3D打印技術(shù)在臨床工程中應(yīng)用的研究

葛 琴 續(xù)大偉 趙潤(rùn)萍 吉 娜

[文章編號(hào)] 1672-8270(2017)05-0001-03 [中圖分類(lèi)號(hào)] R197.39 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A

3D打印技術(shù)在臨床工程中應(yīng)用的研究

葛 琴①續(xù)大偉②*趙潤(rùn)萍①吉 娜③

[文章編號(hào)] 1672-8270(2017)05-0001-03 [中圖分類(lèi)號(hào)] R197.39 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A

目的：應(yīng)用3D打印技術(shù)，解決醫(yī)療設(shè)備在臨床使用過(guò)程中因小配件損壞而導(dǎo)致設(shè)備無(wú)法使用的問(wèn)題。方法：以監(jiān)護(hù)儀按鍵的修復(fù)為例，通過(guò)3D建模、打印制作等步驟制作損壞配件。結(jié)果：經(jīng)3D打印技術(shù)打印出來(lái)的配件可以替代原配件，其強(qiáng)度和性能均能滿(mǎn)足臨床科室需求。結(jié)論：3D打印技術(shù)可以解決零配件損壞缺失問(wèn)題，在臨床工程領(lǐng)域具有很大的應(yīng)用空間。

3D打印；臨床工程；應(yīng)用；維修工程

[First-author’s address]Department of Medical Equipment, Xi'an Hospital of Traditional Chinese Medicine, Xi'an 710021, China.

3D打印技術(shù)，即增材制造(additive manufacturing，AM)技術(shù)，是快速成型(rapid proto-typing manufacturing，RP)技術(shù)的一種，是一種以數(shù)字化模型為基礎(chǔ)，運(yùn)用可粘合材料，通過(guò)逐層打印的方式來(lái)構(gòu)造物體的技術(shù)。該技術(shù)綜合了數(shù)學(xué)建模、機(jī)電控制、信息技術(shù)以及材料學(xué)等學(xué)科前沿技術(shù)知識(shí)，目前已有十多種不同的成型方法[1]。通常根據(jù)成型原理，將其分成基于激光技術(shù)的成型方法和非激光技術(shù)的快速成型方法?；诩す饧夹g(shù)的成型方法主要有立體光刻、紙疊層、選擇性激光燒結(jié)以及選擇性激光熔化等；非激光技術(shù)的快速成型方法主要有熔絲沉積、掩膜光固化、沖擊微粒制作以及實(shí)體磨削固化等[2-3]。

在歐美發(fā)達(dá)國(guó)家，3D打印技術(shù)已經(jīng)初步形成了成功的商用模式，如在消費(fèi)電子、航空和汽車(chē)制造業(yè)等領(lǐng)域，在臨床醫(yī)療中也取得的一定的成就。2013年4月，日本一家醫(yī)院用患者肝臟的3D復(fù)制品幫助醫(yī)生計(jì)算出如何切割肝臟，并成功的進(jìn)行了肝臟移植手術(shù)。美國(guó)Kosair兒童醫(yī)院心外科醫(yī)生在對(duì)一患有心臟病的幼兒進(jìn)行復(fù)雜的手術(shù)前，用3D打印模型規(guī)劃和實(shí)驗(yàn)，保障了手術(shù)的成功完成[4-5]。我國(guó)3D打印技術(shù)在臨床醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用主要是面部修復(fù)、骨折輔助支架等方面，2014-2015年第三軍醫(yī)大學(xué)開(kāi)展了3D打印技術(shù)對(duì)頜面部多發(fā)骨折術(shù)前建模預(yù)測(cè)，提高了手術(shù)準(zhǔn)確性，縮短手術(shù)時(shí)間；湘雅醫(yī)院2015年成功重建面部粉碎性骨折等。在醫(yī)療設(shè)備維修工程領(lǐng)域，3D打印技術(shù)還處于初步探索階段[6]。為此，本研究通過(guò)對(duì)西安市中醫(yī)院監(jiān)護(hù)儀按鍵修復(fù)的制作，探索3D打印的過(guò)程和方法。

1 臨床醫(yī)療設(shè)備使用中遇到的問(wèn)題

臨床醫(yī)療設(shè)備使用中，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)設(shè)備小配件損壞現(xiàn)象，由于各廠(chǎng)商對(duì)小配件一般不單獨(dú)銷(xiāo)售或是該型號(hào)設(shè)備停產(chǎn)等原因，造成更換配件代價(jià)昂貴或配件無(wú)法供應(yīng)等問(wèn)題，從而影響設(shè)備正常使用。如邁瑞PM-9000監(jiān)護(hù)儀的數(shù)量占全院監(jiān)護(hù)儀總量的30%，常常會(huì)碰到按鍵由于使用頻繁、用力過(guò)大等原因，造成按鍵與按鍵板連接部位斷裂，按鍵無(wú)法使用，并影響設(shè)備外形美觀。經(jīng)與廠(chǎng)商聯(lián)系，此型號(hào)設(shè)備已停產(chǎn)，而無(wú)配件供應(yīng)。針對(duì)此類(lèi)問(wèn)題，嘗試運(yùn)用3D打印技術(shù)制作此類(lèi)配件，以保障設(shè)備正常使用，同時(shí)減少了科室支出，提高設(shè)備利用率，損壞的監(jiān)護(hù)儀按鍵如圖1所示。

圖1 損壞的監(jiān)護(hù)儀按鍵示圖

2 3D打印設(shè)備制作過(guò)程

3D打印設(shè)備制作過(guò)程主要分為建模和打印兩步。先設(shè)計(jì)零件的3D模型，再利用切片軟件將此3D模型分層切片，獲得打印件各切片層的橫截面信息，即傳統(tǒng)打印機(jī)用的2D圖像信息，最后用3D打印機(jī)將絲狀、粉末狀等形狀的熱塑性材料，通過(guò)逐層堆積的方式，按照切片層信息制作出來(lái)，最終形成立體產(chǎn)品。整個(gè)過(guò)程不需要模具，也不需要傳統(tǒng)刀具和夾具等機(jī)械工具，生產(chǎn)周期短，制造成本低[7-8]。

2.1 實(shí)體建模法

建模技術(shù)在工程中的應(yīng)用主要體現(xiàn)在產(chǎn)品設(shè)計(jì)、生成圖形、生產(chǎn)制造與裝配等[9]。目前，常用的3D建模方式有線(xiàn)框建模、表面建模、實(shí)體建模和特征建模?？紤]到醫(yī)療器械零配件需要精確的參數(shù)化設(shè)計(jì)和完整的3D幾何實(shí)體信息，方便了解其與整機(jī)的裝配關(guān)系，本研究采用實(shí)體建模方法。

實(shí)體建模是采用基本體素組合，通過(guò)集合運(yùn)算和基本變形操作，建立3D立體模型的過(guò)程。生成的實(shí)體模型由系列直線(xiàn)、圓弧、點(diǎn)及自由曲線(xiàn)組成，描述產(chǎn)品的輪廓外形。鑒于實(shí)體建模的需求，本研究采用(Pro/Engineer，Pro/E)建模軟件，其以參數(shù)化設(shè)計(jì)著稱(chēng)，利用基于特征的功能生成實(shí)體建模，如倒角、圓角、腔和殼等，并可以輕易改變模型，使得設(shè)計(jì)更簡(jiǎn)易和靈活。本研究運(yùn)用Pro/E 5.0版本，先用卡尺測(cè)量零配件尺寸，通過(guò)Pro/E 5.0構(gòu)造基本體素的實(shí)體信息，直接產(chǎn)生相應(yīng)的實(shí)體模型。運(yùn)用此方法建立的監(jiān)護(hù)儀電源按鍵模型三向圖如圖2所示。

圖2 監(jiān)護(hù)儀電源按鍵模型圖

2.2 程序設(shè)計(jì)及打印過(guò)程

打印設(shè)備采用MINGDA Glitar 4C打印機(jī)，其擁有一體化的絲桿與電機(jī)、加熱式平臺(tái)，而且絲桿為對(duì)稱(chēng)不銹鋼雙軸滾珠絲桿，可實(shí)現(xiàn)X軸、Y軸0.006 mm以及Z軸0.0015 mm的定位精度[10]。加熱式平臺(tái)溫度可達(dá)160℃，可兼容打印ABS和PLA等多種材料。本研究選用強(qiáng)度高、韌性好且熱塑性好的ABS材料，運(yùn)用熔絲沉積(即FDM)的方法，先將Pro/E 5.0設(shè)計(jì)好的零配件3D模型文件轉(zhuǎn)換成打印機(jī)可識(shí)別的STL格式，然后經(jīng)過(guò)CURA軟件切片形成一層層堆積的2D平面，每個(gè)平面顯示的是打印機(jī)噴頭在這一層中的運(yùn)行軌跡[11-12]。將這些軌跡數(shù)據(jù)保存到讀卡器中，最后將讀卡器插入3D打印機(jī)，編譯出打印機(jī)可識(shí)別的gcode代碼，將此gcode代碼分批傳送到打印機(jī)主控板，主控板讀取該代碼并將其翻譯成相應(yīng)的機(jī)器語(yǔ)言，實(shí)現(xiàn)X軸、Y軸及Z軸三個(gè)方向的聯(lián)動(dòng)控制，控制打印機(jī)噴頭在每一層中的運(yùn)行軌跡，實(shí)現(xiàn)逐層堆積。此過(guò)程大約需要20 min，為了外形更美觀，用細(xì)砂紙進(jìn)行簡(jiǎn)單的打磨處理。按鍵經(jīng)臨床科室2個(gè)多月的使用，驗(yàn)證了其強(qiáng)度完全可以滿(mǎn)足需求[13-15]。4C 3D打印機(jī)如圖3所示，打印出來(lái)的按鍵模型如圖4所示。

圖3 MINGDA Glitar 4C 3D打印機(jī)示圖

圖4 打印出來(lái)的按鍵示圖

3 結(jié)論

通過(guò)本研究監(jiān)護(hù)儀按鍵的制作實(shí)例表明，3D打印技術(shù)具有快速、精確及成本低等優(yōu)越性，尤其適用于在醫(yī)療器械維修、設(shè)備后期完善等單件零配件的制作中。目前，3D打印技術(shù)在醫(yī)院設(shè)備維修中剛開(kāi)始嘗試使用，本研究將進(jìn)一步探索此技術(shù)，優(yōu)化3D模型的設(shè)計(jì)，及時(shí)為臨床科室提供服務(wù)，使設(shè)備發(fā)揮最大的社會(huì)效益。

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Application research of three-dimensional printing technique in clinical engineering/GE Qin, XU Da-wei, ZHAO Run-ping, et al//China Medical Equipment,2017,14(5):1-3.

Objective:To solve the problems that medical equipment couldn't be used during clinical applying process because its parts was damaged, through applying three-dimensional (3D) printing technique.Methods:The repair of key on the multiparameter monitor was taken as an example, and it showed the manufacture process of 3D modeling and printing for damaged parts.Results:The parts made from the 3D printing technique could supersedeoriginal parts, and its strength and performance could meet the demand of clinical practice. This results has been recognized by specialist of quality control.Conclusion:3D printing technique can solve the problems caused by losing or damaging of parts, and it has vast application space in clinical engineering field.

Three-dimensional printing; Clinical engineering; Application; Maintenance engineering

葛琴,女,(1984- ),碩士，工程師。西安市中醫(yī)醫(yī)院設(shè)備科，從事醫(yī)療器械維修管理工作。

2016-12-27

10.3969/J.ISSN.1672-8270.2017.05.001

①西安市中醫(yī)醫(yī)院設(shè)備科 陜西 西安 710021

②陜西省腫瘤醫(yī)院設(shè)備科 陜西 西安 710061

③西安醫(yī)學(xué)院第二附屬醫(yī)院質(zhì)控科 陜西 西安 710038

*通訊作者：913813399@qq.com