基于云计算的医学教育3D打印模型管理系统设计

赵亮

摘 要：3D打印技术是一种新兴技术，它以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体。随着3D打印技术的迅速发展，其在医学领域的应用前景越发广阔。在整个3D打印过程中，通过计算机软件生成的STL建模文件是非常重要的部分，它关系3D打印产品的设计、实现、升级和重复利用。研究构建医学教育3D打印模型管理系统，实现STL文件上传、3D模型展示等功能，可以为医学领域的教育教学和相关研究提供一个科研、学习、交流和应用的综合平台。

关键词：云计算；医学教育；3D打印；STL；WebGL；模型管理系统

中图分类号：TP393 文献标志码：B 文章编号：1673-8454（2017）01-0034-02近年来，3D打印技术获得迅速发展，受到科学界的广泛关注，美国科学家将3D打印产业列为“美国十大增长最快的工业”之一[1]，一部分科学家甚至宣称3D打印技术将带来“第三次工业革命”[2]。目前3D打印技术在各个领域的应用越来越广泛，在医学领域更是如此， 3D打印技术正应用于打印医学模型、打印人工骨骼、打印生物器官、打印牙齿、打印可控释放药物、整形美容等方面 [3]。与此同时，基于互联网服务的增加、使用和交付模式的拥有强大的计算能力的云计算技术也给3D打印技术的发展注入了新的活力。云计算在网格计算的基础上发展而来，是先进计算机技术和网络技术发展融合的计算模型，具有超强运算能力和海量数据存储能力。建立基于云计算的医学教育3D打印模型管理系统，既可以为医学教育提供教学用3D模型展示和学习的空间，也可以为相关从业人员提供技术交流、STL文件存储和发布的平台，能够为医学相关专业的教育提供良好的技术支持，也能够满足相关教师和科研人员的部分科研需求。

一、3D打印模型管理系统云环境构建

相对于传统服务器，云服务器具有更好的稳定性，数据可靠性更高；具备更强的弹性，可自由配置硬件资源；更高的安全性，云服务商会提供全面防护；更低的成本，无需专门运维人员；更佳的易用性，云服务商提供了多种操作系统和应用软件。因此很容易构建适用于医学教育领域3D打印模型管理系统的云环境。

本文以百度云服务器BCC（Baidu Cloud Compute）为例说明3D打印模型管理系统的云环境构建过程。登录百度开放云官网购买百度弹性云服务，这是一种处理能力可弹性伸缩的计算服务器，购买时要根据实际需求指定CPU、内存、公网带宽、镜像类型、操作系统、CDS磁盘、临时数据盘的规格。BCC提供两种计费方式，包年包月方式：可选1-12个月的包月服务或1到3年的包年服务，采用预付费方式；按需计费方式：根据实际使用量，按分钟计时计费并扣费，需提前向账户充值。接下来创建BBC实例，在官网云服务器BCC实例列表界面设置BBC实例名称、ID、区域、配置信息等内容，其中临时数据盘和CDS云磁盘可根据需求選择。确认所有配置并成功付款后，系统将在后台进行云服务器的创建。点击“管理控制台”即可进入“实例列表”界面管理和查看创建好的云服务器实例。

二、医学教育3D打印模型管理系统需求分析

1.功能需求分析

医学教育3D打印模型应提供后台管理功能，管理员通过登录后台对系统进行管理，包括管理模型管理、用户管理、供求区管理和留言管理等；系统同时提供前台功能，所有用户均可通过浏览器访问前台页面，注册用户登录系统后可上传3D打印模型文件或在供求区发布回复主题；3D化外观展示功能，认证教师、注册学生和科研人员可通过登录系统平台直接观看3D模型全方位细节展示。

2.性能需求分析

因为主要面向非计算机专业的医学教师和医学生提供服务，系统应提供良好的用户易用性和系统安全性。其中易用性体现在用户对系统的熟悉速度和使用感受上，前者由前台设计保障，后者由云服务器的处理性能提供；系统安全性体现在环境安全和数据安全方面，其中百度云服务器BCC提供的云安全BSS（Baidu Security Service）和云监控BCM（Baidu Cloud Monitor）可以提供DDoS防护、云服务器防护、Web漏洞监测等服务保障环境安全，云服务器提供的快照功能和系统的数据库备份功能则可以保障数据安全。

3.技术可行性分析

医学教育3D打印模型管理系统需采用的主要技术有HTML5技术、WebGL技术、Ajax技术等，其中HTML5、Ajax技术已经非常成熟[4]，WebGL技术是功能强大且完全免费的Web3D技术[5]，由OpenGL和JavaScript结合产生，能在很多不同的设备上运行，比如个人电脑、平板电脑和智能手机等，这些技术的运用保证了系统的稳定性和扩展性。

三、医学教育3D打印模型管理系统设计

为了应对不同宽度的显示器和手持终端，系统前端设计采用自适应网页设计模式（Responsive Web Design），这也可以保障后期手机APP开发的方便性；系统后台设置独立的管理员登陆接口，管理员设置多个帐号多种权限，每个管理员设置独立帐号和密码；数据库设计考虑到系统涉及大量数据模型，采用开源的MySQL数据库系统，遵循GNU通用公共许可证下各种专有协议。其中系统前端结构如图1所示，前端分为5个子模块，包括“首页、模型库、供求区、实物展示、注册&登录”。

其中——

首页：提供各种页面下的返回首页功能。

模型库：提供解剖类、组胚类和其他STL模型3D效果展示功能。

供求区：供认证教师、注册学生和科研人员发布和查看STL模型需求和转让信息，认证教师、注册学生和科研人员还可在需求和转让信息下方回复消息和添加评论。

实物展示：管理员、认证教师、注册学生和科研人员可以在该模块下发布3D打印好的实物文字、图片、视频等信息。

注册&登陆：提供教师、学生和其他用户注册功能，已注册用户可以在此登陆系统。

医学教育领域3D打印模型管理系统中应用的关键技术WebGL是javascript与openGL ES2.0结合的产物，它提供了底层的绘制和计算函数，通过experimental-webgl来利用底层显卡加速图形绘制，这些绘制信息会被传递给GPU进行处理，从而得到最终的绘制结果。系统中应用WebGL绘制的效果如图2所示。

四、总结与展望

本文研究的基于云计算环境的医学教育领域的3D打印模型管理系统，在系统中应用了WebGL技术，系统的3D打印模型资源库为教师、学生和科研人员提供了全方位观看并控制3D打印模型姿态的功能，能够更好的展示3D打印模型的全部细节，并提供了上传和下载STL模型文件功能，为医学教育教学和相关领域科研提供了一个功能强大的平台，能够有效地促进行业交流与医学教育科研领域中3D打印技术的研究和应用。

参考文献：

[1]黄健，姜山.3D打印技术将掀起“第三次工业革命”[J].新材料产业，2013（1）：62-67.

[2]邓启文，陈强，郭继周等.3D打印技术对武器装备发展的影响[J].国防科技，2014（8）：63-66.

[3]姜杰，茱莉娅，杨建飞，等.3D打印技术在医学领域的应用与展望[J].机械设计与制造工程，2014（11）：5-9.

[4]谭文文，丁世勇，李桂英.基于WebGL和HTML5网页3D动画的设计与实现[J].电脑知识与技术，2011（7）：28.

[5]Brian Danchilla.Beginning WebGL for HTML5[M].New York：Apress，2012：10-12.

（编辑：王晓明）