基于VR及3D打印技术的解剖病理 仿真实验室的构建

杨少龙，王运登，石　斌，蒯凤枝

(郑州铁路职业技术学院，河南 郑州　451460)

1　研究背景

传统的人体解剖和病理教学，理论课以挂图、幻灯片为主，表现形式缺乏立体感，一些结构比较复杂的人体器官和组织很难讲解清楚。实验课存在标本匮乏、制作难度大、维护成本高等问题，而且浸泡标本的甲醛对师生的健康危害极大。标本讲解过程中，学生围拢在教师周围，很难保证每个学生都能有最佳视角。学生实际动手解剖标本的机会非常少。

随着计算机技术的发展，本研究者用VR及3D打印技术构建解剖病理虚拟仿真实验室，很好地解决了以上问题，并取得了更好的教学效果。

VR又称灵境技术，是以浸没感、交互性构思为基本特征的计算机高级人机界面，是近年来数字化教学的新趋势。在VR教学应用领域，空间和实时在线用户数等方面的限制一直是制约其发展的重要原因。现代计算机实现了VR设备的互联互通，将高性能计算与先进的可视化相结合，VR资源共享与信息沟通，实现多人异地协同模式下用户之间的高效沟通和“教、学、考、练”环节的全覆盖，从而彻底改变了专业VR交互实践教学体验，便于用户进行学习。VR技术可以将标本数字化，随意地进行放大、缩小展示，并通过网络平台与学生互动，还可以进行手机APP的开发和应用。

3D打印技术，又称增材制造技术，已经在骨科手术导板、人工假肢、个性化牙齿定制、肿瘤切除导板等医学领域得到广泛应用。CT、MRI等数字影像学的不断发展，为人体结构数字化三维仿真建模提供了条件。数字化三维仿真模型可以通过3D打印技术直接打印为实体模型，不仅可以弥补教学实验标本的不足，还可以应用于临床复杂外科手术方案的设计与演练。

2　研究方法

解剖病理仿真实验室的建立可以分为三个模块：人体解剖病理结构数字化三维仿真模型，VR互动实验平台，3D打印实体标本。具体分为以下步骤：

第一，影像学数据三维建模。基于亚毫米级别的CT或MRI数字影像学数据，经Mimics16.0软件分割重建，快速、精准、高质量地仿真建模，是当前国际上研究的前沿课题。

第二，图谱建模。将数字模型导入3DsMax2014，根据解剖学知识附加血管、肌肉及神经，导入Zbrush4.6R中进行肌肉雕刻与细节处理。肌肉和内脏组织的三维建模难度较大，不仅需要熟练掌握各种计算机建模软件，还需要医学知识。

第三，模型互流。模型要在Mimics16.0、3DsMax2014、Zbrush4.6R之间相互导入和导出，利用不同软件的优势进行编辑和修改，采用STL及OBJ格式实现模型互流。

第四，仿真模型整合到VR互动实验平台。借助VRML(虚拟现实建模语言)和Java，将人体解剖病理结构数字化三维仿真模型整合到中国数字人VR互动实验平台，建立可视化的三维互动虚拟场景。

第五，对接BB(BLACKBOARD)教学平台。BB教学平台是从国外引进的一套先进的教学平台。可以将三维解剖病理仿真模型直接整合到BB平台，也可以将VR互动实验平台与BB平台进行对接，这样既加强了VR互动实验平台的网络功能，又充实了BB平台的应用，两者相得益彰。

第六，虚拟模型实体化。将虚拟的三维仿真模型，导出为STL文件，导入3D打印机，根据实际需要，用不同颜色和材质打印成实体标本模型。

3　取得成果

第一，建立了数字影像学资料库。本研究小组通过合作医院的临床医生，广泛收集患者的CT、MRI等原始数字影像学数据，建立了200多个病例、120多G的原始数字影像学资料库，涉及骨科、心血管外科、神经外科、肿瘤科等科室。大量原始典型的高质量数字影像资源对后期的建模非常重要，是后续工作的基础。

第二，建立了三维仿真模型数据库。建立STL、MAX格式的3D解剖病理仿真模型110余个，超过70G数据，可以清晰、形象、直观显示复杂的人体正常和异常的组织结构。

第三，建立了虚拟现实互动实验平台。借助VRML和Java等编程语言，将三维仿真解剖病理模型整合到中国数字人VR平台。三维仿真解剖病理模型VR互动实验平台，可以无限次地对虚拟的人体标本进行任意角度的3D旋转、缩放观察、虚拟解剖、分解组合，形态逼真，具有强烈的沉浸感。导入本研究小组建模的病例仿真模型，可以模拟手术，提高学生外科学习的水平。

第四，构建了3D打印解剖病理实体模型。用3D打印机将基于CT、MRI建立的STL格式的三维解剖病理仿真模型打印成实体模型：既可以作为尸体标本的有益补充，满足教学的需求；又可以结合临床需要，帮助医生分析诊断病情，进行手术方案的设计、模拟及手术结果的预测。

4　结论

解剖病理虚拟仿真实验室有许多优点：①节省人力物力。数字化实验室可以省去购置、维护尸体标本的昂贵支出和烦琐环节，大大降低教师的工作强度。可以对虚拟尸体标本进行无限次地解剖练习，而且不受时间和场地的限制。②具有良好的学习过程体验。操控者佩戴3D眼镜，通过专用操控笔进行交互操作，能够在6个自由度随意操作，全方位观察人体结构，并可通过控制摄像机进入器官内部观察，可获得沉浸式3D体验。③虚实结合，提高教学效果。建立虚拟仿真实验室，不是摒弃传统真实的尸体标本，而是虚拟与现实相结合，既可发挥虚拟教学的低成本和高表现力的优势，又可结合实体标本，提高真实感。④高扩展性。可以对接BB平台，充分发挥其网络平台学习的优势，促进学生灵活、自主地学习。有内建的题库系统，提供在线自测自评，为学生巩固学习提供一个良好的平台。

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