医学教学中三维重建数据采集方法的对比

刘锐 赵敏 刘兰 章可 钱忠义

现代医学教学中，医学标本仍然是医学教育中重要组成部分，但随着医学水平不断进步，疾病发生率降低，治愈率增加，人类寿命不断延长，加之人们思想观念的转变，医学标本的获取变得异常艰难，而传统医学标本模型局限于正常人体组织标本模型，在诸如病理学课程中的病理教学模型则更难获取，而现有的标本随着时间的推移日趋老化甚至损毁，无法满足不断增加的医学人才培养需求，给医学生教育教学带来了巨大挑战，也给医生在工作过程中业务素质水平的不断学习提高带来了阻力。不过随着三维数字重建技术及3D打印技术不断成熟，存在于医学标本模型欠缺和医学教育实际需求间的矛盾将会得到改善，为医学形态学的教学带来新的解决方案，也为医学标本模型进行数字化管理提供新的方法和思路[1-2]。

1 背景

目前，3D打印技术已经逐步应用于骨科、口腔等临床活动中[3-7]，并获得成功，且该技术在应用中日渐成熟[8-9]。但在基础医学教学中的应用还在探索阶段[10]。在国外，3D打印技术除了应用于日常的临床治疗活动中，已逐步应用在基础医学教学活动中，例如：Mogali等[11]将3D打印技术应用在了制作解剖学上肢的模型，并且肌肉、神经、血管和骨骼的分辨率达到1 mm ；Turchini等[12]通过数码相机进行数据采集并形成的三维病理学标本，能让外科医生进行更为精确的病理测量进而达到更精确的诊断，并且在病理数字教学中很有帮助；Shelmerdine等[13]借助微焦点CT机，3D打印数据的精度可以达到1 μm，能对胎盘等结构进行高分辨率成像及打印，与此同时在Young等[14]还在研究中发现，借助CT数据采集，通过3D打印出包括内部结构的人类胚胎和胎儿模型，不仅减少了由于文化背景或个人经验和认知所带来的不适，还能减少对原始标本的潜在损耗，并能建立数据库，便于学习；Garas等[15]通过在大学本科教育中试点使用从MRI及CT获得并用树脂材料制作的3D人类结构模型教学,与传统的湿式标本相比，有74%的学习者更认可树脂打印的3D标本。

因此，把3D打印应用到医学教育中将是医学教育教学的发展发向[16-17]。然而，数据的采集建模则是3D打印的基础，也是实现形态学标本数字化管理及应用最重要的一步。文章对4种不同的三维重建数据采集方法进行分析和探讨。

2 方法

2.1 3D扫描仪系统

笔者通过基于英特尔®实感™摄像头F200技术手持式3D扫描系统，可对目标医学标本的外部轮廓及颜色进行快速数据采集，并能通过配套建模软件在扫描完成的同时即完成标本模型建模，对采集数据稍作修整便可直接打印出外观与原始标本基本一致的模型。该方法上手快、简单易用，但是对于医学标本而言，采集的数据稍显粗糙，一些细小的结构不能有效还原，只能对目标标本表面数据进行采集，数据采集整体效果一般。

2.2 David 3D软件系统

王文军等[18]通过David Vision System公司的David 3D扫描系统软件配合摄像机和投影仪等辅助设备，获得了媲美工业级3D扫描仪得出的3D医学模型数据。经笔者实践，该方法虽然使用一些在日常教学常用的设备，在David 3D扫描系统软件的功能支持下可以实现医学标本的3D数据采集建模，但是整个操作过程复杂、不易操作，且耗时长，同时还会有比例偏差和精细度不够的问题。

2.3 Autodesk ReCap软件系统

笔者使用普通单反相机，在光线良好的情况下，固定镜头焦距，不需借助相机脚架，通过手持相机围绕医学标本360度拍摄照片至少20～24张，拍摄照片越多越利于后续的3D数据建模。虽然拍摄者只是手持相机围绕标本拍摄，而且可以不要求在同一水平面上拍摄，大大降低了操作难度，也能照顾到标本的几近每一面，并且不需要使用专门的拍摄台做到拍摄目标背景净色，而是背景越复杂越好，越复杂的背景，得出的三维重建标本越完整，越不需要手工去杂。

所拍摄的标本照片，通过Autodesk公司开放易用的ReCap（2018年前该软件名叫Remake）软件系统在云服务器分析后进行三维数据建模，建模成功后得到的三维数字模型可以下载到本地进行使用。由于在云端服务器建模，所以对本地计算机的配置要求是几种方法中最低的。

通过ReCap软件系统对所拍摄照片数据生成的3D标本模型为720度全景，并且之前照片中多余的背景已由软件系统自动去除。通过该软件浏览界面，可以浏览几乎真实还原所拍摄标本的颜色及细节，还能够720度无极旋转观看，也能实现细节的放大及缩小浏览。此方法容易上手，由于建模过程可完全交给软件系统完成，也是最省时、省力的方法。但如果要通过此方法打印输出3D模型，却在还原度上有所欠缺。

2.4 Mimics软件系统

Mimics软件系统是目前较广泛在临床中应用的医学模型3D数据模型解决方法[5，19]。Mimics软件可以利用CT或MRI采集的数据进行医学模型3D建模，笔者通过这种方法对标本模型（包括表面结构和内部结构）的整体结构能进行精致的数据采集。数据通过Mimics软件系统处理后，在软件内可实现分结构、分层次且能等比放大和缩小并能720度观察医学数字模型，由于该软件系统能直接获取到CT或MRI原始数据，在很大程度上降低了建立3D数字模型的误差，真实地还原医学标本模型的解剖结构[20]，同时也能通过3D打印制作出等比且解剖结构清晰的医学模型以供学习，也为临床工作提供治疗参考[6]。但是该方法扫描及建模过程较为复杂，且不能还原真实的色彩。

3 讨论

贯穿于整个医学教育教学过程中的实践教学环节，既是临床医学教学质量的重要保证，也是打牢医学知识基础的重要一课。由于临床医学是一门实践性很强的学科，人体是唯一的研究对象，无论是对于本科医学教育而言，还是对于医学继续教育而言，实践教学课是从理论知识到实际临床运用的关键环节，实践教学重要性不容忽视，医学实践教学质量好坏，直接关系到人类生命健康，而医学教学中的形态学实践课程更是重中之重。

现代医学教育已开始逐步探索现有医学人体标本模型同虚拟现实（virtual reality，简称VR）、增强现实（augmented reality，简称AR）、混合现实（mixed reality，简称MR）、扩展现实（extended reality，简称XR）相结合应用。在当前的医学教学中，虽然能通过这些技术对现有医学人体标本模型进行数字化的处理后，教学双方能通过多媒体设备，对相应人体医学标本进行三维立体的空间全方位的观察学习，甚至可以进行旋转、剥离等虚拟操作。虽然暂时缓解了由于各种因素带来的医学人体标本不足的现状，但是却带来只能看或进行实际解剖操作，而不能有效解决医学人体标本模型与真实标本模型所具有的实际触感（如突破感、波动感、软硬程度等）问题。例如：在要描述一个病理结构在人体中的情况时，除了大小、形态外，还需要准确的描述其质地、活动度等情况，如果只借助VR、AR、MR、XR，暂时是不能完全实现的，这就只能通过对人体医学标本进行数字化采集后，选择合适的打印材料，再通过3D打印技术将其打印制作还原出来，才能解决人体医学标本数字化后，具有实际触感，能进行较为真实的触摸操作训练等问题，甚至可以进行几乎接近于真实触感的手术操作练习的重要医学标本来源。

笔者在医学教学过程和实际操作中，通过对上述几种三维重建数据的采集方法进行对比发现，医学标本要求对所观察标本的细节能够较为精细的展现，但使用3D扫描仪系统对医学标本进行3D数据采集，虽然能对标本进行整体外观的全方位数据采集并能在系统提供的浏览窗口进行观察，但是在3D打印过程中，存在比例失真、标本细节不全等缺陷。同样的问题也出现在使用David 3D软件系统对医学标本进行的数据采集中，而两者相比，如果只是在相应的电脑软件端浏览采集后的三维数据模型，只需要入门级3D扫描仪系统就能轻松实现，并且所呈现的三维数字标本模型，包括标本颜色在内，是比较接近原始医学标本状态，但David 3D软件系统采集3D数据过程复杂，而且所浏览的数据模型是单色。在医学形态学教学中，不算太具价值。

与前面两种方法相比，Autodesk ReCap软件系统采集到的医学标本数据，虽然生成的3D数据模型能通过3D打印设备输出粗略的外观，而且外观在3D打印出来后，标本表面细节有缺失，且不能还原标本的内部情况。但Autodesk ReCap软件系统最容易上手、三维数据采集最简单，色彩还原度最高，在基础医学课程教学中还是具有一定使用价值。

Mimics软件系统虽然所建数据模型不能真实还原标本原本的色泽，但由于与CT和MRI的扫描数据是无损对接的，使得其能清楚地观察到扫描对象的解剖结构及相应层次等细节，亦能真实还原解剖结构，供教学和临床工作使用最具使用价值的医学标本采集方法。见表1。

表1 四种三维重建数据采集方法对比

4 总结

形态学是医学教育中的重要基础医学课程，而医学标本又是形态学教学中重要组成部分。通过实现在医学教学中形态学标本的数字化三维重建，是解决在形态学教学面临标本陈旧老化，数量不能满足日常教学等日渐突出问题的方法之一。

通过四种不同医学标本三维数据采集方法的对比，笔者认为，Autodesk ReCap软件系统具有易操作性，以及三维数字标本模型的易用性的优势，是对现有形态学大体标本进行数字化管理，缓解标本不足，减少标本损耗，提高形态学教学质量的首选方法之一。而Mimics软件系统凭借着对CT和MRI数据的无损对接，是目前临床应用最为广泛的医学模型采集方法，它能无创且快速获取最新的医学临床病例标本数据，制作成数字三维数字模型并能通过适合的3D打印材料制作出模型标本。在医学临床课教学中，是医学生快捷学习到临床新病例形态学特征的重要途径，也是对形态学教学数字标本模型补充更新的重要方法之一。

但在实际应用中，我们应综合考虑教学中遇到的具体情况，针对不同方法的特点来选择合适的方法进行标本的三维数据采集，以提高形态学教学质量。