透射光拍攝心臟標(biāo)本。使用反光板和透射光為心臟標(biāo)本提供照明光線。用透射光照射心臟標(biāo)本，能減少陰影并增加心臟標(biāo)本的質(zhì)感。用兩盞燈從不同角度打在反光板上，一方面使光線反射到心臟標(biāo)本上，從而形成一個均勻的色調(diào)，另一方面標(biāo)本正面可以獲得不同亮度的散射光線。在拍攝過程中為了增加立體感，延遲景深，使用小光圈[7]。

圖2 心臟固定裝置

Figure 2 Fixing device of heart

1.7 網(wǎng)頁版課件和手機APP的制作 運用 Photoshop處理照片，繪聲繪影X7編制動畫并插入劇本文字和錄音，F(xiàn)rontpage進行網(wǎng)頁版課件制作，Eclipse進行APP制作，網(wǎng)頁版課件可在電腦上應(yīng)用，APP可在手機上應(yīng)用。

1.8 進行問卷調(diào)查 運用問卷星軟件編輯問卷，其中所涉及到的主要問題有：①您覺得使用教程軟件學(xué)習(xí)最大的優(yōu)點？②您覺得使用教程軟件學(xué)習(xí)尚存在的不足？③在使用教程軟件的學(xué)習(xí)中，您對所講知識內(nèi)容的掌握程度?④您對使用教程軟件的滿意程度？⑤使用教程軟件對您學(xué)習(xí)的幫助程度？

隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的成熟與普及,人們的日常工作、生活以及學(xué)習(xí)都深受網(wǎng)絡(luò)的影響。人們也越來越關(guān)注網(wǎng)絡(luò)調(diào)查問卷,對其應(yīng)用也越來越多。近幾年來,國內(nèi)外科學(xué)實驗也采用網(wǎng)絡(luò)問卷進行實驗結(jié)果調(diào)查和分析，取得了一定成果[8]。故本研究使用網(wǎng)絡(luò)調(diào)查方法對120名醫(yī)學(xué)生、醫(yī)學(xué)工作者和非醫(yī)學(xué)生進行關(guān)于3D心臟教程軟件使用效果問卷調(diào)查。

問卷回收之后，采用問卷星自帶的數(shù)據(jù)統(tǒng)計軟件對所得的數(shù)據(jù)進行折線、條形、餅狀圖分析，經(jīng)比較，折線圖更易反映數(shù)據(jù)的變化趨勢，之后將其輸出為word以便分析。

2 結(jié) 果

2.1 心臟的變異 在心臟標(biāo)本制作過程中，發(fā)現(xiàn)1例動脈導(dǎo)管未閉和椎動脈變異(椎動脈直接源于主動脈弓，正常情況下椎動脈于前斜角肌內(nèi)側(cè)起自鎖骨下動脈上壁)的心臟，將之修潔好后，用福爾馬林浸泡保存于標(biāo)本缸中，此心臟極具教學(xué)、科研、科普價值，將擺放于人體科學(xué)館以供參觀，可提高教學(xué)效果，培養(yǎng)創(chuàng)新思維，增強保健意識。

2.2 網(wǎng)頁版課件和手機APP 3D心臟標(biāo)本制作 打開網(wǎng)頁課件或手機APP出現(xiàn)主界面(圖3)。①分為9個部分(左心房、整體觀、右心房、左心室、血液循環(huán)、右心室、心的傳導(dǎo)系統(tǒng)、心纖維性支架和心壁、心的血管)，都可點擊打開,分別查看其具體內(nèi)容。②每一部分又分為文字說明、圖片教程和動畫講解3個方面，點擊打開可學(xué)習(xí)詳細(xì)內(nèi)容。點擊整體觀，出現(xiàn)整體觀界面(圖4)，點擊文字說明，可看到對心臟整體觀的介紹；點擊圖片教程，可觀察心臟整體觀的照片；點擊動畫講解，出現(xiàn)旋轉(zhuǎn)的實物心臟標(biāo)本，拉線標(biāo)出各個具體結(jié)構(gòu)，介紹文字滾動出現(xiàn)，同時播放錄音(其余同理)。

圖3 主界面

Figure 3 The mail interface

圖4 整體觀界面

Figure 4 The inferface of the wholeview

2.3 問卷調(diào)查 關(guān)于3D心臟教程軟件使用效果問卷調(diào)查的結(jié)果：本研究總共調(diào)查120人，調(diào)查對象涉及醫(yī)學(xué)生、醫(yī)學(xué)工作者、非醫(yī)學(xué)生。其中62.5%的人沒有使用過類似的教程軟件,50%的人對其使用效果感到滿意(圖5)，92.5%的人認(rèn)為使用該軟件對自己的心臟學(xué)習(xí)有幫助，97%的人使用該軟件后提高了學(xué)習(xí)興趣，調(diào)查對象認(rèn)為該教程存在的不足(圖6),調(diào)查對象認(rèn)為該教程的主要優(yōu)點(圖7)。

圖5 主界面

Figure 5 The main interface

圖6 主界面

Figure 6 The main interface

圖7 主界面

Figure 7 The main interface

3 討 論

3.1 動脈導(dǎo)管未閉 動脈導(dǎo)管為胎兒時期主動脈和肺動脈之間的血流通道,胎兒時期動脈導(dǎo)管被動開放是血液循環(huán)的重要通道，它分流了超過一半的右心室攝血量繞過未膨脹的肺進入臍循環(huán)進行氣體交換，為胎兒提供足量的氧氣，確保胎兒在宮內(nèi)的正常發(fā)育。正常新生兒出生后，大約15 h即可發(fā)生功能性關(guān)閉,3個月達解剖性關(guān)閉。如果動脈導(dǎo)管持續(xù)開放,可產(chǎn)生病理生理變化，即為動脈導(dǎo)管未閉(patent ductus arteriosus, PDA),是小兒先天性心臟病常見類型之一,占先天性心臟病發(fā)病總數(shù)的10%[9]。但在一些先天性心臟病中，未閉的動脈導(dǎo)管可作為患兒必需的血流通道，關(guān)閉可致死亡。由于主動脈在收縮期和舒張期的壓力均超過肺動脈，通過未閉的動脈導(dǎo)管血液不斷從左向右分流，使肺循環(huán)及左心房、左心室、升主動脈的血流量明顯增加，左心負(fù)荷加重，甚至發(fā)生充血性心力衰竭。應(yīng)及時手術(shù)或經(jīng)介入方法予以關(guān)閉。但當(dāng)負(fù)荷過多、肺動脈壓超過主動脈壓時，產(chǎn)生肺動脈血流逆向分流入主動脈，患兒呈現(xiàn)差異性發(fā)紺，下半身青紫，左上肢有輕度青紫，而右上肢正常，即艾森門格綜合征[10]。臨床經(jīng)驗表明艾森門格綜合征患者接受手術(shù)治療的生存時間反而短于未行手術(shù)者，由此引出了臨床工作中的一個非常關(guān)鍵的問題，就是如何判斷一名患者是否存在手術(shù)指征。隨著心導(dǎo)管介入技術(shù)的不斷進步，利用鎳鈦封堵器閉合動脈導(dǎo)管已成為治療動脈導(dǎo)管未閉的首選方法，傳統(tǒng)介入治療通過穿刺股動靜脈，建立雙通路，術(shù)中利用主動脈弓降部造影測量PDA內(nèi)徑來選擇封堵器的尺寸，并對其進行定位，在長期臨床實踐中，此法存在一定的潛在并發(fā)癥。目前臨床研究證明，經(jīng)胸超聲心動圖直接指導(dǎo)PDA封堵術(shù)是一種可行、有效、便捷的方法，尤其適用于小兒[11]。

3.2 椎動脈變異 根據(jù)資料統(tǒng)計，椎動脈起源于主動脈弓的約占椎動脈起源變異中的3.2%～4.2%，左側(cè)椎動脈直接起源于主動脈弓屬于主動脈弓分支類型中的C型，是3種常見變異類型中較少見的一種[12]。椎動脈起自鎖骨下動脈第1段，向上依次穿經(jīng)第6至第1頸椎的橫突孔后，沿寰椎側(cè)塊上關(guān)節(jié)面后方的椎動脈溝內(nèi)行，穿硬腦膜及蛛網(wǎng)膜進入蛛網(wǎng)膜下腔。入顱腔后沿延髓的腹側(cè)達斜坡，在腦橋下緣，左右椎動脈匯合成一條基底動脈并經(jīng)腦橋腹側(cè)的基底動脈溝至腦橋上緣供大腦后部、小腦及腦干，最后分為左右大腦后動脈兩大分支[13]，主要營養(yǎng)腦、脊髓和位聽器。椎動脈開始于胚胎的發(fā)生,由背主動脈的分支演變而來。背主動脈發(fā)出約30 對背側(cè)節(jié)間動脈,椎動脈在離背主動脈本干不遠處,由連接頸部節(jié)間動脈的縱行血管吻合支演變而來[14]。該變異導(dǎo)致椎動脈壓力過高，血流動力學(xué)發(fā)生改變，可能成為腦內(nèi)動脈瘤、腦出血的病因。

臨床在行頸根部手術(shù)和穿刺時，若存在左椎動脈起源異常，應(yīng)注意避免損傷異常的椎動脈，而且進行椎動脈血管造影時也應(yīng)注意椎動脈變異的存在。研究表明，彩色多普勒超聲能夠準(zhǔn)確地判斷先天性椎動脈變異,并為探究椎基底動脈供血不足的病因提供影像學(xué)依據(jù)[15]。

相反，由于直接起源于主動脈弓的椎動脈內(nèi)血液營養(yǎng)供氧豐富、壓力增高，椎動脈狹窄、椎動脈硬化、椎動脈供血不足、椎動脈栓塞、腦供血不足、脊髓萎縮、位聽器疾病等發(fā)生的概率在此種變異的人中可能會大大降低。非椎動脈變異的人若發(fā)生上述疾病，在當(dāng)前技術(shù)手段治療無效的情況下，可以考慮椎動脈搭橋于左鎖骨下動脈上游部位或主動脈弓。

3.3 網(wǎng)頁版課件和手機APP的優(yōu)勢 醫(yī)學(xué)院校的傳統(tǒng)教學(xué)模式主要依賴于老師講課、板書、掛圖及物理模型等授課方式，在課堂上對學(xué)生進行面對面教學(xué)。一些教學(xué)難點、重點和抽象的概念，無法生動形象表達，使學(xué)生難以理解并形成深刻的印象。而網(wǎng)頁版課件和手機APP融合了聲、光、色、動畫，具有媒體融合性、交互智能性和信息擴張性等特點，具有多角度、多層面、多變化的立體演示特點，使抽象的知識更加生動地呈現(xiàn)出來。

虛擬的模型在表達人體心臟結(jié)構(gòu)的色度、形態(tài)時會與實物標(biāo)本有所差異，醫(yī)學(xué)生運用虛擬模型學(xué)習(xí)時會面臨在實物標(biāo)本中很難準(zhǔn)確快速定位的問題。將實物標(biāo)本與3D技術(shù)相結(jié)合，利用數(shù)字化技術(shù)將心臟標(biāo)本以三維立體動態(tài)互動球形全景圖的形式展現(xiàn)在醫(yī)學(xué)生面前，可以成功地解決虛實差異所帶來的問題。其次手機便于攜帶，隨時隨地可以打開APP進行學(xué)習(xí)。

3.4 關(guān)于3D心臟教程軟件使用效果問卷調(diào)查 目前62.5%的人沒有使用過類似的教程軟件，表明制作3D心臟教程軟件很有開發(fā)前景；大部分人對其使用效果感到滿意，92.5%的人認(rèn)為使用該軟件對自己的心臟學(xué)習(xí)有幫助，表明該心臟教程極具使用價值，適用于臨床專業(yè)教學(xué)，便于心臟的學(xué)習(xí)和理解；該教程有很多優(yōu)點，便于攜帶，生動形象，感官性強，可以激發(fā)對心臟知識的學(xué)習(xí)興趣；但是仍有需要改進的地方，占據(jù)的手機內(nèi)存較大，界面美觀程度有待提高，缺乏傳統(tǒng)教學(xué)中的互動環(huán)節(jié)，所以建議軟件與傳統(tǒng)教學(xué)取長補短，相互結(jié)合[16]。

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(本文編輯：劉斯靜)

Construction of digital 3D rotatable human heart specimen and the application program

WANG Qing-qing, MENG Ling-bing, LIU Hui-bing, LIU Yu, WU Yi-xuan, FAN Ping*
(DepartmentofAnatomy，theSchoolofBasicMedical,HebeiMedicalUniversity,Shijiazhuang050017,China)

Objective To provide guidance for medical students and clinical practice through the fine anatomy of the human heart and taking the pictures of the specimen, as well as by using multimedia technology to generate three-dimensional rotating digital images in the form of web pages and APP. Methods ①Dissect the hearts and paint the blood vessel. ②Introduce the specimen,write scripts and record it. ③Place the specimen on the turn-table, photo it for 360 degrees, insert the script and recordings,make web page version of the course-ware and mobile APP software. Results The web page version of the course-ware and mobile APP software were made successfully, through the questionnaire, the web page version of the course-ware and mobile APP help to better study the heart. Conclusion Through the questionnaire data analysis, three-dimensional physical heart specimen is suitable to clinical teaching, which is convenient for learning and understanding the hearts.

specimen handling； heart； teaching

2016-10-27；

2017-02-23

河北醫(yī)科大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新性實驗計劃資助項目(USIP201529A)

王晴晴(1994-)，女，河北保定人，河北醫(yī)科大學(xué)2013級臨床醫(yī)學(xué)專業(yè)本科生。

*通訊作者。E-mail:pingfan@hebmu.edu.cn

R322.34

A

1007-3205(2017)04-0373-05

10.3969/j.issn.1007-3205.2017.04.001