三維打印技術(shù)在醫(yī)療器械維修中的應(yīng)用

徐路釗，張華偉，吳書銘，劉成友，蔣紅兵

南京醫(yī)科大學(xué)附屬南京醫(yī)院 醫(yī)療設(shè)備處，江蘇 南京 210006

三維打印技術(shù)在醫(yī)療器械維修中的應(yīng)用

徐路釗，張華偉，吳書銘，劉成友，蔣紅兵

南京醫(yī)科大學(xué)附屬南京醫(yī)院 醫(yī)療設(shè)備處，江蘇 南京 210006

三維打印技術(shù)在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用范圍越來越廣泛，能夠定制特定手術(shù)模型、植入物、假肢和個(gè)性化手術(shù)設(shè)備等，但三維打印技術(shù)在醫(yī)療設(shè)備維修中的應(yīng)用卻較少。在日常的設(shè)備維修保養(yǎng)中，設(shè)備零配件的缺失和高昂的價(jià)格給維修工作帶來了諸多不便。本文結(jié)合日常維修實(shí)例，對(duì)已有或缺失的零配件使用不同的建模方法進(jìn)行三維還原，比較了三維成型件與原零配件的特性，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了三維打印技術(shù)在醫(yī)療設(shè)備維修中的應(yīng)用價(jià)值。

三維打印技術(shù)；三維建模；設(shè)備零配件；設(shè)備維修

0 引言

三維打印技術(shù)已廣泛應(yīng)用于工業(yè)產(chǎn)品開發(fā)、教育與科研、醫(yī)療衛(wèi)生、建筑、軍事、藝術(shù)等領(lǐng)域。近年來，三維打印技術(shù)在醫(yī)療方面的應(yīng)用不斷擴(kuò)展能夠定制特定手術(shù)模型、植入物、假肢和個(gè)性化手術(shù)設(shè)備等，但三維打印技術(shù)在醫(yī)療設(shè)備維修中的應(yīng)用卻較少[1-2]。

在日常的醫(yī)療設(shè)備維修中，因零配件缺損或配件定價(jià)較高而導(dǎo)致維修困難的情況較為常見。而三維打印技術(shù)的優(yōu)勢(shì)就在于能夠在控制成本的基礎(chǔ)上于短時(shí)間內(nèi)制造復(fù)雜物品，這使其在醫(yī)療設(shè)備維修中的價(jià)值越來越明顯，它能夠縮短維修時(shí)間，最大程度挽回因設(shè)備損壞給醫(yī)院帶來的損失[3-4]。

筆者采用兩種不同的建模方法（三維建模與反求工程）將缺失的零配件進(jìn)行了三維還原，并使用三維打印機(jī)將建模還原的零配件進(jìn)行打印成型，并將其與原零配件進(jìn)行了屬性比較，通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了三維打印技術(shù)在醫(yī)療設(shè)備維修中的應(yīng)用價(jià)值。

1 參數(shù)化建模

數(shù)字空間中的信息主要有一維、二維、三維幾種形式。對(duì)于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)來說，事物的三維建模是其難點(diǎn)。建模技術(shù)是將現(xiàn)實(shí)世界中的物體及其屬性轉(zhuǎn)化為計(jì)算機(jī)內(nèi)部可數(shù)字化表示、分析、控制和輸出的幾何形體的方法。按使用方式的不同，現(xiàn)有的建模技術(shù)主要可以分為線框模型、表面模型、實(shí)體模型、裝配模型、參數(shù)化建模、特征建模等類型[5]。

多數(shù)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)都是改進(jìn)型產(chǎn)品設(shè)計(jì)，而約70%的原產(chǎn)品設(shè)計(jì)信息中在新產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)可以被重新利用，參數(shù)化設(shè)計(jì)技術(shù)就是在這樣的背景下產(chǎn)生的。就醫(yī)療設(shè)備維修而言，最重要的是縮短維修時(shí)間，因此需要能夠快速對(duì)設(shè)備的零配件進(jìn)行建模，獲取其三維數(shù)據(jù)，所以醫(yī)療設(shè)備零配件的設(shè)計(jì)需要具備一定柔性，所設(shè)計(jì)的模型既要能滿足實(shí)際工作需要，又能迅速進(jìn)行重構(gòu)，使零配件的設(shè)計(jì)信息能夠被重復(fù)利用。因此，使用參數(shù)化建模最符合醫(yī)療設(shè)備零配件建模的需要。

在參數(shù)化設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)者可以根據(jù)自己的設(shè)計(jì)意圖勾畫出設(shè)計(jì)草圖，并能夠通過計(jì)算機(jī)系統(tǒng)自動(dòng)建立所設(shè)計(jì)對(duì)象內(nèi)部各設(shè)計(jì)元素之間的約束關(guān)系，以便設(shè)計(jì)者在更新草圖尺寸時(shí)，系統(tǒng)能夠自動(dòng)更新、校正草圖中的幾何形狀，并獲取幾何特征點(diǎn)的正確位置分布。

1.1 零配件三維建模

在支持參數(shù)化建模的設(shè)計(jì)軟件中，SolidWorks設(shè)計(jì)軟件具有操作簡(jiǎn)單、兼容性高的特點(diǎn)，因此筆者選用SolidWorks對(duì)醫(yī)療設(shè)備的零配件進(jìn)行三維建模。以下介紹使用SolidWorks設(shè)計(jì)軟件對(duì)某進(jìn)口品牌注射泵零配件進(jìn)行三維建模以及打印成型的實(shí)例。

臨床上常因摔落、用力扳折或使用不當(dāng)?shù)仍?，造成注射泵的推桿活動(dòng)卡槽斷裂，影響注射泵的正常使用（圖1）。由于該注射泵為進(jìn)口醫(yī)療設(shè)備，其配件的更換周期較長，且對(duì)應(yīng)配件的更換過程較為繁瑣，同時(shí)臨床上因注射泵緊缺、輪轉(zhuǎn)使用不暢等原因只能使用人工監(jiān)測(cè)其運(yùn)行狀態(tài)，不僅給臨床工作帶來了較大壓力，還給醫(yī)院帶來了相應(yīng)損失。

圖1 推桿活動(dòng)卡槽斷裂的注射泵

筆者結(jié)合注射泵的實(shí)際工作情況，根據(jù)活動(dòng)卡槽的斷裂面設(shè)計(jì)出了替代零配件的模型草圖，隨后使用游標(biāo)卡尺對(duì)模型各面進(jìn)行了精確測(cè)量，確定了各邊長度，在SolidWorks設(shè)計(jì)軟件中完成了零配件建模（圖2）。

圖2 推桿活動(dòng)卡槽建模圖

1.2 零配件成型制作

筆者使用具有熔融沉積（FDM）工藝的打印機(jī)替代零配件的成型制作。根據(jù)現(xiàn)有設(shè)備，選用上位機(jī)控制軟件（BaoYan Printer）和FDM工藝打印機(jī)（DOGO 480）進(jìn)行模型切片和零配件制作。

（1）將已經(jīng)設(shè)計(jì)好的推桿活動(dòng)卡槽三維模型導(dǎo)出成三維打印機(jī)識(shí)別的STL格式（圖3），在BaoYan Printer中載入推桿活動(dòng)卡槽三維模型，進(jìn)行切片（圖4）?；顒?dòng)卡槽三維模型經(jīng)過切片形成一層一層堆積的二維平面，每個(gè)平面內(nèi)顯示的是噴頭在這一層中的運(yùn)行軌跡，同時(shí)編譯出了機(jī)器可識(shí)別的G-code代碼。

圖3 推桿活動(dòng)卡槽STL格式圖

圖4 推桿活動(dòng)卡槽三維模型切片圖

（2）對(duì)已經(jīng)建模好的卡槽模型進(jìn)行應(yīng)力分析。以該注射泵為例，通過FLUKE IDA 4 PLUS輸液設(shè)備分析儀測(cè)得50 mL注射針管的阻塞壓強(qiáng)為500 mmHg，轉(zhuǎn)化為推桿壓力約為47 N[6-7]。由于要將卡槽模型的后端底面固定于注射泵上，因此在應(yīng)力分析時(shí)，以該模型的后端底面為固定面，以固定針管推桿的卡槽為受力面，計(jì)算出推桿在后段與中段的連接處所受壓強(qiáng)最大，轉(zhuǎn)化為壓力值約為82 N（圖5）[8]。

圖5 推桿活動(dòng)卡槽應(yīng)力分析示意圖

（3）將FDM工藝打印機(jī)（DOGO 480）（圖6）通過USB接口與計(jì)算機(jī)進(jìn)行連接，將計(jì)算機(jī)內(nèi)經(jīng)過切片所得的G-code代碼分批發(fā)送給打印機(jī)的主控板。主控板讀取G-code代碼內(nèi)容，并將其轉(zhuǎn)譯成對(duì)應(yīng)的機(jī)器語言，完成對(duì)打印機(jī)X、Y、Z三軸方向的聯(lián)動(dòng)控制，使得打印機(jī)噴頭完成如圖4所示的每一層中的運(yùn)行軌跡。然后將加熱套加熱至230 ℃，通過擠絲電機(jī)將固態(tài)的ABS工程塑料絲擠入到加熱套中，使其在加熱套里熔化。打印機(jī)噴頭在沿著某一層軌跡運(yùn)動(dòng)的同時(shí)擠絲電機(jī)也在工作，如此在預(yù)先設(shè)計(jì)好的路徑上便會(huì)堆積熔化狀態(tài)的塑料絲，塑料絲在堆積到成型臺(tái)上時(shí)會(huì)迅速凝固，將上下兩層緊密粘合。以此類推，當(dāng)噴頭完成所有軌跡運(yùn)動(dòng)時(shí)，模型也就完成了打印制作（圖7）。

圖6 DOGO480打印機(jī)

圖7 FDM工藝成型原理圖

（4）將已經(jīng)打印完成的推桿活動(dòng)卡槽模型從成型臺(tái)上取下（圖8），固定其后端底面，在卡槽處施加82 N的推力，卡槽并未折斷，因此在打印時(shí)選取30%的填充量足以滿足其工作時(shí)所需的應(yīng)力要求。隨后再將成型件裝配到損壞的注射泵上（圖9），注射泵開機(jī)運(yùn)行即可正常工作。

圖8 推桿活動(dòng)卡槽成型圖

圖9 維修后的注射泵

2 反求工程建模

在日常的醫(yī)療設(shè)備維修中，往往會(huì)因?yàn)榫S修配件較貴導(dǎo)致維修成本過高。如果可以對(duì)已有易損耗的零配件進(jìn)行復(fù)制制作，便可降低維修成本，縮短維修時(shí)間，提高設(shè)備的使用率。反求工程技術(shù)的發(fā)展為零配件的復(fù)制成型提供了可能。

反求工程一般分為4個(gè)階段：① 零配件原形的數(shù)字化：通常采用三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)（CMM）或激光掃描儀等測(cè)量裝置來獲取零配件原形表面點(diǎn)的三維坐標(biāo)值；② 從測(cè)量數(shù)據(jù)中提取零件原形的幾何特征：按測(cè)量數(shù)據(jù)的幾何屬性對(duì)其進(jìn)行分割，采用幾何特征匹配與識(shí)別的方法來獲取零配件原形所具有的設(shè)計(jì)與加工特征；③ 零配件原形CAD模型的重建：將分割后的三維數(shù)據(jù)在CAD系統(tǒng)中分別進(jìn)行表面模型的擬合，并通過各表面片的求交與拼接獲取零配件原形表面的CAD模型；④ CAD重建模型的檢驗(yàn)與修正：根據(jù)所獲得的CAD模型，重新測(cè)量和加工出樣品，以檢驗(yàn)重建的CAD模型是否滿足精度或其他試驗(yàn)性能指標(biāo)的要求，對(duì)不滿足要求者重復(fù)以上過程，直至模型達(dá)到零件的逆向工程設(shè)計(jì)要求[9]。三維掃描反求流程圖，見圖10。

2.1 零配件反求建模

根據(jù)現(xiàn)有設(shè)備，筆者選用三維掃描成像系統(tǒng)SHINING對(duì)零配件進(jìn)行建模。以下介紹使用掃描儀對(duì)某進(jìn)口品牌沖洗消毒機(jī)的旋轉(zhuǎn)卡槽進(jìn)行掃描建模成型制作的實(shí)例。

將旋轉(zhuǎn)卡槽零配件放入三維掃描儀中，掃描儀通過網(wǎng)格激光線，獲得正對(duì)激光頭模型面的信息；然后旋轉(zhuǎn)掃描托盤，再次掃描，直至旋轉(zhuǎn)回零點(diǎn)；隨后對(duì)不同掃描角度獲得的面信息進(jìn)行三維重建，在重合處進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)合并，通過信息互補(bǔ)，便可精確還原實(shí)體零件（圖11）。

圖10 三維掃描反求流程圖

2.2 零配件成型制作

將掃描獲得的三維模型使用FDM工藝打印機(jī)制作成型（圖12）。由于該沖洗消毒機(jī)在正常工作時(shí)，其工作溫度將達(dá)到180 ℃，因此需要選用特定的成型材料。根據(jù)其硬度與熔點(diǎn)的性質(zhì)，筆者選用ABS工程塑料作為其成型材料，該材料熔點(diǎn)可達(dá)250 ℃以上，可滿足該設(shè)備正常工作需要。

3 結(jié)論

筆者使用三維建模和反求工程的方法，將缺失并難以訂購和已有并價(jià)格昂貴的零配件進(jìn)行了建模，隨后使用三維打印機(jī)對(duì)零配件進(jìn)行了成型構(gòu)建，達(dá)到了1：1還原的目的。本組實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，將三維打印技術(shù)應(yīng)用于設(shè)備維修中，不僅可降低維修成本，還能夠縮短維修周期，優(yōu)化醫(yī)院資源，方便患者就醫(yī)。本文所述的兩個(gè)實(shí)例只是三維打印技術(shù)在醫(yī)療設(shè)備維修應(yīng)用中的一小部分，三維打印技術(shù)在醫(yī)療設(shè)備維修中的應(yīng)用值得進(jìn)一步探索。

圖12 旋轉(zhuǎn)卡槽成型件

[1] 張冠石,翟為.三維打印技術(shù)及其在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用[J].中國醫(yī)療設(shè)備,2014,29(1):66-69.

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[5] 畢碩本,張國建,侯榮濤,等.三維建模技術(shù)及實(shí)現(xiàn)方法對(duì)比研究[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào),2010,32(16):26-30.

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Application of the 3D Printing Technology in the Maintenance of Medical Equipment

XU Lu-zhao, ZHANG Hua-wei, WU Shu-ming, LIU Cheng-you, JIANG Hong-bing
Department of Medical Engineering, the First Affiliated Hospital of Nanjing Medical University, Nanjing Jiangsu 210006, China

The application of the three-dimensional printing technology in the medical field has become widely used. The technology can be used in the production of customer-specified surgical models, implants, prosthesesand customized surgical equipment for a particular surgery. Yet the application of three-dimensional printing technology in the maintenance of the medical equipment is not common. In the daily maintenance of equipment, the deficiency and the high price of the spare parts has brought much inconvenience to the maintenance work. By analyzing the different cases in routine equipment maintenance, this paper used different modeling methods to conduct three-dimensional reduction of the existing or missing parts. The paper also compared the three-dimensional molded parts with the original parts and verified the effectiveness of the application in the medical equipment maintenance.

3D printing technology; three-dimensional modeling; equipment spare parts; medical equipment maintenance

R197.39

B

10.3969/j.issn.1674-1633.2016.03.030

1674-1633(2016)03-0114-04

2015-04-10

2015-05-19

南京醫(yī)科大學(xué)科技發(fā)展基金面上項(xiàng)目（2014NJMU048）。

作者郵箱：13951977121@163.com