新技术在未来解剖学教学中的应用

关键词：数字化人体 三维模型 VR解剖课 3D打印 合成尸体

     在传统的解剖学教学实验中，学生通过文字描述、图表、教具和尸体解剖来获得解剖学知识。对于通过描述与图表这样的教学实验方式，在帮助学生理解解剖结构的三维形态方面有局限性。新的计算机三维模型可以将人体构造数字化，帮助学生从多角度观测、形象直观。与此同时，利用VR（虚拟现实技术）构造的人体，可以让学生置身在真实的场景中，把器官“拿到”自己面前近距离观察，更为真实立体。当然以上两种新技术虽然很大程度上满足了教学需求，但是真实的解剖更需要三维实践学习，尸体解剖是绕不开的学习方式。但是近年尸体标本来源匮乏，库存不断减少，学生参与尸体解剖和实物标本观察的机会逐渐减少。面临这样的矛盾，现在可以利用3D打印技术，人工合成制造尸体，且所获“尸体”与真实尸体从手感到具体功能相似度极高，可重复使用，解决了上述矛盾。下面会更具体地介绍以上三种新技术对解剖学教学的帮助，同时也会提到这些技术所面临的问题。

计算机三维模型构建

    解剖教育所用计算机三维模型主要可以通过三种方式来构建:(1)用常规几何体的组合来建立器官模型。例如用多个椭球体的组合来构建简单的眼三维模型。但是，一般来说，人体组织结构的复杂性是难以 用规则实体组合来表示的。(2) 基于解剖学参数建立 比较精确的三维模型。这样的模型要达到较好的效 果，需要获取器官三维结构中的特征参数。利用这些特征参数通过点-线-面-体的构建过程建立医学三维模型。(3)利用获取的医学图像进行三维重建构建出三维模型。利用前两种方法建立符合真实组织器官形态结构的计算机三维模型，需要获取大量的形态结构参数，由于人体结构的复杂性，形态参数难于测量非常困难。因此，构建解剖教学所用的计算机三维模型主要通过医学图像重建来实现。

    利用医学图像进行三维重建构建三维模型需要经过图像获取、图像预处理、图像分割、三维重建等步骤。医学图像来源主要有磁共振成像(MRI)，计算机断层扫描(CT)，正电子发射断层扫描(PET)，和超声成像(US)等。一般医学图像都有噪声，而噪声 将会严重影响图像分割。因此要要抑制噪声的步骤。抑制噪声主要通过设计空间域或频域滤波器来实现。医学图像分割的目的是将感兴趣的区域进行分离，在构建三维模型时可以分别对不同区域进行重建。三维重建算法的核心是绘制技术，现有的绘制方法主要分两大类:面绘制和体绘制。面绘制方法中应用较多的是移动立方体法及其改进算法。体绘制法是将三维空间的离散数据直接转换为二维图像而不必生成中间几何图元。

    目前该项技术已经在部分教育机构开始使用，但是仍面临着一些问题。首先是图像分割技术发展的制约成为建立医学教育三维模型的瓶颈问题。目前的分割方法与人眼的特征识别能力还有很大的差距。其次是三维重建组织的渲染效果，即计算机图形学的发展还没有达到以假乱真的程度。真实感还有待提高。

VR解剖课

    作为一门新兴学科，虚拟现实在医学上的应用备受瞩目。早在1993年的统计里，全球市场上出现的805个虚拟现实应用系统中就有49个应用于医学，到2016年已过去了二十多年，其应用领域也在深入拓宽。目前在国内四川大学研制的《人卫3D系统解剖学》VR版全方位立体式展示人体结构，弥补了人体标本不足而无法给学生提供足够学习机会的遗憾。对未来高校进行解剖学的教学提供了很好的引导作用

     VR解剖课，就是学生可以凭借VR全方位立体地观察屏幕中人体的各个器官和结构，连血管都一目了然。学生甚至可以把器官“拿到”自己面前近距离观察，学习结束后通过一键复原让器官回到原位，学生置身在一个真实的场景中，所有的器官，就连皮肤都是真真切切。而且利用该技术在显示人体组织器官解剖结构的同时，显示其断面解剖结构，并可以任意旋转，提供器官或结构在人体空间中的准确定位、三维测量数据和立体图像。这种新的形式的解剖课程对于学生来说，首先是能近距离的观察学习，而且能够再次利用资源;其次由于场景的真实性，能加深同学的记忆和理解；最后对于学校来说也是省了一笔成本，毕竟真实的人体解剖并不一定是每个学生都能去观察学习去触摸的。

    但是由于VR技术还没有解决“触觉”的问题，现在阶段对学生而言仍然是观察为主。在后续的发展中可以虚拟一把手术刀，学生通过VR，“亲自”把身体的某个部位切开，以增强学生的参与性。比如一名脑瘤患者，医生将患者前期的诊断结果输入电脑，模拟患者的病情，学生就可以通过虚拟技术先模拟手术现场，给学生提供实践操作的机会。

人工合成尸体

     上述两种方式无论是计算机三维模型构建来满足学生通过屏幕观察人体结构与器官，还是通过VR技术来讲学生放入一个“真实”的场景来全方位的观察人体结构，都只是停留在观察的层级。而通过3D打印技术，人工合成尸体才能真正解决解剖学面临的尸体急需与紧缺的矛盾。目前该项技术在全球由坐落于佛罗里达州坦帕市的“合成尸体实验室”引导开发。由他们研制的合成尸体，和那些由塑料或橡胶制成的医用尸体不同，“合成尸体实验室”的合成尸体是由85%的水分、其他纤维、盐分和有机化合物构成的，它甚至可以呼吸、流血、瞳孔放大。“合成尸体实验室”的创始人兼董事长Christopher Sakezles 博士带领团队进行该项研究是，希望达成的目的是为医学领域提供效果逼真的合成尸体，以供其进行医疗培训。最早于2004年出现在新泽西的普林斯顿，之后历经多年，Sakezles 一直在独自进行基础研究、申请专利、不断完善制作逼真、怪异合成人时所用盐、水和纤维的比例。如今大多数的模具由3D打印机制成。对于使用者特定用途需求，每个合成尸体的复杂程度都不同。有些装饰的非常逼真，有所有肌肉和器官。有些能流血、会呼吸，甚至还能在传感器和泵的影响下进入“休克”状态。

    该项技术目前面临的问题主要有两点，第一，水占合成尸体材料成份的85%，如果不希望模型干掉，就必须将它存放在水中。因此每个存有零部件的容器都含有一定量的液体，干掉的模型很容易遭到毁坏。第二，该合成尸体造价较高需要10美元左右。但是对于免费的尸体而言，还需要耗费大量成本用于运输、清理、装卸、管理，同时还要配备相关的设施。而该项合成尸体不需要多余的设施，一张桌子足矣，同时该实验室也提供修理及售后服务。如果医学院购买了外科型合成尸体模型，当学生切割并损坏了模型后，学校可以把它寄回实验室，让工作人员一一修复问题。

总结

     对于解剖课程的教学与学习，在经历了理论描述、2D图片展示、3D器具陈列之后，我们可以借用目前高速发展的各种技术，诸如计算机三维成像技术、虚拟现实技术、3D打印技术等，来全面改善教学方式，使学生更易理解且对人体解剖产生兴趣。虽然这些技术，有的已经投入了使用，有的仍在开发阶段，或多或少存在一些问题，但是相信随着跨领域学科的发展，这些问题都能得以解决，从而更好的为解剖学教学、研究、应用服务。

参考资料：

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张绍祥.数字化人体与数字医学的研究概况及发展趋势 第三军医大学学报

利维坦. 探访神奇的合成尸体工厂

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