三維打印技術在醫療器械維修中的應用

徐路釗，張華偉，吳書銘，劉成友，蔣紅兵

南京醫科大學附屬南京醫院 醫療設備處，江蘇 南京 210006

三維打印技術在醫療器械維修中的應用

徐路釗，張華偉，吳書銘，劉成友，蔣紅兵

南京醫科大學附屬南京醫院 醫療設備處，江蘇 南京 210006

三維打印技術在醫療領域的應用范圍越來越廣泛，能夠定制特定手術模型、植入物、假肢和個性化手術設備等，但三維打印技術在醫療設備維修中的應用卻較少。在日常的設備維修保養中，設備零配件的缺失和高昂的價格給維修工作帶來了諸多不便。本文結合日常維修實例，對已有或缺失的零配件使用不同的建模方法進行三維還原，比較了三維成型件與原零配件的特性，并通過實驗驗證了三維打印技術在醫療設備維修中的應用價值。

三維打印技術；三維建模；設備零配件；設備維修

0 引言

三維打印技術已廣泛應用于工業產品開發、教育與科研、醫療衛生、建筑、軍事、藝術等領域。近年來，三維打印技術在醫療方面的應用不斷擴展能夠定制特定手術模型、植入物、假肢和個性化手術設備等，但三維打印技術在醫療設備維修中的應用卻較少[1-2]。

在日常的醫療設備維修中，因零配件缺損或配件定價較高而導致維修困難的情況較為常見。而三維打印技術的優勢就在于能夠在控制成本的基礎上于短時間內制造復雜物品，這使其在醫療設備維修中的價值越來越明顯，它能夠縮短維修時間，最大程度挽回因設備損壞給醫院帶來的損失[3-4]。

筆者采用兩種不同的建模方法（三維建模與反求工程）將缺失的零配件進行了三維還原，并使用三維打印機將建模還原的零配件進行打印成型，并將其與原零配件進行了屬性比較，通過實驗驗證了三維打印技術在醫療設備維修中的應用價值。

1 參數化建模

數字空間中的信息主要有一維、二維、三維幾種形式。對于虛擬現實技術來說，事物的三維建模是其難點。建模技術是將現實世界中的物體及其屬性轉化為計算機內部可數字化表示、分析、控制和輸出的幾何形體的方法。按使用方式的不同，現有的建模技術主要可以分為線框模型、表面模型、實體模型、裝配模型、參數化建模、特征建模等類型[5]。

多數產品的設計都是改進型產品設計，而約70%的原產品設計信息中在新產品設計時可以被重新利用，參數化設計技術就是在這樣的背景下產生的。就醫療設備維修而言，最重要的是縮短維修時間，因此需要能夠快速對設備的零配件進行建模，獲取其三維數據，所以醫療設備零配件的設計需要具備一定柔性，所設計的模型既要能滿足實際工作需要，又能迅速進行重構，使零配件的設計信息能夠被重復利用。因此，使用參數化建模最符合醫療設備零配件建模的需要。

在參數化設計中，設計者可以根據自己的設計意圖勾畫出設計草圖，并能夠通過計算機系統自動建立所設計對象內部各設計元素之間的約束關系，以便設計者在更新草圖尺寸時，系統能夠自動更新、校正草圖中的幾何形狀，并獲取幾何特征點的正確位置分布。

1.1 零配件三維建模

在支持參數化建模的設計軟件中，SolidWorks設計軟件具有操作簡單、兼容性高的特點，因此筆者選用SolidWorks對醫療設備的零配件進行三維建模。以下介紹使用SolidWorks設計軟件對某進口品牌注射泵零配件進行三維建模以及打印成型的實例。

臨床上常因摔落、用力扳折或使用不當等原因，造成注射泵的推桿活動卡槽斷裂，影響注射泵的正常使用（圖1）。由于該注射泵為進口醫療設備，其配件的更換周期較長，且對應配件的更換過程較為繁瑣，同時臨床上因注射泵緊缺、輪轉使用不暢等原因只能使用人工監測其運行狀態，不僅給臨床工作帶來了較大壓力，還給醫院帶來了相應損失。

圖1 推桿活動卡槽斷裂的注射泵

筆者結合注射泵的實際工作情況，根據活動卡槽的斷裂面設計出了替代零配件的模型草圖，隨后使用游標卡尺對模型各面進行了精確測量，確定了各邊長度，在SolidWorks設計軟件中完成了零配件建模（圖2）。

圖2 推桿活動卡槽建模圖

1.2 零配件成型制作

筆者使用具有熔融沉積（FDM）工藝的打印機替代零配件的成型制作。根據現有設備，選用上位機控制軟件（BaoYan Printer）和FDM工藝打印機（DOGO 480）進行模型切片和零配件制作。

（1）將已經設計好的推桿活動卡槽三維模型導出成三維打印機識別的STL格式（圖3），在BaoYan Printer中載入推桿活動卡槽三維模型，進行切片（圖4）。活動卡槽三維模型經過切片形成一層一層堆積的二維平面，每個平面內顯示的是噴頭在這一層中的運行軌跡，同時編譯出了機器可識別的G-code代碼。

圖3 推桿活動卡槽STL格式圖

圖4 推桿活動卡槽三維模型切片圖

（2）對已經建模好的卡槽模型進行應力分析。以該注射泵為例，通過FLUKE IDA 4 PLUS輸液設備分析儀測得50 mL注射針管的阻塞壓強為500 mmHg，轉化為推桿壓力約為47 N[6-7]。由于要將卡槽模型的后端底面固定于注射泵上，因此在應力分析時，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，計算出推桿在后段與中段的連接處所受壓強最大，轉化為壓力值約為82 N（圖5）[8]。

圖5 推桿活動卡槽應力分析示意圖

（3）將FDM工藝打印機（DOGO 480）（圖6）通過USB接口與計算機進行連接，將計算機內經過切片所得的G-code代碼分批發送給打印機的主控板。主控板讀取G-code代碼內容，并將其轉譯成對應的機器語言，完成對打印機X、Y、Z三軸方向的聯動控制，使得打印機噴頭完成如圖4所示的每一層中的運行軌跡。然后將加熱套加熱至230 ℃，通過擠絲電機將固態的ABS工程塑料絲擠入到加熱套中，使其在加熱套里熔化。打印機噴頭在沿著某一層軌跡運動的同時擠絲電機也在工作，如此在預先設計好的路徑上便會堆積熔化狀態的塑料絲，塑料絲在堆積到成型臺上時會迅速凝固，將上下兩層緊密粘合。以此類推，當噴頭完成所有軌跡運動時，模型也就完成了打印制作（圖7）。

圖6 DOGO480打印機

圖7 FDM工藝成型原理圖

（4）將已經打印完成的推桿活動卡槽模型從成型臺上取下（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，因此在打印時選取30%的填充量足以滿足其工作時所需的應力要求。隨后再將成型件裝配到損壞的注射泵上（圖9），注射泵開機運行即可正常工作。

圖8 推桿活動卡槽成型圖

圖9 維修后的注射泵

2 反求工程建模

在日常的醫療設備維修中，往往會因為維修配件較貴導致維修成本過高。如果可以對已有易損耗的零配件進行復制制作，便可降低維修成本，縮短維修時間，提高設備的使用率。反求工程技術的發展為零配件的復制成型提供了可能。

反求工程一般分為4個階段：① 零配件原形的數字化：通常采用三坐標測量機（CMM）或激光掃描儀等測量裝置來獲取零配件原形表面點的三維坐標值；② 從測量數據中提取零件原形的幾何特征：按測量數據的幾何屬性對其進行分割，采用幾何特征匹配與識別的方法來獲取零配件原形所具有的設計與加工特征；③ 零配件原形CAD模型的重建：將分割后的三維數據在CAD系統中分別進行表面模型的擬合，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重建模型的檢驗與修正：根據所獲得的CAD模型，重新測量和加工出樣品，以檢驗重建的CAD模型是否滿足精度或其他試驗性能指標的要求，對不滿足要求者重復以上過程，直至模型達到零件的逆向工程設計要求[9]。三維掃描反求流程圖，見圖10。

2.1 零配件反求建模

根據現有設備，筆者選用三維掃描成像系統SHINING對零配件進行建模。以下介紹使用掃描儀對某進口品牌沖洗消毒機的旋轉卡槽進行掃描建模成型制作的實例。

將旋轉卡槽零配件放入三維掃描儀中，掃描儀通過網格激光線，獲得正對激光頭模型面的信息；然后旋轉掃描托盤，再次掃描，直至旋轉回零點；隨后對不同掃描角度獲得的面信息進行三維重建，在重合處進行點云數據合并，通過信息互補，便可精確還原實體零件（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工藝打印機制作成型（圖12）。由于該沖洗消毒機在正常工作時，其工作溫度將達到180 ℃，因此需要選用特定的成型材料。根據其硬度與熔點的性質，筆者選用ABS工程塑料作為其成型材料，該材料熔點可達250 ℃以上，可滿足該設備正常工作需要。

3 結論

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格昂貴的零配件進行了建模，隨后使用三維打印機對零配件進行了成型構建，達到了1：1還原的目的。本組實驗結果顯示，將三維打印技術應用于設備維修中，不僅可降低維修成本，還能夠縮短維修周期，優化醫院資源，方便患者就醫。本文所述的兩個實例只是三維打印技術在醫療設備維修應用中的一小部分，三維打印技術在醫療設備維修中的應用值得進一步探索。

圖12 旋轉卡槽成型件

[1] 張冠石,翟為.三維打印技術及其在醫療領域的應用[J].中國醫療設備,2014,29(1):66-69.

[2] 王安琪,馮曉明,楊昭鵬,等.3D打印在醫療器械領域的應用現狀及展望[J].中國醫療器械信息,2014,20(8):1-7.

[3] 王彩梅,張衛平,李志疆.3D打印在醫療器械領域的應用[J].生物骨科材料與臨床研究,2013,11(6):26-28.

[4] 管吉,楊樹欣,管葉,等.3D打印技術在醫療領域的研究進展[J].中國醫療設備,2014,29(4):71-72.

[5] 畢碩本,張國建,侯榮濤,等.三維建模技術及實現方法對比研究[J].武漢理工大學學報,2010,32(16):26-30.

[6] 王夢婷,徐林.微量注射泵的質量控制檢測及問題分析[J].中國醫療設備,2014,29(6):58-60.

[7] 商洪濤,徐濤,唐輝.輸液泵和注射泵檢測技術探討[J].中國醫學裝備,2013,10(8):42-44.

[8] 成鳳文.基于SolidWorks的壓力容器三維建模及應力分析[J].工程圖學學報,2006,(27):53-57.

[9] 李志博,姚山.基于逆向工程與三維打印的模具制造技術[J].鑄造技術,2013,35(10):1409-1412.

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

南京醫科大學科技發展基金面上項目（2014NJMU048）。

作者郵箱：13951977121@163.com