醫學院校開展“逆向工程與3D打印技術”項目化教學探討

張琳琳 沈凌 朱明

摘要：“逆向工程與3D打印技術”課程的開設，是為了培養醫學院校學生的醫工結合的能力。以項目為驅動將知識點融入項目中進行教學，采用計算機軟件操作、實驗設備操作等教學手段，使學生了解醫學領域相關的逆向工程和3D打印技術的基本理論知識和實踐應用技能，為現代醫學培養醫工結合的復合型應用人才。

關鍵詞：逆向工程;3D打印;項目化

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

逆向工程技術也稱反求工程，是將原有實物轉化為計算機上的三維數字模型，并加以創新，通過3D打印的技術手段快速開發制造出高附加值、高技術水平的新產品，已經成為計算機輔助設計（CAD）與計算機輔助制造（CAM）系統中一個研究和應用熱點，并發展成為一個相對獨立的技術領域。逆向工程與3D打印技術在醫學領域的應用越來越廣泛，這主要因為醫療行業（尤其是修復性醫學領域）個性定制化需求顯著，如人體骨骼修復、個性化永久植入物、手術規劃與演示等，現代醫學非常需要具有此類醫工結合能力的復合型應用人才。本?？祻凸こ碳夹g專業于2014年開設了逆向工程與3D打印技術的專業課，總學時32，理論16，實踐16。通過該課程的學習主要培養康復工程技術專業學生用計算機輔助的方法代替傳統手工制作康復輔具器具的技能，并培養學生創新設計康復輔助器具的能力，同時可以將自行設計的康復輔助器具通過3D打印機個性化地制作出來，以適應患者個性化的需求。

一、課程內容體系

“逆向工程與3D打印技術”課程，通過工作過程的項目化教學模式，使學生主要掌握以下三個課程內容：逆向工程數據采集、數據預處理與模型重建、3D打印技術。

（一）數據采集

數據采集，是逆向工程的首要環節，本課程主要采用非接觸式的采集方法，包括光學、磁學測量方法，采用激光三維掃描儀、白光光柵式三維掃描儀和CT測量的三維圖像，將物體的表面形狀轉化成離散的幾何點坐標數據（稱為點云）。在此基礎上，就可以進行數據處理和曲面模型重建、精度和曲面質量分析、創新和再制造。因而，數據采集得到的數據質量會影響后續曲面重建的精度和完整程度，是逆向工程實現的基礎和關鍵技術之一。

（二）數據處理和模型重建

由于數據采集設備、各種人為或隨機因素以及環境因素的影響，數據采集過程中不可避免地會有雜點和從周圍環境中引入的不需要的點，所以通常在保證一定精度和特征的前提下對點云進行光順處理、減少點云數據量，然后再進行模型重建。這是逆向過程中最關鍵、最復雜的環節。根據專業人才培養定位和學生掌握學習難易度選擇使用廣泛的Geomagic Studio軟件進行教學。

（三）3D打印技術

3D打印技術是一種利用三維模型數據通過連接材料獲得實體的工藝，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。這種新興技術具有制造復雜形狀和結構的獨特能力，它徹底改變了制造業的生產方式，無需任何專用工具，將數字化模型輸入3D打印設備即可驅動設備完成零件或零件原型的成型制造，成為先進制造技術的重要組成部分。由于醫療行業（尤其是修復性醫學領域）個性定制化需求顯著，鮮有標準的量化生產，而個性化、小批量和高精度恰是3D打印技術的優勢所在，3D打印技術在醫學等領域的應用如人體骨骼、牙齒等結構的快速成型制造以及人體骨骼器官的修復等。

二、課程的設置

以項目為導向，通過完成一系列的項目來學習和掌握逆向工程的方法和技巧。在醫學院校的課程設置需要具有醫工結合的特點，解決醫學領域的逆向問題，其中CT骨骼數據的重建就是最典型的逆向設計問題，可以將在體的CT骨骼數據構建為三維模型數據，再通過3D打印機制造三維實體模型，可以幫助醫生進行術前規劃、模擬手術、與患者及家屬溝通手術過程。因此最基本的項目從CT模型的逆向開始，共設置8個項目，顱骨模型的逆向重建、骨盆模型的逆向重建、骨盆截骨術術前規劃、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、文創類樣品掃描與重建、零件模型掃描與重建，除第一個項目是2學時，其余均為4學時。通過項目的不斷推進，學生逐步掌握Mimics軟件的基本操作，可以完成CT數據的讀取、重建、導出模型數據;Geomagic Studio軟件數據處理、生成數字化化曲面模型;3D打印技術與模型制造。

三、實驗設備的配置

逆向工程與3D打印實驗室是在本校085工程—康復工程技術專業建時投資建設的，加上前期已有的相關實驗設備，完全能夠滿足本課程教學和學生創新實踐的需要。數據采集設備有Konic公司激光掃描儀Vivid 910、EXAscan手持激光式掃描儀和德國smartSCAN3D。3D打印設備有基于熔融堆積成型（Fused Deposition Modeling-FDM）的uPrint 3D打印機，可完成各種教學模型和創新設計模型的打印;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、生物相容性光敏樹脂、高強度熱塑性材料，由于儀器的操作界面為純英文，精度高達0.1mm，機器維護很復雜，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（Bernese PAO）可以治療青少年及成年髖關節發育不良（DDH）患者。Bernese PAO術通過截取部分骨盆組織，使部分髖臼游離出來，再旋轉游離的髖臼，使髖臼對股骨頭的覆蓋面積增加，改善髖關節的生物力學環境。由于手術復雜通常都要在術前進行規劃，做好預案，提高手術的效果。本課程通過這個案例使學生掌握Mimics軟件、數據格式轉化、Geomagic Studio軟件，幫助醫生進行骨盆截骨術術前規劃。首先，將獲取的患者髖關節螺旋CT圖像（DICOM格式）文件導入Mimics軟件，重建三維骨骼點云模型，調整骨盆至標準解剖位如圖1（a）所示，并測量患者髖關節的髖臼前傾角、髖臼前斷面角、冠狀面外側角、矢狀面前側角。其次，計算機模擬Bernese PAO截骨術，將重建三維骨骼點云模型導入Geomagic Studio軟件，對點云模型進行處理，在電腦中對模型進行截骨，單側髖臼截骨如圖1（b）所示。然后將游離髖臼進行外翻-前傾旋轉，旋轉后再次測量髖臼前傾角、髖臼前斷面角、冠狀面外側角、矢狀面前側角，當確定各角度已有改善并使股骨頭的覆蓋面積增大時，記錄游離髖臼的旋轉角度，以達到指導手術的目的，如圖1（c）所示。

五、結語

“逆向工程與3D打印技術”課程的項目化教學模式，改變了傳統的教學方式，使學生連貫地掌握解決一個問題的方法，學習更有目的性和主動性，符合應用型人才培養的特點。我們將繼續深入探討不同項目的應用，加強與醫院和企業的深入合作，改進項目素材的選取，使學生的學習內容更加符合醫院和企業的實際要求。

參考文獻：

[1]朱長永，沈九美.3D打印與逆向工程在產品設計中的運用[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