基于VR及3D打印技術(shù)的解剖病理 仿真實驗室的構(gòu)建

楊少龍，王運登，石　斌，蒯鳳枝

(鄭州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 鄭州　451460)

1　研究背景

傳統(tǒng)的人體解剖和病理教學(xué)，理論課以掛圖、幻燈片為主，表現(xiàn)形式缺乏立體感，一些結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜的人體器官和組織很難講解清楚。實驗課存在標本匱乏、制作難度大、維護成本高等問題，而且浸泡標本的甲醛對師生的健康危害極大。標本講解過程中，學(xué)生圍攏在教師周圍，很難保證每個學(xué)生都能有最佳視角。學(xué)生實際動手解剖標本的機會非常少。

隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，本研究者用VR及3D打印技術(shù)構(gòu)建解剖病理虛擬仿真實驗室，很好地解決了以上問題，并取得了更好的教學(xué)效果。

VR又稱靈境技術(shù)，是以浸沒感、交互性構(gòu)思為基本特征的計算機高級人機界面，是近年來數(shù)字化教學(xué)的新趨勢。在VR教學(xué)應(yīng)用領(lǐng)域，空間和實時在線用戶數(shù)等方面的限制一直是制約其發(fā)展的重要原因?，F(xiàn)代計算機實現(xiàn)了VR設(shè)備的互聯(lián)互通，將高性能計算與先進的可視化相結(jié)合，VR資源共享與信息溝通，實現(xiàn)多人異地協(xié)同模式下用戶之間的高效溝通和“教、學(xué)、考、練”環(huán)節(jié)的全覆蓋，從而徹底改變了專業(yè)VR交互實踐教學(xué)體驗，便于用戶進行學(xué)習(xí)。VR技術(shù)可以將標本數(shù)字化，隨意地進行放大、縮小展示，并通過網(wǎng)絡(luò)平臺與學(xué)生互動，還可以進行手機APP的開發(fā)和應(yīng)用。

3D打印技術(shù)，又稱增材制造技術(shù)，已經(jīng)在骨科手術(shù)導(dǎo)板、人工假肢、個性化牙齒定制、腫瘤切除導(dǎo)板等醫(yī)學(xué)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。CT、MRI等數(shù)字影像學(xué)的不斷發(fā)展，為人體結(jié)構(gòu)數(shù)字化三維仿真建模提供了條件。數(shù)字化三維仿真模型可以通過3D打印技術(shù)直接打印為實體模型，不僅可以彌補教學(xué)實驗標本的不足，還可以應(yīng)用于臨床復(fù)雜外科手術(shù)方案的設(shè)計與演練。

2　研究方法

解剖病理仿真實驗室的建立可以分為三個模塊：人體解剖病理結(jié)構(gòu)數(shù)字化三維仿真模型，VR互動實驗平臺，3D打印實體標本。具體分為以下步驟：

第一，影像學(xué)數(shù)據(jù)三維建模。基于亞毫米級別的CT或MRI數(shù)字影像學(xué)數(shù)據(jù)，經(jīng)Mimics16.0軟件分割重建，快速、精準、高質(zhì)量地仿真建模，是當(dāng)前國際上研究的前沿課題。

第二，圖譜建模。將數(shù)字模型導(dǎo)入3DsMax2014，根據(jù)解剖學(xué)知識附加血管、肌肉及神經(jīng)，導(dǎo)入Zbrush4.6R中進行肌肉雕刻與細節(jié)處理。肌肉和內(nèi)臟組織的三維建模難度較大，不僅需要熟練掌握各種計算機建模軟件，還需要醫(yī)學(xué)知識。

第三，模型互流。模型要在Mimics16.0、3DsMax2014、Zbrush4.6R之間相互導(dǎo)入和導(dǎo)出，利用不同軟件的優(yōu)勢進行編輯和修改，采用STL及OBJ格式實現(xiàn)模型互流。

第四，仿真模型整合到VR互動實驗平臺。借助VRML(虛擬現(xiàn)實建模語言)和Java，將人體解剖病理結(jié)構(gòu)數(shù)字化三維仿真模型整合到中國數(shù)字人VR互動實驗平臺，建立可視化的三維互動虛擬場景。

第五，對接BB(BLACKBOARD)教學(xué)平臺。BB教學(xué)平臺是從國外引進的一套先進的教學(xué)平臺。可以將三維解剖病理仿真模型直接整合到BB平臺，也可以將VR互動實驗平臺與BB平臺進行對接，這樣既加強了VR互動實驗平臺的網(wǎng)絡(luò)功能，又充實了BB平臺的應(yīng)用，兩者相得益彰。

第六，虛擬模型實體化。將虛擬的三維仿真模型，導(dǎo)出為STL文件，導(dǎo)入3D打印機，根據(jù)實際需要，用不同顏色和材質(zhì)打印成實體標本模型。

3　取得成果

第一，建立了數(shù)字影像學(xué)資料庫。本研究小組通過合作醫(yī)院的臨床醫(yī)生，廣泛收集患者的CT、MRI等原始數(shù)字影像學(xué)數(shù)據(jù)，建立了200多個病例、120多G的原始數(shù)字影像學(xué)資料庫，涉及骨科、心血管外科、神經(jīng)外科、腫瘤科等科室。大量原始典型的高質(zhì)量數(shù)字影像資源對后期的建模非常重要，是后續(xù)工作的基礎(chǔ)。

第二，建立了三維仿真模型數(shù)據(jù)庫。建立STL、MAX格式的3D解剖病理仿真模型110余個，超過70G數(shù)據(jù)，可以清晰、形象、直觀顯示復(fù)雜的人體正常和異常的組織結(jié)構(gòu)。

第三，建立了虛擬現(xiàn)實互動實驗平臺。借助VRML和Java等編程語言，將三維仿真解剖病理模型整合到中國數(shù)字人VR平臺。三維仿真解剖病理模型VR互動實驗平臺，可以無限次地對虛擬的人體標本進行任意角度的3D旋轉(zhuǎn)、縮放觀察、虛擬解剖、分解組合，形態(tài)逼真，具有強烈的沉浸感。導(dǎo)入本研究小組建模的病例仿真模型，可以模擬手術(shù)，提高學(xué)生外科學(xué)習(xí)的水平。

第四，構(gòu)建了3D打印解剖病理實體模型。用3D打印機將基于CT、MRI建立的STL格式的三維解剖病理仿真模型打印成實體模型：既可以作為尸體標本的有益補充，滿足教學(xué)的需求；又可以結(jié)合臨床需要，幫助醫(yī)生分析診斷病情，進行手術(shù)方案的設(shè)計、模擬及手術(shù)結(jié)果的預(yù)測。

4　結(jié)論

解剖病理虛擬仿真實驗室有許多優(yōu)點：①節(jié)省人力物力。數(shù)字化實驗室可以省去購置、維護尸體標本的昂貴支出和煩瑣環(huán)節(jié)，大大降低教師的工作強度?？梢詫μ摂M尸體標本進行無限次地解剖練習(xí)，而且不受時間和場地的限制。②具有良好的學(xué)習(xí)過程體驗。操控者佩戴3D眼鏡，通過專用操控筆進行交互操作，能夠在6個自由度隨意操作，全方位觀察人體結(jié)構(gòu)，并可通過控制攝像機進入器官內(nèi)部觀察，可獲得沉浸式3D體驗。③虛實結(jié)合，提高教學(xué)效果。建立虛擬仿真實驗室，不是摒棄傳統(tǒng)真實的尸體標本，而是虛擬與現(xiàn)實相結(jié)合，既可發(fā)揮虛擬教學(xué)的低成本和高表現(xiàn)力的優(yōu)勢，又可結(jié)合實體標本，提高真實感。④高擴展性。可以對接BB平臺，充分發(fā)揮其網(wǎng)絡(luò)平臺學(xué)習(xí)的優(yōu)勢，促進學(xué)生靈活、自主地學(xué)習(xí)。有內(nèi)建的題庫系統(tǒng)，提供在線自測自評，為學(xué)生鞏固學(xué)習(xí)提供一個良好的平臺。

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