Artec Studio Lite进课堂：结合3D打印助力运动机能学教学

CSUSB运动机能学专业学生与校吉祥物“郊狼（Cody the Coyote）”合影。图/CSUSB

在美国南加州内陆帝国地区，加利福尼亚州立大学圣贝纳迪诺分校（CSUSB）的运动机能学专业学生一边在实验室里用先进设备动手实操，一边系统学习人体运动、锻炼、健康和体能表现，理论与实践在这里无缝衔接。

从生物力学到运动生理学，这里是培养未来物理治疗师和作业治疗师的好地方。然而，技术世界日新月异，新的生理分析方法不断涌现；尤其在鼓励打破条条框框的学术环境里，推陈出新更是常态。

专业3D扫描便是其中之一。Artec Spider II等专业三维扫描仪能把人体解剖结构转化成数字数据，用于身体评估、形态追踪、手术规划等场景。不过，对于预算有限的教研团队而言，这类技术常常是可望而不可及的。

运动机能学专业的学生在课堂上进行实操测试。图/CSUSB

Artec Studio Lite给老师们提供了一个高性价比方案，而且每位学生都能迅速上手。这款软件能把手机拍摄的照片或视频变成栩栩如生的3D模型。为了验证它在运动机能学教学中的实际效果，CSUSB的讲师Cameron Van Wye在“运动机能学技术应用”这门课引入了该软件，为学生们打造了别具特色的课堂互动体验。

“教运动机能学这些年，我认为寓教于乐是最好的教学方式之一，这个想法也直接影响了我对这门课程的设计思路。”Cameron说道，“我已经逐渐从纯讲授授课转向了项目驱动、以学生为中心的教学模式。而推动这个转变的重要一环，就是把专业的3D软件带到课堂中来。”

“这不只是让学生接触先进技术，更重要的是帮助他们理解实实在在的学科内容：解剖结构、几何形态，以及人体如何发生变化。”Cameron补充说，“我看重的是它给了学生主动权，让他们能按自己的兴趣去探索，验证自己的设想，借助工具自由发挥。这种环境会激发好奇心，学习也因此变得可感知、有创造性和自发性。”

Artec Studio Lite走进课堂

为了让学生尽快上手，Cameron将课程分为两个阶段：第一阶段是课堂研究项目，第二阶段则更偏实践，包括3D打印自适应医疗设备原型。他们从可行性研究入手，但目的并非测试Artec Studio Lite的性能，而是考察这项技术能否有效促进学生学习，以及是否适用于身体部位的分析。

为了验证这套方案的应用效果，他们招募了20名志愿者，先用传统Gulick软尺测量上腹、中腹、腰部和髋部围度，再用摄影测量技术进行数据采集。学生们在操作中确保光照均匀以获得最佳扫描效果，同时利用Artec Studio Lite内置的标尺工具生成带有实际尺寸的模型，以便后续测量。

参与项目的一名志愿者正在接受摄影测量拍摄。图/CSUSB

随后，他们改用Autodesk Fusion中的3D打印标尺，并在志愿者身上贴了“假纹身贴”，用来标记特定的解剖位置。有趣的是，拍摄过程中同时使用了高端相机和智能手机，结果让人惊讶。后者不仅更快、更便捷，所采集的数据也足以生成精准的3D模型。

这些数字孪生模型的尺寸与传统测量结果非常接近，这验证了Artec Studio Lite在运动机能学应用中的巨大潜力。但更大的收获在于，学生们普遍认为该技术直观易用，能够帮助他们独立学习生理分析。

“开课两周前，我都不知道还有这种东西。”Cameron班上的学生Kayla Miller说道，“刚开始我想：‘3D打印假肢和矫形器，挺酷的。’但真正接触以后才发现，这太让人震撼了，没想到现在技术已经发展到这个程度了。”

学生们使用Artec Studio Lite捕获辅助器具数据，用于3D重建。图/CSUSB

“Artec Studio Lite真的太强了，”Cameron班上的另一名学生Brianna Griffin表示，“我一直很喜欢研究人体解剖。现在能把解剖和动手制作结合起来，这简直太棒了。老师在课上给我们布置了一些任务，让我大开眼界。课后我还能自己随意发挥，特别有意思。我觉得这样的学习方式，理解起来也容易得多。”

3D打印定制自适应辅具

课程的第二阶段侧重以人为本。学生们与志愿者合作，从了解个体实际需求出发，制定改善生活质量的方案，并基于Artec Studio Lite生成的3D模型打印出可直接投入使用的终端辅具。起初他们还需按指导步骤操作，但很快就能够独立完成，最后的成果不少令人眼前一亮。

踝足矫形器（AFO）

学生们为其中一名志愿者定制了一款下肢支撑装置，用来改善踝足部位的定位、稳定性和功能性动作。在拍摄残肢照片时，他们使用了皮肤安全标记来帮助Artec Studio Lite识别重叠图像，从而完成高精度的解剖结构重建。最后他们将模型以STL文件形式导出。

学生们制作的踝足矫形器原型。图/CSUSB

学生们在Meshmixer中将网格数据与人工测量数据进行比对核验，并做了清理优化。随后在小腿和足部的关键支撑区域创建偏置“壳体”，再将各壳体连接，构成矫形器的整体结构来设计矫形器。由此，学生们从手机拍摄的扫描数据出发，一路推进到定制化辅助器具的制作，完整呈现了从解剖数据采集到增材制造的数字化工作流程。

上肢伸展辅助器

软骨发育不全这类侏儒症，由于长骨生长异常，患者通常身材比例不匀称、四肢偏短。学生们在上肢辅助装置项目中，专门针对此做了一款定制化辅助器具。

这款装置既能延伸触及范围，又能分担负重。它可以装在健身器械手柄上，同时不会让手腕、手部或肩膀处于别扭的位置或太吃力。定制原型时，他们还加装了钩式握把。

学生在课堂上展示自己制作的上肢辅助装置。图/CSUSB

这次团队用手机录了一段视频，他们在Artec Studio Lite中提取视频里的照片并拼接成一个3D模型，用于在Autodesk Fusion中进行设计、确定尺寸和对齐的参考依据。最终装置经3D打印制成，并在多种运动动作中完成性能测试，未出现滑动、弯曲或断裂情况。

下肢假肢

在这个项目中，团队将下肢模型置于旋转平台上，使用4K智能手机进行数字化。采集的数据在Artec Studio Lite里处理后生成3D模型，作为设计接受腔的基础。随后将扫描数据导入Meshmixer，进行整理和优化，并检查是否存在孔洞或变形；同时参照肢体长度、宽度、接受腔开口尺寸及轮廓等测量数据，确保解剖结构的准确性。

学生们设计的下肢假肢原型。图/CSUSB

最终原型综合考虑了肢体形状、壁厚、边缘圆角、压力敏感区域、舒适度和结构支撑等因素。虽然团队使用的是模型而非真实残肢，但这次尝试的成功足以说明，3D扫描与数字化制作相比传统石膏取模，速度更快、操作更整洁，且可按需定制。

膝部环式保护性矫形器

一名志愿者患有胫骨结节骨软骨炎，这种疾病会影响膝盖骨正下方的骨性区域。为此，学生们定制了一款保护性矫形器，希望能在患者活动时起到保护该区域的作用，同时避免直接压迫疼痛的突起部位，完成这项设计需要对膝部表面的解剖结构做到准确掌握。

学生们使用Artec Studio Lite处理了膝部前侧、内侧和外侧的视频扫描数据，而后生成一个数字解剖模型，并以此为基础制作覆盖示意图，标明装置的预期尺寸、形状和覆盖范围。

学生们制作的膝部环式保护性矫形器的3D模型。图/CSUSB

最终的设计在Autodesk Fusion中完成，中间设计一个环状避让区，给患处上方留出空隙；同时通过拱桥结构将外力分散至周围组织。后续改进方面，学生们认为发泡TPU是较为理想的材料，可进一步增强冲击防护并提升耐用性。

“残肢攀爬”辅助装置

最后一个项目创意十足。学生们为一名上肢残障的志愿者设计了一款经济实惠的专用攀爬辅助器具。此前，他们曾临时改装过狗靴来增加摩擦力，但这次的目标是开发一款更适用的工具——配有一个钩状附件，用于钩挂小裂缝及攀爬表面。

学生们的攀爬辅助器具设计。图/CSUSB

他们先在皮肤上贴了临时纹身贴，让追踪和重建更精准，然后把数据导入Artec Studio Lite处理。在Meshmixer中，他们将腕部和残肢接触区域进行分区、偏置，并添加指状钩以增强抓墙力。最终装置用PETG材料打印而成，直观体现了数字化技术在假肢个性化定制（针对不同任务或爱好）中的便捷性。

沉浸式学习，实测有效

Cameron这套动手实操的数字化设计教学方式，让学生不再只是被动地接触新技术，而是真正去锻炼解决实际问题的能力。课程中，他们学会了如何布置实验环境、调整受试者位置、做体表标记和使用标尺——这些都是将来做生理分析时用得上的技能。

掌握这些新技能的同时，学生们借助3D打印这项在医疗领域日益普及的技术，制作出了可实际使用的医疗设备。他们也证明了Artec Studio Lite等摄影测量软件无需高投入，低成本也能把先进的行业专业工具搬进课堂。

Cameron感慨道：“那是2026年春季学期的课程，真的很难得。好奇心、创造力和团队协作凑到了一块儿。原本只是每周两次、每次一小时的课程，最后远远超出了普通课程的意义，变成了大家共同经历的一段难忘时光。”

“那一刻，教学与灵感启发之间的界限已经模糊，剩下的只有一种清晰而强烈的感觉——我们在一起做的是有意义的事，去创造一个更光明的未来；而这未来，靠的就是这群学生。”