数字化3D可旋转人体实物心脏标本的构建及APP的制作与应用分析

王晴晴，孟令丙，刘慧兵，刘 宇，吴沂璇，樊 平(河北医科大学基础医学院人体解剖学教研室，河北 石家庄 050017)

·论 著·

数字化3D可旋转人体实物心脏标本的构建及APP的制作与应用分析

王晴晴，孟令丙，刘慧兵，刘 宇，吴沂璇，樊 平*
(河北医科大学基础医学院人体解剖学教研室，河北 石家庄 050017)

目的通过精细解剖人体心脏，对其拍照，运用多媒体技术生成三维立体可旋转的数字化心脏标本，以网页和APP的形式展现，为医学生和临床实践提供指导。方法①解剖心脏，涂染血管；②编写剧本，介绍标本，完成录音；③标本置于转盘上，进行360 °拍照，合成3D可旋转心脏标本，插入剧本和录音，制作网页版课件和手机APP软件；④对手机APP使用情况进行问卷调查。结果网页版课件和APP制作成功,通过问卷调查网页版课件和APP有助于更好的学习心脏解剖。结论经问卷数据分析，3D实物心脏标本可适用于临床专业教学，便于对心脏结构的学习和理解。

标本制备；心脏；教学

心脏是人体心血管系统中的重要器官，目前的主流标本展示主要以传统教学使用的实物图谱、实物标本和3D虚拟的模型为主，单纯的图谱往往不够生动，易产生审美疲劳，而实物标本不易随时观察，3D虚拟模型与真实标本之间有偏差，无法真实的呈现实物标本。传统教学存在教学模式单一、表达手段和一次传达信息量有限的不足[1]，而多媒体技术集图、文、声、像于一体,使单一的书本知识变得立体,打破了传统教学模式,能够刺激学生的感官器官,激发学生学习兴趣,很大程度上提高了学习效率[2]。近年来随着信息技术的迅猛发展，数字化信息已经渗透到诸多领域，人们的工作、学习及生活方式也发生了变化；随着科学技术的不断进步，全世界智能手机的用户量也迅猛增加，智能手机已经在我国普及；APP是application program的英文缩写，现多指应用于智能手机、平板电脑等移动终端用户的应用程序，也常常成为移动客户端。智能手机使用人群的迅猛增多，使APP的数量和下载量迅速增加[3]。因此，本研究将人体实物心脏标本与3D技术相结合，利用数字化技术将标本以三维立体动态球形全景图的形式生动展现心脏的精细解剖结构，通过制作成网页版课件和手机APP软件方便医学生学习心脏解剖结构以及为临床医生心外科手术、心脏介入治疗等提供基础理论依据。

1 材料与方法

1.1 标本材料 福尔马林固定、保存完好的心脏标本10个，标本来自河北医科大学人体解剖学教研室。

1.2 器材及试剂 解剖用不锈钢方盘，止血钳，镊子，剪刀，解剖刀，转盘，自制心脏固定装置，照相机，双氧水，毛笔，丙烯画染料，丙烯调和剂。

1.3 多媒体技术 Photoshop，绘声绘影X7，Frontpage，Eclipse，罗兰声卡，麦克风，耳麦。

1.4 标本的解剖 取用福尔马林浸泡的人体心脏，将心包去除，心脏表面、主动脉、肺动脉、肺静脉和上下腔静脉修洁干净，修洁时注意时常更换刀片，以免刀片变钝影响修洁。

心血管具有主干位置表浅、末梢深入肌层之中的解剖学特征，解剖过程不需要像肢体血管那样切开肌肉，分离肌肉，故操作时关键是要清除干净冠状沟、室间沟及血管周围的脂肪和整个心外膜。针对较难清除的脂肪组织，使用干棉花或纱布等擦拭，注意用力要轻，不然易伤及血管和心肌纤维。如果仍存在脂肪，可用干棉花蘸丙酮和二甲苯湿敷，几分钟后再更换，如此反复进行，直到心表面的脂肪完全清除为止。或者把心脏直接放入丙酮或二甲苯中脱去脂肪，待心血管周围的脂肪脱净后再拿出冲洗干净。由于有心肌作背景，此法制作的标本能较清楚地显示出心血管走形、分支和分布范围以及心血管与心脏外形结构的毗邻关系[4]。

其中1例心脏将供应心的左右冠状动脉及其分支分离干净，观察冠状动脉的分支以及分布范围(图1A)；1例心脏将右心房打开，观察右心房内部解剖结构(图1B)；1例心脏将右心室打开，观察右心室内部解剖结构(图1C)；1例心脏打开左心室，观察左心室内部解剖结构(图1D)；1例心脏将左右心房和主动脉肺动脉去掉，观察心脏的纤维性支架(图1E)；1例心脏将主动脉弓从根部取出，沿主动脉弓矢状位剪开，暴露主动脉瓣，观察主动脉瓣和左右冠状动脉的开口(图1F)。标本修洁干净，结构暴露清楚后，放入10%双氧水中漂白4～5 d。之后小心取出，用纱布吸去多余水分，保持心脏表面干燥，用丙烯调和剂将丙烯画染料稀释，用毛笔蘸取稀释染料，对心脏血管进行染色。待标本颜料干燥后，将之放入合适大小的标本缸中，并倒入5%福尔马林溶液密封保存[5]。

图1 心脏标本A.心的血管;B.右心房;C.右心室;D.左心室;E.心纤维性支架;F.主动脉瓣Figure1 Heartspecimen

1.5 剧本的编写与录音 心脏介绍剧本从心的整体观、心的血管、心纤维性支架和心壁、心的传导系统、右心房、右心室、左心房、左心室、血液循环9个方面进行编写，以语言通俗易懂为基础，方便医学人员和非医学专业人员理解[6]。剧本完成后在安静环境下录音。

1.6 标本拍照 将心脏固定于自制固定装置(图2)上，放于转盘中，使心脏的重心在转盘中央。启动转盘，对标本进行360 °拍照。

通过散射反射光和透射光拍摄心脏标本。使用反光板和透射光为心脏标本提供照明光线。用透射光照射心脏标本，能减少阴影并增加心脏标本的质感。用两盏灯从不同角度打在反光板上，一方面使光线反射到心脏标本上，从而形成一个均匀的色调，另一方面标本正面可以获得不同亮度的散射光线。在拍摄过程中为了增加立体感，延迟景深，使用小光圈[7]。

图2 心脏固定装置

Figure 2 Fixing device of heart

1.7 网页版课件和手机APP的制作 运用 Photoshop处理照片，绘声绘影X7编制动画并插入剧本文字和录音，Frontpage进行网页版课件制作，Eclipse进行APP制作，网页版课件可在电脑上应用，APP可在手机上应用。

1.8 进行问卷调查 运用问卷星软件编辑问卷，其中所涉及到的主要问题有：①您觉得使用教程软件学习最大的优点？②您觉得使用教程软件学习尚存在的不足？③在使用教程软件的学习中，您对所讲知识内容的掌握程度?④您对使用教程软件的满意程度？⑤使用教程软件对您学习的帮助程度？

随着互联网技术的成熟与普及,人们的日常工作、生活以及学习都深受网络的影响。人们也越来越关注网络调查问卷,对其应用也越来越多。近几年来,国内外科学实验也采用网络问卷进行实验结果调查和分析，取得了一定成果[8]。故本研究使用网络调查方法对120名医学生、医学工作者和非医学生进行关于3D心脏教程软件使用效果问卷调查。

问卷回收之后，采用问卷星自带的数据统计软件对所得的数据进行折线、条形、饼状图分析，经比较，折线图更易反映数据的变化趋势，之后将其输出为word以便分析。

2 结 果

2.1 心脏的变异 在心脏标本制作过程中，发现1例动脉导管未闭和椎动脉变异(椎动脉直接源于主动脉弓，正常情况下椎动脉于前斜角肌内侧起自锁骨下动脉上壁)的心脏，将之修洁好后，用福尔马林浸泡保存于标本缸中，此心脏极具教学、科研、科普价值，将摆放于人体科学馆以供参观，可提高教学效果，培养创新思维，增强保健意识。

2.2 网页版课件和手机APP 3D心脏标本制作 打开网页课件或手机APP出现主界面(图3)。①分为9个部分(左心房、整体观、右心房、左心室、血液循环、右心室、心的传导系统、心纤维性支架和心壁、心的血管)，都可点击打开,分别查看其具体内容。②每一部分又分为文字说明、图片教程和动画讲解3个方面，点击打开可学习详细内容。点击整体观，出现整体观界面(图4)，点击文字说明，可看到对心脏整体观的介绍；点击图片教程，可观察心脏整体观的照片；点击动画讲解，出现旋转的实物心脏标本，拉线标出各个具体结构，介绍文字滚动出现，同时播放录音(其余同理)。

图3 主界面

Figure 3 The mail interface

图4 整体观界面

Figure 4 The inferface of the wholeview

2.3 问卷调查 关于3D心脏教程软件使用效果问卷调查的结果：本研究总共调查120人，调查对象涉及医学生、医学工作者、非医学生。其中62.5%的人没有使用过类似的教程软件,50%的人对其使用效果感到满意(图5)，92.5%的人认为使用该软件对自己的心脏学习有帮助，97%的人使用该软件后提高了学习兴趣，调查对象认为该教程存在的不足(图6),调查对象认为该教程的主要优点(图7)。

图5 主界面

Figure 5 The main interface

图6 主界面

Figure 6 The main interface

图7 主界面

Figure 7 The main interface

3 讨 论

3.1 动脉导管未闭 动脉导管为胎儿时期主动脉和肺动脉之间的血流通道,胎儿时期动脉导管被动开放是血液循环的重要通道，它分流了超过一半的右心室摄血量绕过未膨胀的肺进入脐循环进行气体交换，为胎儿提供足量的氧气，确保胎儿在宫内的正常发育。正常新生儿出生后，大约15 h即可发生功能性关闭,3个月达解剖性关闭。如果动脉导管持续开放,可产生病理生理变化，即为动脉导管未闭(patent ductus arteriosus, PDA),是小儿先天性心脏病常见类型之一,占先天性心脏病发病总数的10%[9]。但在一些先天性心脏病中，未闭的动脉导管可作为患儿必需的血流通道，关闭可致死亡。由于主动脉在收缩期和舒张期的压力均超过肺动脉，通过未闭的动脉导管血液不断从左向右分流，使肺循环及左心房、左心室、升主动脉的血流量明显增加，左心负荷加重，甚至发生充血性心力衰竭。应及时手术或经介入方法予以关闭。但当负荷过多、肺动脉压超过主动脉压时，产生肺动脉血流逆向分流入主动脉，患儿呈现差异性发绀，下半身青紫，左上肢有轻度青紫，而右上肢正常，即艾森门格综合征[10]。临床经验表明艾森门格综合征患者接受手术治疗的生存时间反而短于未行手术者，由此引出了临床工作中的一个非常关键的问题，就是如何判断一名患者是否存在手术指征。随着心导管介入技术的不断进步，利用镍钛封堵器闭合动脉导管已成为治疗动脉导管未闭的首选方法，传统介入治疗通过穿刺股动静脉，建立双通路，术中利用主动脉弓降部造影测量PDA内径来选择封堵器的尺寸，并对其进行定位，在长期临床实践中，此法存在一定的潜在并发症。目前临床研究证明，经胸超声心动图直接指导PDA封堵术是一种可行、有效、便捷的方法，尤其适用于小儿[11]。

3.2 椎动脉变异 根据资料统计，椎动脉起源于主动脉弓的约占椎动脉起源变异中的3.2%～4.2%，左侧椎动脉直接起源于主动脉弓属于主动脉弓分支类型中的C型，是3种常见变异类型中较少见的一种[12]。椎动脉起自锁骨下动脉第1段，向上依次穿经第6至第1颈椎的横突孔后，沿寰椎侧块上关节面后方的椎动脉沟内行，穿硬脑膜及蛛网膜进入蛛网膜下腔。入颅腔后沿延髓的腹侧达斜坡，在脑桥下缘，左右椎动脉汇合成一条基底动脉并经脑桥腹侧的基底动脉沟至脑桥上缘供大脑后部、小脑及脑干，最后分为左右大脑后动脉两大分支[13]，主要营养脑、脊髓和位听器。椎动脉开始于胚胎的发生,由背主动脉的分支演变而来。背主动脉发出约30 对背侧节间动脉,椎动脉在离背主动脉本干不远处,由连接颈部节间动脉的纵行血管吻合支演变而来[14]。该变异导致椎动脉压力过高，血流动力学发生改变，可能成为脑内动脉瘤、脑出血的病因。

临床在行颈根部手术和穿刺时，若存在左椎动脉起源异常，应注意避免损伤异常的椎动脉，而且进行椎动脉血管造影时也应注意椎动脉变异的存在。研究表明，彩色多普勒超声能够准确地判断先天性椎动脉变异,并为探究椎基底动脉供血不足的病因提供影像学依据[15]。

相反，由于直接起源于主动脉弓的椎动脉内血液营养供氧丰富、压力增高，椎动脉狭窄、椎动脉硬化、椎动脉供血不足、椎动脉栓塞、脑供血不足、脊髓萎缩、位听器疾病等发生的概率在此种变异的人中可能会大大降低。非椎动脉变异的人若发生上述疾病，在当前技术手段治疗无效的情况下，可以考虑椎动脉搭桥于左锁骨下动脉上游部位或主动脉弓。

3.3 网页版课件和手机APP的优势 医学院校的传统教学模式主要依赖于老师讲课、板书、挂图及物理模型等授课方式，在课堂上对学生进行面对面教学。一些教学难点、重点和抽象的概念，无法生动形象表达，使学生难以理解并形成深刻的印象。而网页版课件和手机APP融合了声、光、色、动画，具有媒体融合性、交互智能性和信息扩张性等特点，具有多角度、多层面、多变化的立体演示特点，使抽象的知识更加生动地呈现出来。

虚拟的模型在表达人体心脏结构的色度、形态时会与实物标本有所差异，医学生运用虚拟模型学习时会面临在实物标本中很难准确快速定位的问题。将实物标本与3D技术相结合，利用数字化技术将心脏标本以三维立体动态互动球形全景图的形式展现在医学生面前，可以成功地解决虚实差异所带来的问题。其次手机便于携带，随时随地可以打开APP进行学习。

3.4 关于3D心脏教程软件使用效果问卷调查 目前62.5%的人没有使用过类似的教程软件，表明制作3D心脏教程软件很有开发前景；大部分人对其使用效果感到满意，92.5%的人认为使用该软件对自己的心脏学习有帮助，表明该心脏教程极具使用价值，适用于临床专业教学，便于心脏的学习和理解；该教程有很多优点，便于携带，生动形象，感官性强，可以激发对心脏知识的学习兴趣；但是仍有需要改进的地方，占据的手机内存较大，界面美观程度有待提高，缺乏传统教学中的互动环节，所以建议软件与传统教学取长补短，相互结合[16]。

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(本文编辑：刘斯静)

Construction of digital 3D rotatable human heart specimen and the application program

WANG Qing-qing, MENG Ling-bing, LIU Hui-bing, LIU Yu, WU Yi-xuan, FAN Ping*
(DepartmentofAnatomy，theSchoolofBasicMedical,HebeiMedicalUniversity,Shijiazhuang050017,China)

Objective To provide guidance for medical students and clinical practice through the fine anatomy of the human heart and taking the pictures of the specimen, as well as by using multimedia technology to generate three-dimensional rotating digital images in the form of web pages and APP. Methods ①Dissect the hearts and paint the blood vessel. ②Introduce the specimen,write scripts and record it. ③Place the specimen on the turn-table, photo it for 360 degrees, insert the script and recordings,make web page version of the course-ware and mobile APP software. Results The web page version of the course-ware and mobile APP software were made successfully, through the questionnaire, the web page version of the course-ware and mobile APP help to better study the heart. Conclusion Through the questionnaire data analysis, three-dimensional physical heart specimen is suitable to clinical teaching, which is convenient for learning and understanding the hearts.

specimen handling； heart； teaching

2016-10-27；

2017-02-23

河北医科大学大学生创新性实验计划资助项目(USIP201529A)

王晴晴(1994-)，女，河北保定人，河北医科大学2013级临床医学专业本科生。

*通讯作者。E-mail:pingfan@hebmu.edu.cn

R322.34

A

1007-3205(2017)04-0373-05

10.3969/j.issn.1007-3205.2017.04.001