基于計算機仿真的3D打印技術在應急醫學救援裝備中的應用展望

王亞鵬 王運斗 寧 潔 張巾幗

基于計算機仿真的3D打印技術在應急醫學救援裝備中的應用展望

王亞鵬①②王運斗①*寧 潔①張巾幗③

討論3D打印技術的概念與原理，分析3D打印技術的優勢，以及對其滿足應急醫學救援裝備的需求情況進行匹配分析，剖析計算機仿真對3D打印技術局限的優化與改進，并從裝備體系、編配模式、研制創新、使用模式、維護方式以及綜合效益等六個方面對基于計算機仿真的3D打印技術在應急醫學救援裝備中的應用進行分析展望，以期為未來應急醫學救援裝備的智能化建設與發展提供參考。

3D打印技術；計算機仿真；應急醫學救援裝備；應用

王亞鵬,男,(1983- ),博士研究生，講師。軍事醫學科學院衛生裝備研究所，軍事交通學院裝備保障系，研究方向：應急醫學救援、裝備保障。

3D打印(3D Printing)，又稱增材和(或)積材制造(Additive Manufacturing)，誕生于20世紀80年代，其基本原理是[1]：根據計算機輔助設計(computeraided design，CAD)模型或X射線計算機斷層成像(X-ray computed tomography，CT)形成的數據，在電腦程序控制下，基于離散和堆積成型的原理，通過分層打印、逐層疊加的方式，對材料進行精確堆積以快速加工制造任意形狀的三維復雜物體(如圖1所示)。此種3D打印技術具有能夠按照設計的模型構建特定空間結構的能力，并能在制備材料時對其微觀結構進行精確控制。

圖1 三維打印實現流程

隨著材料和控制技術的發展，三維打印被廣泛應用于醫療、汽車、航天以及建筑等各行各業，取得了一系列矚目成果。2010年11月，世界上第一輛由3D打印機打印而成的汽車Urbee問世；2011年8月，南安普敦大學的工程師們開發出世界上第一架3D打印的飛機；2012年11月，蘇格蘭科學家利用人體細胞首次用3D打印機打印出人造肝臟組織；2014年8月，北京大學研究團隊成功地為一名12歲男孩植入了3D打印脊椎，屬全球首例；2014年9月底，美國國家航空航天局(NASA)預計將完成首臺成像望遠鏡，所有元件基本全部通過3D打印技術制造；2015年7月，由3D打印的模塊新材料別墅現身西安，整個搭建過程僅用3個小時[2]。

相對于傳統的鑄造和切削等減材制造方式，3D打印具有小批量制造，成本低、速度快、材料利用率高、可遠程操作以及有利于復雜產品的制作和個性化產品的設計等諸多優點，特別適合在醫學領域，尤其是應急醫學救援裝備領域實踐與應用。美國波士頓勒克斯研究公司曾在2013年4月發布的報告“構建未來：評估3D打印的機遇和挑戰”中指出：醫療、汽車和航天三大行業將成為打印市場發展的主要推動力[3]。

1 3D打印技術優勢及其與應急醫學救援裝備需求匹配分析

應急醫學救援裝備是指在自然災害、事故災難、突發公共衛生事件及社會安全事件等緊急條件下實施應急醫學救援所需的醫用器械、儀器、設備、衛生運輸工具及相關裝備等的總稱，主要用于重大災害、事故及事件等發生時傷病員的現場急救與緊急救治、連續救治、立體運送、野外醫院早期救治與部分專科救治、專科治療、后期康復、衛生防疫、“三防”醫學救援和模擬訓練等[4]。應急醫學救援具有事發突然、損毀多元、傷情嚴重、地域復雜、傷員批量、環境惡劣等特點以及其他諸多不確定性，對應急醫學救援裝備要求空前提高，尤其是在模塊化、集成化、便攜化及機動化等方面的要求更高[4]。而3D打印技術的特點與優勢，在很大程度上能夠滿足應急醫學救援裝備的需求。

1.1 小批量快速打印生產--為應“急”而來

應急醫學救援保障經常面臨難以預測預警的突發事件，如各種災害、恐怖襲擊等。因此，面對時間緊急、任務繁重及資源有限，應急醫學救援裝備在準備部署上難以避免地會出現疏忽、缺位和漏洞，可能會造成現場救援保障時應對不力、舉步維艱。試想，如果應急醫學救援人員掌握了3D打印技術，并配備有3D打印機和相關裝備或部件的模型庫，即便是到達救援現場后發現裝備缺項、數量不夠或者備件不足等，也可現場打印生產，并且這種裝備需求數目一般不大，因此，3D打印技術強大的小批量快速打印生產能力，完全能夠在較短時間內打印生產出急需或緊缺的應急醫學救援裝備零部件、總成甚至整體，滿足應急需求，保證應急醫學救援工作的順利開展。

1.2 個性化產品定制--為應“變”而來

面對各種各樣的突發事件以及紛繁多雜的傷情病情，應急醫學救援具有對象多元、任務多重、傷情多樣以及需求多變等顯著特點，并且不同類型的突發事件，不同類別不同程度的傷情病情對應急醫學救援裝備的種類、型號以及數量需求不盡相同。這種“多變”的特點與要求對應急醫學救援裝備準備提出了很大挑戰。運用3D打印技術，根據應急醫學救援裝備需求提前構建裝備模型，裝備模型構建的科學配套、數量等，根據需要即可打印出來，實現按需打印生產、即用即打、個性化“私人定制”、即打即用，做到以不變應萬變。

1.3 復雜產品制作--為應“集”而來

復雜嚴重的傷情病情，決定了應急醫學救援系統必須具有連續性，形成現場、院前及院內等環環相扣的無縫救治鏈[4]。而實現這一目標強有力的支撐就是集診療、監護、救治與后送等多功能于一體的集成化應急醫學救援裝備。眾所周知，裝備集成程度越高，結構越復雜，設計制造難度就越大，這樣就對應急醫學救援裝備的研制生產提出了巨大挑戰。3D打印技術不需要模具，其核心是計算機繪圖，與傳統裝備制造相比，流程得到了質的優化與簡化，無需擔心傳統裝備制造中連模具都制作不出來的情況發生。因此，無論裝備集成度多高、結構多復雜，通過強大的計算機軟件都有可能把模型設計制作出來，而只要設計繪制出裝備模型，就可以運用3D打印技術打印生產出產品。從裝備綜合集成角度看，3D打印技術無疑是裝備制造業具有顛覆性和革命性的一項新技術[5]。

1.4 可遠程操作生產--為應“遠”而來

生命救治“白金10分鐘”、“黃金1小時”是醫學救援所遵循的基本法則[6]。但是，把醫學救援置于應急背景下，面對著各種難以預測的突發事件以及不確定的傷情病情，要實現人員、裝備、藥材及技術等全要素、全過程、全方位保障有力實屬不易，難以避免會出現需要友鄰醫院以及后方醫院支援的現象。醫療救治技術上早已實現了專家遠程會診甚至遠程手術的互聯、互通、互操作，但是如果醫療裝備實體不能實現遠程跨距離補充與維護，特別是一些急需的醫療裝備器材未能提前準備或不能及時用上，將直接影響救援工作，而運用3D打印技術可解決這一難題。3D打印機的終端通過連接網絡與電腦主機，如同利用普通打印機打印紙張一樣，就可以把電腦主機上的裝備模型打印出來。因此，從理論上講，應急醫學救援隊伍帶上一臺3D打印機，通過光纜、光線或者衛星等網絡媒介與后方醫院或裝備廠商連接起來，就能夠實現現場救治需要什么醫療裝備就打印生產什么裝備的目標，在一定程度上具備了“擁有一臺與主機模型庫相連接的3D打印機就擁有了整個裝備體系”的模式。

2 3D打印技術的局限以及計算機仿真的改進與優化分析

2.1 3D打印技術的局限

雖然3D打印技術有諸多優點，但在應用過程中依然存在許多問題，其發展受多種因素的限制[7]：①現有可打印材料比較缺乏。當前能夠滿足質量要求的打印材料非常少，適用于3D打印的材料只有樹脂、金屬和塑料等為數不多的幾種，要實現3D打印技術在更大范圍、更深層次的推廣，就必須研究出更多的“可打之材”；②打印工藝還不夠完善。3D打印技術采用逐層打印工藝，即使各層連接都很緊密，打印出來的零部件精度和表面質量難以達到使用要求，不能與傳統鍛件的質量相比；③打印產品的使用性能較差。3D打印技術目前還處在初級階段，制造產品在精度、剛度和強度等方面還存在較多不足，總體使用性能較差。以目前的技術情況，3D打印技術只能達到數十毫米的精度，還不太適合在精度較高的研究領域使用。

2.2 計算機仿真對3D打印技術的優化與改進分析

當前，3D打印技術在技術層面存在工藝不完善、產品質量性能較差等問題，在一定程度上可以通過計算機仿真予以改進優化。

計算機仿真是應用電子計算機對系統的結構、功能和行為，以及參與系統控制的人的思維過程和行為進行動態性比較逼真的模仿，通過建立某一過程或某一系統的模式來描述該過程或該系統，然后用一系列有目的、有條理的計算機仿真實驗來刻畫系統的特征，從而得出數量指標，為決策者提供關于這一過程或系統的定量分析結果，作為決策的理論依據[8]。計算機仿真對3D打印技術的優化與改進主要體現在兩個方面。

2.2.1 優化工藝參數改進產品質量性能

3D打印技術的核心工藝是自底向上、逐層累積，是決定產品質量性能好壞的關鍵因素。在實踐中，3D打印常采用熔融沉積成型技術，然而，熔融沉積成型技術有一個嚴重的缺點[9]：打印一個存在類似于“懸臂”情況的模型對象時，在沒有額外的材料在該部位下方做支撐時，打印過程中材料會受到重力的作用往下掉，從而導致整個打印的失敗。并且，高溫沉積構件會伴隨產生較大的殘余應力，較大的殘余變形或者兩者的組合，由于構件內應力復雜，構件成形過程中或成形后會產生嚴重變形。而直接成形的金屬構件在生產過程中因為反復經受局部接近熔點溫度熱流，構件內部熱應力狀態復雜，在成形某些大型細長體、薄壁體金屬構件時，熱應力處理和控制不能滿足要求[10](如圖2所示)。

圖2 小熊模型的3D打印效果

目前為止，影響3D打印技術在航空界大量的應用正是因為這個原因[10]。對于應急醫學救援來說，時間往往更加寶貴，不能在產品打印出來時，才發現哪些工藝不好再反過來加以改進。要進一步改進優化3D打印工藝，在不能實驗驗證的情況下，計算機仿真則是一個不錯的選擇手段。通過計算機仿真，在打印“懸臂”模型時，運用可視化仿真技術，提前預測出哪些地方會出現塌方，根據需求去添加支撐，解決打印失敗的問題；在處理熱應力時，可以通過對3D打印的噴頭溫度、打印速度、壓力以及打印材料的微觀組織結構、殘余應力和變形程度等[10]進行仿真分析，從中找出打印中各關鍵因素與產品性能的關聯規律，實現對3D打印過程的優化控制，進而從根本上優化改進3D打印工藝的各項參數；在改善產品質量性能上，可以通過對預打印產品進行有限元分析以及使用環境下的仿真分析，將產品使用過程中出現的各種材料效應實時顯示出來，找出其精度、硬度、強度等力學性能指標上需要修正改進的地方，從而實現打印產品質量性能的全面提升。

2.2.2 驗證并形成三維打印模型庫

對于3D打印技術而言，只要做出了數字模型，就能制造出來。專家曾預言：3D打印將撼動全球制造業[11]。毋庸置疑，數字模型是3D打印的靈魂，即沒有模型，3D打印將無從談起。但是，即使設計制作出模型，也難以保證3D打印產品的質量性能。一方面在于打印材料，更重要的一方面在于模型的可靠性。盡管當前計算機制圖軟件已經相當先進，幾乎能夠滿足所有的制圖需要，但是所設計繪制出來的圖形模型只是一個概念模型或者框架結構，其可靠性尤其是產品的使用可靠性無法保證，所以必然會導致打印產品的可靠性難以保證。如果事先把設計繪制出來的圖形模型作為成品置于使用環境下進行計算機仿真分析，對其各項性能指標參數進行優化改進，然后再進行3D打印，那么打印出來的產品的質量性能必將得到極大改善，3D打印的綜合效益也會得以大幅提高。對于某一行業或者單位來說，完全可以把經過計算機仿真驗證過的3D打印模型，分門別類構建形成模型庫，不僅可以固化前期研究成果，為后續打印生產提供便利，還可以為產品的二次開發升級以及綜合集成奠定基礎。計算機仿真對3D打印技術實現流程的優化改進，如圖3所示。

圖3 基于計算機仿真的3D打印技術的實現流程

3 應用分析

隨著打印材料的發展以及技術手段的日益成熟，3D打印技術已經在手術輔助器械、個性化醫療器械、組織器官再生、臨床修復治療、藥物測試研發以及醫學模型制造等醫學領域得到了廣泛應用，并取得了許多理論研究與實踐探索成果，這些成果為其在應急醫學救援裝備中的應用提供了有價值的借鑒經驗與實踐參考[12-18]。探索基于計算機仿真的3D打印技術在應急醫學救援裝備領域中的應用，必將對于應急醫學救援裝備的體系完善、研制革新以及使用編組方法創新等全面建設起到重要的引領與推動作用。

3.1 優化應急醫學救援裝備體系

應急醫學救援裝備體系是由多種應急醫學救援裝備系統構成的復雜系統，由單元或子系統及模塊組成，其特點既相互獨立又聯系緊密，是遂行應急醫學救援任務的物質載體[4]。當前，應急醫學救援裝備體系主要是基于任務構建形成的，通常分為常規應急醫學救援裝備體系以及專業應急醫學救援裝備體系，各類裝備體系中都包含數十種乃至上百種醫療設備器材，整個裝備體系比較龐大而繁雜，給裝備的籌措準備、編配下撥以及后續的編組使用和維修保養等都帶來極大的不便。如果3D打印技術發展到一定成熟階段，并廣泛應用于應急醫學救援裝備領域，配合計算機仿真技術的驅動，只需開發構建一系列經過仿真驗證、可靠性較高的應急醫學救援裝備模型庫，就可以替代應急醫學救援裝備體系中規格較小、數量較少和運用頻數較低的設備器材，從而實現對應急醫學救援裝備體系的優化簡化。把3D打印裝置固化為裝備體系的一部分，未來的應急醫學救援裝備體系可能會簡化為大型核心裝備(不適宜3D打印的)和3D打印系統，其中大型核心裝備可區分為通用和專用，而3D打印系統包括3D打印機(可連接網絡)、模型庫、電腦主機以及相關打印材料等。

3.2 創新應急醫學救援裝備編配模式

綜合運用計算機仿真與3D打印技術，把經過計算機仿真驗證過的3D打印系統固化為應急醫學救援裝備體系中的一類裝備，實現對應急醫學救援裝備體系的極大優化與簡化，隨之而來的裝備編配模式也將發生巨大變化。在新的應急醫學救援裝備體系框架下，未來應急醫學救援裝備編配，不再像現在以裝備實體下撥為主、以經費為輔的編配模式，取而代之的將是以模型庫為核心的3D打印系統為主，以大型核心裝備實體與購買打印材料的經費為輔的新型編配模式，將從根本上改變裝備編配中“虛”、“實”比例關系，進一步優化簡化裝備編配流程，節約裝備編配環節中人力、物力和財力消耗，提高裝備到位率與裝備編配的綜合效益。

3.3 加速應急醫學救援裝備研制創新

經過3D打印技術優化形成新的應急醫學救援裝備體系，必將為應急醫學救援裝備的研制創新帶續則可根據需要打印生產，實現裝備論證、研制、生產以及使用的“無縫對接”。此外，3D打印技術將使應急醫學救援裝備的個性化定制成為可能，通過計算機仿真驗證，個性化定制出來的裝備在質量性能、操作運用等方面將會有較大的改善，未來面對各種突發事件將不再為裝備的不適宜而焦慮。例如，運用3D打印技術，可根據救援人員的個體身形差異而量身設計，打印生產出輕便合身的防護服。

3.4 變革應急醫學救援裝備使用模式

目前，在執行突發事件中，應急醫學救援隊伍一般會把編配的應急醫學救援裝備以及想象可用的設備器材等全部帶上，但是到達現場救援時發現，一些裝備不一定能用得上，這樣一來不僅耗費了大量人力、物力和財力，還給現場救援帶來極大不便，例如擠占有限的配置空間，同時還對那些裝備造成一定程度的磨損與破壞。在新的應急醫學救援裝備體系框架下，遂行突發事件應急醫學救援任務，將很大程度地改變現行的“三分四定”模式，裝備的使用不再是“多多益善”而是“恰到好處”，只需攜運相關大型核心裝備，而一些小型化、用量少的設備器材到現場，根據需要即用即打，裝備的集成化程度進一步提高，實現一裝多用、多裝合用，不僅避免浪費，還極大地提高裝備使用效率。

3.5 改變應急醫學救援裝備維修方式

由于醫療器械設備比較精密，其維修科技含量較高，在現有條件下，大多數的醫療器械設備依賴廠商或銷售進行維修，應急醫學救援裝備的維修亦如此，因其返廠維修周期較長，費用較高，對臨床工作影響比較大。如果充分運用3D打印技術，就可以依據損壞部件模型，打印出來直接替換，則可節約時間、人力和維修經費。在購買醫療器械設備時，可要求廠商提供產品的用于3D打印的分解模型，或者協商將維修部件的打印與廠商銷售的3D打印機一體化，從而簡化操作和成本，縮短維修周期，提高維修效益。

3.6 提高應急醫學救援裝備綜合效益

裝備的綜合效益主要指裝備的全壽命周期費效比。在現階段，一項裝備從研制、生產、使用、維修直至退役報廢全壽命過程，每一階段接都需要花費大量的費用。利用3D打印技術，可在很大程度上縮短裝備研制、生產階段的工程周期，便于裝備的使用與維修操作。在裝備維修或報廢時，還可以把相關3D打印材料“回爐再造”重復利用，節約大量的人力、資源和經費，提高全壽命周期的綜合效益。

4 展望

隨著高科技迅猛發展，3D打印技術方興未艾，4D打印技術已經崛起，5D打印技術也被提上日程。4D打印比3D打印多了一個“時間維”，不需要借助于任何復雜的機電設備，就能夠按照事先所設計的產品自動折疊成相應的形狀，并滿足性能要求[20]。5D打印出來的生命體，可進行生長，進而發展形狀和功能的變化[21]。隨著打印技術、材料技術以及計算機仿真技術的成熟、進步與完善，多維打印技術作為一項新興科技，必將受到各行各業更加廣泛的關注、重視與應用，可以預見在應急醫學救援裝備領域也具有廣闊的應用前景。探索引導3D乃至4D、5D打印技術在應急醫學救援裝備領域中的應用與實踐，對于驅動創新應急醫學救援裝備發展，提高應急醫學救援裝備效能以及應急醫學救援能力，具有重要的現實意義與推進作用。

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Application and prospection of 3D printing technology based on computer simulation in the field of emergency medical rescue equipment

WANG Ya-peng, WANG Yun-dou, NING Jie, et al//
China Medical Equipment,2017,14(4):162-166.

The thesis introduced the concept and principle of 3D printing technology, and analyzed its advantages, as well as took matching analysis for meeting the demand situation of emergency medical rescue equipment. then Analyzed the improvement and optimization of 3D printing technology based on computer simulation, and took analysis and prospect for its application in emergence medical rescue equipment from 6 aspects, such as equipment system, disposition model, development and innovation, usage pattern, maintenance mode, comprehensive benefits etc, so as to provide the references for the construction and development of emergency medical rescue equipment in future.

3D printing; Computer simulation; Emergency medical rescue equipment; Application

10.3969/J.ISSN.1672-8270.2017.04.045

1672-8270(2017)04-0162-05

R197.39

A

2016-12-23

①軍事醫學科學院衛生裝備研究所 天津 300161

②軍事交通學院裝備保障系 天津 300161

③軍事交通學院基礎部 天津 300161

*通訊作者：wyd1965@126.com

[First-author’s address] Institute of Medical Equipment, The Academy of Military Medical Sciences, Tianjin 300161, China.