兒童數字化可視人的創建及在解剖學教學中的應用*

李 琨 李志軍△ 張少杰# 王 星 高 尚 孫 昊 熊 峰 徐雪彬

（內蒙古醫科大學，1 人體解剖學教研室，2 學生工作管理處，呼和浩特 010000）

近年隨著圖像處理及虛擬現實技術在醫學領域應用，“數字化可視人”應運而生。其運用數控冷凍銑削技術獲取真實人體的高清、連續超薄層斷面，在計算機軟件上創建真實人體結構三維模型。先進的數字化技術可對以往尸體標本解剖及臨床影像學研究難以實現內容進行定性、定量測量及各類模擬實驗[1，2]。美國于1989年率先開啟“可視人計劃”（VHP）[3]；我國于2001年揭開了數字化虛擬人研究序幕，獲得了國人成人數字化男性及女性數據集，并進行可視化重建[4]；之后山東大學又獲得了胎兒斷面二維圖像數據集，創建了國內首個基于胎兒標本的可視化模型[5]。這些成果提供了完整、系統、精細的國人數字人標本數據庫，而對于兒童全身銑切標本未見報道。兒童與成人在生長發育中存在著較大差異，現有教學資源遠不能滿足兒童解剖教學使用。鑒于此，2019年內蒙古醫科大學李志軍教授團隊成功獲得國內外首例6歲幼童全身超薄斷層銑削數據，可視化重建后應用于教學，其不僅更全面展示了兒童發育形態特征，同時促進了二維與三維、科研與教學、基礎與臨床“三結合”[6]。

1 兒童數字化可視人的創建

選取6歲男性兒童標本1具，身高1.14 m，體質量23 kg，發育中等，無重大疾病或畸形，標本保存完好，皮膚無破損，標本由內蒙古醫科大學人體解剖學實驗室提供。將童尸標本取自然位置，不做人為改變以免破壞內部結構的位置及完整性，經定型、冷凍、包埋置入-25℃冷庫冰凍2～3周直至完全凍硬。將凍硬的標本放入包埋容器內，用5.0%明膠溶液冷凍包埋，并置于低溫實驗室銑床平臺上，四周用專用夾具固定防止移位。使用閉環數控操作系統行無鋸損從足到頭的順序逐層銑切，厚度設定為0.10 mm。銑切過程中逐層數碼拍照，完成標本斷面圖像的采集，將銑切的橫斷面圖像利用計算機技術分別生成冠狀面和矢狀面圖像（圖1、2）。圖像分辨率高，解剖結構清晰，能夠連續、真彩色、無損顯示兒童斷層解剖結構，超過了現有的兒童解剖圖像。利用山東數字人公司自主研發的三維重建軟件包行兒童結構的三維重建和可視化立體顯示，可達到對“真實兒童”準確模擬，可以顯示“真實兒童”的各個子系統。

圖1 兒童頭部（A）、胸部（B）和腹部（C）斷層橫斷位圖像.

2 兒童數字化可視人的特點及與成人數字化可視人的差異

隨著國家“二孩政策”的放開，社會對兒科醫護、預防保健及科研人員的需求將不斷擴大，隨之而來所面臨的的亟待解決的難題是所需各專業對兒童解剖結構的深入認識與掌握。兒童不是成人“等比例縮小”，出生后形態結構、發育特征和生理變化等均有其自身的特征和規律，如骨發育中的骨化中心、顱面比、囟門與顱縫骨化；內臟各器官的形態、大小、毗鄰等都與成人不同。而成人特有的顱-頸曲度及比例、以及多個小關節及軟骨、韌帶等則多在0～6周歲期逐漸形成。現有的成人數字化可視人以銑削的成人尸體標本為基準，其所構建的可視人不具備兒童發育解剖的特點，不能應用于兒童解剖教學。

兒童數字化可視人是通過銑削國內外首例6歲兒童尸體獲取數據集，從而構建的真實兒童三維可視化模型。在圖像分割時，根據兒童發育中特有的骨化中心、軟骨結合、韌帶等在真彩色斷面逐幅行感興趣部位微結構的識別與分割，因此，經分割后重建出來的是具有兒童自身特征的三維模型，更真實地反映兒童各結構器官的位置、形態、大小及毗鄰。

3 超薄切片及先進技術的應用提高了兒童數字化可視人的質量

當前對于兒童解剖學的研究成果相對較少，兒童斷面解剖多是照片或影像，且大多來自不同的標本，缺乏斷面的連續性。此外，受斷面層厚影響，一些精細結構會丟失；根據影像資料建立的三維圖像中大量的軟組織（神經、血管等結構）由于密度、灰度值相近而不能充分分割顯示。而基于中國兒童數字人數據集的二維斷層圖像相較于傳統方式獲得的圖像有著以下有點：層厚和層間距較薄，組織結構無丟失；標本經冰凍切片處理，器官組織無扭曲變形；高分辨率和高清晰度的圖像；圖像中器官組織的顏色、質地和紋理與真實結構相同等。其二維斷面及三維重建的解剖結構清晰精準，能精確真實地顯示組織、肌骨、血管、神經等細微解剖結構，有利于觀察各器官的結構形態和空間位置。高清晰無損連續薄層斷面圖像，使以往受到斷層解剖技術限制而難以識別的組織結構清晰顯示，且可以在連續斷面追蹤其形態、走行、毗鄰。

目前各醫學高校兒童解剖教學軟件多為虛擬模型，兒童可視化數字人能夠顯示真實兒童各斷面及三維結構，目前仍屬國內首次，對教學具有開創性意義。將之應用于正常兒童各系統形態發育的解剖教學亦是首次。根據中國兒童數字人數據集建立兒童三維可視化模型可提供更加立體、直觀、現實的解剖學信息，有助于臨床醫生對手術部位周圍毗鄰結構行立體全面的了解，進而更加精確地診斷疾病，減少復雜疾病的漏診和誤診。作為醫學研究的基礎與技術支撐，數字化可視人體數據集為醫學研究提供精準的數字化模型，降低了傳統醫學研究的難度，提升了醫學研究的質量和水準，為兒童解剖學發展提供基礎數據。

4 兒童數字化可視人的應用及效果

本系統在本校實驗室開放項目的解剖學教學改革中應用，授課對象為隨機抽取的本校五年制臨床醫學專業學生，共30人。將中國兒童數字人數據集及該兒童的CT、MRI影像資料拷貝到學生電腦中，學生對可視化兒童數據集具有代表性斷面圖像進行解剖結構的識別，詳細觀察各斷面上兒童結構的形態及其周圍毗鄰，并與相應的CT、MRI圖像對照逐片觀察，分析斷層圖片、CT及MRI在兒童結構顯示上的特點。在教師指導下，利用計算機軟件重建兒童可視化模型，通過對各微小結構（如神經、血管）的追蹤掌握其走行規律，通過對器官臟器的多角度、多方向觀察掌握其位置、形態、大小、毗鄰。在傳統解剖學課堂中引入的兒童數字化可視人受到了學生的歡迎，學生通過在兒童斷層圖片上標識結構及重建模型培養了學習能力，更加扎實地掌握了兒童的解剖結構，為之后要學習的兒科方向專業課打下了堅實的基礎。

5 應用兒童數字化可視人的建議

目前，數字化技術輔助教學成為實驗教學改革的重要方向[7，8]。兒童可視化數字人在教學中的應用，提升了學生的實踐能力和學習效率，激發了學生學習積極性，而且還可以節約尸體標本、手術器械等教學資源。兒童數字化斷面解剖及可視化重建系統具有諸多優勢：①國內首例完整兒童標本數據集，斷層圖像精準度高，銑切在低溫環境避免了小結構的脫落，保證了完整性；②虛擬可視化重建可任意角度旋轉，方便任意方向角度觀察；③不受時空限制，節約標本，解決了尸源問題。

如何讓學生在兒童解剖的復雜結構和神奇功能相結合的虛擬可視化模型上學深學透，且通過“身臨其境”地學習標本模型來鞏固解剖學知識、理論實踐相結合是當前面臨的大課題。通過此次教學改革的實踐，在應用中國兒童數字化數據集時筆者有以下幾點建議：①因數據集較大，學生在兒童解剖學課程的學習時，可利用此系統分組對兒童斷層圖像進行結構標識與重建；②標識的結構應與相對應的CT、MRI影像資料對比分析，掌握較微小的結構在影像資料上的顯示；③兒童二維圖像及三維重建模型與成人做對比，從而掌握兒童各器官結構與成人的差異。作為高端模擬技術發展的新微觀方向，虛擬可視化教學將為醫學生學習兒童解剖知識及培養臨床兒科思維能力提供一個創新的途徑和手段。