3D打印技术在临床工程中应用的研究

葛 琴 续大伟 赵润萍 吉 娜

[文章编号] 1672-8270(2017)05-0001-03 [中图分类号] R197.39 [文献标识码] A

3D打印技术在临床工程中应用的研究

葛 琴①续大伟②*赵润萍①吉 娜③

[文章编号] 1672-8270(2017)05-0001-03 [中图分类号] R197.39 [文献标识码] A

目的：应用3D打印技术，解决医疗设备在临床使用过程中因小配件损坏而导致设备无法使用的问题。方法：以监护仪按键的修复为例，通过3D建模、打印制作等步骤制作损坏配件。结果：经3D打印技术打印出来的配件可以替代原配件，其强度和性能均能满足临床科室需求。结论：3D打印技术可以解决零配件损坏缺失问题，在临床工程领域具有很大的应用空间。

3D打印；临床工程；应用；维修工程

[First-author’s address]Department of Medical Equipment, Xi'an Hospital of Traditional Chinese Medicine, Xi'an 710021, China.

3D打印技术，即增材制造(additive manufacturing，AM)技术，是快速成型(rapid proto-typing manufacturing，RP)技术的一种，是一种以数字化模型为基础，运用可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。该技术综合了数学建模、机电控制、信息技术以及材料学等学科前沿技术知识，目前已有十多种不同的成型方法[1]。通常根据成型原理，将其分成基于激光技术的成型方法和非激光技术的快速成型方法。基于激光技术的成型方法主要有立体光刻、纸叠层、选择性激光烧结以及选择性激光熔化等；非激光技术的快速成型方法主要有熔丝沉积、掩膜光固化、冲击微粒制作以及实体磨削固化等[2-3]。

在欧美发达国家，3D打印技术已经初步形成了成功的商用模式，如在消费电子、航空和汽车制造业等领域，在临床医疗中也取得的一定的成就。2013年4月，日本一家医院用患者肝脏的3D复制品帮助医生计算出如何切割肝脏，并成功的进行了肝脏移植手术。美国Kosair儿童医院心外科医生在对一患有心脏病的幼儿进行复杂的手术前，用3D打印模型规划和实验，保障了手术的成功完成[4-5]。我国3D打印技术在临床医学中的应用主要是面部修复、骨折辅助支架等方面，2014-2015年第三军医大学开展了3D打印技术对颌面部多发骨折术前建模预测，提高了手术准确性，缩短手术时间；湘雅医院2015年成功重建面部粉碎性骨折等。在医疗设备维修工程领域，3D打印技术还处于初步探索阶段[6]。为此，本研究通过对西安市中医院监护仪按键修复的制作，探索3D打印的过程和方法。

1 临床医疗设备使用中遇到的问题

临床医疗设备使用中，经常会出现设备小配件损坏现象，由于各厂商对小配件一般不单独销售或是该型号设备停产等原因，造成更换配件代价昂贵或配件无法供应等问题，从而影响设备正常使用。如迈瑞PM-9000监护仪的数量占全院监护仪总量的30%，常常会碰到按键由于使用频繁、用力过大等原因，造成按键与按键板连接部位断裂，按键无法使用，并影响设备外形美观。经与厂商联系，此型号设备已停产，而无配件供应。针对此类问题，尝试运用3D打印技术制作此类配件，以保障设备正常使用，同时减少了科室支出，提高设备利用率，损坏的监护仪按键如图1所示。

图1 损坏的监护仪按键示图

2 3D打印设备制作过程

3D打印设备制作过程主要分为建模和打印两步。先设计零件的3D模型，再利用切片软件将此3D模型分层切片，获得打印件各切片层的横截面信息，即传统打印机用的2D图像信息，最后用3D打印机将丝状、粉末状等形状的热塑性材料，通过逐层堆积的方式，按照切片层信息制作出来，最终形成立体产品。整个过程不需要模具，也不需要传统刀具和夹具等机械工具，生产周期短，制造成本低[7-8]。

2.1 实体建模法

建模技术在工程中的应用主要体现在产品设计、生成图形、生产制造与装配等[9]。目前，常用的3D建模方式有线框建模、表面建模、实体建模和特征建模。考虑到医疗器械零配件需要精确的参数化设计和完整的3D几何实体信息，方便了解其与整机的装配关系，本研究采用实体建模方法。

实体建模是采用基本体素组合，通过集合运算和基本变形操作，建立3D立体模型的过程。生成的实体模型由系列直线、圆弧、点及自由曲线组成，描述产品的轮廓外形。鉴于实体建模的需求，本研究采用(Pro/Engineer，Pro/E)建模软件，其以参数化设计著称，利用基于特征的功能生成实体建模，如倒角、圆角、腔和壳等，并可以轻易改变模型，使得设计更简易和灵活。本研究运用Pro/E 5.0版本，先用卡尺测量零配件尺寸，通过Pro/E 5.0构造基本体素的实体信息，直接产生相应的实体模型。运用此方法建立的监护仪电源按键模型三向图如图2所示。

图2 监护仪电源按键模型图

2.2 程序设计及打印过程

打印设备采用MINGDA Glitar 4C打印机，其拥有一体化的丝杆与电机、加热式平台，而且丝杆为对称不锈钢双轴滚珠丝杆，可实现X轴、Y轴0.006 mm以及Z轴0.0015 mm的定位精度[10]。加热式平台温度可达160℃，可兼容打印ABS和PLA等多种材料。本研究选用强度高、韧性好且热塑性好的ABS材料，运用熔丝沉积(即FDM)的方法，先将Pro/E 5.0设计好的零配件3D模型文件转换成打印机可识别的STL格式，然后经过CURA软件切片形成一层层堆积的2D平面，每个平面显示的是打印机喷头在这一层中的运行轨迹[11-12]。将这些轨迹数据保存到读卡器中，最后将读卡器插入3D打印机，编译出打印机可识别的gcode代码，将此gcode代码分批传送到打印机主控板，主控板读取该代码并将其翻译成相应的机器语言，实现X轴、Y轴及Z轴三个方向的联动控制，控制打印机喷头在每一层中的运行轨迹，实现逐层堆积。此过程大约需要20 min，为了外形更美观，用细砂纸进行简单的打磨处理。按键经临床科室2个多月的使用，验证了其强度完全可以满足需求[13-15]。4C 3D打印机如图3所示，打印出来的按键模型如图4所示。

图3 MINGDA Glitar 4C 3D打印机示图

图4 打印出来的按键示图

3 结论

通过本研究监护仪按键的制作实例表明，3D打印技术具有快速、精确及成本低等优越性，尤其适用于在医疗器械维修、设备后期完善等单件零配件的制作中。目前，3D打印技术在医院设备维修中刚开始尝试使用，本研究将进一步探索此技术，优化3D模型的设计，及时为临床科室提供服务，使设备发挥最大的社会效益。

参考文献

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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- ),硕士，工程师。西安市中医医院设备科，从事医疗器械维修管理工作。

2016-12-27

10.3969/J.ISSN.1672-8270.2017.05.001

①西安市中医医院设备科 陕西 西安 710021

②陕西省肿瘤医院设备科 陕西 西安 710061

③西安医学院第二附属医院质控科 陕西 西安 710038

*通讯作者：913813399@qq.com