人體解剖結構數字3D互動教學研究

宋燕飛

河南推拿職業學院 河南 洛陽 471023

引言

人體解剖學是當前各醫科學校的重點教育教學方法之一，也是幫助學生掌握基本人體結構、開展深入學習的基礎。但從實際情況來看，當前各醫科高校主要利用一對多、幻燈片演示的教學方式為學生傳授相關概念、病理等教學資源。但解剖學科的學習需要學生具備一定的三維構建能力，扎實掌握不同人體組織結構的空間對應關系，因此將極大提高解剖學學習難度。而通過引進各類數字3D技術，可幫助學生較為直觀地掌握教師授課內容，提高課堂交互性，進一步激發學生的求知欲與探索欲，為解剖教學提供必要指導。

1 人體解剖結構數字3D互動教學優勢

數字3D互動教學是當前人體解剖課程中較為常見的授課方式之一，具有可視化、高精度、立體化、可縮放等特點，教師可依據現有教育教學要求進行精確調整，幫助學生進行過渡學習，降低其對實體解剖的抵觸心理。在實際開展教育教學期間，教師可結合現有資源設計較為完善的數據庫，并以此制作對應的標本模型課件，豐富電子資源，便于學生訪問，打破時間及空間的限制，避免出現資源分配不均衡的情況，與此同時也有效解決人體標本不易獲取、保存的問題，強化學生的學習體驗，實現課堂延伸。利用數字3D技術可全方位展示人體不同組織器官間的立體對應關系，并結合不同的教學需要適當放縮解剖部位，如在講解淚器、錘骨、聽小骨、腎小球等較為特殊的人體結構時，由于利用實際標本無法進行有效觀察，因此教師可利用該技術打印相應的教具模型，提高解剖學知識的立體性、互動性，充分鍛煉學生的學習主動性。另外數字3D技術也可利用顏色渲染的方式對不同人體結構進行標記，有效提高學生的課堂集中力，達到深度學習的教育教學要求。與以往的實體標本相比，數字3D技術的應用可幫助學生更為直觀、安全、細致、全面地觀察人體構造，尊重了不同文化背景、民族信仰學生的學習需求，降低其恐懼、害怕的心理，舒緩異樣的情感體驗[1]。

2 3D可視化技術在解剖學教學中的具體應用

2.1 3D平板顯示及解剖教學應用程序

3D平板顯示主要結合各類智能終端設備及應用程序進行教學。當前常見的人體解剖程序包含Pocket Anatomy、3D Medical、Visible Body等，使得學生可結合各類仿真模型得到較為精確的骨骼、肌肉、神經、血管、器官、淋巴等人體解剖結構。此類應用程序具有交互式三維功能，學生可利用較為簡單的手勢完成放縮、識別、旋轉等行為，并結合淡化或凸顯結構、減少或增加圖層等方式幫助學生理解人體結構細節。部分應用程序也包含了臨床視頻實例、交互教學檢測等功能，可結合共享屏幕、投影儀等裝置，幫助學生可隨著教師的講解實時完成具體的解剖操作。但利用該技術也存在一定的不足，一是虛擬模型并不是通過掃描實體標本得到的，因此對于三叉神經分支等較為細化的結構其建模準確性較低，存在結構混亂等問題；二是利用該程序不能完全取代教師的動手實操過程，僅起到一定的輔助教學作用，可使得學生感受到互動學習的興趣，實用性一般。

2.2 3D增強現實及虛擬現實

以VR或AR技術為基礎的解剖教學方式可幫助學生熟練掌握結構復雜的人體模型，并結合自身學習能力開展重復模擬訓練，提高學生的沉浸感及體驗感，保證實際教育教學成效。以全息沉浸式AnatomyX解剖學教育平臺為例，其中包含了上千例真實的MRI、CT掃描數據及各類3D解剖結構模型，支持學生完成旋轉、拆解人體結構模型等學習要求，能夠有效提高學生的學習成績。另外，教師也可引進zSpace沉浸式醫療醫學平臺、線上VR醫療課程教學平臺、Kinect人體解剖學教學系統、人衛3D系統解剖學軟件等，充分展現將VR、AR技術融入人體解剖教學的使用優勢，但該教學方法需要學校采購特定的軟、硬件裝置，成本較高，因此無法在全國范圍內大面積推廣，且相關領域的研究較少，無法滿足后續愈加精細、全面的解剖學教學要求。

2.3 醫學影像資料三維重建

當前醫學影像領域的不斷發展使得學生可結合US超聲成像、MRI磁共振成像、CT電子計算機斷層掃描等方式詳細學習人體結構及不同組織器官的使用功能。隨著圖像分析技術愈發成熟，將使得相關工作人員可結合二維計算機掃描影像提取三維重建資料，幫助學生從多角度開展深入研究，為后續的實體解剖及臨床教學奠定基礎。現階段較為常見的醫學影像三維重建程序包含OsiriX軟件、3D Slicer軟件、Santesoft軟件、Radiant DICOM Vierwer軟件等，可將DICOM資料進行序列斷層分割，使其轉變為立體直觀的三維學習資料，進而豐富現有解剖信息，為開展仿真模擬提供視覺交互參考數據。以現實的人體標本為基礎制作對應的模型，可幫助學生從病理及生理的角度掌握人體結構特點，降低斷層解剖知識點的學習難度。

以膝關節為例，考慮到不同人體的差異性及活體、標本的不同，教師可結合當前患者的病例，將其膝關節CT圖像上傳至3D重建軟件，使其繪制出較為完整的骨骼、肌肉、皮膚及筋膜結構，幫助學生掌握不同組織結構的關系，滿足放縮、分層等顯示要求。該方式對于軟硬件設備的要求較高，僅支持部分大型醫院的工作需要，且部分環節需進行手動操作，工作量較大，因此尚且無法用于人體解剖學教學需求，同時不同影像對于人體組織結構的分辨率及敏感性存在差異，因此醫學影像資料三維重建法具有一定的使用局限[2]。

3 人體解剖結構數字3D互動教學流程

本文以Autodesk 123D Catch軟件為例開展人體結構的3D數字建模操作，并使用3Ds Max軟件對模型進行修改、渲染，使其可組建為較為完整的三維人體結構，最后使用Unity設計交互操作界面，確保將得到的仿真模型全面展現在智能終端設備上，方便學生進行學習。

3.1 準備工作

第一，準備人體組織器官的模型標本。依據實際教學要求，工作人員可選擇相應的人體組織器官標本，使其滿足生理功能、結構解剖等一系列教育教學要求。第二，拍照。盡量選擇背景顏色統一、無反光的拍照環境，在標本一側固定光強較大的照明設備，并盡量使得標本處于懸空狀態，以15°為間隔進行環周拍攝。若需表現上下視角，則需要按照標本弧度進行上下移動，確保對焦清晰且與標本距離相對固定。

3.2 人體3D建模與渲染

3.2.1 利用Autodesk 123D Catch系統進行初步建模。需提前安裝并注冊該軟件，上傳需要制作的標本照片，并等待最終建模結果。該軟件可同時繪制格式為.avi的視頻材料，并結合Adobe Audition等音頻軟件添加教學講解內容。若對該環節得到的建模結果不滿意，可使其以.FBX的格式導出，并使用3D建模軟件進行修改。

3.2.2 使用3Ds Max軟件對建模進行修改渲染。可直接導入由以上操作得到的文件，對需要調整的區域以點、線、面的流程進行修改。在此期間，技術人員需參考實際模型標本、解剖圖譜、CT或MRI影像等資料，確保得到的數字3D建模資料與實際人體結構相同、比例相仿，有利于幫助學生獲取較為精確的組織器官數據，并完成后續的影像技術教學。該軟件也可同時生成對應的教學動畫，參考各教學知識點提前設定攝像機拍攝路線，并輸出格式為.avi的資料，隨后導入Powerpoint軟件進行展示。

3.2.3 材質及渲染。在設計骨骼時，可利用白色合成樹脂乳液涂料，并將其發生漫反射的區域調整為灰白色，反射區域調整為深灰色，取消跟蹤反射選項，將高光光色度調整為0.36，突出骨骼質感[3]。

3.3 利用工程軟件進行互動

在以上取景及場景搭建工作完成后，工作人員可將以上資料上傳至unity4.x軟件中，以此組建全新的工程內容，并編寫滿足課堂教學要求的基礎程序，設計交互界面，滿足交互式學習需要，使得學生可簡單利用鼠標、鍵盤等方式完成學習任務。以外科手術為例，該程序可模擬腫瘤部位、形態及醫護人員操作動作、胃腸鏡拍攝畫面等。另外，也可隨意切換第一人稱視角的觀察角度，并額外加裝操作腳本，使得學生可利用鍵盤或鼠標控制畫面視野及角度。若需要使用unity4.x系統，需提前下載SDK、JDK等軟件，以便可接入安卓平臺開展手機端的互動學習。

3.3.1 應明確具體的教育教學要求，掌握基礎《解剖學》的臨床及教學需要，針對如胃腸鏡通過部位、穿刺針突破組織、胎兒分娩涉及器官等進行立體透視解剖，配合解說的方式提高教學直觀性，以便學生理解記憶，加深對知識的掌握程度。若制作出來的課件內容需要學生結合計算機的交互操作方式進行動手實操，則應額外設計交互作業模塊。

3.3.2 策劃準備。該過程需要明確3D數字建模運行平臺類型及交互操作支持模式，準備好圖文、音頻、視頻、動畫等解剖.FBX文件。

3.3.3 調整操作界面及系統架構。應提前設計主菜單、子菜單操作界面，增加光源、病床、手術刀、攝像機及各類手術室場景，仿照現有工作環境及不同工具的比例，提高模擬真實性，進一步保證實際教育教學效果。

3.3.4 菜單和腳本。該項目主要使用unity4.x軟件，需上傳場景、聲音、圖片、解剖物等文件信息，并結合Mono Develop軟件創新全新的功能腳本。現階段較為常見的編程語言包含Boo、C#、Javascript三類，工作人員可結合自身水平選擇難度不同的編程方式。

3.3.5 輸出展示。在以上工作環節完成后，工作人員可及時對外公布教學成果，并在不同的系統平臺上分享成功的教學經驗，提高學生的學習效率及主動性[4]。

4 結束語

綜上而言，信息化時代的發展，使得人體解剖學正逐漸朝著數字化的方向發展，在各類先進計算機儀器的幫助下，可將數字3D技術與口授教學、翻轉課堂等教育教學方式相結合，保證教育的嚴謹性、規范性，打破常規，以科技成果帶動教學創新，確保各醫學院可真正培養出技術高超、基礎扎實的高素養醫學人才，進一步為實現醫療領域的長遠發展奠定人才基礎。