李 琨 李志軍△ 張少杰# 王 星 高 尚 孫 昊 熊 峰 徐雪彬

（內(nèi)蒙古醫(yī)科大學(xué)，1 人體解剖學(xué)教研室，2 學(xué)生工作管理處，呼和浩特 010000）

近年隨著圖像處理及虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用，“數(shù)字化可視人”應(yīng)運(yùn)而生。其運(yùn)用數(shù)控冷凍銑削技術(shù)獲取真實(shí)人體的高清、連續(xù)超薄層斷面，在計(jì)算機(jī)軟件上創(chuàng)建真實(shí)人體結(jié)構(gòu)三維模型。先進(jìn)的數(shù)字化技術(shù)可對(duì)以往尸體標(biāo)本解剖及臨床影像學(xué)研究難以實(shí)現(xiàn)內(nèi)容進(jìn)行定性、定量測(cè)量及各類模擬實(shí)驗(yàn)[1，2]。美國(guó)于1989年率先開(kāi)啟“可視人計(jì)劃”（VHP）[3]；我國(guó)于2001年揭開(kāi)了數(shù)字化虛擬人研究序幕，獲得了國(guó)人成人數(shù)字化男性及女性數(shù)據(jù)集，并進(jìn)行可視化重建[4]；之后山東大學(xué)又獲得了胎兒斷面二維圖像數(shù)據(jù)集，創(chuàng)建了國(guó)內(nèi)首個(gè)基于胎兒標(biāo)本的可視化模型[5]。這些成果提供了完整、系統(tǒng)、精細(xì)的國(guó)人數(shù)字人標(biāo)本數(shù)據(jù)庫(kù)，而對(duì)于兒童全身銑切標(biāo)本未見(jiàn)報(bào)道。兒童與成人在生長(zhǎng)發(fā)育中存在著較大差異，現(xiàn)有教學(xué)資源遠(yuǎn)不能滿足兒童解剖教學(xué)使用。鑒于此，2019年內(nèi)蒙古醫(yī)科大學(xué)李志軍教授團(tuán)隊(duì)成功獲得國(guó)內(nèi)外首例6歲幼童全身超薄斷層銑削數(shù)據(jù)，可視化重建后應(yīng)用于教學(xué)，其不僅更全面展示了兒童發(fā)育形態(tài)特征，同時(shí)促進(jìn)了二維與三維、科研與教學(xué)、基礎(chǔ)與臨床“三結(jié)合”[6]。

1 兒童數(shù)字化可視人的創(chuàng)建

選取6歲男性兒童標(biāo)本1具，身高1.14 m，體質(zhì)量23 kg，發(fā)育中等，無(wú)重大疾病或畸形，標(biāo)本保存完好，皮膚無(wú)破損，標(biāo)本由內(nèi)蒙古醫(yī)科大學(xué)人體解剖學(xué)實(shí)驗(yàn)室提供。將童尸標(biāo)本取自然位置，不做人為改變以免破壞內(nèi)部結(jié)構(gòu)的位置及完整性，經(jīng)定型、冷凍、包埋置入-25℃冷庫(kù)冰凍2～3周直至完全凍硬。將凍硬的標(biāo)本放入包埋容器內(nèi)，用5.0%明膠溶液冷凍包埋，并置于低溫實(shí)驗(yàn)室銑床平臺(tái)上，四周用專用夾具固定防止移位。使用閉環(huán)數(shù)控操作系統(tǒng)行無(wú)鋸損從足到頭的順序逐層銑切，厚度設(shè)定為0.10 mm。銑切過(guò)程中逐層數(shù)碼拍照，完成標(biāo)本斷面圖像的采集，將銑切的橫斷面圖像利用計(jì)算機(jī)技術(shù)分別生成冠狀面和矢狀面圖像（圖1、2）。圖像分辨率高，解剖結(jié)構(gòu)清晰，能夠連續(xù)、真彩色、無(wú)損顯示兒童斷層解剖結(jié)構(gòu)，超過(guò)了現(xiàn)有的兒童解剖圖像。利用山東數(shù)字人公司自主研發(fā)的三維重建軟件包行兒童結(jié)構(gòu)的三維重建和可視化立體顯示，可達(dá)到對(duì)“真實(shí)兒童”準(zhǔn)確模擬，可以顯示“真實(shí)兒童”的各個(gè)子系統(tǒng)。

圖1 兒童頭部（A）、胸部（B）和腹部（C）斷層橫斷位圖像.

2 兒童數(shù)字化可視人的特點(diǎn)及與成人數(shù)字化可視人的差異

隨著國(guó)家“二孩政策”的放開(kāi)，社會(huì)對(duì)兒科醫(yī)護(hù)、預(yù)防保健及科研人員的需求將不斷擴(kuò)大，隨之而來(lái)所面臨的的亟待解決的難題是所需各專業(yè)對(duì)兒童解剖結(jié)構(gòu)的深入認(rèn)識(shí)與掌握。兒童不是成人“等比例縮小”，出生后形態(tài)結(jié)構(gòu)、發(fā)育特征和生理變化等均有其自身的特征和規(guī)律，如骨發(fā)育中的骨化中心、顱面比、囟門(mén)與顱縫骨化；內(nèi)臟各器官的形態(tài)、大小、毗鄰等都與成人不同。而成人特有的顱-頸曲度及比例、以及多個(gè)小關(guān)節(jié)及軟骨、韌帶等則多在0～6周歲期逐漸形成。現(xiàn)有的成人數(shù)字化可視人以銑削的成人尸體標(biāo)本為基準(zhǔn)，其所構(gòu)建的可視人不具備兒童發(fā)育解剖的特點(diǎn)，不能應(yīng)用于兒童解剖教學(xué)。

兒童數(shù)字化可視人是通過(guò)銑削國(guó)內(nèi)外首例6歲兒童尸體獲取數(shù)據(jù)集，從而構(gòu)建的真實(shí)兒童三維可視化模型。在圖像分割時(shí)，根據(jù)兒童發(fā)育中特有的骨化中心、軟骨結(jié)合、韌帶等在真彩色斷面逐幅行感興趣部位微結(jié)構(gòu)的識(shí)別與分割，因此，經(jīng)分割后重建出來(lái)的是具有兒童自身特征的三維模型，更真實(shí)地反映兒童各結(jié)構(gòu)器官的位置、形態(tài)、大小及毗鄰。

3 超薄切片及先進(jìn)技術(shù)的應(yīng)用提高了兒童數(shù)字化可視人的質(zhì)量

當(dāng)前對(duì)于兒童解剖學(xué)的研究成果相對(duì)較少，兒童斷面解剖多是照片或影像，且大多來(lái)自不同的標(biāo)本，缺乏斷面的連續(xù)性。此外，受斷面層厚影響，一些精細(xì)結(jié)構(gòu)會(huì)丟失；根據(jù)影像資料建立的三維圖像中大量的軟組織（神經(jīng)、血管等結(jié)構(gòu)）由于密度、灰度值相近而不能充分分割顯示。而基于中國(guó)兒童數(shù)字人數(shù)據(jù)集的二維斷層圖像相較于傳統(tǒng)方式獲得的圖像有著以下有點(diǎn)：層厚和層間距較薄，組織結(jié)構(gòu)無(wú)丟失；標(biāo)本經(jīng)冰凍切片處理，器官組織無(wú)扭曲變形；高分辨率和高清晰度的圖像；圖像中器官組織的顏色、質(zhì)地和紋理與真實(shí)結(jié)構(gòu)相同等。其二維斷面及三維重建的解剖結(jié)構(gòu)清晰精準(zhǔn)，能精確真實(shí)地顯示組織、肌骨、血管、神經(jīng)等細(xì)微解剖結(jié)構(gòu)，有利于觀察各器官的結(jié)構(gòu)形態(tài)和空間位置。高清晰無(wú)損連續(xù)薄層斷面圖像，使以往受到斷層解剖技術(shù)限制而難以識(shí)別的組織結(jié)構(gòu)清晰顯示，且可以在連續(xù)斷面追蹤其形態(tài)、走行、毗鄰。

目前各醫(yī)學(xué)高校兒童解剖教學(xué)軟件多為虛擬模型，兒童可視化數(shù)字人能夠顯示真實(shí)兒童各斷面及三維結(jié)構(gòu)，目前仍屬國(guó)內(nèi)首次，對(duì)教學(xué)具有開(kāi)創(chuàng)性意義。將之應(yīng)用于正常兒童各系統(tǒng)形態(tài)發(fā)育的解剖教學(xué)亦是首次。根據(jù)中國(guó)兒童數(shù)字人數(shù)據(jù)集建立兒童三維可視化模型可提供更加立體、直觀、現(xiàn)實(shí)的解剖學(xué)信息，有助于臨床醫(yī)生對(duì)手術(shù)部位周?chē)徑Y(jié)構(gòu)行立體全面的了解，進(jìn)而更加精確地診斷疾病，減少?gòu)?fù)雜疾病的漏診和誤診。作為醫(yī)學(xué)研究的基礎(chǔ)與技術(shù)支撐，數(shù)字化可視人體數(shù)據(jù)集為醫(yī)學(xué)研究提供精準(zhǔn)的數(shù)字化模型，降低了傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)研究的難度，提升了醫(yī)學(xué)研究的質(zhì)量和水準(zhǔn)，為兒童解剖學(xué)發(fā)展提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

4 兒童數(shù)字化可視人的應(yīng)用及效果

本系統(tǒng)在本校實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放項(xiàng)目的解剖學(xué)教學(xué)改革中應(yīng)用，授課對(duì)象為隨機(jī)抽取的本校五年制臨床醫(yī)學(xué)專業(yè)學(xué)生，共30人。將中國(guó)兒童數(shù)字人數(shù)據(jù)集及該兒童的CT、MRI影像資料拷貝到學(xué)生電腦中，學(xué)生對(duì)可視化兒童數(shù)據(jù)集具有代表性斷面圖像進(jìn)行解剖結(jié)構(gòu)的識(shí)別，詳細(xì)觀察各斷面上兒童結(jié)構(gòu)的形態(tài)及其周?chē)?，并與相應(yīng)的CT、MRI圖像對(duì)照逐片觀察，分析斷層圖片、CT及MRI在兒童結(jié)構(gòu)顯示上的特點(diǎn)。在教師指導(dǎo)下，利用計(jì)算機(jī)軟件重建兒童可視化模型，通過(guò)對(duì)各微小結(jié)構(gòu)（如神經(jīng)、血管）的追蹤掌握其走行規(guī)律，通過(guò)對(duì)器官臟器的多角度、多方向觀察掌握其位置、形態(tài)、大小、毗鄰。在傳統(tǒng)解剖學(xué)課堂中引入的兒童數(shù)字化可視人受到了學(xué)生的歡迎，學(xué)生通過(guò)在兒童斷層圖片上標(biāo)識(shí)結(jié)構(gòu)及重建模型培養(yǎng)了學(xué)習(xí)能力，更加扎實(shí)地掌握了兒童的解剖結(jié)構(gòu)，為之后要學(xué)習(xí)的兒科方向?qū)I(yè)課打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

5 應(yīng)用兒童數(shù)字化可視人的建議

目前，數(shù)字化技術(shù)輔助教學(xué)成為實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的重要方向[7，8]。兒童可視化數(shù)字人在教學(xué)中的應(yīng)用，提升了學(xué)生的實(shí)踐能力和學(xué)習(xí)效率，激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)積極性，而且還可以節(jié)約尸體標(biāo)本、手術(shù)器械等教學(xué)資源。兒童數(shù)字化斷面解剖及可視化重建系統(tǒng)具有諸多優(yōu)勢(shì)：①國(guó)內(nèi)首例完整兒童標(biāo)本數(shù)據(jù)集，斷層圖像精準(zhǔn)度高，銑切在低溫環(huán)境避免了小結(jié)構(gòu)的脫落，保證了完整性；②虛擬可視化重建可任意角度旋轉(zhuǎn)，方便任意方向角度觀察；③不受時(shí)空限制，節(jié)約標(biāo)本，解決了尸源問(wèn)題。

如何讓學(xué)生在兒童解剖的復(fù)雜結(jié)構(gòu)和神奇功能相結(jié)合的虛擬可視化模型上學(xué)深學(xué)透，且通過(guò)“身臨其境”地學(xué)習(xí)標(biāo)本模型來(lái)鞏固解剖學(xué)知識(shí)、理論實(shí)踐相結(jié)合是當(dāng)前面臨的大課題。通過(guò)此次教學(xué)改革的實(shí)踐，在應(yīng)用中國(guó)兒童數(shù)字化數(shù)據(jù)集時(shí)筆者有以下幾點(diǎn)建議：①因數(shù)據(jù)集較大，學(xué)生在兒童解剖學(xué)課程的學(xué)習(xí)時(shí)，可利用此系統(tǒng)分組對(duì)兒童斷層圖像進(jìn)行結(jié)構(gòu)標(biāo)識(shí)與重建；②標(biāo)識(shí)的結(jié)構(gòu)應(yīng)與相對(duì)應(yīng)的CT、MRI影像資料對(duì)比分析，掌握較微小的結(jié)構(gòu)在影像資料上的顯示；③兒童二維圖像及三維重建模型與成人做對(duì)比，從而掌握兒童各器官結(jié)構(gòu)與成人的差異。作為高端模擬技術(shù)發(fā)展的新微觀方向，虛擬可視化教學(xué)將為醫(yī)學(xué)生學(xué)習(xí)兒童解剖知識(shí)及培養(yǎng)臨床兒科思維能力提供一個(gè)創(chuàng)新的途徑和手段。