3-D真人侧脑室模型构建与课件设计

杨治荣,郭智霖

(上海交通大学附属第九人民医院,上海 200011)

3-D真人侧脑室模型构建与课件设计

杨治荣,郭智霖＊

(上海交通大学附属第九人民医院,上海 200011)

目的:构建3-D侧脑室解剖课件,用于显微神经解剖教学。方法:依据神经解剖学教学大纲的要求和显微侧脑室外科临床实践中遇到的困难,对侧脑室解剖内容进行总结提炼,精心构思,应用计算机超强的建模与动画功能,对侧脑室解剖学课程进行了3-D模型构件与课件制作。结果:完成了侧脑室解剖3-D模型构建,形成中、英文两个版本的学课件,并进行了局部的实践应用,取得了良好的教学效果,受到了师生的好评。结论:3-D多媒体教学比传统教学具有明显优势,现代医学成像和影视技术的应用对教学效果的提高具有重要作用。

颅底解剖学;3-D多媒体课件;教学;教育技术

10.3969/j.issn.1002-1701.2012.11.049

神经解剖学是一门内容繁多空间结构复杂的医学形态科学。特别是侧脑室及其毗邻结构的解剖晦涩难懂是教学中的突出问题和困难所在。随着教育的发展和招生规模的扩大,以及教学标本数量的限制,又进一步加剧了教与学的矛盾。解决这一难题仅仅依赖于教师业务的提高是不够的,而且还必须借助现代化的教学手段。计算机辅助教学(Computed Assisted Instruction)多媒体课件作为一种现代的、动态的医学教育手段[1],已被各级学校所关注并成为热点。假如能把解剖利用计算机技术变为模型,进而做成动漫课件必将为神经解剖教学拓新视野。本研究本着这一思想,设计神经解剖教学多媒体CAI课件,并应用于教学实践,大大提高了学生们的感性认识,从而有效地保证了教学的质量。

一、课件设计思想及方法

认真分析神经解剖教学大纲要求的基础上,在学生中调查研究了解他们学习困难所在,确定课件内容。利用计算机技术把教学难点制成CAI课件,然后请专家评估和试教学,找出缺陷进行修改补充完善。最后以中英文两种版本定型。

(一)三维解剖模型构建。

材料:图形工作站Core中央处理器,2GB内存,256色彩色显示器,1024×768分辨率,120GB以上剩余空间;Windows XP操作系统,Maya 8.5/mimics10.01,数码照相机。头颅CT/MRI超薄层扫描DICOM格式数据文件。

资料获取:24岁健康男性自愿者,1.5T磁共振头颅矢状位薄层成像,所得T1DICOM格式原始数据为本研究的资料。成像条件:层厚1.0mm,层距 1.0mm;W×H=256×256;层数176。

图像预处理:图像的预处理包括断层图像的滤波增强、目标图像轮廓线的描绘、抠图(图像的分割)和数据的生成。在Matlab 7.0中增强和轮廓线描绘,然后利用photoshop进行图象分割,提取出目标图像。

二维图像转化为三维图形[2]:工作平台为mimics8.0,打开mimics将预处理所得bmp格式数据文件按顺序依次导入指定图层。设定图片的空间方位,使图像在mimics中的空间位置和实际空间位置统一,然后载入。生成分割组织蒙板,对分割组织进行三维重建。然后输出STL格式保存,分到此完成了三维粗模的构建。

模型转化:原始生成的粗模面数巨大,不便于和提数据关联。在不影响模型精度的基础上,对模型进行降面处理。首先,将粗模在geomagic打开,执行去除噪音点,光滑点云和重新排序点云等相关命令。相关参数设定,必须保证不改变点云图像的完整。处理后的模型导入TOPOGUN,在处理后的粗模引导下,生成低面模型。满意后以stl格式保存。

模型与体数据关联:打开maya导入本研究原始头颅MRI数据,导入低面的STL格式的模型数据,计算模型的轮廓线,并在体数据场中显示。

(二)脚本设计。

文本卡片编辑:根据构建的三维模型表现的结构编写文本,文本初稿形成交专家审阅,根据专家意见进行修改,然后开座谈会讨论定稿。保证内容的正确性。按照教育心理学的原则和计算机的特点,把文本制成卡片备用。

(三)采集音频素材。

音频素材由三部分内容组成:一是课件介绍;二是文本讲解;三是背景音乐。三者根据课件进程顺序出现。背景音乐要与界面颜色、文本内容和节奏相结合相适应。

(四)课件总体制作。

在模型、文本、音频等素材准备完成以后,进入课件总编制。总编制不是素材堆砌,而是根据教学内容进行有序编排、修改和组合。课件的制作主要在powerpoint2003中进行。

(五)课件试用和审阅。

聘请一名本专业和一名非本专业的知名教授审阅,提出修改补充意见。找10名不同学科的学生进行试教学,听取同学的反应。根据专家和学生的意见,在教学大纲的指导下修改补充完善定稿。

二、评估方法

选取40名不同年级的临床专业本科生(其中女11人)随机分成两组,每组20人,就课件所讲内容分别进行传统老师讲解授课和课件教学。课后每人发一份内容相同的考卷,在规定时间内交卷,试卷满分为100分,得80分以上者为满意,50分以下者为较差,50-80分之间为一般。考查评估他们对课件和传统教学的成绩。

三、结 果

本研究中,应用头颅MRI数据构件的侧脑室模型是课件的主要素材和评估结果。

(一)模型部分结果如下图所示。

图1 双侧侧脑室模型

图2 侧脑室及周围脑组织

(二)学生考试成绩结果。

教学满意:传统老师讲解VS课件是 3(9.9%)VS18(90%);教学效果一般:传统老师讲解VS课件是 5(25%)VS2(10%)。

四、讨 论

教育模式分为主动和被动两种模式,被动型(Passivetype)教育包括读课本、听课、看录像等[3-5]。主动型(Activetype)教育包括做实验、死体解剖和计算机模型的构建等[6-10]。尸体解剖是神经外科解剖教学的最佳手段,由于尸头标本数量的限制,尸体解剖难以在神经解剖教学中得到普及。计算机三维模型构建的3-D系统同时兼备实践主动被动两种模式的潜在功能,有望能在神经解剖教学中推广普及。

(一)课件设计思想。

媒体CAI课件是一种新的教学模式。它以文字、图片、仿真模型、声音、动画等形式把教学内容展示在学生面前。突出教学过程中学生的主动性,创造一个刺激学生学习兴趣,激发学生主动获取知识的环境。另外,又要考虑到课件将是用于神经解剖教学的课件,并通过计算机制作来完成。因此,利用计算机软件优势把最优化教学设计体现出来,作为制作神经解剖多媒体CAI课件的指导思想。

(二)三维多媒体课件在神经解剖教学中的优势。

人三维侧脑室形态不规则,解剖内容繁多,结构复杂,其空间结构用语言、文字很难描述,教师讲解吃力学生学习费劲,难以达到预期的教学效果。利用计算机软件制作的真人三维侧脑室动画课件,以三维立体的形式充分显示人侧脑室立体结构及其毗邻关系,学生可以对侧脑室各结构进行全方位的观察,更容易对侧脑室空间结构组成有一个全面的了解,使抽象问题具体化、复杂问题简单化,大大提高了学生的学习兴趣和学习效率。

(三)三维多媒体课件是传统教学的补充。

三维多媒体神经解剖课件信息量大、图像形象逼真能更好地吸引学生的注意力。但是它并不能完全代替传统的尸头解剖和老师讲解,老师能够根据学生的反应有针对性的进行讲解,还可通过生动形象的比喻引导学生的思维达到理解的目的,这是任何课件都无法实现的。因此,在运用多媒体课件时,不能忽视传统教学的优势,二者相辅相成,互为补充,在教学中将其完美结合以达到最理想的教学效果。

(四)本课件的内容和特色。

课件以Rhoton教授的幕上解剖侧脑室章节的内容为蓝本,根据三维模型表现的结构编写脚本文字和卡片。文字表述尽量做到和画面和谐统一,并为学习着营造一个优美的意境,以利于调动学生的想象力,使认知过程愉悦顺利。本课件界面设计美观简洁,操作简单,层次分明互动性强。

五、结 论

将多媒体技术与神经解剖学教学相结合,可以对一些难以想象的空间结构、难以口头描述、难以肉眼观察到的结构实现最方便、生动、形象的动态仿真,直观的展示了教学内容,让解剖学教学更加生动、有趣,极大地吸引了学生的注意力,提高了教学效果。但是,在神经教学过程中不能过分突出课件的作用,忽视教师的必要讲解,出现课件排挤教师的现象。合理安排课件内容充分发挥传统教学优势。

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Construction of three-dimensional interactive model of lateral cerebral ventricle and design of multimedia courseware

YANG Zhi-rong,GU Zhi-lin
(Department of neurosurgery,the9th hospital affiliated to shanghai jiao tong university)

Objective:To develop an interactive three-dimensional(3-D)computerized anatomic model of the lateral cerebral ventricle for teaching microneurosurgical anatomy.Methods:The three-dimensional(3-D)computerized anatomic model of the lateral cerebral ventricle was designed and constructed using software,Multimedia courseware was devised using powerpoint.Results:The 3-D model of the lateral cerebral ventricle and related structures was constructed and systematic courseware on 3-D computerized anatomic model of the lateral cerebral ventricle in both Chinese and English versions were completed and applied in teaching with good results.Conclusion:Multimedia teaching is superior to the traditional one in various aspects.The application of modern medical imaging and video technology plays an important role in improving teaching results.

anatomy;multimedia;courseware;teaching;educational technology

G423 < class="emphasis_bold">[文献标识码] A

A

1002-1701(2012)11-0089-03

＊通讯作者

2012-05

杨治荣,男,博士,主治医师,神经外科临床及基础研究。