基于云計(jì)算的醫(yī)學(xué)教育3D打印模型管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

趙亮

摘 要：3D打印技術(shù)是一種新興技術(shù)，它以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，運(yùn)用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過(guò)逐層打印的方式來(lái)構(gòu)造物體。隨著3D打印技術(shù)的迅速發(fā)展，其在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用前景越發(fā)廣闊。在整個(gè)3D打印過(guò)程中，通過(guò)計(jì)算機(jī)軟件生成的STL建模文件是非常重要的部分，它關(guān)系3D打印產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)、升級(jí)和重復(fù)利用。研究構(gòu)建醫(yī)學(xué)教育3D打印模型管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)STL文件上傳、3D模型展示等功能，可以為醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的教育教學(xué)和相關(guān)研究提供一個(gè)科研、學(xué)習(xí)、交流和應(yīng)用的綜合平臺(tái)。

關(guān)鍵詞：云計(jì)算；醫(yī)學(xué)教育；3D打??；STL；WebGL；模型管理系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B 文章編號(hào)：1673-8454（2017）01-0034-02近年來(lái)，3D打印技術(shù)獲得迅速發(fā)展，受到科學(xué)界的廣泛關(guān)注，美國(guó)科學(xué)家將3D打印產(chǎn)業(yè)列為“美國(guó)十大增長(zhǎng)最快的工業(yè)”之一[1]，一部分科學(xué)家甚至宣稱3D打印技術(shù)將帶來(lái)“第三次工業(yè)革命”[2]。目前3D打印技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域更是如此， 3D打印技術(shù)正應(yīng)用于打印醫(yī)學(xué)模型、打印人工骨骼、打印生物器官、打印牙齒、打印可控釋放藥物、整形美容等方面 [3]。與此同時(shí)，基于互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)的增加、使用和交付模式的擁有強(qiáng)大的計(jì)算能力的云計(jì)算技術(shù)也給3D打印技術(shù)的發(fā)展注入了新的活力。云計(jì)算在網(wǎng)格計(jì)算的基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)，是先進(jìn)計(jì)算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展融合的計(jì)算模型，具有超強(qiáng)運(yùn)算能力和海量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)能力。建立基于云計(jì)算的醫(yī)學(xué)教育3D打印模型管理系統(tǒng)，既可以為醫(yī)學(xué)教育提供教學(xué)用3D模型展示和學(xué)習(xí)的空間，也可以為相關(guān)從業(yè)人員提供技術(shù)交流、STL文件存儲(chǔ)和發(fā)布的平臺(tái)，能夠?yàn)獒t(yī)學(xué)相關(guān)專業(yè)的教育提供良好的技術(shù)支持，也能夠滿足相關(guān)教師和科研人員的部分科研需求。

一、3D打印模型管理系統(tǒng)云環(huán)境構(gòu)建

相對(duì)于傳統(tǒng)服務(wù)器，云服務(wù)器具有更好的穩(wěn)定性，數(shù)據(jù)可靠性更高；具備更強(qiáng)的彈性，可自由配置硬件資源；更高的安全性，云服務(wù)商會(huì)提供全面防護(hù)；更低的成本，無(wú)需專門運(yùn)維人員；更佳的易用性，云服務(wù)商提供了多種操作系統(tǒng)和應(yīng)用軟件。因此很容易構(gòu)建適用于醫(yī)學(xué)教育領(lǐng)域3D打印模型管理系統(tǒng)的云環(huán)境。

本文以百度云服務(wù)器BCC（Baidu Cloud Compute）為例說(shuō)明3D打印模型管理系統(tǒng)的云環(huán)境構(gòu)建過(guò)程。登錄百度開放云官網(wǎng)購(gòu)買百度彈性云服務(wù)，這是一種處理能力可彈性伸縮的計(jì)算服務(wù)器，購(gòu)買時(shí)要根據(jù)實(shí)際需求指定CPU、內(nèi)存、公網(wǎng)帶寬、鏡像類型、操作系統(tǒng)、CDS磁盤、臨時(shí)數(shù)據(jù)盤的規(guī)格。BCC提供兩種計(jì)費(fèi)方式，包年包月方式：可選1-12個(gè)月的包月服務(wù)或1到3年的包年服務(wù)，采用預(yù)付費(fèi)方式；按需計(jì)費(fèi)方式：根據(jù)實(shí)際使用量，按分鐘計(jì)時(shí)計(jì)費(fèi)并扣費(fèi)，需提前向賬戶充值。接下來(lái)創(chuàng)建BBC實(shí)例，在官網(wǎng)云服務(wù)器BCC實(shí)例列表界面設(shè)置BBC實(shí)例名稱、ID、區(qū)域、配置信息等內(nèi)容，其中臨時(shí)數(shù)據(jù)盤和CDS云磁盤可根據(jù)需求選擇。確認(rèn)所有配置并成功付款后，系統(tǒng)將在后臺(tái)進(jìn)行云服務(wù)器的創(chuàng)建。點(diǎn)擊“管理控制臺(tái)”即可進(jìn)入“實(shí)例列表”界面管理和查看創(chuàng)建好的云服務(wù)器實(shí)例。

二、醫(yī)學(xué)教育3D打印模型管理系統(tǒng)需求分析

1.功能需求分析

醫(yī)學(xué)教育3D打印模型應(yīng)提供后臺(tái)管理功能，管理員通過(guò)登錄后臺(tái)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行管理，包括管理模型管理、用戶管理、供求區(qū)管理和留言管理等；系統(tǒng)同時(shí)提供前臺(tái)功能，所有用戶均可通過(guò)瀏覽器訪問(wèn)前臺(tái)頁(yè)面，注冊(cè)用戶登錄系統(tǒng)后可上傳3D打印模型文件或在供求區(qū)發(fā)布回復(fù)主題；3D化外觀展示功能，認(rèn)證教師、注冊(cè)學(xué)生和科研人員可通過(guò)登錄系統(tǒng)平臺(tái)直接觀看3D模型全方位細(xì)節(jié)展示。

2.性能需求分析

因?yàn)橹饕嫦蚍怯?jì)算機(jī)專業(yè)的醫(yī)學(xué)教師和醫(yī)學(xué)生提供服務(wù)，系統(tǒng)應(yīng)提供良好的用戶易用性和系統(tǒng)安全性。其中易用性體現(xiàn)在用戶對(duì)系統(tǒng)的熟悉速度和使用感受上，前者由前臺(tái)設(shè)計(jì)保障，后者由云服務(wù)器的處理性能提供；系統(tǒng)安全性體現(xiàn)在環(huán)境安全和數(shù)據(jù)安全方面，其中百度云服務(wù)器BCC提供的云安全BSS（Baidu Security Service）和云監(jiān)控BCM（Baidu Cloud Monitor）可以提供DDoS防護(hù)、云服務(wù)器防護(hù)、Web漏洞監(jiān)測(cè)等服務(wù)保障環(huán)境安全，云服務(wù)器提供的快照功能和系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫(kù)備份功能則可以保障數(shù)據(jù)安全。

3.技術(shù)可行性分析

醫(yī)學(xué)教育3D打印模型管理系統(tǒng)需采用的主要技術(shù)有HTML5技術(shù)、WebGL技術(shù)、Ajax技術(shù)等，其中HTML5、Ajax技術(shù)已經(jīng)非常成熟[4]，WebGL技術(shù)是功能強(qiáng)大且完全免費(fèi)的Web3D技術(shù)[5]，由OpenGL和JavaScript結(jié)合產(chǎn)生，能在很多不同的設(shè)備上運(yùn)行，比如個(gè)人電腦、平板電腦和智能手機(jī)等，這些技術(shù)的運(yùn)用保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和擴(kuò)展性。

三、醫(yī)學(xué)教育3D打印模型管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為了應(yīng)對(duì)不同寬度的顯示器和手持終端，系統(tǒng)前端設(shè)計(jì)采用自適應(yīng)網(wǎng)頁(yè)設(shè)計(jì)模式（Responsive Web Design），這也可以保障后期手機(jī)APP開發(fā)的方便性；系統(tǒng)后臺(tái)設(shè)置獨(dú)立的管理員登陸接口，管理員設(shè)置多個(gè)帳號(hào)多種權(quán)限，每個(gè)管理員設(shè)置獨(dú)立帳號(hào)和密碼；數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)考慮到系統(tǒng)涉及大量數(shù)據(jù)模型，采用開源的MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)，遵循GNU通用公共許可證下各種專有協(xié)議。其中系統(tǒng)前端結(jié)構(gòu)如圖1所示，前端分為5個(gè)子模塊，包括“首頁(yè)、模型庫(kù)、供求區(qū)、實(shí)物展示、注冊(cè)&登錄”。

其中——

首頁(yè)：提供各種頁(yè)面下的返回首頁(yè)功能。

模型庫(kù)：提供解剖類、組胚類和其他STL模型3D效果展示功能。

供求區(qū)：供認(rèn)證教師、注冊(cè)學(xué)生和科研人員發(fā)布和查看STL模型需求和轉(zhuǎn)讓信息，認(rèn)證教師、注冊(cè)學(xué)生和科研人員還可在需求和轉(zhuǎn)讓信息下方回復(fù)消息和添加評(píng)論。

實(shí)物展示：管理員、認(rèn)證教師、注冊(cè)學(xué)生和科研人員可以在該模塊下發(fā)布3D打印好的實(shí)物文字、圖片、視頻等信息。

注冊(cè)&登陸：提供教師、學(xué)生和其他用戶注冊(cè)功能，已注冊(cè)用戶可以在此登陸系統(tǒng)。

醫(yī)學(xué)教育領(lǐng)域3D打印模型管理系統(tǒng)中應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)WebGL是javascript與openGL ES2.0結(jié)合的產(chǎn)物，它提供了底層的繪制和計(jì)算函數(shù)，通過(guò)experimental-webgl來(lái)利用底層顯卡加速圖形繪制，這些繪制信息會(huì)被傳遞給GPU進(jìn)行處理，從而得到最終的繪制結(jié)果。系統(tǒng)中應(yīng)用WebGL繪制的效果如圖2所示。

四、總結(jié)與展望

本文研究的基于云計(jì)算環(huán)境的醫(yī)學(xué)教育領(lǐng)域的3D打印模型管理系統(tǒng)，在系統(tǒng)中應(yīng)用了WebGL技術(shù)，系統(tǒng)的3D打印模型資源庫(kù)為教師、學(xué)生和科研人員提供了全方位觀看并控制3D打印模型姿態(tài)的功能，能夠更好的展示3D打印模型的全部細(xì)節(jié)，并提供了上傳和下載STL模型文件功能，為醫(yī)學(xué)教育教學(xué)和相關(guān)領(lǐng)域科研提供了一個(gè)功能強(qiáng)大的平臺(tái)，能夠有效地促進(jìn)行業(yè)交流與醫(yī)學(xué)教育科研領(lǐng)域中3D打印技術(shù)的研究和應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)：

[1]黃健，姜山.3D打印技術(shù)將掀起“第三次工業(yè)革命”[J].新材料產(chǎn)業(yè)，2013（1）：62-67.

[2]鄧啟文，陳強(qiáng)，郭繼周等.3D打印技術(shù)對(duì)武器裝備發(fā)展的影響[J].國(guó)防科技，2014（8）：63-66.

[3]姜杰，茱莉婭，楊建飛，等.3D打印技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用與展望[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造工程，2014（11）：5-9.

[4]譚文文，丁世勇，李桂英.基于WebGL和HTML5網(wǎng)頁(yè)3D動(dòng)畫的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電腦知識(shí)與技術(shù)，2011（7）：28.

[5]Brian Danchilla.Beginning WebGL for HTML5[M].New York：Apress，2012：10-12.

（編輯：王曉明）