Как Университет Данди использует 3D-сканеры Artec в своей магистерской программе медицинского искусства (и не только)

Задача: Помочь студентам-медикам оцифровывать образцы костей, целые скелеты, а также учебные анатомические модели, чтобы затем преобразовывать их в реалистичные 3D-модели.

Решение: Artec Eva, Space Spider, Artec Studio, ZBrush

Результаты: Студентам, обучающимся по программе медицинского искусства, необходимы точные 3D-модели, которые станут основой для их работы в качестве медицинских иллюстраторов. Университет Данди учит студентов пользоваться двумя передовыми 3D-сканерами Artec Eva и Space Spider, которые помогают легко создавать 3D-модели для различных сфер применения.

Каждый раз, когда вы видите анимационные ролики о том, как происходит передача вируса или же как предотвратить его попадание в дыхательные пути, можете благодарить за проделанную работу медицинских иллюстраторов. Работа в этой сфере современной медицины и здравоохранения за последнее столетие невероятно усложнилась.

Студенты программы медицинского искусства в Университете Данди сканируют объект с помощью Artec Space Spider

Медицинские иллюстраторы — это те люди, которые преобразовывают всё сложное, что встречается в медицинской науке, в понятные диаграммы, изображения, видео, а также физические или виртуальные объекты.

Изображение, раскрывающее строение внутреннего уха (авторы – студенты, обучающиеся по программе медицинского искусства Университета Данди)

Преподаватели магистерской программы медицинского искусства в Университете Данди готовят будущих медиков-иллюстраторов к по-настоящему увлекательной работе. Существует множество передовых разработок на стыке технологий, науки и визуальной коммуникации; курс для выпускников вузов рассчитан на 12 месяцев и охватывает все главные аспекты профессии, которая становится всё более популярной.

3D-модель с изображением болезни почек (авторы – студенты, обучающиеся по программе медицинского искусства Университета Данди)

Медицинские иллюстраторы — это, как правило, художники с медицинским образованием. Результаты их работы должны быть не только визуально безупречными, но и анатомически точными. Это условие является обязательным, поскольку именно этими наглядными пособиями пользуются врачи, которым зачастую предстоит спасать жизни пациентов. Таким образом, медицинское образование — важнейшая база для обучения по программе медицинского искусства.

Для визуализации анатомии стопы были использованы 3D-сканы стопы человека

Приведем пример использования медицинских иллюстраций на практике. Представьте себе прием у врача, когда ребенок с родителями слышит свой диагноз и различные варианты лечения. Это стрессовая ситуация и для родителей, и для ребёнка. Использование медицинских иллюстраций помогает врачу сгладить острые углы.

Представьте, что тот же врач встает со своего места, подходит к ребенку, садится рядом, чтобы быть с ним на одном уровне. Врач включает видео на своем iPad, и ребенок вместе с родителями смотрит красочный анимационный фильм о той болезни, которой болеет он, а также о доступных способах лечения. Ребенок успокаивается.

Еще один пример: отработка проведения хирургических операций. Медицинские университеты начинают развивать и интегрировать в учебный процесс AR/VR-приложения для отработки различных хирургических вмешательств. Такая практика стала возможна благодаря работе современных медицинских иллюстраторов, которые соблюдают строгие стандарты анатомической точности.

Студентка Университета Данди обучается, используя приложение виртуальной реальности

Будущие медики оттачивают мелкую моторику и мышечную память для работы со скальпелями, бормашинами и другими инструментами. Таким образом, если 3D-модель виртуального пациента, с которым они работают, содержит какие-либо неточности, то однажды врач может совершить ошибку при работе с настоящим пациентом.

Чтобы сделать процесс максимально реалистичным, кроме VR-шлемов в этих приложениях часто используются технологии передачи тактильных ощущений. При таком подходе студенты лучше всего понимают, как именно совершать те или иные манипуляции: например, с какой силой осуществлять нажим.

Исследование, проведенное в 2019 году медицинским факультетом Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе, показало, что те студенты-медики, которые обучались проведению хирургических вмешательств с помощью VR-приложений, добиваются значительно более высоких результатов по разным направлениям. Так, их баллы оказались на 130% выше, чем у студентов, которые проходили обучение на традиционных хирургических тренажерах.

Существует несколько вариантов получения 3D-моделей. Традиционный способ – 3D-моделирование. Программа медицинского искусства Университета Данди включает в себя занятия, которые знакомят студентов с необходимыми технологиями и помогают достигать высокого профессионального уровня.

Однако 3D-моделирование обычно включает в себя очень длительный и многоэтапный процесс создания 3D-контента. И когда необходимо воссоздать органические формы, например, скелетную и мышечную системы, даже опытные специалисты в сфере 3D-моделирования зачастую выбирают более эффективный способ работы – оцифровку физических объектов.

Одним из таких методов является 3D-сканирование. Руководство Университета Данди закупило портативные 3D-сканеры, когда его сотрудники увидели, как быстро и легко студенты без опыта работы с таким оборудованием могли за считанные секунды оцифровать необходимый объект. И это не говоря уже о полученных результатах: научно точные 3D-модели были сразу готовы к использованию в проектах по созданию анатомических иллюстраций, разработке AR/VR-приложений медицинской направленности, а также для 3D-печати. Напечатанные на 3D-принтере объекты можно, например, использовать в музеях. Так посетители смогут детально исследовать строение того или иного образца.

После того, как Патрик Торн, партнер Artec 3D с золотым статусом и специалист в сфере 3D-сканирования, продемонстрировал координатору курса по медицинскому искусству Университета Данди доктору Каролин Эролин 3D-сканеры Artec Eva и Space Spider, она быстро приняла решение.

Вот что она рассказывает: «Нам необходимо оцифровывать множество органических структур, включая образцы костей человека и животных, причем делать это быстро и легко. На выходе мы хотим получать сканы, которые можно без усилий перевести в 3D-модели, готовые к использованию в виртуальной реальности и 3D-печати. Наши стандарты довольно высоки».

Студентка направления медицинского искусства Университета Данди сканирует череп человека с помощью Artec Space Spider

Доктор Эролин продолжает: «Всего одной презентации сканеров Artec, которую провел Патрик Торн, было достаточно, чтобы понять, что мы нашли наиболее подходящее для нас решение. Наши студенты, не имея никакого опыта в сканировании и 3D-моделировании, через несколько минут после инструктажа могут начать работу с этим оборудованием. Им действительно приятно пользоваться, особенно когда видишь, что снимаемый объект так быстро «оживает» на экране в 3D-среде».

Впоследствии университет приобрел для этой программы один сканер Artec Eva и три сканера Space Spider, а также десятки лицензий Artec Studio, программного обеспечения для обработки 3D-сканов.

По словам Патрика Торна, «с самого начала нашей работы с Каролин и университетом было очевидно, что сканеры Artec 3D идеально подойдут им. Вскоре этой технологией заинтересовались сотрудники других факультетов университета и тоже приобрели 3D-сканеры Artec. Я очень горжусь нашим сотрудничеством и счастлив быть причастным к работе такой прекрасной команды».

Студентка, изучающая медицинское искусство в Университете Данди, сканирует свою одногруппницу

В настоящее время сканеры Artec Eva и Space Spider используются на факультете медицинского искусства в Университете Данди в следующих целях:

  • Оцифровка черепов людей для реконструкции лиц в криминалистике и археологии
  • Образцы из областей зоологии и сравнительной анатомии для проведения различных мероприятий, обучения и исследований
  • Строение костей младенцев — чтобы помочь сохранить хрупкие коллекции и получить возможность использовать их в обучении без риска разрушения
  • Строение костей взрослых людей / образцы костей — для обучения и исследования
  • Соединение 3D-моделей, созданных на основе сканов, с другими, созданными в программах для 3D-моделирования, для создания обучающих материалов по анатомии (мышцы моделируются в программах ZBrush или Maya)
  • Чтобы обучить студентов, изучающих медицинское искусство и криминалистику всем необходимым навыкам работы с 3D-сканированием и обработкой данных
  • Сканирование моделей, изготовленных из традиционных материалов, например, из воска — обычно это требуется для курсовых работ

Доктор Эролин объясняет, каким образом 3D-сканеры помогают студентам подготовиться к будущей профессиональной деятельности: «К моменту завершения программы обучения студенты много часов проведут за работой со сканерами Artec Eva и Space Spider. Они сами будут знать, какой из них выбрать и как всего через несколько минут начать оцифровку любого объекта: от рыбы фугу до черепа человека. Затем они смогут поэтапно преобразовать полученные сканы в 3D-модели, которые будут готовы к дальнейшему использованию в сфере медицинского искусства. Сюда относятся иллюстрации к учебникам, онлайн-анимации, применение в виртуальной реальности (например, виртуальные выставки в музеях), не говоря уже о 3D-печати этих образцов для практического использования исследователями и посетителями музеев. Наши студенты изучают все эти аспекты и даже больше».

3D-модель рыбы фугу, созданная на базе сканов, полученных с помощью Artec Space Spider (Sketchfab)

Взгляните на потрясающее онлайн-портфолио, созданное студентами Университета Данди.

Пара слов о безопасности 3D-сканирования музейных коллекций от доктора Эролин: «Многие из тех объектов, которые нам необходимо оцифровать, являются очень хрупкими, их легко повредить или даже разрушить, в связи с чем нам приходится максимально сокращать физический контакт с ними. Artec Eva и Space Spider просто идеально подходят этой парадигме. Их структурированная подсветка абсолютно безопасна и не оказывает разрушительного воздействия ни на хрупкие зоологические образцы, ни на легко раскалывающиеся тысячелетние ископаемые объекты».

Иллюстрации, созданные студентами Университета Данди на основе сканов, полученных с помощью Artec Space Spider

Доктор Эролин продолжает: «Учитывая, с какой высокой скоростью сканеры снимают объекты, даже неопытный студент может за один день оцифровать десятки образцов и даже больше. Для музея это означает минимальный риск повреждения объектов и максимальную эффективность процесса. Благодаря тому, что сегодня все данные переносятся в онлайн-пространство, Artec стал настоящим золотым ключиком, который помогает преобразовывать наши коллекции и выводить их в цифровую вселенную, что особенно актуально на фоне глобальных событий последних месяцев».

3D-модель черепа лесного слона, отсканированного с помощью Artec Eva (Sketchfab)

«Интерес к онлайн-коллекциям зоологических экспонатов просто колоссальный. Даже наш музей зоологии имени Д'Арси Томпсона, который оцифровал лишь малую часть своей коллекции, посетило уже более 20 000 виртуальных гостей из десятков стран мира. И количество желающих взглянуть на 3D-модели неизменно растет».

«Такой подход не только открыл доступ к нашим коллекциям для тысяч людей, которые в противном случае никогда не смогли бы приехать в Шотландию и лично увидеть наши экспозиции, но еще и привел к тому, что сам музей получил значительно большую публичность на местном и международном уровне. Головокружительная скорость жизни в современном мире зачастую не оставляет времени на походы в музеи, поэтому такое внимание к онлайн-коллекциям становится огромной удачей для любой галереи».

Больше всего сотрудники университета ценят высокую скорость обучения азам работы со сканерами, а также ту легкость, с которой студенты становятся профессиональными пользователями ПО для обработки сканов Artec Studio, что является важнейшим этапом преобразования сканов в 3D-модели.

Студентки факультета медицинского искусства Университета Данди сканируют нижнюю челюсть с помощью Artec Space Spider

Доктор Эролин пошагово описывает процесс работы с объектами: «Наш процесс сканирования обычно выглядит следующим образом: в зависимости от размера объекта мы сканируем его с помощью Eva или Space Spider, участок за участком. Как правило, мы пользуемся настройками Artec Studio, выставленными по умолчанию, но иногда регулируем чувствительность для съемки более сложных объектов, например, тех, что имеют темные и блестящие участки поверхности. Затем мы переходим к грубой и точной регистрации, а затем — к сборке сканов. После этого мы запускаем Глобальную регистрацию, по окончании которой пользуемся инструментами Ластик и Удаление полигонального шума, чтобы немного подчистить модель».

«При работе с черепами и другими объектами, имеющими множество элементов, которые необходимо передать в 3D, мы применяем Четкую склейку. Однако при сканировании лиц и более простых объектов, на наш взгляд, намного лучше подходит Гладкая склейка. После применения Фильтра мелких объектов и Быстрого упрощения полигональной сетки мы создаем текстуру из сканов, которые использовались для склейки, а затем экспортируем результат в формате OBJ с текстурной картой в формате JPG или PNG. После этого мы делаем завершающие штрихи в ZBrush».

«До тех пор, пока вы не ретопологизируете или не обрежете сетку, можно сгладить модель в ZBrush без потери качества UV-развертки. Также можно наложить текстуру на Polypaint (убедитесь, что разделили геометрию модели как минимум один раз), подчистить его и затем создать новую текстурную карту из Polypaint».

Студентка факультета медицинского искусства Университета Данди использует Artec Eva, чтобы отсканировать одногруппницу

Доктор Эролин делится своим видением профессии медицинского иллюстратора и роли 3D-сканирования в целом: «У медицинского искусства и художников — большое будущее. Сейчас — самое подходящее время для развития в этой сфере, особенно при наличии таких потрясающих технологий и инструментов, как сканеры Artec. Они позволяют нам преобразовывать в 3D-модели сложные объекты реального мира с органическими формами, причем делать это значительно быстрее и проще, чем можно себе представить».

«У меня захватывает дух, когда я вижу, как наши образцы превращаются в 3D-модели. А для медицинских художников всего мира, не говоря уже о наших сегодняшних и будущих студентах, подобные 3D-модели являются ключевыми компонентами для создания точных с точки зрения медицины и криминалистики изображений. Они представляют собой не только понятные, но и абсолютно полные цифровые копии объектов».

Наличие массива готовых 3D-моделей имеет и ещё один плюс. Неожиданная отмена занятий, вызванная пандемией Covid-19, повлекла за собой переход от очного к дистанционному обучению. По словам доктора Эролин, изучив веб-платформы, через которые можно делиться 3D-моделями со студентами, Центр анатомии и идентификации человека Университета Данди выбрал Sketchfab, где и появился целый раздел анатомических 3D-моделей. Такой выбор обусловлен простотой использования платформы и ее поддержкой образовательных учреждений.

Создано с помощью Space Spider: размещенная на Sketchfab 3D-модель восковой анатомической модели головы

Модели можно загружать прямо из ПО для 3D-моделирования, например, ZBrush, через встроенную функцию отправки файлов или через кнопку «Загрузить» на главной странице Sketchfab. После загрузки можно изменить множество параметров во вкладке «3D-настройки». К ним относятся: позиционирование модели и настройка поля зрения; добавление индивидуального фона с логотипом Университета; регулировка освещения; настройка свойств материалов, например, блеск и прозрачность; добавление аннотаций; здесь даже есть настройки для просмотра моделей в виртуальной реальности.

Размещенная на Sketchfab 3D-модель почечной лоханки человека (добавленные мышцы выделены в ZBrush). Модель создана с помощью Space Spider.

3D-модели можно загрузить вместе с их текстурными картами, но Sketchfab также распознает цвет вершин, что может быть очень полезно, если текстурные карты недоступны. В учетной записи категории Pro можно размещать приватные модели, что может быть очень удобно для более деликатных сканов, доступ к которым можно ограничить определенным кругом лиц. Кроме того, Sketchfab позволяет легко делиться результатами работы при наличии лицензии Creative Commons. После размещения на Sketchfab 3D-модели можно легко добавлять на веб-сайты и в социальные сети, а также скачивать для 3D-печати.

Применение 3D-сканирования в Университете Данди оказалось настолько успешным, что его сотрудники часто рекомендуют 3D-сканеры Artec другим университетам и образовательным организациям в Великобритании и других странах. Двигаясь в этом направлении, доктор Эролин, которая является одним из создателей Института медицинских иллюстраторов (IMI), приглашает компанию Patrick Thorn & Co к участию в регулярных мероприятиях вуза. Одним из последних была двухдневная конференция в Белфасте, Ирландия, которая прошла в октябре 2019 года.

Оба дня мероприятия оказались весьма насыщенными для Патрика Торна: он проводил мастер-классы и давал участникам возможность поработать с портативными профессиональными 3D-сканерами Artec (Artec Leo, Space Spider и Eva). На конференции было проведено два мастер-класса: «3D-съемка как этап реконструкции лиц» и «3D-сканирование: инструмент, расширяющий возможности медицинской фотографии».

«Каролин и Университет оказались великолепными партнерами Artec 3D и нашей компании, — говорит Патрик Торн. — Они помогли нам поставить 3D-оборудование во многие университеты и организации Шотландии».

Истории о том, как 3D-сканеры Artec используются на других факультетах Университета Данди, доступны по ссылкам:

https://www.artec3d.com/cases/artec-goes-arctic

https://www.artec3d.com/cases/anatomical-3d-visualization-at-university-...