Artec Micro与Space Spider携手共建世界首个VR人类骨科课程

作者Matthew McMillion

挑战:一位著名法医人类学家需要捕获几百块人类骨骼,并制成符合解剖学要求的精准3D模型,并用于虚拟现实VR课程,他立刻想到了三维扫描技术。

解决方案:Artec Micro, Artec Space Spider, Artec Studio

效果:在接下来的几周,团队通过桌面式Artec Micro和手持式Artec Space Spider,几分钟内,就完成了每块骨骼的扫描。随后,通过Artec Studio处理,并将高分辨率3D模型导出,用于VR课程。

本科生Kaitlyn Schoonover使用Artec Space Spider扫描美洲黑熊(Ursus americanus)股骨

加利福尼亚北部一条河流中发现了一条半腐烂的腿,没过几小时,当地警官们就迅速行动了起来。他们很快将遗骸送给三位专家,分别是医疗病理学家、考古学家和兽医。前两位专家认为这是一条人腿,而兽医意见相左。

骨骼上的刀痕表明这条腿是被强行锯断的。考虑到这点,大家认为它更有可能来自人类。于是,搜救队立刻成立,探员和警官也参与其中。然而,系统摸排了附近河岸和周边地区整整三天后,他们一无所获。这时,一名法医人类学家提出了第四种观点。他确定,这条腿来自美洲黑熊,很有可能是某个猎人锯断后在上游丢弃的。

这件事再次突显了官员执法的重要性,而且,他们需要真正了解人类骨骼的专家一同合作。如果一开始就咨询法医人类学家,或其他懂行的专家,那么他们就能避免浪费几百小时的人力和几千美元的开销。然而,这种情况在美国和世界各地,每年都会发生无数次。

Artec Space Spider制作的黑熊股骨(上)和人类股骨三维扫描对比

以往,深入了解人类骨骼的好办法就是去高校,参加人类骨科课程,进教室和实验室上一学期课,研究真实的人类骨骼。但这种方式有时不太现实。即便有课,如今高校收藏的人骨也不适合学习研究,学生使用的往往是塑料模型。

一位世界顶尖的法医人类学家认识到这一缺口,于是开始采用前沿三维扫描科技和虚拟现实(VR),来改变现状。Dennis C. Dirkmaat博士是认证法医人类学家,自1991年开始,就在宾夕法尼亚州伊利市的梅西赫斯特大学(Mercyhurst University)开设世界一流的法医人类学课程。

他亲自为全国近100名验尸官、法医、执法机构和官员,依靠人类法医学解决了近1000个案件。最近,他在这一学科领域获得了两个重大奖项,一是首次获得杰出导师奖,二是因法医人类学终身成就而获得了T. Dale Stewart奖。

Dennis Dirkmaat博士用Artec Micro扫描牙齿模型

Dirkmaat博士参与过的案件需要他分析地面发现的人类遗骸、被埋的部分尸块、致命火灾现场以及大规模灾难现场,其中包括2001年9月宾夕法尼亚州索美塞德郡发生的联航93号恐怖袭击,以及2009年水牛城科尔根航空空难。

他还需要对法医现场进行大规模搜索,确定受害者身份,进行骨骼创伤分析。Dirkmaat曾作为专家证人出庭28次。他教过的很多学生已成为法医死亡调查员和专业的法医人类学家,活跃在全国和全球各地。

高清法医VR人类骨科课程选课页

有了Dirkmaat的VR人体骨骼课程,无论身处何地,人人都能有机会全面深入地了解人类骨骼,且学习进度自由控制,不受任何干扰。

课程打造历时两年,丝毫不比Dirkmaat在高校亲授15周的效果差,足以培养未来的生物人类学家。每节课上及课后精心安排的测试,能帮助学生牢牢掌握所学知识。

一位学生正在户外参加VR人类骨科课程

借助Oculus Go或Oculus Quest II VR头盔,就能和人体206块骨骼进行沉浸式交互,高分辨率的彩色3D模型,给你身临其境般的体验。每节课都以科学的方式加深你对骨骼的认识与理解:首先,学习骨骼名称,包括拼写和发音,再学习每块骨骼在人体中的位置,随后学习骨骼的解剖方位。

在余下的课程中,你可以在虚拟环境下亲自拿起骨骼,放大、缩小,多角度观察,根据自身进度,学习每块骨骼的独特特征。

VR人类骨科课程中的《骨骼名称》一课

在Dirkmaat看来,“这门课程不仅对法医领域从业者有极大帮助,同时,对考虑从事医学、卫生、运动医学、解剖学、生物学等行业的人而言,也大有裨益。掌握人类骨科知识,对包括这些领域的许多行业而言都至关重要。”

VR人类骨科课程中所使用的3D模型全部根据真实人骨制作而成,精度达亚毫米级,非常逼真。担任骨骼扫描的两台计量级专业三维扫描仪分别为手持式Artec Space Spider和桌面式Artec Micro

Artec Micro扫描的成人第一磨牙

Space Spider只需要几分钟即可捕获每块骨骼,主要负责为大型骨骼建模,比如头骨、手臂和腿骨,Micro善于捕获小型物体,精度达10微米,主要捕获小块骨骼,包括手骨、足骨、椎骨、牙齿等等。

研究生Anthony Lanfranchi使用Artec Space Spider扫描人类胸骨

梅西赫斯特大学人类学硕士研究生Anthony Lanfranchi是课程设计人之一,他表示,“几年前,我第一次使用Space Spider,这是我人生第一次使用三维扫描仪。但学起来非常快。过去,我们用摄影法记录骨骼,需要从各个角度拍摄骨骼照片,保存骨骼特征,甚至还得为一些特别的特征制作牙科石膏模型。测量骨骼尺寸,用的是卡尺和卷尺。”

Lanfranchi继续说道,“但照片无法每次都如实反应骨骼特征,有些印记、色彩或重要特征很容易丢失。手动测量骨骼时,想要结果满意,还要多次反复测量,非常耗时。你会说这么仔细一定不会出错。但事实是,遇到弯曲的自然结构或骨骼表面,我们利用传统方式就束手无策了,肯定得不到精确值。”

一位学生在书桌前参加VR骨科课程

“但埃太科三维扫描仪可以完美捕获,无论是股骨又长又宽的表面,还是头骨上密密麻麻的接缝和凹陷部位,亦或是手骨和足骨上的小骨头,都没问题。只要几分钟,新手学生就能完成任何一块骨骼或解剖结构的扫描,获得亚毫米级精度的骨骼数据。即便需要测量多个曲面,也不成问题。手动测量的结果,远远不能达到埃太科三维扫描的水准,” Lanfranchi对此作出了强调。

VR人体骨科课程中的《特征识别》一课;标出左侧桡骨骨间嵴

Lanfranchi以最高分辨率扫描了各种骨骼,随后在Artec Studio软件中进行处理。工作流相当简单:首先点击套索工具,删除噪点,再使用尖锐融合,并添加纹理。这些扫描还支持不同格式的导出。在过去,这得花上不少时间。

用Lanfranchi的话说,“为大型扫描添加纹理这件事,通常要等我起床后,干了一小时别的事儿,回来导出扫描时才能搞定。但现在Artec Studio 15只要30分钟,就能把扫描和处理全部完成。实在太棒了!

Lanfranchi在2020年上半年开始使用Artec Micro。他发现这款全自动桌面式扫描仪操作简单,易于理解。“只要几个小时,就能摸索出采集小骨骼和牙齿的最佳设置。花了几周时间,我们就扫描了400多块骨骼,包括小型人骨、动物骨骼、一套人类牙齿。”

VR人类骨科课程中的《骨骼识别》一课;描绘左侧髋骨

除了用于人体骨科课程,这些Micro和Space Spider的扫描还能用于医学、牙医学生、法医与生物人类学家的培训课程建设。

这个时机再好不过了。Lanfranchi表示,“今年来看,这项技术格外有帮助,疫情之下,我们根本无法靠近收藏的人类骨骼。如果没有Artec MicroSpace Spider的快速扫描能力,以及Artec Studio 15的快速处理能力,那在制作虚拟人骨藏品的过程中,我们绝对没有底气能快速完成大量骨骼的3D模型制作,并用于VR。”

Artec Studio 15中Artec Micro扫描的浣熊(Procyon lotor)股骨截图

Dirkmaat和他的团队还在开发一系列应用程序,这些程序也将利用Space Spider和Micro制作的3D模型。其中包括一个服务于执法人员的应用程序,能帮助现场警官避免混淆人类与动物骨骼。这款应用程序会利用逼真的人体骨骼3D模型,同时还会将动物骨骼(包括鹿、熊、浣熊、牛、猪等)的3D模型缩放后,与人类骨骼进行并列比较。

Artec Studio 15中Artec Micro扫描的幼龄期黑熊脚踝骨截图

Lanfranchi说道,“在美国,每天都有警察咨询法医人类学专家,了解他们找到的遗骸是否来自人类。答案往往是否定的,同时还要评估一下最有可能来自哪种动物。但只要警官们有了这款APP,很快就能亲自查询到想要的结果。”

今年上半年,大学逐渐开始远程教学,Lanfranchi和团队也必须转战虚拟课堂。也就是说,实验室的课程,只能通过骨骼照片来学习了。Lanfranchi回想起这段痛苦的回忆,表示,“这段日子对我们而言太艰难了,对有些学生而言,很难把虚拟课堂学到的知识应用起来,回到线下实验室,面对真实骨骼,他们依然很茫然。”

Artec Studio处理Artec Space Spider扫描的人类颅骨

Lanfranchi再次强调了三维扫描在法医教育领域的重要性,他表示,“在全国许多法医课程中,即便在非疫情期间,学生也接触不到真实的骨骼,只能通过教科书上的骨骼照片学习。我坚信,Space SpiderMicro制作的三维扫描,作为学科教具,要比书本上的平面图强多了。而且,我认为参加这样的VR课程,效果不会比利用真实骨骼学习来的差。通过VR学习,你不用受到实验室开放时间的限制。还能根据自己的节奏,想学多久学多久。”

Lanfranchi继续说道,“有了VR课程,就等于有了一套全天候供你使用学习的骨骼,想怎么学就怎么学。骨骼也没有被损坏的可能。而且你的老师还是一位硕士毕业生,知道教授人类骨科学的最佳方式。Dirkmaat博士也将课程顺序按照科学合理的方式进行了排列。光这点就非常难得。”