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摘 要:本文的目的是探索数字化三维重建技术对辅助解剖教学的作用。
关键词:数字化三维重建解剖教学
中图分类号:G642 文献标识码:A 文章编号:1673-9795(2011)05(a)-0069-01
随着计算机技术在医学领域的广泛应用,计算机辅助教学在医学院校变得越来越重要。计算机辅助医学的基础是解剖学,现有的解剖学知识和数据是通过将人体剖切开以后进行观察和测量得来的,常规的教学手段,如使用书本和插图教学、实际尸体解剖示教等都有很大的局限性。数字化三维虚拟解剖模型能形象逼真地再现三维解剖结构、畸形特征及毗邻结构的空间关系,动态旋转观察、任意剖面显示的“无损伤活体电子解剖”,让学生可以更快、更便捷地了解人体组织器官的基本形态及不同剖面解剖结构。
1 三维模型重建
现代医学扫描设备快速发展,可以高效的扫描人体组织,得到二维断层扫描图像(如CT、MRI),然后利用医学图像处理技术和三维图形建模技术重建组织器官的三维模型。目前,人体组织成像最清晰的是CT扫描的骨骼组织的图像。本文重点阐述骨组织的三维重建技术。
用于解剖教学时,需要明确分离出各个独立的骨骼组织模型。但是,由于扫描数据分辨率本身的限制和解剖结构之间相互渗透,各骨边界在CT扫描图像上并不清晰,比如牙齿的牙根部分嵌入在颌骨之中,颞骨和颧骨之间基本上是连成一块的,边界非常模糊。因此,准确地分割、提取出医学图像中诸骨各自独立的兴趣区域是一个技术难点。
本文采用基本图像分割技术与高级图像分割技术相结合、自动分割技术与手工交互相结合的方法解决这一问题。首先,利用阈值法分割出所有骨组织的整体兴趣区域。然后由经验丰富的医师参照传统解剖图谱,在扫描图像X、Y、Z三个方向的插值图层上找边界可辨识处、交互建立相邻骨块之间的边界曲线,得到一组不连续的、非封闭的边界曲线,然后输入专门设计的局部边界曲线演化算法,结合图像的灰度和梯度信息,将这些不连续的边界曲线连接扩展为边界曲面,生成诸骨各自独立的兴趣区域。最后,再由经验丰富的医师参照传统解剖图谱的解剖知识和拓扑信息,对分割结果做手工交互修改,改进相邻骨块之间的边界以及各种腔、窦的解剖结构,提高图像分割的准确性。如图1显示了两个典型的三维骨组织重建模型,可以看到模型具有精美的外形和各种腔、窦的解剖结构。
2 解剖教学与应用
人体解剖课程是医学院的最基础、最重要的课程。现在的解剖图谱已构成了医学学习的基础,学生们通过阅读教材,看解剖图谱的讲解来学习。然而解剖图谱是对人体器官三维结构的二维表达,制约了学习者对解剖结构的学习和理解。解剖图谱有很多的标注,细线一端指向结构,另一端是名称,看上去十分繁琐,复杂。有时,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,同时操作上也有很多限制。
本文初步进行了利用数字化三维重建模型进行辅助教育的实践,选取某医学院的口腔颌面部解剖教学进行两个班的教学实验对比,A班使用传统的书本和插图的方式进行教学,B班使用数字化三维重建模型进行辅助教学。结果课后B班学生们普遍反映使用数字化三维模型进行教学的课堂气氛活跃,学习的积极性高,知识点掌握得透彻。
总的来说,数字化虚拟三维解剖模型可以形象逼真地再现各种组织器官的解剖结构、畸形特征及毗邻结构的空间关系,动态旋转观察、任意剖面显示的“无损伤活体电子解剖”[1～2],可以对器官组织的三维重建图像进行鸟瞰或深入其内部观察、拆分和组合等,能获得在实际尸体解剖示教时难以达到的教学效果,学生可以更快、更便捷地了解各种组织器官的基本形态及不同剖面解剖结构。同时,可以部分代替尸体标本的解剖实验,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。另外,数字化虚拟三维模型不但可以用于辅助教师教学,也可用于学生自学,可为学生提供富有多样性的主动学习的环境,教学和学习活动的空间和时间得到了无形扩展,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。
3 结语
计算机辅助医学的基础是解剖学,现有的解剖学知识和数据是通过将人体剖切开以后进行观察和测量得来的,常规的教学手段,如使用书本和插图教学、实际尸体解剖示教等都有很大的局限性。随着数字化虚拟人技术的发展,计算机模拟人体将为解剖学的教学提供革命性的变化,为古老的人体解剖学科带来一次划时代的革命。实践证明,使用数字化三维解剖模型进行解剖教学,能大大提高学生的学习主动性和学习兴趣,明显改善教学效果,提高教学效率。
参考文献
[1] 钟世镇.“虚拟中国人”(VCH)切片建模研究进展[J].中国临床解剖学杂,2002,20(5):323～328.
[2] 李七渝,张绍祥,王平安,等.人体大脑数字化解剖模型的构建及可视化[J].解剖学报,2005,36(6):638～641.
关键词:数字化三维重建解剖教学
中图分类号:G642 文献标识码:A 文章编号:1673-9795(2011)05(a)-0069-01
随着计算机技术在医学领域的广泛应用,计算机辅助教学在医学院校变得越来越重要。计算机辅助医学的基础是解剖学,现有的解剖学知识和数据是通过将人体剖切开以后进行观察和测量得来的,常规的教学手段,如使用书本和插图教学、实际尸体解剖示教等都有很大的局限性。数字化三维虚拟解剖模型能形象逼真地再现三维解剖结构、畸形特征及毗邻结构的空间关系,动态旋转观察、任意剖面显示的“无损伤活体电子解剖”,让学生可以更快、更便捷地了解人体组织器官的基本形态及不同剖面解剖结构。
1 三维模型重建
现代医学扫描设备快速发展,可以高效的扫描人体组织,得到二维断层扫描图像(如CT、MRI),然后利用医学图像处理技术和三维图形建模技术重建组织器官的三维模型。目前,人体组织成像最清晰的是CT扫描的骨骼组织的图像。本文重点阐述骨组织的三维重建技术。
用于解剖教学时,需要明确分离出各个独立的骨骼组织模型。但是,由于扫描数据分辨率本身的限制和解剖结构之间相互渗透,各骨边界在CT扫描图像上并不清晰,比如牙齿的牙根部分嵌入在颌骨之中,颞骨和颧骨之间基本上是连成一块的,边界非常模糊。因此,准确地分割、提取出医学图像中诸骨各自独立的兴趣区域是一个技术难点。
本文采用基本图像分割技术与高级图像分割技术相结合、自动分割技术与手工交互相结合的方法解决这一问题。首先,利用阈值法分割出所有骨组织的整体兴趣区域。然后由经验丰富的医师参照传统解剖图谱,在扫描图像X、Y、Z三个方向的插值图层上找边界可辨识处、交互建立相邻骨块之间的边界曲线,得到一组不连续的、非封闭的边界曲线,然后输入专门设计的局部边界曲线演化算法,结合图像的灰度和梯度信息,将这些不连续的边界曲线连接扩展为边界曲面,生成诸骨各自独立的兴趣区域。最后,再由经验丰富的医师参照传统解剖图谱的解剖知识和拓扑信息,对分割结果做手工交互修改,改进相邻骨块之间的边界以及各种腔、窦的解剖结构,提高图像分割的准确性。如图1显示了两个典型的三维骨组织重建模型,可以看到模型具有精美的外形和各种腔、窦的解剖结构。
2 解剖教学与应用
人体解剖课程是医学院的最基础、最重要的课程。现在的解剖图谱已构成了医学学习的基础,学生们通过阅读教材,看解剖图谱的讲解来学习。然而解剖图谱是对人体器官三维结构的二维表达,制约了学习者对解剖结构的学习和理解。解剖图谱有很多的标注,细线一端指向结构,另一端是名称,看上去十分繁琐,复杂。有时,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,同时操作上也有很多限制。
本文初步进行了利用数字化三维重建模型进行辅助教育的实践,选取某医学院的口腔颌面部解剖教学进行两个班的教学实验对比,A班使用传统的书本和插图的方式进行教学,B班使用数字化三维重建模型进行辅助教学。结果课后B班学生们普遍反映使用数字化三维模型进行教学的课堂气氛活跃,学习的积极性高,知识点掌握得透彻。
总的来说,数字化虚拟三维解剖模型可以形象逼真地再现各种组织器官的解剖结构、畸形特征及毗邻结构的空间关系,动态旋转观察、任意剖面显示的“无损伤活体电子解剖”[1～2],可以对器官组织的三维重建图像进行鸟瞰或深入其内部观察、拆分和组合等,能获得在实际尸体解剖示教时难以达到的教学效果,学生可以更快、更便捷地了解各种组织器官的基本形态及不同剖面解剖结构。同时,可以部分代替尸体标本的解剖实验,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。另外,数字化虚拟三维模型不但可以用于辅助教师教学,也可用于学生自学,可为学生提供富有多样性的主动学习的环境,教学和学习活动的空间和时间得到了无形扩展,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。
3 结语
计算机辅助医学的基础是解剖学,现有的解剖学知识和数据是通过将人体剖切开以后进行观察和测量得来的,常规的教学手段,如使用书本和插图教学、实际尸体解剖示教等都有很大的局限性。随着数字化虚拟人技术的发展,计算机模拟人体将为解剖学的教学提供革命性的变化,为古老的人体解剖学科带来一次划时代的革命。实践证明,使用数字化三维解剖模型进行解剖教学,能大大提高学生的学习主动性和学习兴趣,明显改善教学效果,提高教学效率。
参考文献
[1] 钟世镇.“虚拟中国人”(VCH)切片建模研究进展[J].中国临床解剖学杂,2002,20(5):323～328.
[2] 李七渝,张绍祥,王平安,等.人体大脑数字化解剖模型的构建及可视化[J].解剖学报,2005,36(6):638～641.