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基础医学论文:解剖学论文:数字化虚拟人体的研究进展及在解剖教学中的应用
解剖学论文:数字化虚拟人体的研究进展及在解剖教学中的应用
| 文章出自:文无忧问吾有 | 编辑:护理论文范文 | 点击: | 2012-04-01 22:56:57 |

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数字化虚拟人体就是应用数字图像、图形以及现代计算技术,采用人体解剖学和现代影像学方法,获取人体解剖结构的数据信息,在计算机上建立的全数字化的人体真实结构的三维模型[1]。这一研究,需要人体解剖学、计算机图形图像学和医学专家协作研究,在获得完整的人体薄层连续断面图像数据集的基础上进行综合研究,建成可视化人体和各种面向应用的虚拟人体模型,为与人体结构有关的领域,如现代临床医学、体育、航空航天、汽车撞击、核武器防护、创伤研究、仿生学、人体器官代用品的研制等,提供基础平台,是具有广阔应用前景的重大课题[2]。

数字化虚拟人体研究的国内外进展早在1989年,美国提出了“可视人体计划”[3]。1991年8 月开始进行人体结构数据的采集和三维重构。美国可视人体计划的实施在全世界引起了巨大反响。韩国、日本、德国和澳大利亚也纷纷启动了可视人体计划。其中,韩国可视人体计划的正式实施和取得的阶段性研究结果令人注目。韩国实施了可视人体5 a计划。日本2001年启动了为期10 a的人体测量国家数据库建造计划。这项计划拟于2010年完成7岁 ~90岁34 000人178个人体部位的测定,制定出日本人的人体标准数据。这项研究将在众多需要人体数据的领域产生深远影响。目前日本京华医科大学利用CT和MRI影像技术建造了“日本可视人”。

现在国外已经开发了新的计算机人体解剖模拟学习系统,建立了骨骼、肌肉和心脏等部分器官的三维模型,如华盛顿大学开发的数字解剖学家系统、汉堡大学开发的Voxel2Man系统等[4]。我国于2001年11月5日~7日,在北京香山召开了主题为“中国数字化虚拟人体的科技问题”的第174次香山科学会议,宣布了中国数字化可视人体研究的开始。中国“数字化虚拟人”将分为三个阶段实施: 第一虚拟几何人阶段。将精度很高的人体断层切削标本,用信息技术进行数字化后,加以三维重建,构成存在于计算机中的解剖虚拟人。

这一阶段的工作主要是高质量人体几何图像采集和计算机三维重构,完成基本形态学基础上的几何数字化虚拟人,有了几何数字化虚拟人,可进一步开发医学解剖教学软件、手术模拟软件。目前,我国已分别成功构建了男女解剖虚拟人数据集。第二物理虚拟人阶段。在拟人的基础上附加人体各种组织的物理学信息,如强度、抗拉伸及抗弯曲系数等,使几何数字化虚拟人体现物理学性质,构成物理虚拟人。在这一平台上可开发诸如医用钢板、各种骨折内固定器械、介入器械、人工器官(如人工关节、人工喉、人工内耳等)。由于物理学信息与几何信息的复合体具有庞大的数据量,整个人体的物理虚拟人在技术上和数据采集上有较高的难度,超出了目前科技发展的水平。因此,不同学科根据需要集中对人体局部或器官进行物理虚拟,如:虚拟膝、髋关节,虚拟喉等,用以开发出人工关节、人工喉、人工心脏等实用软件。第三生理虚拟人阶段。

将生命科学研究的成果数字化, 赋加到几何人体,这种虚拟人可以反映生长发育、新陈代谢、重现生理病理的有关规律性演变。生理虚拟人是数字虚拟人研究的最终目标,近期不可能完全实现,只能逐渐完善。但有望在不久的将来实现局部器官的生理虚拟,如将心脏的生理功能信息附加在几何和物理虚拟心脏上,在这一虚拟心脏平台上,既可模拟各种心脏手术,又可模拟各种药物对心脏的作用,从中筛选最佳手术方式和最佳用药剂量、给药方式,进行药效对比等一系列试验。当前我国在这个领域的研究工作已经解决了虚拟人的若干关键性技术问题,在人体建模基础数据积累上,提供了部分数据资料,但是这些数据的典型性、代表性、合理性和适用性, 都有待于在实际应用时进行校正和检验。作为有着13亿人口、50多个民族的大国,应当为不同人群、不同种族、不同年龄、性别的群体,建立较有代表性的人体模型,这需要一定的周期,需要大量生命科学与信息科学专家联合攻关,才有可能逐步完善,打造出具有生命活力的虚拟人。

数字化虚拟人体在解剖学教学中的应用中世纪期间产生的解剖图谱构成了医学学习的基础,过去学生通过阅读教材,看解剖图谱上的注释来学习。但解剖图谱是对人体器官三维结构的二维表达,容易使学习者对解剖结构的学习和理解受到制约。解剖图谱一般有许多个标注,细线的一端指向解剖结构,另一端注有该结构的名称,看上去非常复杂。其最大的缺陷在于缺乏某个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。数字计算机则为科学家获取、储存、利用和显示复杂图像提供了方便。利用数字化虚拟人体数据集研制成的数字形式的解剖图谱, 无需复杂的标注,只要将计算机鼠标移到某一解剖结构上,该结构的详细说明便会显示出来,并且可以显示某一部位的横断面解剖,还可将该结构立体显示,并可绕任意轴线旋转,使学生易于学习和掌握。

另外人体组织的发育过程在教学中是一个难点,非常抽象,学生通常不易理解,如果将某一组织的发育过程数字化,并通过计算机辅助的模拟技术可将其直观地显示出来,这样就便于学习和理解。数字化虚拟人体解剖教学在继承传统解剖学教学优点的基础上,可为学员提供富有多样性的主动学习的环境,具有逼真的连续断层数字化图像、鲜明的色彩及清晰的层次,有较强的人机对话功能,易建立起双向交互式人机界面,大大减少了断层影像解剖教学中烦琐的描述,使学生从被动学习转变成主动、积极、灵活的学习,也大大提高了教学效率和教学质量。人体解剖课程是医学院的最基础、最重要的课程。为了使学生掌握人的解剖结构,需要对实际的尸体进行解剖实践, 但是目前能让学生亲手做实验的尸体非常有限。为了解决尸体不足的问题,现在学生可以用虚拟手术器械解剖虚拟尸体, 并利用操纵杆、手套和其他设备的触觉强力反馈来感受到人体组织的不同质感。

学员还可以选择任一结构的三维模型将其从数字化虚拟人体中独立出来,再对其进行更精细的观察。应用动画技术可以在血管、气管中或在心室间漫游,还可以应用虚拟耳内窥镜对中耳、内耳结构进行三维立体显示。在虚拟解剖过程中如发生错误操作,学生可以返回纠正错误,当然也可以反复进行复习和训练。

由于学生们可以随时进行虚拟解剖,不需一起来到解剖学实验室进行学习,这既可以方便老师和学生,同时又可以节约宝贵的尸体标本并减少其他器械如手套和刀片等的消耗,为学校和教研室减轻经济负担。随着数字化虚拟人体数据集的建立,计算机模拟人体将为解剖学的教学提供革命性的变化,它将为古老的人体解剖学科带来一次划时代的革命。进一步要做的工作是要获取更多例数的人体结构数据集,进行观测和统计;对重要的器官, 获取更为细致的数据资料;完成人体结构的细致分割、重建和显示;建立计算机解剖学教学和实习操作系统等。

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