數字化虛擬人在人體解剖學的應用

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摘要：“數字化虛擬人”技術是融合計算機技術與網絡技術，將人體斷面數據信息整合建立人體三維立體圖像的技術。為了推動數字化虛擬人在人體解剖課程教學中的應用，本文對數字化虛擬人在教學中的實施情況進行分析，通過梳理傳統解剖課教學中的不足，結合數字化虛擬人的特點，探討了其應用于解剖課程中的優勢。

關鍵詞：數字化；虛擬人；人體解剖教學；改革

1引言

隨著信息技術、計算機技術以及醫學技術的發展，數字化虛擬人在醫學中的應用越來越廣泛。數字化虛擬人不僅對醫療健康發展具有重要的推動作用，同時也帶來以人體解剖課程為主的醫學課程教學的巨大變革。人體解剖學屬于醫學形態學范疇，是醫學院校重要的基礎課程，數字化虛擬人以其強大的技術支撐可以滿足當前人體解剖教學的需求，因此利用好數字化虛擬人技術，充分發揮其作用和優勢，來推進醫學課程教學改革，是當前醫學課程教學面臨的重要任務。

2傳統人體解剖教學中的不足

傳統的人體解剖課程主要是通過觀看解剖圖譜，利用簡單的教學模型進行教學。人體標本資源緊缺，教師不能隨時通過人體標本進行教學。圖譜雖然容易獲得且教學方便，但是有一個明顯的缺點，即缺乏人體組織和器官的結構真實感和立體感，學生難以通過圖譜觀察來獲取清晰科學的認識，從而對解剖知識了解得不夠深刻。教學模型雖然克服了圖譜立體性不強的缺點，讓學生可直觀了解人體的組織結構，但模型尺寸、大小比例等失真現象較為常見，難以精確還原人體標本，導致學生觀察了解不充分，動手實驗能力不足，理論教學充分，而實踐教學不足，學生動手操作能力差，進而導致教學質量難以提升。隨著醫學專業學生的不斷擴招，人體標本的數量供應遠遠無法滿足當前人體解剖課程的教學和實踐需要。如果還是利用傳統的教學模式進行教學，則對學生知識儲備和臨床操作能力的培養造成消極影響[1]。因此，人體解剖課程必須彌補傳統教學模式的不足，解決標本不足的問題，切實提升教學質量。

3數字化虛擬人的特點

3.1真實性

數字化虛擬人最大的特點和優勢即是對人體的還原度高，具有真實性，可供醫學教師和學生進行觀摩和實驗。數字化虛擬人體解剖系統是將大量人體斷面數據信息在計算機里整合并重建成人體的三維立體結構圖像，主要運用人體解剖軟件將人體數據進行整合計算，在計算機技術和圖像處理計算的輔助下，構建三維人體立體數據系統，其結構模型與人體結構精確一致，可供學生進行模擬解剖[2]。

3.2立體性

數字虛擬人技術充分利用三維動畫技術，人體結構圖可任意分離、可自由組合,解剖結構可任意角度旋轉、縮小與放大，便于轉變視角和多方位觀察結構圖，圖像清晰，虛擬人體立體且完整，且在細節處添加必要的文字注釋，鼠標一點即可學習組織或器官的相關文字注解，從而幫助學生理解人體知識，引導學生更系統地學習解剖知識。

3.3功能強大

將虛擬人體應用于人體解剖課程教學的重要原因之一是數字化虛擬人功能強大，在醫學教學課程方面具有明顯的技術優勢，除以上真實性和立體性以外，還具有分離顯示功能、透明化功能、染色功能、逐層剝離功能、隨手畫功能等，極大地方便教師進行教學演示，學生也可通過虛擬人體加深對解剖知識的理解。

4數字化虛擬人在人體解剖學教學中的應用

4.1數字解剖圖譜

圖譜是解剖學中重要的學習和教學工具，醫學圖譜產生于中世紀，是通過二維圖畫的方式來解釋人體各個組織和器官的組成，簡單易學，直觀清晰，易于獲得，長期以來是人體解剖學課程學習和教學的基礎工具。但其二維表達的方式嚴重限制圖譜作用的發揮，隨著計算機技術的飛速發展，三維成像技術應用成熟，圖像的獲取、存儲、顯示和應用方式發生了根本性變革。利用數字化虛擬人技術可制作三維立體的數字化圖譜，通過操作計算機，可隨時查看數字圖譜中的任意解剖結構，解剖結構的解釋說明則通過計算機技術存儲在其中，鼠標一點即可顯示，數字化虛擬人也能顯示器官或結構的截面圖像，360度觀看該解剖結構，便于教師教學，學生也可通過觀看虛擬人了解解剖知識，從而彌補二維圖譜缺乏解剖結構在人體空間定位的缺陷。在學習解剖之前要對一個人體器官或組織有著充分而深入的了解，如教師要想讓學生充分了解某個組織的生長過程，可通過數字化虛擬人制作數字圖譜，并輔以計算機模擬動態技術，動態演示某組織發育生長的過程，讓學生更直觀、更科學地學習人體發育生長的相關知識[3]。

4.2重要器官解剖

實驗是人體解剖課程的重要教學內容，數字化圖譜有助于幫助學生了解人體各個組織和器官的組成和特點，在了解之后，則要進行解剖實驗來鍛煉動手能力，因此，在人體解剖課教學中，解剖實踐是不可缺少的步驟。但在現實中，可供學生進行解剖實踐的大體標本嚴重匱乏，數字化虛擬人可以解決這個棘手的問題。首先利用數字化技術根據需要構建虛擬人，并建立與其配套的虛擬手術器械。利用虛擬手術器械解剖虛擬尸體，并利用操縱桿、手套和其他設備的觸覺強力反饋來感知人體組織的不同質感。除了整體性結構以外，還可將某一特定部位或組織剝離出來，對該組織進行細致的模擬解剖。在重要器官的模擬解剖過程中，有兩點需要注意：一是要讓學生充分了解虛擬人模擬解剖系統的操作流程，以免在解剖中損壞解剖模擬系統；二是如果學生發生錯誤，該虛擬人系統可隨時返回，恢復器官解剖前原樣，并支持重新解剖，同時學生可反復進行練習和訓練，這是傳統標本實驗解剖所無法實現的優勢。此外，數字化虛擬人還解決了時空的限制，學生通過遠程系統也可隨時進行解剖模擬訓練，無須進入解剖實驗室學習，同時也節省了實驗器材費用，減少了器材的損耗，降低了解剖教育成本?？傮w來說，在實驗解剖中，與傳統解剖教學相比，數字化虛擬人解剖具有優勢：一是學生可不限次數對解剖進行反復練習和訓練；二是學生訓練突破時間和空間的限制；三是一定程度上節省了教育成本，減少了器材的日常損耗。

4.3建立計算機解剖學教學和實習操作系統

當前不少醫學院引進數字化虛擬人，并建立數字化虛擬人數據集，利用計算機建模技術和功能強大的數據庫，獲取更多例數的人體結構數據集，進行觀測和統計；對重要的器官,獲取更為細致的數據資料，完善虛擬人數據采集，建立科學完整的數據系統。系統化是數字化虛擬人在人體解剖教學推進中的重要步驟，通過建立數字化虛擬人系統和計算機解剖實操系統，為教學提供可靠的技術和平臺支撐[4]。建立數字化虛擬人解剖系統是當前解剖課程教學改革和發展的重要方向之一，要實現教學方式的突破和教學質量的提升則必須重視數字化虛擬人解剖系統的引進、使用以及建設。

5數字化虛擬人在人體解剖學教學改革中的作用與優勢

5.1緩解大體標本資源短缺的現狀

解剖課是醫學教育體系中的重點課程，隨著醫學院校招生規模的不斷擴大，我國醫療衛生后備人才增多，標本損耗率不斷攀升，解剖課中的重要大體標本嚴重不足，基本無法滿足醫學教育的需求。這導致學生無法獲取高質量的解剖課程知識，影響對學生實踐操作能力的培養和提升。數字化虛擬人則緩解了大體標本資源短缺的問題。首先，數字化虛擬人可供學生進行反復解剖和實踐。其次，隨著數字虛擬人技術的不斷發展，醫學系統中的虛擬人不斷升級，一方面，數字虛擬人無限接近真實的人體標本，其系統人體數據也更加豐富，虛擬人模型更加精確科學，另一方面，解剖教學、實驗過程與真實的人體解剖過程基本一致，解剖過程的還原度越來越高，這大大緩解了大體標本不足的教學困境。因此，在人體解剖課教學中，要注重大體標本解剖教學與數字虛擬人教學的結合，利用二者的優勢，在發揮其各自的教學功能的基礎上合理分配和利用教學資源，為解剖學教學服務，促進學科發展。

5.2豐富解剖實驗教學模式

教學模式單一歷來是人體解剖課程改革的難點，也是導致教學質量難以提升的重要原因之一，數字化虛擬人應用于解剖實驗教學可豐富單一枯燥的解剖實驗教學模式。這主要體現在兩個方面，一是數字化虛擬人可展現完整的斷層系列標本，包括頭部、頸部、胸部、盆部、四肢等重要的人體斷層組織，實驗過程可供學生觀看，使學生充分了解人體各個部位及組織，獲取充足的人體結構知識，為親自解剖打下良好的知識基礎。二是教師可通過操縱計算機來對解剖過程進行模擬演示，通過動畫演示，學生可清晰了解到解剖的全過程，并迅速獲取解剖過程中的關鍵點，從而有利于學習水平提高。此外，數字化虛擬人系統具有強大的模擬實驗功能，學生在上課過程中可自主參與解剖過程，人人都有機會實驗操作，從而實現理論知識與實踐的結合，這大大提升了學生的動手能力，提升了解剖實驗教學的教學質量。因此，數字化虛擬人的引入大大豐富了解剖實驗教學的教學模式，使得教學課堂更加豐富多彩、靈活生動，學生也更加喜愛這種教學形式，學習的主動性和積極性也得以大幅度提升。此外，數字化虛擬人系統還能對學生的學習情況進行考核，這大大改變了傳統的考核方式，數字化虛擬人系統提供解剖模擬功能，學生可在系統中進行解剖實操，教師可根據學生的能力來綜合打分，同時查漏補缺，找到教學中的薄弱之處，從而繼續改進教學。

5.3優化解剖實驗教學環境

數字化虛擬人應用于解剖課堂教學可優化解剖實驗教學環境，一方面，可優化真實的空間環境，常規的解剖實驗教學離不開福爾馬林等防腐固定處理的大體標本，而福爾馬林揮發出強烈的刺激性氣味，對教師及學生的呼吸道和視覺器官會產生強烈刺激及損害。在這種環境的實驗室教學，教師的教學狀態和學生的學習狀態都會受到影響，這種環境也限制了實驗教學的學習時長，即不具備長期待在實驗室學習的條件[5]。而數字化虛擬人可有效解決這個問題，虛擬人是以真實人體橫斷面影像數據為依據，通過三維重建得來，其位置、形態與真實人體數據一致，不需要化學和醫學制劑來維持，安全無毒，不會產生氣味，這大大提升了解剖實驗教學的安全性，也提升了教師教學和學生學習的積極性。另一方面，數字化虛擬人教學同時也提升了教學的人文環境，改變傳統的課堂教學的枯燥氛圍，通過觀看和操作虛擬人解剖過程，學生的課堂參與程度提升，課堂氛圍更加活躍，學習的整體環境也得以改善。因此，總體來說，數字化虛擬環境可優化解剖實驗教學環境，促進教學質量的提升。

5.4提升學生學習積極性

數字化虛擬人應用于人體解剖課程教學可有效提升學生的學習積極性，引導學生主動學習，從而提高學習效率。數字化虛擬人是以計算機和信息技術為支撐，易于操作，學生可通過電腦、手機等設備登錄進入數字化虛擬人系統，這種學習方式深受當前年輕的大學生群體歡迎，并且虛擬人解剖結構可滿足全角度、多方位的觀看，更能激發學生的學習興趣，現代化的數字人體解剖系統和科學的實驗步驟給學生良好的視野和滿足感，從而引導學生主動學習、積極學習。教學改革的目標之一是改變傳統教學中教師主導、學生被動的教學模式，人體解剖課程也不例外，只有學生積極主動地獲取知識，發揮主觀能動性，才能提出問題，深入思考，主動實踐，促進其解剖能力的提升。因此，數字化虛擬人教學的一大優勢就是能夠以其強大的技術功能和全新的教學方式全面激發學生學習的主動性，改變教師和學生的課堂角色定位，從而促進教學質量的提升。

6結語

數字化虛擬人在解剖教學課程中的廣泛應用是醫學教育發展的必然趨勢。數字化虛擬人可最大程度代替真實人體標本，有效緩解大體標本供應不足給教學帶來的困擾，同時以其強大的功能豐富了解剖實驗教學模式，也提升了學生學習解剖學的興趣，改變了傳統課堂中學生的角色定位，對于提升解剖課程教育質量、促進人體解剖學科教育發展具有重要的推動作用。因此，面對數字化虛擬人發展的態勢和醫學教學改革理念，要有效利用數字化虛擬人資源，將大標本解剖教學與虛擬人體解剖相結合，克服傳統教學的不足，培養學生主動學習和獨立解決問題的能力，推動醫學教育邁上新臺階，為醫學、生命科學等應用研究提供支撐。

參考文獻：

[1]陳喬,潘榮斌,胡麗霞,余功,楊清躍,封勇,汪建民,謝斌.基于數字人解剖系統的神經解剖學慕課制作初探[J].衛生職業教育,2018(19).

[2]焦軼,黃學應,李少兵,等.數字化虛擬人支撐下的翻轉課堂教學模式在《系統解剖學》教學中的應用[J].四川解剖學雜志,2018(03).

[3]劉陽名,李兵.3D-Body人體解剖學虛擬軟件在解剖學教學中的實踐[J].中國組織化學與細胞化學雜志,2018(04).

[4]夏青青,王莉,胡兵,等.基于數字人解剖系統進行人體解剖學微課開發的優勢分析[J].解剖科學進展,2018(04).

[5]周建文.3D數字人系統在解剖學教學中的應用體會[J].衛生職業教育,2018(12).

作者：趙翌如 胡建立 單位：新鄉醫學院三全學院 新鄉市中心醫院