3D掃描儀

·         Artec Space Spider

·         Artec Micro

挑戰：一位著(zhù)名法醫人類(lèi)學(xué)家需要捕獲幾百塊人類(lèi)骨骼，并制成符合解剖學(xué)要求的精準3D模型，并用于虛擬現實(shí)VR課程，他立刻想到了三維掃描技術(shù)。

解決方案：Artec Micro, Artec Space Spider, Artec Studio

效果：在接下來(lái)的幾周，團隊通過(guò)桌面式Artec Micro和手持式Artec Space Spider，幾分鐘內，就完成了每塊骨骼的掃描。隨后，通過(guò)Artec Studio處理，并將高分辨率3D模型導出，用于VR課程。

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

加利福尼亞北部一條河流中發(fā)現了一條半腐爛的腿，沒(méi)過(guò)幾小時(shí)，當地警官們就迅速行動(dòng)了起來(lái)。他們很快將遺骸送給三位專(zhuān)家，分別是醫療病理學(xué)家、考古學(xué)家和獸醫。前兩位專(zhuān)家認為這是一條人腿，而獸醫意見(jiàn)相左。

骨骼上的刀痕表明這條腿是被強行鋸斷的?？紤]到這點(diǎn)，大家認為它更有可能來(lái)自人類(lèi)。于是，搜救隊立刻成立，探員和警官也參與其中。然而，系統摸排了附近河岸和周邊地區整整三天后，他們一無(wú)所獲。這時(shí)，一名法醫人類(lèi)學(xué)家提出了第四種觀(guān)點(diǎn)。他確定，這條腿來(lái)自美洲黑熊，很有可能是某個(gè)獵人鋸斷后在上游丟棄的。

這件事再次突顯了官員執法的重要性，而且，他們需要真正了解人類(lèi)骨骼的專(zhuān)家一同合作。如果一開(kāi)始就咨詢(xún)法醫人類(lèi)學(xué)家，或其他懂行的專(zhuān)家，那么他們就能避免浪費幾百小時(shí)的人力和幾千美元的開(kāi)銷(xiāo)。然而，這種情況在美國和世界各地，每年都會(huì )發(fā)生無(wú)數次。

Artec Space Spider制作的黑熊股骨（上）和人類(lèi)股骨三維掃描對比

以往，深入了解人類(lèi)骨骼的好辦法就是去高校，參加人類(lèi)骨科課程，進(jìn)教室和實(shí)驗室上一學(xué)期課，研究真實(shí)的人類(lèi)骨骼。但這種方式有時(shí)不太現實(shí)。即便有課，如今高校收藏的人骨也不適合學(xué)習研究，學(xué)生使用的往往是塑料模型。

一位世界頂尖的法醫人類(lèi)學(xué)家認識到這一缺口，于是開(kāi)始采用前沿三維掃描科技和虛擬現實(shí)（VR），來(lái)改變現狀。Dennis C. Dirkmaat博士是認證法醫人類(lèi)學(xué)家，自1991年開(kāi)始，就在賓夕法尼亞州伊利市的梅西赫斯特大學(xué)（Mercyhurst University）開(kāi)設世界一流的法醫人類(lèi)學(xué)課程。

他親自為全國近100名驗尸官、法醫、執法機構和官員，依靠人類(lèi)法醫學(xué)解決了近1000個(gè)案件。最近，他在這一學(xué)科領(lǐng)域獲得了兩個(gè)重大獎項，一是首次獲得杰出導師獎，二是因法醫人類(lèi)學(xué)終身成就而獲得了T. Dale Stewart獎。

Dennis Dirkmaat博士用Artec Micro掃描牙齒模型

Dirkmaat博士參與過(guò)的案件需要他分析地面發(fā)現的人類(lèi)遺骸、被埋的部分尸塊、致命火災現場(chǎng)以及大規模災難現場(chǎng)，其中包括2001年9月賓夕法尼亞州索美塞德郡發(fā)生的聯(lián)航93號恐怖襲擊，以及2009年水牛城科爾根航空空難。

他還需要對法醫現場(chǎng)進(jìn)行大規模搜索，確定受害者身份，進(jìn)行骨骼創(chuàng )傷分析。Dirkmaat曾作為專(zhuān)家證人出庭28次。他教過(guò)的很多學(xué)生已成為法醫死亡調查員和專(zhuān)業(yè)的法醫人類(lèi)學(xué)家，活躍在全國和全球各地。

高清法醫VR人類(lèi)骨科課程選課頁(yè)

有了Dirkmaat的VR人體骨骼課程，無(wú)論身處何地，人人都能有機會(huì )全面深入地了解人類(lèi)骨骼，且學(xué)習進(jìn)度自由控制，不受任何干擾。

課程打造歷時(shí)兩年，絲毫不比Dirkmaat在高校親授15周的效果差，足以培養未來(lái)的生物人類(lèi)學(xué)家。每節課上及課后精心安排的測試，能幫助學(xué)生牢牢掌握所學(xué)知識。

一位學(xué)生正在戶(hù)外參加VR人類(lèi)骨科課程

借助Oculus Go或Oculus Quest II VR頭盔，就能和人體206塊骨骼進(jìn)行沉浸式交互，高分辨率的彩色3D模型，給你身臨其境般的體驗。每節課都以科學(xué)的方式加深你對骨骼的認識與理解：首先，學(xué)習骨骼名稱(chēng)，包括拼寫(xiě)和發(fā)音，再學(xué)習每塊骨骼在人體中的位置，隨后學(xué)習骨骼的解剖方位。

在余下的課程中，你可以在虛擬環(huán)境下親自拿起骨骼，放大、縮小，多角度觀(guān)察，根據自身進(jìn)度，學(xué)習每塊骨骼的獨特特征。

VR人類(lèi)骨科課程中的《骨骼名稱(chēng)》一課

在Dirkmaat看來(lái)，“這門(mén)課程不僅對法醫領(lǐng)域從業(yè)者有極大幫助，同時(shí)，對考慮從事醫學(xué)、衛生、運動(dòng)醫學(xué)、解剖學(xué)、生物學(xué)等行業(yè)的人而言，也大有裨益。掌握人類(lèi)骨科知識，對包括這些領(lǐng)域的許多行業(yè)而言都至關(guān)重要?！?

VR人類(lèi)骨科課程中所使用的3D模型全部根據真實(shí)人骨制作而成，精度達亞毫米級，非常逼真。擔任骨骼掃描的兩臺計量級專(zhuān)業(yè)三維掃描儀分別為手持式Artec Space Spider和桌面式Artec Micro。

Artec Micro掃描的成人第一磨牙

Space Spider只需要幾分鐘即可捕獲每塊骨骼，主要負責為大型骨骼建模，比如頭骨、手臂和腿骨，Micro善于捕獲小型物體，精度達10微米，主要捕獲小塊骨骼，包括手骨、足骨、椎骨、牙齒等等。

研究生Anthony Lanfranchi使用Artec Space Spider掃描人類(lèi)胸骨

梅西赫斯特大學(xué)人類(lèi)學(xué)碩士研究生Anthony Lanfranchi是課程設計人之一，他表示，“幾年前，我第一次使用Space Spider，這是我人生第一次使用三維掃描儀。但學(xué)起來(lái)非?？?。過(guò)去，我們用攝影法記錄骨骼，需要從各個(gè)角度拍攝骨骼照片，保存骨骼特征，甚至還得為一些特別的特征制作牙科石膏模型。測量骨骼尺寸，用的是卡尺和卷尺?！?

Lanfranchi繼續說(shuō)道，“但照片無(wú)法每次都如實(shí)反應骨骼特征，有些印記、色彩或重要特征很容易丟失。手動(dòng)測量骨骼時(shí)，想要結果滿(mǎn)意，還要多次反復測量，非常耗時(shí)。你會(huì )說(shuō)這么仔細一定不會(huì )出錯。但事實(shí)是，遇到彎曲的自然結構或骨骼表面，我們利用傳統方式就束手無(wú)策了，肯定得不到精確值?！?

一位學(xué)生在書(shū)桌前參加VR骨科課程

“但埃太科三維掃描儀可以捕獲，無(wú)論是股骨又長(cháng)又寬的表面，還是頭骨上密密麻麻的接縫和凹陷部位，亦或是手骨和足骨上的小骨頭，都沒(méi)問(wèn)題。只要幾分鐘，新手學(xué)生就能完成任何一塊骨骼或解剖結構的掃描，獲得亞毫米級精度的骨骼數據。即便需要測量多個(gè)曲面，也不成問(wèn)題。手動(dòng)測量的結果，遠遠不能達到埃太科三維掃描的水準，” Lanfranchi對此作出了強調。

VR人體骨科課程中的《特征識別》一課；標出左側橈骨骨間嵴

Lanfranchi以高分辨率掃描了各種骨骼，隨后在Artec Studio軟件中進(jìn)行處理。工作流相當簡(jiǎn)單：首先點(diǎn)擊套索工具，刪除噪點(diǎn)，再使用尖銳融合，并添加紋理。這些掃描還支持不同格式的導出。在過(guò)去，這得花上不少時(shí)間。

用Lanfranchi的話(huà)說(shuō)，“為大型掃描添加紋理這件事，通常要等我起床后，干了一小時(shí)別的事兒，回來(lái)導出掃描時(shí)才能搞定。但現在Artec Studio 15只要30分鐘，就能把掃描和處理全部完成。實(shí)在太棒了！”

Lanfranchi在2020年上半年開(kāi)始使用Artec Micro。他發(fā)現這款全自動(dòng)桌面式掃描儀操作簡(jiǎn)單，易于理解?！?b>只要幾個(gè)小時(shí)，就能摸索出采集小骨骼和牙齒的設置?；藥字軙r(shí)間，我們就掃描了400多塊骨骼，包括小型人骨、動(dòng)物骨骼、一套人類(lèi)牙齒。”

VR人類(lèi)骨科課程中的《骨骼識別》一課；描繪左側髖骨

除了用于人體骨科課程，這些Micro和Space Spider的掃描還能用于醫學(xué)、牙醫學(xué)生、法醫與生物人類(lèi)學(xué)家的培訓課程建設。

這個(gè)時(shí)機再好不過(guò)了。Lanfranchi表示，“今年來(lái)看，這項技術(shù)格外有幫助，疫情之下，我們根本無(wú)法靠近收藏的人類(lèi)骨骼。如果沒(méi)有Artec Micro和Space Spider的快速掃描能力，以及Artec Studio 15的快速處理能力，那在制作虛擬人骨藏品的過(guò)程中，我們絕對沒(méi)有底氣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掃描的浣熊（Procyon lotor）股骨截圖

Dirkmaat和他的團隊還在開(kāi)發(fā)一系列應用程序，這些程序也將利用Space Spider和Micro制作的3D模型。其中包括一個(gè)服務(wù)于執法人員的應用程序，能幫助現場(chǎng)警官避免混淆人類(lèi)與動(dòng)物骨骼。這款應用程序會(huì )利用逼真的人體骨骼3D模型，同時(shí)還會(huì )將動(dòng)物骨骼（包括鹿、熊、浣熊、牛、豬等）的3D模型縮放后，與人類(lèi)骨骼進(jìn)行并列比較。

Artec Studio 15中Artec Micro掃描的幼齡期黑熊腳踝骨截圖

Lanfranchi說(shuō)道，“在美國，每天都有警察咨詢(xún)法醫人類(lèi)學(xué)專(zhuān)家，了解他們找到的遺骸是否來(lái)自人類(lèi)。答案往往是否定的，同時(shí)還要評估一下最有可能來(lái)自哪種動(dòng)物。但只要警官們有了這款APP，很快就能親自查詢(xún)到想要的結果?！?

今年上半年，大學(xué)逐漸開(kāi)始遠程教學(xué)，Lanfranchi和團隊也必須轉戰虛擬課堂。也就是說(shuō)，實(shí)驗室的課程，只能通過(guò)骨骼照片來(lái)學(xué)習了。Lanfranchi回想起這段痛苦的回憶，表示，“這段日子對我們而言太艱難了，對有些學(xué)生而言，很難把虛擬課堂學(xué)到的知識應用起來(lái)，回到線(xiàn)下實(shí)驗室，面對真實(shí)骨骼，他們依然很茫然?！?

Artec Studio處理Artec Space Spider掃描的人類(lèi)顱骨

Lanfranchi再次強調了三維掃描在法醫教育領(lǐng)域的重要性，他表示，“在全國許多法醫課程中，即便在非疫情期間，學(xué)生也接觸不到真實(shí)的骨骼，只能通過(guò)教科書(shū)上的骨骼照片學(xué)習。我堅信，Space Spider和Micro制作的三維掃描，作為學(xué)科教具，要比書(shū)本上的平面圖強多了。而且，我認為參加這樣的VR課程，效果不會(huì )比利用真實(shí)骨骼學(xué)習來(lái)的差。通過(guò)VR學(xué)習，你不用受到實(shí)驗室開(kāi)放時(shí)間的限制。還能根據自己的節奏，想學(xué)多久學(xué)多久?！?

Lanfranchi繼續說(shuō)道，“有了VR課程，就等于有了一套全天候供你使用學(xué)習的骨骼，想怎么學(xué)就怎么學(xué)。骨骼也沒(méi)有被損壞的可能。而且你的老師還是一位碩士畢業(yè)生，知道教授人類(lèi)骨科學(xué)的方式。Dirkmaat博士也將課程順序按照科學(xué)合理的方式進(jìn)行了排列。光這點(diǎn)就非常難得?！?