利用3D打印技術(shù)修復(fù)GlideScope Ranger視頻喉鏡

李雨錄，楊永昆，陳小玲

（泰州市人民醫(yī)院醫(yī)學(xué)工程部，江蘇泰州 225300）

0 引言

3D打印技術(shù)是利用三維掃描儀掃描缺損件，以三維掃描文件或計(jì)算機(jī)三維設(shè)計(jì)模型為藍(lán)本，通過特殊的三維打印機(jī)和專用軟件將金屬粉末、陶瓷粉末、塑料、細(xì)胞組織等特殊材料逐層堆積黏結(jié)，最終疊加成型，制造出實(shí)體產(chǎn)品。與傳統(tǒng)的加工制造、生產(chǎn)成品不同，3D打印直接根據(jù)計(jì)算機(jī)中的三維圖形數(shù)據(jù)即可生成任何形狀的零件，大大降低了生產(chǎn)制造的費(fèi)用和復(fù)雜度。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，3D打印技術(shù)在其他各個(gè)領(lǐng)域應(yīng)用已越來越多，但在醫(yī)療設(shè)備維修工作中的應(yīng)用還較少[1]。本文主要介紹了利用此技術(shù)成功維修一臺(tái)視頻喉鏡的案例，供參考。

1 GlideScope Ranger視頻喉鏡故障分析

GlideScope Ranger喉鏡是一種新型的視頻插管系統(tǒng)，主要用于急診、ICU、手術(shù)室等科室，主要作用是輔助醫(yī)生對(duì)患者進(jìn)行氣管插管。整個(gè)系統(tǒng)可分為主機(jī)和喉鏡手柄2個(gè)部分，如圖1所示。

故障現(xiàn)象：開機(jī)顯示屏亮，但是無圖像。經(jīng)檢測(cè)，主機(jī)功能完好，故障應(yīng)出現(xiàn)在喉鏡手柄。在拆卸維修過程中發(fā)現(xiàn)該喉鏡手柄采用了環(huán)氧樹脂整體灌封工藝和超聲波焊接技術(shù)，無法對(duì)其進(jìn)行拆卸。由于該型號(hào)喉鏡手柄價(jià)格昂貴且廠家已經(jīng)停產(chǎn)，無法購買到相應(yīng)配件對(duì)其進(jìn)行更換，故考慮運(yùn)用3D打印技術(shù)復(fù)制手柄來修復(fù)該喉鏡。以下對(duì)具體制作方法和步驟進(jìn)行具體介紹。

圖1 喉鏡組成部分參考圖

2 利用3D打印技術(shù)復(fù)制喉鏡手柄

2.1 獲取建模參數(shù)

利用3D打印技術(shù)復(fù)制喉鏡手柄主要包括獲取建模參數(shù)、逆向建模、打印手柄、安裝并測(cè)試等幾個(gè)步驟，現(xiàn)分別介紹如下。

在不破壞喉鏡手柄結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，首先采用3D Systems公司生產(chǎn)的Geomagic Capture 3D藍(lán)光掃描儀掃描得到喉鏡手柄結(jié)構(gòu)的三維文件（STL文件），然后再對(duì)其外觀尺寸的關(guān)鍵部位進(jìn)行精確測(cè)量得出具體數(shù)據(jù)[2]。該關(guān)鍵尺寸數(shù)據(jù)在隨后的逆向建模工程中可用于調(diào)整三維掃描儀的掃描誤差。Geomagic Capture掃描軟件工作示意如圖2所示。

2.2 逆向建模

（1）首先利用三維 CAD（computer aided design）軟件SolidWorks自帶的逆向建模功能插件Scan-To3D（注意此應(yīng)用軟件不是默認(rèn)啟用的，必須在工具欄—插件中把ScanTo3D選項(xiàng)進(jìn)行勾選才能啟動(dòng)該項(xiàng)應(yīng)用功能），將先前掃描得到的三維建模數(shù)據(jù)（STL文件）導(dǎo)入到SolidWorks，再利用SolidWorks中ScanTo 3D的曲面功能進(jìn)行局部修復(fù)和識(shí)別[3]。

圖2 Geomagic Capture掃描軟件工作示意圖

（2）將掃描出的三維文件進(jìn)行整體逆向建模[4]，便可以得到修改后的標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)三維文件，如圖3所示。

圖3 整體逆向建模示意圖

（3）將制作成的3D喉鏡手柄模型根據(jù)實(shí)際應(yīng)用要求利用SolidWorks軟件將其切割成兩部分，然后把手柄內(nèi)部切成空心的手柄模型，用于后面安裝喉鏡的電子組件，側(cè)面做成2個(gè)對(duì)應(yīng)的貫穿螺釘孔，用于安裝緊固螺釘。該做法可方便以后對(duì)此喉鏡手柄再次進(jìn)行拆卸維修，摒棄了原裝手柄的缺點(diǎn)。手柄模型多角度展示如圖4所示。

圖4 手柄模型多角度展示圖

2.3 打印手柄

本次復(fù)制該手柄使用的是Formlabs Form2型3D打印機(jī)及其自帶的preform打印軟件進(jìn)行3D打印。3D打印機(jī)的工作原理與普通的打印機(jī)原理基本相同，只是使用的打印材料不一樣。普通打印機(jī)使用的打印材料是墨水和紙張，而3D打印機(jī)內(nèi)裝的打印材料是金屬、塑料、陶瓷等。將3D打印機(jī)連接到計(jì)算機(jī)就可以把在計(jì)算機(jī)上設(shè)計(jì)的或掃描完成的文件藍(lán)圖一層層疊加打印出來。3D打印有多種工藝類型：擠壓型熔融沉積式（fused deposition modeling，F(xiàn)DM）、光聚合型立體平版印刷式（stereolithography，SLA）、粒狀型選擇性激光燒結(jié)（selective laser sintering，SLS）等[5]。在這幾種打印方法中FDM成本較低，但精度低、尺寸偏差比較大，成型后表面粗糙、光潔度差；SLA成本中等，打印精度高，打印成形后表面光潔度非常好；SLS成本較高，精度和SLA技術(shù)相差無幾，但打印件表面也比較粗糙。鑒于該喉鏡手柄的使用環(huán)境對(duì)喉鏡手柄表面光潔度、抗菌、防水以及需要耐消毒處理等方面的特殊要求，最終選擇了SLA打印方式，使用高強(qiáng)度的醫(yī)用等級(jí)的光敏樹脂作為3D打印材料進(jìn)行打印制造[3]。同時(shí)，在打印過程中不斷與臨床使用醫(yī)生進(jìn)行溝通，聽取了臨床醫(yī)生在使用上的建議，通過不斷優(yōu)化修正，最大限度地滿足了臨床使用的需要。打印制造的手柄與原裝手柄對(duì)比如圖5所示。

圖5 3D打印手柄與原裝手柄對(duì)比

2.4 安裝及測(cè)試

將打印的喉鏡手柄與鏡頭模組組裝，調(diào)節(jié)好焦距，采用防水封裝。經(jīng)臨床多次使用測(cè)試，效果良好。

3 小結(jié)

在日常的醫(yī)療設(shè)備維修中，因零配件缺損或配件定價(jià)較高而造成的維修困難占有一定比例，這大大影響了醫(yī)療設(shè)備維修工作的正常開展，因此在必要的時(shí)候可以嘗試采用3D打印技術(shù)重塑零配件的方法來完成醫(yī)療設(shè)備的維修，以縮短儀器設(shè)備的維修時(shí)間，降低維修成本，提高醫(yī)療設(shè)備的使用率。