3D建模及打印技術在多參數呼吸訓練裝置研發中的應用研究

婁陽，趙東升，張龍，孔康輝，郭鳴周

河南省人民醫院 醫學裝備部，河南 鄭州 450003

引言

3D 建模及打印技術是一種將虛擬設計轉化為實體的技術，可創建復雜的實物模型，快速精準地制造出各種物品[1-3]。傳統的制造過程是通過零部件的圖紙設計，制造出模具，再進行零部件生產。3D 建模及打印技術則是通過計算機三維建模軟件設計三維模型，再通過3D 打印機打印模型實物[4-5]。3D 打印技術結合不同打印材料具有豐富的適應性，可進行個性化定制[6]，在醫療器械研發、醫學模型制作、醫療設備維修、醫學教育等方面有著廣闊的應用前景[7-12]。

在專利產品轉化中，通過制作樣機，可檢驗設計的合理性及裝配的可操作性，為優化升級奠定基礎。然而在此過程中，一些非標準化零部件的制作若采用傳統的開模技術，存在技術研發周期長、開模費用高的特點，研究者容易面臨因資金不足研發受阻的情況[13]。針對以上問題，采用3D 建模及打印技術能快速制作出需要的零部件，并且可以根據打印出的零部件匹配程度進行3D 模型調整，再次打印出匹配程度更高的零配件，使試錯成本大大降低，也便于對專利產品的進一步優化[14-15]。本研究針對一種多參數呼吸訓練裝置的專利樣機在開發過程中的非標零部件進行3D 建模及打印實踐，實現了樣機的制作。研究對機殼、壓力傳感器采樣接頭、舵機驅動連接器、閥體支架等共計18 件零部件進行了3D 建模及打印，并對打印精準度、零部件強度及組裝后密閉性等方面進行了測試分析。

1 材料與方法

1.1 研究材料

Windows10 操作系統64 位電腦1 臺，安裝solidworks 2022 建模軟件及Cura 軟件；3D 打印機1 臺，打印材料使用聚乳酸（Polylactic Acid，PLA）。

1.2 研究方法

本研究的多參數呼吸訓練裝置是發明專利《一種多參數呼吸訓練裝置及呼吸訓練方法》（專利號：ZL202010527409.4）的專利產品轉化。產品基于單片機開發制作出整機產品，包含單片機控制軟件、患者信息系統上位機軟件、信號采集板、電源板、壓力傳感器、流量傳感器、舵機閥、渦輪風機、電磁閥等軟硬件，還需要機殼、各類連接件、支架等部件。這些部件是非標準件，無法通過采購實現，無法承擔通過傳統開模制作的費用，需要利用solidworks 2022 軟件進行3D 建模，再通過Cura 軟件切片后進行3D 打印，打印出適配零部件，實現樣機的開發。

1.2.1 3D模型設計

本研究的3D 模型設計包含整機的外殼設計、傳感器接口、舵機閥驅動連接器、呼吸咀等各類接口設計、支架設計等。本文從外殼設計、接口設計、支架設計3 個方面進行分析。

（1）外殼設計

根據設備研發零部件安裝后的整體尺寸，確定外殼的長、寬、高。外殼3D 建模分為外殼框架、圍板、頂板3 個部分。建立作圖基準面，根據觸摸屏尺寸設計觸摸屏安裝口；通過拉伸、切除等操作，完成前面板觸摸屏的外框建模；從人體工程學角度設計觸摸屏傾斜15°，該角度在視覺上相對舒服；在觸摸屏作圖平面基礎上，建立15°夾角作為新的作圖基準面，再進行圖形拉伸切除，形成模型主框架結構，外殼設計模型如圖1 所示。根據設備零部件安裝位置，設計尾板吸氣和呼氣過濾器外殼、揚聲器聲音輸出孔、散熱風扇安裝孔、電源濾波器安裝孔、上位機外置接口、散熱出風接口；通過殼體框架頂部尺寸設計頂部蓋板，包括固定螺絲孔。

圖1 外殼設計模型

（2）接口設計

接口設計包括傳感器采樣接口、渦輪風機接口等。根據流量傳感器管道直徑、渦輪風機接口直徑、電磁閥和舵機閥直徑，確定接口零部件的接口尺寸數據。通過3D 建模設計相匹配的零部件。對于有螺紋口的部件，如舵機閥、電磁閥，通過建模螺紋實現與舵機閥和電磁閥的連接。

（3）支架設計

本研究核心部件中有2 個支架均為非標零部件，其中渦輪風機和吸氣調節控制舵機閥設計的支架包含渦輪風機安裝架、閥體固定架和舵機固定架，支架設計模型如圖2a 所示。呼氣調節舵機控制閥包含閥體固定架和舵機固定架，支架模型如圖2b 所示。

圖2 渦輪風機和吸氣調節舵機閥支架（a）、呼氣調節舵機控制閥支架（b）

1.2.2 3D零部件打印

將經過3D 建模后的模型保存為標準模板庫（STL）二進制文件格式，將模型文件載入Cura 軟件進行切片和打印，Cura 軟件切片界面如圖3 所示。調整層高、壁厚、填充密度、打印速度、支撐類型等參數，將模型文件進行切片調整，存儲到SD 卡，3D 打印機通過SD 卡數據進行實體打印。本研究使用的打印材料PLA 是一種環保材料，由玉米顆粒制作而成，無毒、可降解，具有良好的生物相容性、可降解性、機械性能和物理性能。

圖3 Cura切片軟件界面

2 結果

本研究通過3D 建模及打印，成功完成了18 件非標零部件的制作。整個項目的非標零部件所用的打印材料費用低于1000 元，實現了樣機低成本的快速開發。

2.1 3D建模及打印實物尺寸與設計尺寸

3D 打印的零部件尺寸精度受打印機特性、打印材料性能以及打印速度、層厚、填充密度等參數設置的影響，其誤差可能存在不同的差異。本研究通過3D建模及打印的18 件零部件，設定打印層高0.1 mm，壁厚0.8 mm，填充密度100%，打印速度70 mm/s。圖4為樣機外殼尾板模型和實物的對比圖，由于數據為非正態分布，計量資料以[M（P25，P75）]的形式描述，使用Mann-WhitneyU檢驗判斷部件設計尺寸與打印實物尺寸是否有差異（SPSS 27.0），以P＜0.05 為差異有統計學意義。通過統計學分析可知，設計尺寸與打印實物尺寸之間差異無統計學意義（P＞0.05），見表1。

表1 設計尺寸與打印實物尺寸對比{M[P25，P75]，nm}

圖4 尾板三維模型（a）與打印實物（b）對比

2.2 非標零部件強度測試

將打印的非標零部件根據結構特點分為管腔類和支架類，并對上述零部件進行強度測試。由于本研究所打印的管腔類非標零部件壁厚為5 mm，因此選用不同長度的管腔類部件吸氣壓力采樣接頭和渦輪風機進氣接頭進行橫向和縱向擠壓測試，測試形變1 mm 時的夾緊力；選用舵機閥支架進行扭矩力破壞性測試，橫向夾緊力測試圖片如圖5a 所示，縱向夾緊力測試圖片如圖5b 所示。本研究所研發的儀器中管腔內壓力范圍為-20～100 cmH2O，根據作用力與反作用力的對應關系，管腔內氣體對管壁的壓力遠低于測試的夾緊力。扭矩破壞性測試圖片如圖5c所示，實際使用中經測算，舵機對支架的最大扭矩為12 N，實測破壞扭矩為88 N，所打印支架可滿足實際需求，測試結果如表2 所示。

表2 力學測試結果

圖5 橫向夾緊力測試（a）、縱向夾緊力測試（b）和扭矩破壞性測試（c）

2.3 樣機密閉性測試

封閉樣機的渦輪風機進氣口和呼氣出氣口，用管道連接吸氣接口和呼氣接口。管道上預留三通接口，通過三通接口向吸氣通道和呼氣通道輸入120 cmH2O 壓力的壓縮空氣，在安靜的環境中未出現明顯漏氣音，符合設計預期。由于制作的樣機用于呼吸康復訓練，因此對系統的密閉性未有嚴格的要求，在安靜環境下輸入大于最大工作壓力20%的壓縮空氣，未見明顯漏氣音，即為通過密閉性測試。

2.4 樣機性能測試

通電后，樣機可平穩運行（圖6）。樣機實現了慢性阻塞性肺疾病患者呼吸功能評估、一般訓練模式、正壓訓練模式、正壓吸氣壓力設定、呼氣阻力設定、常壓訓練吸氣阻力設定、語音引導、不同呼吸頻率語音時長設置、多種呼吸訓練方法組合等功能的正常運行。此外，連接專用雙單向閥呼吸管路，通過呼吸咬咀對上述功能進行試用，設備運行良好。利用TSI4071A 氣流分析儀對樣機的吸氣壓力、呼吸壓力、吸氣流速、呼氣流速進行檢測，吸氣流速檢測值與示值誤差值為2.1%±1.2%，呼氣流速檢測值與示值誤差值為4.5%±1.6%，吸氣壓力示值與檢測值的誤差為（1.60±0.62）mmH2O，呼氣壓力示值與檢測值的誤差為（2.80±0.74）mmH2O。呼吸訓練裝置數據誤差范圍符合JJF1234-2018《呼吸機校準規范》[16]的要求。經過近1 個月的間斷性上電試機，樣機設備未出現故障，設備穩定性良好。

圖6 樣機實物

3 討論

呼吸訓練技術是一種通過深吸氣、呼氣改變呼吸節奏的呼吸技術，包含吸氣肌訓練、呼氣肌訓練、橫膈肌訓練等，已被廣泛應用于臨床，提高了患者的生活品質[17-18]。根據相關文獻研究[19-20]，目前國內市場上的呼吸康復訓練器是呼氣阻力式訓練，結構功能簡單，未能實現患者的個性化差異參數設定，不能有效地控制呼吸節奏。本研究完成了發明專利的樣機制作，實現了患者正壓吸氣阻力式呼氣訓練，可通過語音節奏控制患者的呼吸訓練頻率，使患者的吸氣壓力和呼氣阻力可根據呼吸評估狀況進行個性化參數設置。

本研究的創新點在于通過3D 建模及打印技術實現了專利樣機制造過程中非標零部件的個性化制作，利用較低成本完成了一種多參數呼吸訓練裝置的專利轉化，并對其性能進行了測試。實驗和分析結果表明，3D 打印的非標零部件性能良好，在樣機制作中優勢明顯[21-22]，為醫工人員的專利轉化提供了一個相對有效的辦法。3D建模及打印技術在本研究中的優點主要表現為：① 復雜模型的靈活性設計：通過3D 建模，設計出設備外殼等復雜的3D 模型；② 制作的模型實物精度高：與設計尺寸偏差小于1 mm，且可以通過修改設計模型再次進行打印，試錯成本低；③ 縮短研發周期，降低研發成本：本研究僅以不足千元的材料成本和3 周的建模打印時間完成了18 件非標零部件的制作，相比傳統開模方式，顯著縮短了研發周期，降低了研發費用。當然，3D 打印也存在一些技術局限性，如受打印材料限制，打印出的實物模型可能部分存在質量問題；3D 打印的螺紋接口受PLA 材料的限制，其打印的螺紋精度差；對于相對復雜和形體比較大的零部件模型，打印時間偏長，例如本研究設計的設備外殼，單個部件打印時間超過30 h。

4 結論

本研究通過一種多參數呼吸訓練裝置的樣機開發，利用3D 建模及打印技術，以低成本和極短的開發周期成功制作出了樣機，充分體現了3D 建模及打印技術在產品開發、專利轉化等領域的技術優勢。3D 建模及打印技術通過作圖基準面變換、坐標系的轉變、拉伸、切除等操作，設計出需要的模型，且可根據打印出的零部件匹配度不斷修正，相比傳統開模技術在試錯成本方面有顯著優勢。然而，由于受打印材料的限制，3D 打印技術還存在單個復雜部件打印時間長、打印部件質量差等問題，為改進打印效果，下一步可嘗試調整打印材料、打印機等以提升打印精度及速度，并對3D 打印零部件的耐磨性等進行進一步研究。