基于计算机仿真的3D打印技术在应急医学救援装备中的应用展望

2017-04-20王亚鹏王运斗张巾帼

中国医学装备 2017年4期

王亚鹏王运斗宁洁张巾帼

王亚鹏①②王运斗①*宁洁①张巾帼③

讨论3D打印技术的概念与原理，分析3D打印技术的优势，以及对其满足应急医学救援装备的需求情况进行匹配分析，剖析计算机仿真对3D打印技术局限的优化与改进，并从装备体系、编配模式、研制创新、使用模式、维护方式以及综合效益等六个方面对基于计算机仿真的3D打印技术在应急医学救援装备中的应用进行分析展望，以期为未来应急医学救援装备的智能化建设与发展提供参考。

3D打印技术；计算机仿真；应急医学救援装备；应用

王亚鹏,男,(1983- ),博士研究生，讲师。军事医学科学院卫生装备研究所，军事交通学院装备保障系，研究方向：应急医学救援、装备保障。

3D打印(3D Printing)，又称增材和(或)积材制造(Additive Manufacturing)，诞生于20世纪80年代，其基本原理是[1]：根据计算机辅助设计(computeraided design，CAD)模型或X射线计算机断层成像(X-ray computed tomography，CT)形成的数据，在电脑程序控制下，基于离散和堆积成型的原理，通过分层打印、逐层叠加的方式，对材料进行精确堆积以快速加工制造任意形状的三维复杂物体(如图1所示)。此种3D打印技术具有能够按照设计的模型构建特定空间结构的能力，并能在制备材料时对其微观结构进行精确控制。

图1 三维打印实现流程

随着材料和控制技术的发展，三维打印被广泛应用于医疗、汽车、航天以及建筑等各行各业，取得了一系列瞩目成果。2010年11月，世界上第一辆由3D打印机打印而成的汽车Urbee问世；2011年8月，南安普敦大学的工程师们开发出世界上第一架3D打印的飞机；2012年11月，苏格兰科学家利用人体细胞首次用3D打印机打印出人造肝脏组织；2014年8月，北京大学研究团队成功地为一名12岁男孩植入了3D打印脊椎，属全球首例；2014年9月底，美国国家航空航天局(NASA)预计将完成首台成像望远镜，所有元件基本全部通过3D打印技术制造；2015年7月，由3D打印的模块新材料别墅现身西安，整个搭建过程仅用3个小时[2]。

相对于传统的铸造和切削等减材制造方式，3D打印具有小批量制造，成本低、速度快、材料利用率高、可远程操作以及有利于复杂产品的制作和个性化产品的设计等诸多优点，特别适合在医学领域，尤其是应急医学救援装备领域实践与应用。美国波士顿勒克斯研究公司曾在2013年4月发布的报告“构建未来：评估3D打印的机遇和挑战”中指出：医疗、汽车和航天三大行业将成为打印市场发展的主要推动力[3]。

1 3D打印技术优势及其与应急医学救援装备需求匹配分析

应急医学救援装备是指在自然灾害、事故灾难、突发公共卫生事件及社会安全事件等紧急条件下实施应急医学救援所需的医用器械、仪器、设备、卫生运输工具及相关装备等的总称，主要用于重大灾害、事故及事件等发生时伤病员的现场急救与紧急救治、连续救治、立体运送、野外医院早期救治与部分专科救治、专科治疗、后期康复、卫生防疫、“三防”医学救援和模拟训练等[4]。应急医学救援具有事发突然、损毁多元、伤情严重、地域复杂、伤员批量、环境恶劣等特点以及其他诸多不确定性，对应急医学救援装备要求空前提高，尤其是在模块化、集成化、便携化及机动化等方面的要求更高[4]。而3D打印技术的特点与优势，在很大程度上能够满足应急医学救援装备的需求。

1.1 小批量快速打印生产--为应“急”而来

应急医学救援保障经常面临难以预测预警的突发事件，如各种灾害、恐怖袭击等。因此，面对时间紧急、任务繁重及资源有限，应急医学救援装备在准备部署上难以避免地会出现疏忽、缺位和漏洞，可能会造成现场救援保障时应对不力、举步维艰。试想，如果应急医学救援人员掌握了3D打印技术，并配备有3D打印机和相关装备或部件的模型库，即便是到达救援现场后发现装备缺项、数量不够或者备件不足等，也可现场打印生产，并且这种装备需求数目一般不大，因此，3D打印技术强大的小批量快速打印生产能力，完全能够在较短时间内打印生产出急需或紧缺的应急医学救援装备零部件、总成甚至整体，满足应急需求，保证应急医学救援工作的顺利开展。

1.2 个性化产品定制--为应“变”而来

面对各种各样的突发事件以及纷繁多杂的伤情病情，应急医学救援具有对象多元、任务多重、伤情多样以及需求多变等显著特点，并且不同类型的突发事件，不同类别不同程度的伤情病情对应急医学救援装备的种类、型号以及数量需求不尽相同。这种“多变”的特点与要求对应急医学救援装备准备提出了很大挑战。运用3D打印技术，根据应急医学救援装备需求提前构建装备模型，装备模型构建的科学配套、数量等，根据需要即可打印出来，实现按需打印生产、即用即打、个性化“私人定制”、即打即用，做到以不变应万变。

1.3 复杂产品制作--为应“集”而来

复杂严重的伤情病情，决定了应急医学救援系统必须具有连续性，形成现场、院前及院内等环环相扣的无缝救治链[4]。而实现这一目标强有力的支撑就是集诊疗、监护、救治与后送等多功能于一体的集成化应急医学救援装备。众所周知，装备集成程度越高，结构越复杂，设计制造难度就越大，这样就对应急医学救援装备的研制生产提出了巨大挑战。3D打印技术不需要模具，其核心是计算机绘图，与传统装备制造相比，流程得到了质的优化与简化，无需担心传统装备制造中连模具都制作不出来的情况发生。因此，无论装备集成度多高、结构多复杂，通过强大的计算机软件都有可能把模型设计制作出来，而只要设计绘制出装备模型，就可以运用3D打印技术打印生产出产品。从装备综合集成角度看，3D打印技术无疑是装备制造业具有颠覆性和革命性的一项新技术[5]。

1.4 可远程操作生产--为应“远”而来

生命救治“白金10分钟”、“黄金1小时”是医学救援所遵循的基本法则[6]。但是，把医学救援置于应急背景下，面对着各种难以预测的突发事件以及不确定的伤情病情，要实现人员、装备、药材及技术等全要素、全过程、全方位保障有力实属不易，难以避免会出现需要友邻医院以及后方医院支援的现象。医疗救治技术上早已实现了专家远程会诊甚至远程手术的互联、互通、互操作，但是如果医疗装备实体不能实现远程跨距离补充与维护，特别是一些急需的医疗装备器材未能提前准备或不能及时用上，将直接影响救援工作，而运用3D打印技术可解决这一难题。3D打印机的终端通过连接网络与电脑主机，如同利用普通打印机打印纸张一样，就可以把电脑主机上的装备模型打印出来。因此，从理论上讲，应急医学救援队伍带上一台3D打印机，通过光缆、光线或者卫星等网络媒介与后方医院或装备厂商连接起来，就能够实现现场救治需要什么医疗装备就打印生产什么装备的目标，在一定程度上具备了“拥有一台与主机模型库相连接的3D打印机就拥有了整个装备体系”的模式。

2 3D打印技术的局限以及计算机仿真的改进与优化分析

2.1 3D打印技术的局限

虽然3D打印技术有诸多优点，但在应用过程中依然存在许多问题，其发展受多种因素的限制[7]：①现有可打印材料比较缺乏。当前能够满足质量要求的打印材料非常少，适用于3D打印的材料只有树脂、金属和塑料等为数不多的几种，要实现3D打印技术在更大范围、更深层次的推广，就必须研究出更多的“可打之材”；②打印工艺还不够完善。3D打印技术采用逐层打印工艺，即使各层连接都很紧密，打印出来的零部件精度和表面质量难以达到使用要求，不能与传统锻件的质量相比；③打印产品的使用性能较差。3D打印技术目前还处在初级阶段，制造产品在精度、刚度和强度等方面还存在较多不足，总体使用性能较差。以目前的技术情况，3D打印技术只能达到数十毫米的精度，还不太适合在精度较高的研究领域使用。

2.2 计算机仿真对3D打印技术的优化与改进分析

当前，3D打印技术在技术层面存在工艺不完善、产品质量性能较差等问题，在一定程度上可以通过计算机仿真予以改进优化。

计算机仿真是应用电子计算机对系统的结构、功能和行为，以及参与系统控制的人的思维过程和行为进行动态性比较逼真的模仿，通过建立某一过程或某一系统的模式来描述该过程或该系统，然后用一系列有目的、有条理的计算机仿真实验来刻画系统的特征，从而得出数量指标，为决策者提供关于这一过程或系统的定量分析结果，作为决策的理论依据[8]。计算机仿真对3D打印技术的优化与改进主要体现在两个方面。

2.2.1 优化工艺参数改进产品质量性能

3D打印技术的核心工艺是自底向上、逐层累积，是决定产品质量性能好坏的关键因素。在实践中，3D打印常采用熔融沉积成型技术，然而，熔融沉积成型技术有一个严重的缺点[9]：打印一个存在类似于“悬臂”情况的模型对象时，在没有额外的材料在该部位下方做支撑时，打印过程中材料会受到重力的作用往下掉，从而导致整个打印的失败。并且，高温沉积构件会伴随产生较大的残余应力，较大的残余变形或者两者的组合，由于构件内应力复杂，构件成形过程中或成形后会产生严重变形。而直接成形的金属构件在生产过程中因为反复经受局部接近熔点温度热流，构件内部热应力状态复杂，在成形某些大型细长体、薄壁体金属构件时，热应力处理和控制不能满足要求[10](如图2所示)。

图2 小熊模型的3D打印效果

目前为止，影响3D打印技术在航空界大量的应用正是因为这个原因[10]。对于应急医学救援来说，时间往往更加宝贵，不能在产品打印出来时，才发现哪些工艺不好再反过来加以改进。要进一步改进优化3D打印工艺，在不能实验验证的情况下，计算机仿真则是一个不错的选择手段。通过计算机仿真，在打印“悬臂”模型时，运用可视化仿真技术，提前预测出哪些地方会出现塌方，根据需求去添加支撑，解决打印失败的问题；在处理热应力时，可以通过对3D打印的喷头温度、打印速度、压力以及打印材料的微观组织结构、残余应力和变形程度等[10]进行仿真分析，从中找出打印中各关键因素与产品性能的关联规律，实现对3D打印过程的优化控制，进而从根本上优化改进3D打印工艺的各项参数；在改善产品质量性能上，可以通过对预打印产品进行有限元分析以及使用环境下的仿真分析，将产品使用过程中出现的各种材料效应实时显示出来，找出其精度、硬度、强度等力学性能指标上需要修正改进的地方，从而实现打印产品质量性能的全面提升。

2.2.2 验证并形成三维打印模型库

对于3D打印技术而言，只要做出了数字模型，就能制造出来。专家曾预言：3D打印将撼动全球制造业[11]。毋庸置疑，数字模型是3D打印的灵魂，即没有模型，3D打印将无从谈起。但是，即使设计制作出模型，也难以保证3D打印产品的质量性能。一方面在于打印材料，更重要的一方面在于模型的可靠性。尽管当前计算机制图软件已经相当先进，几乎能够满足所有的制图需要，但是所设计绘制出来的图形模型只是一个概念模型或者框架结构，其可靠性尤其是产品的使用可靠性无法保证，所以必然会导致打印产品的可靠性难以保证。如果事先把设计绘制出来的图形模型作为成品置于使用环境下进行计算机仿真分析，对其各项性能指标参数进行优化改进，然后再进行3D打印，那么打印出来的产品的质量性能必将得到极大改善，3D打印的综合效益也会得以大幅提高。对于某一行业或者单位来说，完全可以把经过计算机仿真验证过的3D打印模型，分门别类构建形成模型库，不仅可以固化前期研究成果，为后续打印生产提供便利，还可以为产品的二次开发升级以及综合集成奠定基础。计算机仿真对3D打印技术实现流程的优化改进，如图3所示。

图3 基于计算机仿真的3D打印技术的实现流程

3 应用分析

随着打印材料的发展以及技术手段的日益成熟，3D打印技术已经在手术辅助器械、个性化医疗器械、组织器官再生、临床修复治疗、药物测试研发以及医学模型制造等医学领域得到了广泛应用，并取得了许多理论研究与实践探索成果，这些成果为其在应急医学救援装备中的应用提供了有价值的借鉴经验与实践参考[12-18]。探索基于计算机仿真的3D打印技术在应急医学救援装备领域中的应用，必将对于应急医学救援装备的体系完善、研制革新以及使用编组方法创新等全面建设起到重要的引领与推动作用。

3.1 优化应急医学救援装备体系

应急医学救援装备体系是由多种应急医学救援装备系统构成的复杂系统，由单元或子系统及模块组成，其特点既相互独立又联系紧密，是遂行应急医学救援任务的物质载体[4]。当前，应急医学救援装备体系主要是基于任务构建形成的，通常分为常规应急医学救援装备体系以及专业应急医学救援装备体系，各类装备体系中都包含数十种乃至上百种医疗设备器材，整个装备体系比较庞大而繁杂，给装备的筹措准备、编配下拨以及后续的编组使用和维修保养等都带来极大的不便。如果3D打印技术发展到一定成熟阶段，并广泛应用于应急医学救援装备领域，配合计算机仿真技术的驱动，只需开发构建一系列经过仿真验证、可靠性较高的应急医学救援装备模型库，就可以替代应急医学救援装备体系中规格较小、数量较少和运用频数较低的设备器材，从而实现对应急医学救援装备体系的优化简化。把3D打印装置固化为装备体系的一部分，未来的应急医学救援装备体系可能会简化为大型核心装备(不适宜3D打印的)和3D打印系统，其中大型核心装备可区分为通用和专用，而3D打印系统包括3D打印机(可连接网络)、模型库、电脑主机以及相关打印材料等。

3.2 创新应急医学救援装备编配模式

综合运用计算机仿真与3D打印技术，把经过计算机仿真验证过的3D打印系统固化为应急医学救援装备体系中的一类装备，实现对应急医学救援装备体系的极大优化与简化，随之而来的装备编配模式也将发生巨大变化。在新的应急医学救援装备体系框架下，未来应急医学救援装备编配，不再像现在以装备实体下拨为主、以经费为辅的编配模式，取而代之的将是以模型库为核心的3D打印系统为主，以大型核心装备实体与购买打印材料的经费为辅的新型编配模式，将从根本上改变装备编配中“虚”、“实”比例关系，进一步优化简化装备编配流程，节约装备编配环节中人力、物力和财力消耗，提高装备到位率与装备编配的综合效益。

3.3 加速应急医学救援装备研制创新

经过3D打印技术优化形成新的应急医学救援装备体系，必将为应急医学救援装备的研制创新带续则可根据需要打印生产，实现装备论证、研制、生产以及使用的“无缝对接”。此外，3D打印技术将使应急医学救援装备的个性化定制成为可能，通过计算机仿真验证，个性化定制出来的装备在质量性能、操作运用等方面将会有较大的改善，未来面对各种突发事件将不再为装备的不适宜而焦虑。例如，运用3D打印技术，可根据救援人员的个体身形差异而量身设计，打印生产出轻便合身的防护服。

3.4 变革应急医学救援装备使用模式

目前，在执行突发事件中，应急医学救援队伍一般会把编配的应急医学救援装备以及想象可用的设备器材等全部带上，但是到达现场救援时发现，一些装备不一定能用得上，这样一来不仅耗费了大量人力、物力和财力，还给现场救援带来极大不便，例如挤占有限的配置空间，同时还对那些装备造成一定程度的磨损与破坏。在新的应急医学救援装备体系框架下，遂行突发事件应急医学救援任务，将很大程度地改变现行的“三分四定”模式，装备的使用不再是“多多益善”而是“恰到好处”，只需携运相关大型核心装备，而一些小型化、用量少的设备器材到现场，根据需要即用即打，装备的集成化程度进一步提高，实现一装多用、多装合用，不仅避免浪费，还极大地提高装备使用效率。

3.5 改变应急医学救援装备维修方式

由于医疗器械设备比较精密，其维修科技含量较高，在现有条件下，大多数的医疗器械设备依赖厂商或销售进行维修，应急医学救援装备的维修亦如此，因其返厂维修周期较长，费用较高，对临床工作影响比较大。如果充分运用3D打印技术，就可以依据损坏部件模型，打印出来直接替换，则可节约时间、人力和维修经费。在购买医疗器械设备时，可要求厂商提供产品的用于3D打印的分解模型，或者协商将维修部件的打印与厂商销售的3D打印机一体化，从而简化操作和成本，缩短维修周期，提高维修效益。

3.6 提高应急医学救援装备综合效益

装备的综合效益主要指装备的全寿命周期费效比。在现阶段，一项装备从研制、生产、使用、维修直至退役报废全寿命过程，每一阶段接都需要花费大量的费用。利用3D打印技术，可在很大程度上缩短装备研制、生产阶段的工程周期，便于装备的使用与维修操作。在装备维修或报废时，还可以把相关3D打印材料“回炉再造”重复利用，节约大量的人力、资源和经费，提高全寿命周期的综合效益。

4 展望

随着高科技迅猛发展，3D打印技术方兴未艾，4D打印技术已经崛起，5D打印技术也被提上日程。4D打印比3D打印多了一个“时间维”，不需要借助于任何复杂的机电设备，就能够按照事先所设计的产品自动折叠成相应的形状，并满足性能要求[20]。5D打印出来的生命体，可进行生长，进而发展形状和功能的变化[21]。随着打印技术、材料技术以及计算机仿真技术的成熟、进步与完善，多维打印技术作为一项新兴科技，必将受到各行各业更加广泛的关注、重视与应用，可以预见在应急医学救援装备领域也具有广阔的应用前景。探索引导3D乃至4D、5D打印技术在应急医学救援装备领域中的应用与实践，对于驱动创新应急医学救援装备发展，提高应急医学救援装备效能以及应急医学救援能力，具有重要的现实意义与推进作用。

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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