醫(yī)學(xué)院校開(kāi)展“逆向工程與3D打印技術(shù)”項(xiàng)目化教學(xué)探討

張琳琳 沈凌 朱明

摘要：“逆向工程與3D打印技術(shù)”課程的開(kāi)設(shè)，是為了培養(yǎng)醫(yī)學(xué)院校學(xué)生的醫(yī)工結(jié)合的能力。以項(xiàng)目為驅(qū)動(dòng)將知識(shí)點(diǎn)融入項(xiàng)目中進(jìn)行教學(xué)，采用計(jì)算機(jī)軟件操作、實(shí)驗(yàn)設(shè)備操作等教學(xué)手段，使學(xué)生了解醫(yī)學(xué)領(lǐng)域相關(guān)的逆向工程和3D打印技術(shù)的基本理論知識(shí)和實(shí)踐應(yīng)用技能，為現(xiàn)代醫(yī)學(xué)培養(yǎng)醫(yī)工結(jié)合的復(fù)合型應(yīng)用人才。

關(guān)鍵詞：逆向工程;3D打印;項(xiàng)目化

中圖分類號(hào)：G642.0? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ?文章編號(hào)：1674-9324（2019）12-0239-02

逆向工程技術(shù)也稱反求工程，是將原有實(shí)物轉(zhuǎn)化為計(jì)算機(jī)上的三維數(shù)字模型，并加以創(chuàng)新，通過(guò)3D打印的技術(shù)手段快速開(kāi)發(fā)制造出高附加值、高技術(shù)水平的新產(chǎn)品，已經(jīng)成為計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）與計(jì)算機(jī)輔助制造（CAM）系統(tǒng)中一個(gè)研究和應(yīng)用熱點(diǎn)，并發(fā)展成為一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的技術(shù)領(lǐng)域。逆向工程與3D打印技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，這主要因?yàn)獒t(yī)療行業(yè)（尤其是修復(fù)性醫(yī)學(xué)領(lǐng)域）個(gè)性定制化需求顯著，如人體骨骼修復(fù)、個(gè)性化永久植入物、手術(shù)規(guī)劃與演示等，現(xiàn)代醫(yī)學(xué)非常需要具有此類醫(yī)工結(jié)合能力的復(fù)合型應(yīng)用人才。本?？祻?fù)工程技術(shù)專業(yè)于2014年開(kāi)設(shè)了逆向工程與3D打印技術(shù)的專業(yè)課，總學(xué)時(shí)32，理論16，實(shí)踐16。通過(guò)該課程的學(xué)習(xí)主要培養(yǎng)康復(fù)工程技術(shù)專業(yè)學(xué)生用計(jì)算機(jī)輔助的方法代替?zhèn)鹘y(tǒng)手工制作康復(fù)輔具器具的技能，并培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新設(shè)計(jì)康復(fù)輔助器具的能力，同時(shí)可以將自行設(shè)計(jì)的康復(fù)輔助器具通過(guò)3D打印機(jī)個(gè)性化地制作出來(lái)，以適應(yīng)患者個(gè)性化的需求。

一、課程內(nèi)容體系

“逆向工程與3D打印技術(shù)”課程，通過(guò)工作過(guò)程的項(xiàng)目化教學(xué)模式，使學(xué)生主要掌握以下三個(gè)課程內(nèi)容：逆向工程數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)預(yù)處理與模型重建、3D打印技術(shù)。

（一）數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集，是逆向工程的首要環(huán)節(jié)，本課程主要采用非接觸式的采集方法，包括光學(xué)、磁學(xué)測(cè)量方法，采用激光三維掃描儀、白光光柵式三維掃描儀和CT測(cè)量的三維圖像，將物體的表面形狀轉(zhuǎn)化成離散的幾何點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)據(jù)（稱為點(diǎn)云）。在此基礎(chǔ)上，就可以進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和曲面模型重建、精度和曲面質(zhì)量分析、創(chuàng)新和再制造。因而，數(shù)據(jù)采集得到的數(shù)據(jù)質(zhì)量會(huì)影響后續(xù)曲面重建的精度和完整程度，是逆向工程實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)和關(guān)鍵技術(shù)之一。

（二）數(shù)據(jù)處理和模型重建

由于數(shù)據(jù)采集設(shè)備、各種人為或隨機(jī)因素以及環(huán)境因素的影響，數(shù)據(jù)采集過(guò)程中不可避免地會(huì)有雜點(diǎn)和從周圍環(huán)境中引入的不需要的點(diǎn)，所以通常在保證一定精度和特征的前提下對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行光順處理、減少點(diǎn)云數(shù)據(jù)量，然后再進(jìn)行模型重建。這是逆向過(guò)程中最關(guān)鍵、最復(fù)雜的環(huán)節(jié)。根據(jù)專業(yè)人才培養(yǎng)定位和學(xué)生掌握學(xué)習(xí)難易度選擇使用廣泛的Geomagic Studio軟件進(jìn)行教學(xué)。

（三）3D打印技術(shù)

3D打印技術(shù)是一種利用三維模型數(shù)據(jù)通過(guò)連接材料獲得實(shí)體的工藝，通常為逐層疊加，是與去除材料的制造方法截然不同的工藝。這種新興技術(shù)具有制造復(fù)雜形狀和結(jié)構(gòu)的獨(dú)特能力，它徹底改變了制造業(yè)的生產(chǎn)方式，無(wú)需任何專用工具，將數(shù)字化模型輸入3D打印設(shè)備即可驅(qū)動(dòng)設(shè)備完成零件或零件原型的成型制造，成為先進(jìn)制造技術(shù)的重要組成部分。由于醫(yī)療行業(yè)（尤其是修復(fù)性醫(yī)學(xué)領(lǐng)域）個(gè)性定制化需求顯著，鮮有標(biāo)準(zhǔn)的量化生產(chǎn)，而個(gè)性化、小批量和高精度恰是3D打印技術(shù)的優(yōu)勢(shì)所在，3D打印技術(shù)在醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的應(yīng)用如人體骨骼、牙齒等結(jié)構(gòu)的快速成型制造以及人體骨骼器官的修復(fù)等。

二、課程的設(shè)置

以項(xiàng)目為導(dǎo)向，通過(guò)完成一系列的項(xiàng)目來(lái)學(xué)習(xí)和掌握逆向工程的方法和技巧。在醫(yī)學(xué)院校的課程設(shè)置需要具有醫(yī)工結(jié)合的特點(diǎn)，解決醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的逆向問(wèn)題，其中CT骨骼數(shù)據(jù)的重建就是最典型的逆向設(shè)計(jì)問(wèn)題，可以將在體的CT骨骼數(shù)據(jù)構(gòu)建為三維模型數(shù)據(jù)，再通過(guò)3D打印機(jī)制造三維實(shí)體模型，可以幫助醫(yī)生進(jìn)行術(shù)前規(guī)劃、模擬手術(shù)、與患者及家屬溝通手術(shù)過(guò)程。因此最基本的項(xiàng)目從CT模型的逆向開(kāi)始，共設(shè)置8個(gè)項(xiàng)目，顱骨模型的逆向重建、骨盆模型的逆向重建、骨盆截骨術(shù)術(shù)前規(guī)劃、接受腔的取型與重建、人臉部的掃描與重建、人體模型掃描與重建、文創(chuàng)類樣品掃描與重建、零件模型掃描與重建，除第一個(gè)項(xiàng)目是2學(xué)時(shí)，其余均為4學(xué)時(shí)。通過(guò)項(xiàng)目的不斷推進(jìn)，學(xué)生逐步掌握Mimics軟件的基本操作，可以完成CT數(shù)據(jù)的讀取、重建、導(dǎo)出模型數(shù)據(jù);Geomagic Studio軟件數(shù)據(jù)處理、生成數(shù)字化化曲面模型;3D打印技術(shù)與模型制造。

三、實(shí)驗(yàn)設(shè)備的配置

逆向工程與3D打印實(shí)驗(yàn)室是在本校085工程—康復(fù)工程技術(shù)專業(yè)建時(shí)投資建設(shè)的，加上前期已有的相關(guān)實(shí)驗(yàn)設(shè)備，完全能夠滿足本課程教學(xué)和學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐的需要。數(shù)據(jù)采集設(shè)備有Konic公司激光掃描儀Vivid 910、EXAscan手持激光式掃描儀和德國(guó)smartSCAN3D。3D打印設(shè)備有基于熔融堆積成型（Fused Deposition Modeling-FDM）的uPrint 3D打印機(jī)，可完成各種教學(xué)模型和創(chuàng)新設(shè)計(jì)模型的打印;基于紫外線光固化原理Objet350 Connex，可以打印透明材料、類橡膠材料、生物相容性光敏樹(shù)脂、高強(qiáng)度熱塑性材料，由于儀器的操作界面為純英文，精度高達(dá)0.1mm，機(jī)器維護(hù)很復(fù)雜，因此主要由老師講解并操作演示，可完成人體模型的重建。

四、課程舉例

泊爾尼髖臼周圍截骨術(shù)（Bernese PAO）可以治療青少年及成年髖關(guān)節(jié)發(fā)育不良（DDH）患者。Bernese PAO術(shù)通過(guò)截取部分骨盆組織，使部分髖臼游離出來(lái)，再旋轉(zhuǎn)游離的髖臼，使髖臼對(duì)股骨頭的覆蓋面積增加，改善髖關(guān)節(jié)的生物力學(xué)環(huán)境。由于手術(shù)復(fù)雜通常都要在術(shù)前進(jìn)行規(guī)劃，做好預(yù)案，提高手術(shù)的效果。本課程通過(guò)這個(gè)案例使學(xué)生掌握Mimics軟件、數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)化、Geomagic Studio軟件，幫助醫(yī)生進(jìn)行骨盆截骨術(shù)術(shù)前規(guī)劃。首先，將獲取的患者髖關(guān)節(jié)螺旋CT圖像（DICOM格式）文件導(dǎo)入Mimics軟件，重建三維骨骼點(diǎn)云模型，調(diào)整骨盆至標(biāo)準(zhǔn)解剖位如圖1（a）所示，并測(cè)量患者髖關(guān)節(jié)的髖臼前傾角、髖臼前斷面角、冠狀面外側(cè)角、矢狀面前側(cè)角。其次，計(jì)算機(jī)模擬Bernese PAO截骨術(shù)，將重建三維骨骼點(diǎn)云模型導(dǎo)入Geomagic Studio軟件，對(duì)點(diǎn)云模型進(jìn)行處理，在電腦中對(duì)模型進(jìn)行截骨，單側(cè)髖臼截骨如圖1（b）所示。然后將游離髖臼進(jìn)行外翻-前傾旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)后再次測(cè)量髖臼前傾角、髖臼前斷面角、冠狀面外側(cè)角、矢狀面前側(cè)角，當(dāng)確定各角度已有改善并使股骨頭的覆蓋面積增大時(shí)，記錄游離髖臼的旋轉(zhuǎn)角度，以達(dá)到指導(dǎo)手術(shù)的目的，如圖1（c）所示。

五、結(jié)語(yǔ)

“逆向工程與3D打印技術(shù)”課程的項(xiàng)目化教學(xué)模式，改變了傳統(tǒng)的教學(xué)方式，使學(xué)生連貫地掌握解決一個(gè)問(wèn)題的方法，學(xué)習(xí)更有目的性和主動(dòng)性，符合應(yīng)用型人才培養(yǎng)的特點(diǎn)。我們將繼續(xù)深入探討不同項(xiàng)目的應(yīng)用，加強(qiáng)與醫(yī)院和企業(yè)的深入合作，改進(jìn)項(xiàng)目素材的選取，使學(xué)生的學(xué)習(xí)內(nèi)容更加符合醫(yī)院和企業(yè)的實(shí)際要求。

參考文獻(xiàn)：

[1]朱長(zhǎng)永，沈九美.3D打印與逆向工程在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的運(yùn)用[J].電子制作，2017，（10）：5-6.

[2]ASTM.F2792-12a.Standard Terminology for Additive Manufacturing Technologies[S].West Conshohocken：ASTM International，2009.

Discussion on Project Teaching of "Reverse Engineering and 3D Printing Technology" in Medical College

ZHANG Lin-lin，SHEN Ling，ZHU Ming

（College of Rehabilitation Sciences，Shanghai University of Medicine & Health Sciences，Shanghai 201318，China）

Abstract：The course of "reverse engineering and 3D printing technology" is set up to train medical students' ability to combine medicine with engineering technology.Using computer software，experimental equipment and other teaching methods，students can master the basic knowledge and practical skills related to reverse engineering and 3D printing technology.And educating integrated medicine and engineering talents with application competency.Project-based teaching makes students more purposeful in the process of learning，and the project is related to the major and clinical practice，which improves learning initiative.

Key words：reverse engineering;3D printing;project teaching