基于計(jì)算機(jī)仿真的3D打印技術(shù)在應(yīng)急醫(yī)學(xué)救援裝備中的應(yīng)用展望

王亞鵬 王運(yùn)斗 寧 潔 張巾幗

基于計(jì)算機(jī)仿真的3D打印技術(shù)在應(yīng)急醫(yī)學(xué)救援裝備中的應(yīng)用展望

王亞鵬①②王運(yùn)斗①*寧 潔①?gòu)埥韼舰?/p>

討論3D打印技術(shù)的概念與原理，分析3D打印技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，以及對(duì)其滿足應(yīng)急醫(yī)學(xué)救援裝備的需求情況進(jìn)行匹配分析，剖析計(jì)算機(jī)仿真對(duì)3D打印技術(shù)局限的優(yōu)化與改進(jìn)，并從裝備體系、編配模式、研制創(chuàng)新、使用模式、維護(hù)方式以及綜合效益等六個(gè)方面對(duì)基于計(jì)算機(jī)仿真的3D打印技術(shù)在應(yīng)急醫(yī)學(xué)救援裝備中的應(yīng)用進(jìn)行分析展望，以期為未來(lái)應(yīng)急醫(yī)學(xué)救援裝備的智能化建設(shè)與發(fā)展提供參考。

3D打印技術(shù)；計(jì)算機(jī)仿真；應(yīng)急醫(yī)學(xué)救援裝備；應(yīng)用

王亞鵬,男,(1983- ),博士研究生，講師。軍事醫(yī)學(xué)科學(xué)院衛(wèi)生裝備研究所，軍事交通學(xué)院裝備保障系，研究方向：應(yīng)急醫(yī)學(xué)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(jì)80年代，其基本原理是[1]：根據(jù)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(computeraided design，CAD)模型或X射線計(jì)算機(jī)斷層成像(X-ray computed tomography，CT)形成的數(shù)據(jù)，在電腦程序控制下，基于離散和堆積成型的原理，通過(guò)分層打印、逐層疊加的方式，對(duì)材料進(jìn)行精確堆積以快速加工制造任意形狀的三維復(fù)雜物體(如圖1所示)。此種3D打印技術(shù)具有能夠按照設(shè)計(jì)的模型構(gòu)建特定空間結(jié)構(gòu)的能力，并能在制備材料時(shí)對(duì)其微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行精確控制。

圖1 三維打印實(shí)現(xiàn)流程

隨著材料和控制技術(shù)的發(fā)展，三維打印被廣泛應(yīng)用于醫(yī)療、汽車、航天以及建筑等各行各業(yè)，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(jī)打印而成的汽車Urbee問(wèn)世；2011年8月，南安普敦大學(xué)的工程師們開(kāi)發(fā)出世界上第一架3D打印的飛機(jī)；2012年11月，蘇格蘭科學(xué)家利用人體細(xì)胞首次用3D打印機(jī)打印出人造肝臟組織；2014年8月，北京大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)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(guó)國(guó)家航空航天局(NASA)預(yù)計(jì)將完成首臺(tái)成像望遠(yuǎn)鏡，所有元件基本全部通過(guò)3D打印技術(shù)制造；2015年7月，由3D打印的模塊新材料別墅現(xiàn)身西安，整個(gè)搭建過(guò)程僅用3個(gè)小時(shí)[2]。

相對(duì)于傳統(tǒng)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(yuǎn)程操作以及有利于復(fù)雜產(chǎn)品的制作和個(gè)性化產(chǎn)品的設(shè)計(jì)等諸多優(yōu)點(diǎn)，特別適合在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，尤其是應(yīng)急醫(yī)學(xué)救援裝備領(lǐng)域?qū)嵺`與應(yīng)用。美國(guó)波士頓勒克斯研究公司曾在2013年4月發(fā)布的報(bào)告“構(gòu)建未來(lái)：評(píng)估3D打印的機(jī)遇和挑戰(zhàn)”中指出：醫(yī)療、汽車和航天三大行業(yè)將成為打印市場(chǎng)發(fā)展的主要推動(dòng)力[3]。

1 3D打印技術(shù)優(yōu)勢(shì)及其與應(yīng)急醫(yī)學(xué)救援裝備需求匹配分析

應(yīng)急醫(yī)學(xué)救援裝備是指在自然災(zāi)害、事故災(zāi)難、突發(fā)公共衛(wèi)生事件及社會(huì)安全事件等緊急條件下實(shí)施應(yīng)急醫(yī)學(xué)救援所需的醫(yī)用器械、儀器、設(shè)備、衛(wèi)生運(yùn)輸工具及相關(guān)裝備等的總稱，主要用于重大災(zāi)害、事故及事件等發(fā)生時(shí)傷病員的現(xiàn)場(chǎng)急救與緊急救治、連續(xù)救治、立體運(yùn)送、野外醫(yī)院早期救治與部分?？凭戎?、專科治療、后期康復(fù)、衛(wèi)生防疫、“三防”醫(yī)學(xué)救援和模擬訓(xùn)練等[4]。應(yīng)急醫(yī)學(xué)救援具有事發(fā)突然、損毀多元、傷情嚴(yán)重、地域復(fù)雜、傷員批量、環(huán)境惡劣等特點(diǎn)以及其他諸多不確定性，對(duì)應(yīng)急醫(yī)學(xué)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(jī)動(dòng)化等方面的要求更高[4]。而3D打印技術(shù)的特點(diǎn)與優(yōu)勢(shì)，在很大程度上能夠滿足應(yīng)急醫(yī)學(xué)救援裝備的需求。

1.1 小批量快速打印生產(chǎn)--為應(yīng)“急”而來(lái)

應(yīng)急醫(yī)學(xué)救援保障經(jīng)常面臨難以預(yù)測(cè)預(yù)警的突發(fā)事件，如各種災(zāi)害、恐怖襲擊等。因此，面對(duì)時(shí)間緊急、任務(wù)繁重及資源有限，應(yīng)急醫(yī)學(xué)救援裝備在準(zhǔn)備部署上難以避免地會(huì)出現(xiàn)疏忽、缺位和漏洞，可能會(huì)造成現(xiàn)場(chǎng)救援保障時(shí)應(yīng)對(duì)不力、舉步維艱。試想，如果應(yīng)急醫(yī)學(xué)救援人員掌握了3D打印技術(shù)，并配備有3D打印機(jī)和相關(guān)裝備或部件的模型庫(kù)，即便是到達(dá)救援現(xiàn)場(chǎng)后發(fā)現(xiàn)裝備缺項(xiàng)、數(shù)量不夠或者備件不足等，也可現(xiàn)場(chǎng)打印生產(chǎn)，并且這種裝備需求數(shù)目一般不大，因此，3D打印技術(shù)強(qiáng)大的小批量快速打印生產(chǎn)能力，完全能夠在較短時(shí)間內(nèi)打印生產(chǎn)出急需或緊缺的應(yīng)急醫(yī)學(xué)救援裝備零部件、總成甚至整體，滿足應(yīng)急需求，保證應(yīng)急醫(yī)學(xué)救援工作的順利開(kāi)展。

1.2 個(gè)性化產(chǎn)品定制--為應(yīng)“變”而來(lái)

面對(duì)各種各樣的突發(fā)事件以及紛繁多雜的傷情病情，應(yīng)急醫(yī)學(xué)救援具有對(duì)象多元、任務(wù)多重、傷情多樣以及需求多變等顯著特點(diǎn)，并且不同類型的突發(fā)事件，不同類別不同程度的傷情病情對(duì)應(yīng)急醫(yī)學(xué)救援裝備的種類、型號(hào)以及數(shù)量需求不盡相同。這種“多變”的特點(diǎn)與要求對(duì)應(yīng)急醫(yī)學(xué)救援裝備準(zhǔn)備提出了很大挑戰(zhàn)。運(yùn)用3D打印技術(shù)，根據(jù)應(yīng)急醫(yī)學(xué)救援裝備需求提前構(gòu)建裝備模型，裝備模型構(gòu)建的科學(xué)配套、數(shù)量等，根據(jù)需要即可打印出來(lái)，實(shí)現(xiàn)按需打印生產(chǎn)、即用即打、個(gè)性化“私人定制”、即打即用，做到以不變應(yīng)萬(wàn)變。

1.3 復(fù)雜產(chǎn)品制作--為應(yīng)“集”而來(lái)

復(fù)雜嚴(yán)重的傷情病情，決定了應(yīng)急醫(yī)學(xué)救援系統(tǒng)必須具有連續(xù)性，形成現(xiàn)場(chǎng)、院前及院內(nèi)等環(huán)環(huán)相扣的無(wú)縫救治鏈[4]。而實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)強(qiáng)有力的支撐就是集診療、監(jiān)護(hù)、救治與后送等多功能于一體的集成化應(yīng)急醫(yī)學(xué)救援裝備。眾所周知，裝備集成程度越高，結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，設(shè)計(jì)制造難度就越大，這樣就對(duì)應(yīng)急醫(yī)學(xué)救援裝備的研制生產(chǎn)提出了巨大挑戰(zhàn)。3D打印技術(shù)不需要模具，其核心是計(jì)算機(jī)繪圖，與傳統(tǒng)裝備制造相比，流程得到了質(zhì)的優(yōu)化與簡(jiǎn)化，無(wú)需擔(dān)心傳統(tǒng)裝備制造中連模具都制作不出來(lái)的情況發(fā)生。因此，無(wú)論裝備集成度多高、結(jié)構(gòu)多復(fù)雜，通過(guò)強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)軟件都有可能把模型設(shè)計(jì)制作出來(lái)，而只要設(shè)計(jì)繪制出裝備模型，就可以運(yùn)用3D打印技術(shù)打印生產(chǎn)出產(chǎn)品。從裝備綜合集成角度看，3D打印技術(shù)無(wú)疑是裝備制造業(yè)具有顛覆性和革命性的一項(xiàng)新技術(shù)[5]。

1.4 可遠(yuǎn)程操作生產(chǎn)--為應(yīng)“遠(yuǎn)”而來(lái)

生命救治“白金10分鐘”、“黃金1小時(shí)”是醫(yī)學(xué)救援所遵循的基本法則[6]。但是，把醫(yī)學(xué)救援置于應(yīng)急背景下，面對(duì)著各種難以預(yù)測(cè)的突發(fā)事件以及不確定的傷情病情，要實(shí)現(xiàn)人員、裝備、藥材及技術(shù)等全要素、全過(guò)程、全方位保障有力實(shí)屬不易，難以避免會(huì)出現(xiàn)需要友鄰醫(yī)院以及后方醫(yī)院支援的現(xiàn)象。醫(yī)療救治技術(shù)上早已實(shí)現(xiàn)了專家遠(yuǎn)程會(huì)診甚至遠(yuǎn)程手術(shù)的互聯(lián)、互通、互操作，但是如果醫(yī)療裝備實(shí)體不能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程跨距離補(bǔ)充與維護(hù)，特別是一些急需的醫(yī)療裝備器材未能提前準(zhǔn)備或不能及時(shí)用上，將直接影響救援工作，而運(yùn)用3D打印技術(shù)可解決這一難題。3D打印機(jī)的終端通過(guò)連接網(wǎng)絡(luò)與電腦主機(jī)，如同利用普通打印機(jī)打印紙張一樣，就可以把電腦主機(jī)上的裝備模型打印出來(lái)。因此，從理論上講，應(yīng)急醫(yī)學(xué)救援隊(duì)伍帶上一臺(tái)3D打印機(jī)，通過(guò)光纜、光線或者衛(wèi)星等網(wǎng)絡(luò)媒介與后方醫(yī)院或裝備廠商連接起來(lái)，就能夠?qū)崿F(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)救治需要什么醫(yī)療裝備就打印生產(chǎn)什么裝備的目標(biāo)，在一定程度上具備了“擁有一臺(tái)與主機(jī)模型庫(kù)相連接的3D打印機(jī)就擁有了整個(gè)裝備體系”的模式。

2 3D打印技術(shù)的局限以及計(jì)算機(jī)仿真的改進(jìn)與優(yōu)化分析

2.1 3D打印技術(shù)的局限

雖然3D打印技術(shù)有諸多優(yōu)點(diǎn)，但在應(yīng)用過(guò)程中依然存在許多問(wèn)題，其發(fā)展受多種因素的限制[7]：①現(xiàn)有可打印材料比較缺乏。當(dāng)前能夠滿足質(zhì)量要求的打印材料非常少，適用于3D打印的材料只有樹(shù)脂、金屬和塑料等為數(shù)不多的幾種，要實(shí)現(xiàn)3D打印技術(shù)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(shù)采用逐層打印工藝，即使各層連接都很緊密，打印出來(lái)的零部件精度和表面質(zhì)量難以達(dá)到使用要求，不能與傳統(tǒng)鍛件的質(zhì)量相比；③打印產(chǎn)品的使用性能較差。3D打印技術(shù)目前還處在初級(jí)階段，制造產(chǎn)品在精度、剛度和強(qiáng)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(shù)情況，3D打印技術(shù)只能達(dá)到數(shù)十毫米的精度，還不太適合在精度較高的研究領(lǐng)域使用。

2.2 計(jì)算機(jī)仿真對(duì)3D打印技術(shù)的優(yōu)化與改進(jìn)分析

當(dāng)前，3D打印技術(shù)在技術(shù)層面存在工藝不完善、產(chǎn)品質(zhì)量性能較差等問(wèn)題，在一定程度上可以通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真予以改進(jìn)優(yōu)化。

計(jì)算機(jī)仿真是應(yīng)用電子計(jì)算機(jī)對(duì)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、功能和行為，以及參與系統(tǒng)控制的人的思維過(guò)程和行為進(jìn)行動(dòng)態(tài)性比較逼真的模仿，通過(guò)建立某一過(guò)程或某一系統(tǒng)的模式來(lái)描述該過(guò)程或該系統(tǒng)，然后用一系列有目的、有條理的計(jì)算機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)來(lái)刻畫(huà)系統(tǒng)的特征，從而得出數(shù)量指標(biāo)，為決策者提供關(guān)于這一過(guò)程或系統(tǒng)的定量分析結(jié)果，作為決策的理論依據(jù)[8]。計(jì)算機(jī)仿真對(duì)3D打印技術(shù)的優(yōu)化與改進(jìn)主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面。

2.2.1 優(yōu)化工藝參數(shù)改進(jìn)產(chǎn)品質(zhì)量性能

3D打印技術(shù)的核心工藝是自底向上、逐層累積，是決定產(chǎn)品質(zhì)量性能好壞的關(guān)鍵因素。在實(shí)踐中，3D打印常采用熔融沉積成型技術(shù)，然而，熔融沉積成型技術(shù)有一個(gè)嚴(yán)重的缺點(diǎn)[9]：打印一個(gè)存在類似于“懸臂”情況的模型對(duì)象時(shí)，在沒(méi)有額外的材料在該部位下方做支撐時(shí)，打印過(guò)程中材料會(huì)受到重力的作用往下掉，從而導(dǎo)致整個(gè)打印的失敗。并且，高溫沉積構(gòu)件會(huì)伴隨產(chǎn)生較大的殘余應(yīng)力，較大的殘余變形或者兩者的組合，由于構(gòu)件內(nèi)應(yīng)力復(fù)雜，構(gòu)件成形過(guò)程中或成形后會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重變形。而直接成形的金屬構(gòu)件在生產(chǎn)過(guò)程中因?yàn)榉磸?fù)經(jīng)受局部接近熔點(diǎn)溫度熱流，構(gòu)件內(nèi)部熱應(yīng)力狀態(tài)復(fù)雜，在成形某些大型細(xì)長(zhǎng)體、薄壁體金屬構(gòu)件時(shí)，熱應(yīng)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(shù)在航空界大量的應(yīng)用正是因?yàn)檫@個(gè)原因[10]。對(duì)于應(yīng)急醫(yī)學(xué)救援來(lái)說(shuō)，時(shí)間往往更加寶貴，不能在產(chǎn)品打印出來(lái)時(shí)，才發(fā)現(xiàn)哪些工藝不好再反過(guò)來(lái)加以改進(jìn)。要進(jìn)一步改進(jìn)優(yōu)化3D打印工藝，在不能實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的情況下，計(jì)算機(jī)仿真則是一個(gè)不錯(cuò)的選擇手段。通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真，在打印“懸臂”模型時(shí)，運(yùn)用可視化仿真技術(shù)，提前預(yù)測(cè)出哪些地方會(huì)出現(xiàn)塌方，根據(jù)需求去添加支撐，解決打印失敗的問(wèn)題；在處理熱應(yīng)力時(shí)，可以通過(guò)對(duì)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(jié)構(gòu)、殘余應(yīng)力和變形程度等[10]進(jìn)行仿真分析，從中找出打印中各關(guān)鍵因素與產(chǎn)品性能的關(guān)聯(lián)規(guī)律，實(shí)現(xiàn)對(duì)3D打印過(guò)程的優(yōu)化控制，進(jìn)而從根本上優(yōu)化改進(jìn)3D打印工藝的各項(xiàng)參數(shù)；在改善產(chǎn)品質(zhì)量性能上，可以通過(guò)對(duì)預(yù)打印產(chǎn)品進(jìn)行有限元分析以及使用環(huán)境下的仿真分析，將產(chǎn)品使用過(guò)程中出現(xiàn)的各種材料效應(yīng)實(shí)時(shí)顯示出來(lái)，找出其精度、硬度、強(qiáng)度等力學(xué)性能指標(biāo)上需要修正改進(jìn)的地方，從而實(shí)現(xiàn)打印產(chǎn)品質(zhì)量性能的全面提升。

2.2.2 驗(yàn)證并形成三維打印模型庫(kù)

對(duì)于3D打印技術(shù)而言，只要做出了數(shù)字模型，就能制造出來(lái)。專家曾預(yù)言：3D打印將撼動(dòng)全球制造業(yè)[11]。毋庸置疑，數(shù)字模型是3D打印的靈魂，即沒(méi)有模型，3D打印將無(wú)從談起。但是，即使設(shè)計(jì)制作出模型，也難以保證3D打印產(chǎn)品的質(zhì)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(dāng)前計(jì)算機(jī)制圖軟件已經(jīng)相當(dāng)先進(jìn)，幾乎能夠滿足所有的制圖需要，但是所設(shè)計(jì)繪制出來(lái)的圖形模型只是一個(gè)概念模型或者框架結(jié)構(gòu)，其可靠性尤其是產(chǎn)品的使用可靠性無(wú)法保證，所以必然會(huì)導(dǎo)致打印產(chǎn)品的可靠性難以保證。如果事先把設(shè)計(jì)繪制出來(lái)的圖形模型作為成品置于使用環(huán)境下進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真分析，對(duì)其各項(xiàng)性能指標(biāo)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，然后再進(jìn)行3D打印，那么打印出來(lái)的產(chǎn)品的質(zhì)量性能必將得到極大改善，3D打印的綜合效益也會(huì)得以大幅提高。對(duì)于某一行業(yè)或者單位來(lái)說(shuō)，完全可以把經(jīng)過(guò)計(jì)算機(jī)仿真驗(yàn)證過(guò)的3D打印模型，分門別類構(gòu)建形成模型庫(kù)，不僅可以固化前期研究成果，為后續(xù)打印生產(chǎn)提供便利，還可以為產(chǎn)品的二次開(kāi)發(fā)升級(jí)以及綜合集成奠定基礎(chǔ)。計(jì)算機(jī)仿真對(duì)3D打印技術(shù)實(shí)現(xiàn)流程的優(yōu)化改進(jìn)，如圖3所示。

圖3 基于計(jì)算機(jī)仿真的3D打印技術(shù)的實(shí)現(xiàn)流程

3 應(yīng)用分析

隨著打印材料的發(fā)展以及技術(shù)手段的日益成熟，3D打印技術(shù)已經(jīng)在手術(shù)輔助器械、個(gè)性化醫(yī)療器械、組織器官再生、臨床修復(fù)治療、藥物測(cè)試研發(fā)以及醫(yī)學(xué)模型制造等醫(yī)學(xué)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，并取得了許多理論研究與實(shí)踐探索成果，這些成果為其在應(yīng)急醫(yī)學(xué)救援裝備中的應(yīng)用提供了有價(jià)值的借鑒經(jīng)驗(yàn)與實(shí)踐參考[12-18]。探索基于計(jì)算機(jī)仿真的3D打印技術(shù)在應(yīng)急醫(yī)學(xué)救援裝備領(lǐng)域中的應(yīng)用，必將對(duì)于應(yīng)急醫(yī)學(xué)救援裝備的體系完善、研制革新以及使用編組方法創(chuàng)新等全面建設(shè)起到重要的引領(lǐng)與推動(dòng)作用。

3.1 優(yōu)化應(yīng)急醫(yī)學(xué)救援裝備體系

應(yīng)急醫(yī)學(xué)救援裝備體系是由多種應(yīng)急醫(yī)學(xué)救援裝備系統(tǒng)構(gòu)成的復(fù)雜系統(tǒng)，由單元或子系統(tǒng)及模塊組成，其特點(diǎn)既相互獨(dú)立又聯(lián)系緊密，是遂行應(yīng)急醫(yī)學(xué)救援任務(wù)的物質(zhì)載體[4]。當(dāng)前，應(yīng)急醫(yī)學(xué)救援裝備體系主要是基于任務(wù)構(gòu)建形成的，通常分為常規(guī)應(yīng)急醫(yī)學(xué)救援裝備體系以及專業(yè)應(yīng)急醫(yī)學(xué)救援裝備體系，各類裝備體系中都包含數(shù)十種乃至上百種醫(yī)療設(shè)備器材，整個(gè)裝備體系比較龐大而繁雜，給裝備的籌措準(zhǔn)備、編配下?lián)芤约昂罄m(xù)的編組使用和維修保養(yǎng)等都帶來(lái)極大的不便。如果3D打印技術(shù)發(fā)展到一定成熟階段，并廣泛應(yīng)用于應(yīng)急醫(yī)學(xué)救援裝備領(lǐng)域，配合計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的驅(qū)動(dòng)，只需開(kāi)發(fā)構(gòu)建一系列經(jīng)過(guò)仿真驗(yàn)證、可靠性較高的應(yīng)急醫(yī)學(xué)救援裝備模型庫(kù)，就可以替代應(yīng)急醫(yī)學(xué)救援裝備體系中規(guī)格較小、數(shù)量較少和運(yùn)用頻數(shù)較低的設(shè)備器材，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)急醫(yī)學(xué)救援裝備體系的優(yōu)化簡(jiǎn)化。把3D打印裝置固化為裝備體系的一部分，未來(lái)的應(yīng)急醫(yī)學(xué)救援裝備體系可能會(huì)簡(jiǎn)化為大型核心裝備(不適宜3D打印的)和3D打印系統(tǒng)，其中大型核心裝備可區(qū)分為通用和專用，而3D打印系統(tǒng)包括3D打印機(jī)(可連接網(wǎng)絡(luò))、模型庫(kù)、電腦主機(jī)以及相關(guān)打印材料等。

3.2 創(chuàng)新應(yīng)急醫(yī)學(xué)救援裝備編配模式

綜合運(yùn)用計(jì)算機(jī)仿真與3D打印技術(shù)，把經(jīng)過(guò)計(jì)算機(jī)仿真驗(yàn)證過(guò)的3D打印系統(tǒng)固化為應(yīng)急醫(yī)學(xué)救援裝備體系中的一類裝備，實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)急醫(yī)學(xué)救援裝備體系的極大優(yōu)化與簡(jiǎn)化，隨之而來(lái)的裝備編配模式也將發(fā)生巨大變化。在新的應(yīng)急醫(yī)學(xué)救援裝備體系框架下，未來(lái)應(yīng)急醫(yī)學(xué)救援裝備編配，不再像現(xiàn)在以裝備實(shí)體下?lián)転橹?、以?jīng)費(fèi)為輔的編配模式，取而代之的將是以模型庫(kù)為核心的3D打印系統(tǒng)為主，以大型核心裝備實(shí)體與購(gòu)買打印材料的經(jīng)費(fèi)為輔的新型編配模式，將從根本上改變裝備編配中“虛”、“實(shí)”比例關(guān)系，進(jìn)一步優(yōu)化簡(jiǎn)化裝備編配流程，節(jié)約裝備編配環(huán)節(jié)中人力、物力和財(cái)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(yīng)急醫(yī)學(xué)救援裝備研制創(chuàng)新

經(jīng)過(guò)3D打印技術(shù)優(yōu)化形成新的應(yīng)急醫(yī)學(xué)救援裝備體系，必將為應(yīng)急醫(yī)學(xué)救援裝備的研制創(chuàng)新帶續(xù)則可根據(jù)需要打印生產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)裝備論證、研制、生產(chǎn)以及使用的“無(wú)縫對(duì)接”。此外，3D打印技術(shù)將使應(yīng)急醫(yī)學(xué)救援裝備的個(gè)性化定制成為可能，通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真驗(yàn)證，個(gè)性化定制出來(lái)的裝備在質(zhì)量性能、操作運(yùn)用等方面將會(huì)有較大的改善，未來(lái)面對(duì)各種突發(fā)事件將不再為裝備的不適宜而焦慮。例如，運(yùn)用3D打印技術(shù)，可根據(jù)救援人員的個(gè)體身形差異而量身設(shè)計(jì)，打印生產(chǎn)出輕便合身的防護(hù)服。

3.4 變革應(yīng)急醫(yī)學(xué)救援裝備使用模式

目前，在執(zhí)行突發(fā)事件中，應(yīng)急醫(yī)學(xué)救援隊(duì)伍一般會(huì)把編配的應(yīng)急醫(yī)學(xué)救援裝備以及想象可用的設(shè)備器材等全部帶上，但是到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)救援時(shí)發(fā)現(xiàn)，一些裝備不一定能用得上，這樣一來(lái)不僅耗費(fèi)了大量人力、物力和財(cái)力，還給現(xiàn)場(chǎng)救援帶來(lái)極大不便，例如擠占有限的配置空間，同時(shí)還對(duì)那些裝備造成一定程度的磨損與破壞。在新的應(yīng)急醫(yī)學(xué)救援裝備體系框架下，遂行突發(fā)事件應(yīng)急醫(yī)學(xué)救援任務(wù)，將很大程度地改變現(xiàn)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(yùn)相關(guān)大型核心裝備，而一些小型化、用量少的設(shè)備器材到現(xiàn)場(chǎng)，根據(jù)需要即用即打，裝備的集成化程度進(jìn)一步提高，實(shí)現(xiàn)一裝多用、多裝合用，不僅避免浪費(fèi)，還極大地提高裝備使用效率。

3.5 改變應(yīng)急醫(yī)學(xué)救援裝備維修方式

由于醫(yī)療器械設(shè)備比較精密，其維修科技含量較高，在現(xiàn)有條件下，大多數(shù)的醫(yī)療器械設(shè)備依賴廠商或銷售進(jìn)行維修，應(yīng)急醫(yī)學(xué)救援裝備的維修亦如此，因其返廠維修周期較長(zhǎng)，費(fèi)用較高，對(duì)臨床工作影響比較大。如果充分運(yùn)用3D打印技術(shù)，就可以依據(jù)損壞部件模型，打印出來(lái)直接替換，則可節(jié)約時(shí)間、人力和維修經(jīng)費(fèi)。在購(gòu)買醫(yī)療器械設(shè)備時(shí)，可要求廠商提供產(chǎn)品的用于3D打印的分解模型，或者協(xié)商將維修部件的打印與廠商銷售的3D打印機(jī)一體化，從而簡(jiǎn)化操作和成本，縮短維修周期，提高維修效益。

3.6 提高應(yīng)急醫(yī)學(xué)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(fèi)效比。在現(xiàn)階段，一項(xiàng)裝備從研制、生產(chǎn)、使用、維修直至退役報(bào)廢全壽命過(guò)程，每一階段接都需要花費(fèi)大量的費(fèi)用。利用3D打印技術(shù)，可在很大程度上縮短裝備研制、生產(chǎn)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(bào)廢時(shí)，還可以把相關(guān)3D打印材料“回爐再造”重復(fù)利用，節(jié)約大量的人力、資源和經(jīng)費(fèi)，提高全壽命周期的綜合效益。

4 展望

隨著高科技迅猛發(fā)展，3D打印技術(shù)方興未艾，4D打印技術(shù)已經(jīng)崛起，5D打印技術(shù)也被提上日程。4D打印比3D打印多了一個(gè)“時(shí)間維”，不需要借助于任何復(fù)雜的機(jī)電設(shè)備，就能夠按照事先所設(shè)計(jì)的產(chǎn)品自動(dòng)折疊成相應(yīng)的形狀，并滿足性能要求[20]。5D打印出來(lái)的生命體，可進(jìn)行生長(zhǎng)，進(jìn)而發(fā)展形狀和功能的變化[21]。隨著打印技術(shù)、材料技術(shù)以及計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的成熟、進(jìn)步與完善，多維打印技術(shù)作為一項(xiàng)新興科技，必將受到各行各業(yè)更加廣泛的關(guān)注、重視與應(yīng)用，可以預(yù)見(jiàn)在應(yīng)急醫(yī)學(xué)救援裝備領(lǐng)域也具有廣闊的應(yīng)用前景。探索引導(dǎo)3D乃至4D、5D打印技術(shù)在應(yīng)急醫(yī)學(xué)救援裝備領(lǐng)域中的應(yīng)用與實(shí)踐，對(duì)于驅(qū)動(dòng)創(chuàng)新應(yīng)急醫(yī)學(xué)救援裝備發(fā)展，提高應(yīng)急醫(yī)學(xué)救援裝備效能以及應(yīng)急醫(yī)學(xué)救援能力，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義與推進(jìn)作用。

[1]胡堃,危巖,李路海,等.3D打印技術(shù)在生物醫(yī)用材料領(lǐng)域的應(yīng)用[J].新材料產(chǎn)業(yè),2014(8):33-39.

[2]3D打印[OL].[2016-11-20].360百科.http:// baike.so.com/doc/5337810-5573249.html.

[3]張文燕.3D打印醫(yī)學(xué)未來(lái)[J].中國(guó)醫(yī)院院長(zhǎng),2013(12): 60-62.

[4]孫景工,王運(yùn)斗.應(yīng)急醫(yī)學(xué)救援裝備學(xué)[M].北京:人民軍醫(yī)出版社,2016.

[5]佚名.3D打印:“智”造化工裝備[J].江蘇氯堿,2013 (3):30.

[6]楊冬梅,方園園.“急救時(shí)間窗”理論在急診新護(hù)士教學(xué)培訓(xùn)中的應(yīng)用[J].中國(guó)醫(yī)藥科學(xué),2015,05(23): 98-100.

[7]秦志遠(yuǎn),張慧.3D打印技術(shù)優(yōu)劣分析與前景展望[J].山東工業(yè)技術(shù),2015(24):279.

[8]計(jì)算機(jī)仿真[OL].[2016-11-20].360百科.http:// baike.so.com/doc/285549-302316.html.

[9]陳余.基于3D打印過(guò)程的可視化仿真[D].浙江:浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文,2016.

[10]李旭東.從仿真看3D打印及其若干問(wèn)題[J].工業(yè)技術(shù)創(chuàng)新,2014,1(1):5-18.

[11]孫柏林.試析“3D打印技術(shù)”的優(yōu)點(diǎn)與局限[J].自動(dòng)化技術(shù)與應(yīng)用,2013,32(6):1-6.

[12]夏煜,張和華,向華,等.3D打印技術(shù)研究進(jìn)展及其在醫(yī)學(xué)裝備中的應(yīng)用展望[J].醫(yī)療衛(wèi)生裝備,2015,36(4): 108-110.

[13]鄧濱,歐陽(yáng)漢斌,黃文華.3D打印在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)展[J].中國(guó)醫(yī)學(xué)物理學(xué)雜志,2016,33(4):389-392.

[14]王慶濤,王玉璟.三維打印技術(shù)在經(jīng)皮冠狀動(dòng)脈介入治療的應(yīng)用進(jìn)展[J].中國(guó)醫(yī)學(xué)裝備,2016,13(8):129-132,133.

[15]楊新宇,詹成,李明,等.3D打印技術(shù)在醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用進(jìn)展[J].復(fù)旦學(xué)報(bào)(醫(yī)學(xué)版),2016,43(4):490-494.

[16]李振化,王桂華.3D打印技術(shù)在醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用研究進(jìn)展[J].實(shí)用醫(yī)學(xué)雜志,2015,31(7):1203-1205.

[17]王成燾.醫(yī)學(xué)的3D打印革命[J].中國(guó)經(jīng)濟(jì)和信息化, 2013,07(10):48-49.

[18]3D打印技術(shù)的現(xiàn)狀與未來(lái)[OL].戰(zhàn)略前沿技術(shù)(微信公眾號(hào))(2016-03-29)[2016-11-20].http:// mp.weixin.qq.com/s?_biz=MzA3NDQyNzYyNw ==&mid=402955947&idx=2&sn=505c03abda0a2ed c1ae40c1626c1f3f7&scene=21#wechat_redirect.

[19]傅征.軍隊(duì)衛(wèi)生裝備學(xué)[M].北京:人民軍醫(yī)出版社, 2004:44.

[20]張文毓.4D打印技術(shù)的研究與應(yīng)用[J].船舶物資與市場(chǎng),2016(3):56-60.

[21]展望5D打印，制造可以自己生長(zhǎng)的“活體器官”[OL].紅網(wǎng)長(zhǎng)沙(2013-12-05)[2016-11-20]. http://hn.rednet.cn/c/2013/12/05/3217380.htm.

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(yī)學(xué)科學(xué)院衛(wèi)生裝備研究所 天津 300161

②軍事交通學(xué)院裝備保障系 天津 300161

③軍事交通學(xué)院基礎(chǔ)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.