3D打印技術在臨床工程中應用的研究

葛 琴 續大偉 趙潤萍 吉 娜

[文章編號] 1672-8270(2017)05-0001-03 [中圖分類號] R197.39 [文獻標識碼] A

3D打印技術在臨床工程中應用的研究

葛 琴①續大偉②*趙潤萍①吉 娜③

[文章編號] 1672-8270(2017)05-0001-03 [中圖分類號] R197.39 [文獻標識碼] A

目的：應用3D打印技術，解決醫療設備在臨床使用過程中因小配件損壞而導致設備無法使用的問題。方法：以監護儀按鍵的修復為例，通過3D建模、打印制作等步驟制作損壞配件。結果：經3D打印技術打印出來的配件可以替代原配件，其強度和性能均能滿足臨床科室需求。結論：3D打印技術可以解決零配件損壞缺失問題，在臨床工程領域具有很大的應用空間。

3D打印；臨床工程；應用；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，即增材制造(additive manufacturing，AM)技術，是快速成型(rapid proto-typing manufacturing，RP)技術的一種，是一種以數字化模型為基礎，運用可粘合材料，通過逐層打印的方式來構造物體的技術。該技術綜合了數學建模、機電控制、信息技術以及材料學等學科前沿技術知識，目前已有十多種不同的成型方法[1]。通常根據成型原理，將其分成基于激光技術的成型方法和非激光技術的快速成型方法。基于激光技術的成型方法主要有立體光刻、紙疊層、選擇性激光燒結以及選擇性激光熔化等；非激光技術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體磨削固化等[2-3]。

在歐美發達國家，3D打印技術已經初步形成了成功的商用模式，如在消費電子、航空和汽車制造業等領域，在臨床醫療中也取得的一定的成就。2013年4月，日本一家醫院用患者肝臟的3D復制品幫助醫生計算出如何切割肝臟，并成功的進行了肝臟移植手術。美國Kosair兒童醫院心外科醫生在對一患有心臟病的幼兒進行復雜的手術前，用3D打印模型規劃和實驗，保障了手術的成功完成[4-5]。我國3D打印技術在臨床醫學中的應用主要是面部修復、骨折輔助支架等方面，2014-2015年第三軍醫大學開展了3D打印技術對頜面部多發骨折術前建模預測，提高了手術準確性，縮短手術時間；湘雅醫院2015年成功重建面部粉碎性骨折等。在醫療設備維修工程領域，3D打印技術還處于初步探索階段[6]。為此，本研究通過對西安市中醫院監護儀按鍵修復的制作，探索3D打印的過程和方法。

1 臨床醫療設備使用中遇到的問題

臨床醫療設備使用中，經常會出現設備小配件損壞現象，由于各廠商對小配件一般不單獨銷售或是該型號設備停產等原因，造成更換配件代價昂貴或配件無法供應等問題，從而影響設備正常使用。如邁瑞PM-9000監護儀的數量占全院監護儀總量的30%，常常會碰到按鍵由于使用頻繁、用力過大等原因，造成按鍵與按鍵板連接部位斷裂，按鍵無法使用，并影響設備外形美觀。經與廠商聯系，此型號設備已停產，而無配件供應。針對此類問題，嘗試運用3D打印技術制作此類配件，以保障設備正常使用，同時減少了科室支出，提高設備利用率，損壞的監護儀按鍵如圖1所示。

圖1 損壞的監護儀按鍵示圖

2 3D打印設備制作過程

3D打印設備制作過程主要分為建模和打印兩步。先設計零件的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，即傳統打印機用的2D圖像信息，最后用3D打印機將絲狀、粉末狀等形狀的熱塑性材料，通過逐層堆積的方式，按照切片層信息制作出來，最終形成立體產品。整個過程不需要模具，也不需要傳統刀具和夾具等機械工具，生產周期短，制造成本低[7-8]。

2.1 實體建模法

建模技術在工程中的應用主要體現在產品設計、生成圖形、生產制造與裝配等[9]。目前，常用的3D建模方式有線框建模、表面建模、實體建模和特征建模。考慮到醫療器械零配件需要精確的參數化設計和完整的3D幾何實體信息，方便了解其與整機的裝配關系，本研究采用實體建模方法。

實體建模是采用基本體素組合，通過集合運算和基本變形操作，建立3D立體模型的過程。生成的實體模型由系列直線、圓弧、點及自由曲線組成，描述產品的輪廓外形。鑒于實體建模的需求，本研究采用(Pro/Engineer，Pro/E)建模軟件，其以參數化設計著稱，利用基于特征的功能生成實體建模，如倒角、圓角、腔和殼等，并可以輕易改變模型，使得設計更簡易和靈活。本研究運用Pro/E 5.0版本，先用卡尺測量零配件尺寸，通過Pro/E 5.0構造基本體素的實體信息，直接產生相應的實體模型。運用此方法建立的監護儀電源按鍵模型三向圖如圖2所示。

圖2 監護儀電源按鍵模型圖

2.2 程序設計及打印過程

打印設備采用MINGDA Glitar 4C打印機，其擁有一體化的絲桿與電機、加熱式平臺，而且絲桿為對稱不銹鋼雙軸滾珠絲桿，可實現X軸、Y軸0.006 mm以及Z軸0.0015 mm的定位精度[10]。加熱式平臺溫度可達160℃，可兼容打印ABS和PLA等多種材料。本研究選用強度高、韌性好且熱塑性好的ABS材料，運用熔絲沉積(即FDM)的方法，先將Pro/E 5.0設計好的零配件3D模型文件轉換成打印機可識別的STL格式，然后經過CURA軟件切片形成一層層堆積的2D平面，每個平面顯示的是打印機噴頭在這一層中的運行軌跡[11-12]。將這些軌跡數據保存到讀卡器中，最后將讀卡器插入3D打印機，編譯出打印機可識別的gcode代碼，將此gcode代碼分批傳送到打印機主控板，主控板讀取該代碼并將其翻譯成相應的機器語言，實現X軸、Y軸及Z軸三個方向的聯動控制，控制打印機噴頭在每一層中的運行軌跡，實現逐層堆積。此過程大約需要20 min，為了外形更美觀，用細砂紙進行簡單的打磨處理。按鍵經臨床科室2個多月的使用，驗證了其強度完全可以滿足需求[13-15]。4C 3D打印機如圖3所示，打印出來的按鍵模型如圖4所示。

圖3 MINGDA Glitar 4C 3D打印機示圖

圖4 打印出來的按鍵示圖

3 結論

通過本研究監護儀按鍵的制作實例表明，3D打印技術具有快速、精確及成本低等優越性，尤其適用于在醫療器械維修、設備后期完善等單件零配件的制作中。目前，3D打印技術在醫院設備維修中剛開始嘗試使用，本研究將進一步探索此技術，優化3D模型的設計，及時為臨床科室提供服務，使設備發揮最大的社會效益。

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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。西安市中醫醫院設備科，從事醫療器械維修管理工作。

2016-12-27

10.3969/J.ISSN.1672-8270.2017.05.001

①西安市中醫醫院設備科 陜西 西安 710021

②陜西省腫瘤醫院設備科 陜西 西安 710061

③西安醫學院第二附屬醫院質控科 陜西 西安 710038

*通訊作者：913813399@qq.com