李翰威，王屹辰，王浩文

（1.南方醫(yī)科大學(xué)南方醫(yī)院，廣東廣州 510515；2.萊尼電氣線纜（中國）有限公司，江蘇常州 213022）

0 引言

隨著醫(yī)療設(shè)備的快速更新，采用適當(dāng)?shù)姆绞狡占巴茝V新設(shè)備的技術(shù)原理，對(duì)提高公眾健康意識(shí)具有重要作用。在傳統(tǒng)的設(shè)備科普中，宣講者普遍采用已淘汰的舊設(shè)備進(jìn)行講解，導(dǎo)致信息滯后，無法展示新設(shè)備的特點(diǎn)。

同時(shí)，由于MRI（Magnetic Resonance Imaging，磁共振成像）設(shè)備體積龐大，重量可達(dá)數(shù)噸，且對(duì)安裝環(huán)境有嚴(yán)格要求，大多固定安裝在醫(yī)院內(nèi)專門的磁共振檢查室，不方便搬運(yùn)（圖1）。這給利用實(shí)體設(shè)備進(jìn)行教學(xué)示范帶來極大不便，大多數(shù)情況下無法將實(shí)物設(shè)備搬到教室或展覽現(xiàn)場進(jìn)行說明操作。與此同時(shí)，MRI 作為一種復(fù)雜的現(xiàn)代醫(yī)學(xué)成像設(shè)備，公眾也難以在固定場所內(nèi)觀察到完整的工作過程。

目前，3D 打印技術(shù)已經(jīng)開始在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，主要包括醫(yī)學(xué)教學(xué)模型、手術(shù)導(dǎo)航模板、細(xì)胞培養(yǎng)支架、個(gè)性化植入物等方面，極大地推動(dòng)了醫(yī)療方式的進(jìn)步和個(gè)性化診療的發(fā)展[1-4]。

本研究采用3D 模型技術(shù)，根據(jù)實(shí)際MRI 設(shè)備的結(jié)構(gòu)尺寸制作精細(xì)的3D 模型。該模型既保留了實(shí)物設(shè)備的所有特征，又便于通過計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)模型的局部放大、旋轉(zhuǎn)、剖析，特別適用于交互式虛擬仿真教學(xué)。同時(shí)，基于3D 模型數(shù)據(jù)還可以利用3D打印制作實(shí)體復(fù)制品。虛擬數(shù)字模型和3D 打印的實(shí)體模型，為MRI 設(shè)備的教學(xué)示范提供了極大便利。

通過3D 建模軟件對(duì)MRI 進(jìn)行計(jì)算機(jī)3D 繪圖建模，并3D打印機(jī)打印實(shí)物模型，宣講者可以通過模型展示對(duì)新型設(shè)備進(jìn)行科普宣講，從而使受眾體驗(yàn)到逼真的醫(yī)療器械真實(shí)格局及其應(yīng)用場景，有助于廣大受眾更好地認(rèn)知和學(xué)習(xí)最先進(jìn)醫(yī)療設(shè)備知識(shí)。

基于3D 模型的建設(shè)，通過對(duì)模型制作工藝的分析與對(duì)比，選擇出適用的制作方式，并選擇恰當(dāng)?shù)闹谱鞑牧?，最終完整3D模型的實(shí)物打印。實(shí)物模型的呈現(xiàn)可以激發(fā)大眾的好奇心，最終達(dá)到相關(guān)宣傳目的。

1 3D 建模

1.1 尺寸測量及估算

1.1.1 尺寸測量

對(duì)設(shè)備間、磁體室以及控制室中實(shí)體設(shè)備進(jìn)行尺寸測量。

（1）進(jìn)入設(shè)備間及控制室，對(duì)電控柜、冷卻機(jī)柜、空調(diào)柜、穩(wěn)壓電源柜、射頻和磁場信號(hào)柜、控制電腦等設(shè)備進(jìn)行外形尺寸的大致測量。

（2）對(duì)各個(gè)功能柜內(nèi)部的凸臺(tái)、凹陷等相關(guān)特征進(jìn)行測量，確定其大致定位及外形尺寸。

（3）對(duì)各個(gè)功能柜、磁體室、控制室內(nèi)設(shè)備進(jìn)行拍照，以方便之后的觀察、繪圖、相關(guān)尺寸測量估算以及實(shí)物結(jié)構(gòu)分析，提高繪圖效率。

1.1.2 尺寸估算

因?yàn)榇朋w室內(nèi)不允許有金屬物品進(jìn)入，所以相應(yīng)尺寸測量無法直接完成，需要進(jìn)行尺寸估算。設(shè)備室內(nèi)也因?yàn)橄嚓P(guān)功能柜處于運(yùn)行狀態(tài)中，并且有磁鐵零件，所以無法貼緊測量，無法得出完全準(zhǔn)確尺寸，需進(jìn)行尺寸估算。

（1）對(duì)磁體室進(jìn)行拍照。在磁體室外進(jìn)行拍照，通過不同角度對(duì)線圈、升降床以及MRI 整體設(shè)備進(jìn)行拍照，對(duì)照說明書給出的相關(guān)外形尺寸，以相應(yīng)的縮放比例為參照，對(duì)相關(guān)未能測量的缺失尺寸進(jìn)行估算。

（2）查閱相關(guān)MRI 設(shè)備設(shè)計(jì)文件，找到相關(guān)外形尺寸，根據(jù)文件給出的視圖進(jìn)行等比例縮小，估算相關(guān)特征尺寸，以完成3D 模型建設(shè)。

1.2 實(shí)物結(jié)構(gòu)繪制、分析及裝配

1.2.1 實(shí)物結(jié)構(gòu)分析

在3D 模型裝配的階段，必須對(duì)模型外觀、結(jié)構(gòu)、厚度等進(jìn)行一定了解，才能為正確的3D 模型裝配打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

根據(jù)在設(shè)備室、控制室以及磁體間所拍攝照片，對(duì)每個(gè)設(shè)備的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析與討論。首先，根據(jù)照片對(duì)已知結(jié)構(gòu)進(jìn)行整理。其次，與醫(yī)療設(shè)備工程師進(jìn)行討論，了解設(shè)備的原理、結(jié)構(gòu)，并在之后的裝配中體現(xiàn)出來。最后，根據(jù)MRI 設(shè)備說明文件進(jìn)行合理的結(jié)構(gòu)分析，防止出現(xiàn)不切實(shí)際或不專業(yè)的相關(guān)裝配。

1.2.2 計(jì)算機(jī)3D 零件繪制

采用CAD 軟件（如SolidWorks）根據(jù)已測量及估算的尺寸進(jìn)行3D 零件繪圖。在繪制過程中根據(jù)已測量以及估算的相關(guān)外型尺寸、定位尺寸、裝配尺寸進(jìn)行線管零件的草圖繪制以及特征繪制。在對(duì)零件的3D 模型構(gòu)建時(shí)，應(yīng)盡量將可繪制特征在單一零件圖中表現(xiàn)，可以大大減少在最后零件裝配階段發(fā)生裝配錯(cuò)誤的可能性。

在零件圖繪制過程中，應(yīng)對(duì)相應(yīng)特征進(jìn)行材料及顏色設(shè)定，這對(duì)后期整體的3D 渲染效果展示有一定影響[5]，對(duì)設(shè)備的宣講具有一定的幫助（圖2）。繪制的同時(shí)注意細(xì)節(jié)之處，若有未知尺寸應(yīng)當(dāng)仔細(xì)記錄，為后面的繪制復(fù)盤做好準(zhǔn)備。

圖2 線圈3D 模型

1.2.3 計(jì)算機(jī)3D 模型裝配

根據(jù)結(jié)構(gòu)分析，對(duì)繪制的3D 零件進(jìn)行裝配。裝配完成后，根據(jù)不同視角進(jìn)行渲染，達(dá)到最好的視覺效果（圖3），以便實(shí)現(xiàn)全方位展示醫(yī)療設(shè)備結(jié)構(gòu)原理的效果。模型零件裝配時(shí)應(yīng)注意其中存在的錯(cuò)誤，記錄需要增加細(xì)節(jié)或進(jìn)行修改的位置，為后續(xù)的復(fù)盤工作做好準(zhǔn)備。

圖3 射頻和磁場信號(hào)柜渲染效果

1.3 模型尺寸復(fù)盤及修改

1.3.1 模型復(fù)盤

在整體裝配全部完成之后，應(yīng)對(duì)3D 模型的建設(shè)進(jìn)行一次復(fù)盤，對(duì)出現(xiàn)的問題以及尚未發(fā)現(xiàn)的問題進(jìn)行檢查并及時(shí)改正（圖4）。

圖4 MRI 3D 模型修改復(fù)盤及修改

（1）對(duì)已發(fā)現(xiàn)的錯(cuò)誤及細(xì)節(jié)不到位的情況進(jìn)行及時(shí)修補(bǔ)。若缺少修補(bǔ)條件，可去實(shí)體設(shè)備間進(jìn)行尺寸的復(fù)盤測量，對(duì)缺少的細(xì)節(jié)尺寸進(jìn)行補(bǔ)測，在模型精確度上做到精益求精。

（2）檢查模型，找出未發(fā)現(xiàn)的錯(cuò)誤。對(duì)于專業(yè)性錯(cuò)誤，應(yīng)聽取專業(yè)人士的相關(guān)意見與評(píng)價(jià)，同時(shí)結(jié)合該MRI 設(shè)備的產(chǎn)品介紹與數(shù)據(jù)分析進(jìn)行進(jìn)一步比對(duì)，使3D 模型在專業(yè)方面更準(zhǔn)確。

1.3.2 模型修改

對(duì)模型復(fù)盤并修正錯(cuò)誤后，應(yīng)與已有照片、數(shù)據(jù)等進(jìn)行二次比對(duì)，確認(rèn)無誤后完成3D 模型修改。

1.4 采用專業(yè)布局進(jìn)行最后修改

在MRI 3D 模型建造中，磁體間的專業(yè)布局尤為重要。首先，因?yàn)榇朋w間有強(qiáng)磁場產(chǎn)生，所以磁體間四周的墻壁應(yīng)用紅銅進(jìn)行包裹，以達(dá)到銅屏蔽的效果。其次，在磁體間中，MRI 的擺放位置也有相應(yīng)的規(guī)范要求，線圈頂部應(yīng)離前墻面3200 mm，窗體正中距離右側(cè)墻體2500 mm。最后，根據(jù)相應(yīng)專業(yè)規(guī)范做出最后的修改，3D 模型建設(shè)完成（圖5）。

圖5 整體MRI 空間3D 模型

2 制作工藝

在醫(yī)療設(shè)備的展示推廣過程中，實(shí)體模型展示無疑是最好的方式，它能夠給廣大群眾提供最直接的感受。實(shí)體展示最能抓住群眾眼球，激發(fā)其了解設(shè)備的好奇心。實(shí)體模型可以展示的產(chǎn)品色彩、結(jié)構(gòu)、材料等多個(gè)方面，使群眾能夠從整體布局到設(shè)備細(xì)節(jié)使用等方面全方位深入了解醫(yī)療設(shè)備。實(shí)體模型的制作工藝和手段有多種選擇[6]，下面對(duì)常見模型制作工藝展開分析，并進(jìn)行最優(yōu)選擇。

2.1 手版

手版模型制作是現(xiàn)代先進(jìn)的加工手段的體現(xiàn)[7]。手版的優(yōu)點(diǎn)為可以解決圖紙中無法體現(xiàn)的問題（曲面相交最終結(jié)果、機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)是否合理等）制作方法多樣，材料多采用ABS 工程塑料。缺點(diǎn)為：①零件強(qiáng)度達(dá)不到原零件設(shè)計(jì)的要求性能；②制品的強(qiáng)度較低，致密性較差；③設(shè)備少，操作時(shí)間相對(duì)較長，設(shè)計(jì)與建模脫節(jié)；④手版制作是應(yīng)用于模型生產(chǎn)之前的樣板工作，達(dá)不到展覽需求。

2.2 注塑

注塑是一種工業(yè)產(chǎn)品生產(chǎn)造型的方法，通常使用橡膠注塑和塑料注塑，可分為注塑成型模壓法和壓鑄法。隨著我國塑料工業(yè)的迅速發(fā)展，注塑模具在質(zhì)量、技術(shù)和制造水平上獲得了巨大進(jìn)步。注塑的優(yōu)點(diǎn)為擁有低成本的模具制造設(shè)備，加工工藝合理穩(wěn)定，技術(shù)應(yīng)用廣泛適合大批量生產(chǎn)模型。缺點(diǎn)為：①國內(nèi)技術(shù)發(fā)展不平衡，整體水平較低，模具精度、粗糙度與先進(jìn)水平有一定差距；②開發(fā)能力弱，創(chuàng)新能力不足；③對(duì)單一模具制造精度不足，無法進(jìn)行展覽講解；④開模費(fèi)用昂貴。

2.3 3D 打印

3D 打印是使用數(shù)字技術(shù)材料打印機(jī)進(jìn)行模型制作。該技術(shù)在AEC（Architecture，Engineering &Construction，建筑、工程和施工）、汽車，航空航天、牙科和醫(yī)療產(chǎn)業(yè)、教育等其他領(lǐng)域都有所應(yīng)用。3D 打印的優(yōu)點(diǎn)為：①制造復(fù)雜物品不增加成本；②無需組裝。能使部件一體成型，省略了組裝環(huán)節(jié)；③零時(shí)間交付。按需求打印，隨時(shí)均可生產(chǎn)，不需要庫存；④設(shè)計(jì)空間無限?？梢灾圃烊我庑螤町a(chǎn)品；⑤減少廢棄副產(chǎn)品，較為環(huán)保；⑥精確的實(shí)體復(fù)制。將現(xiàn)代掃描技術(shù)和3D 打印技術(shù)的相結(jié)合，能夠提高實(shí)體世界和數(shù)字世界之間形態(tài)轉(zhuǎn)換的匹配度；⑦操作簡單，零技能制造。缺點(diǎn)為無法打印高端模型，材料及打印技術(shù)尚不成熟，開模費(fèi)用昂貴。

2.4 結(jié)論

綜上所述，由于普及展示用的MRI 模型為單一展示模型，需要良好的展示精度，同時(shí)擁有一定強(qiáng)度。在成本上3D 打印優(yōu)于其他制作工藝，在結(jié)構(gòu)上3D 打印可以一次成型，大大節(jié)省制作時(shí)間，提高整體效率，所以優(yōu)先選用3D 打印技術(shù)。

3 材料選取

目前，3D 打印領(lǐng)域的常用打印材料，從形態(tài)上主要包含4種：液態(tài)光敏樹脂材料、薄材（紙張、塑料膜）、低熔點(diǎn)絲材和粉末材料。從成分上則幾乎涵蓋了目前生產(chǎn)生活中的各類材料包括塑料、樹脂、蠟等高分子材料、金屬和合金材料、陶瓷材料等?？傮w來說，材料總體分為有機(jī)高分子材料和無機(jī)材料兩大類，有機(jī)高分子材料包括ABS、PA、光敏樹脂以及水凝膠等，無機(jī)材料包括鈦合金、陶瓷和石膏等[8-9]。

3.1 有機(jī)高分子材料

3.1.1 工程塑料

傳統(tǒng)的工程塑料起步較早，相關(guān)研究趨于成熟，在3D 打印中是主選材料。在其中大致可分為ABS、PLA、PA 3 種。優(yōu)點(diǎn)為：力學(xué)性能大、耐熱性好、加工性能優(yōu)良、應(yīng)用范圍廣；缺點(diǎn)為：易產(chǎn)生卷曲、拉伸強(qiáng)度低、熱變形溫度低、產(chǎn)品美觀度不高、尺寸精度不能保證。

3.1.2 光敏樹脂

光敏樹脂（UV 樹脂），是一類光固化成型（SLA）材料，由聚合物單體和預(yù)聚體組成，其中添加了光敏劑。優(yōu)點(diǎn)為：加工方便，在短時(shí)間內(nèi)完成固化，綜合性能優(yōu)良；缺點(diǎn)為：尺寸精度較低。

3.1.3 生物醫(yī)用高分子材料

3D 打印技術(shù)在生物醫(yī)用領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，可用于細(xì)胞、組織、器官以及個(gè)性化組織支架等模型。優(yōu)點(diǎn)為：具有良好的生物相容性，結(jié)構(gòu)精度容易控制；缺點(diǎn)為：加工困難、價(jià)格昂貴，因此僅用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，應(yīng)用范圍狹窄。

3.2 無機(jī)材料

3.2.1 金屬材料

金屬材料的優(yōu)點(diǎn)為：力學(xué)性能、化學(xué)性能以及加工性能優(yōu)異，可以滿足高性能加工；缺點(diǎn)為：加工困難，液態(tài)金屬不易固化。

3.2.2 陶瓷

常見的陶瓷打印材料包括氧化鋯、氧化鋁、硅碳化硼等，優(yōu)點(diǎn)為低密度、強(qiáng)度高、耐腐蝕、高硬度、耐高溫、化學(xué)性能穩(wěn)定；缺點(diǎn)為加工困難，黏結(jié)劑粉末與陶瓷粉末難以配比。

3.2.3 石膏

石膏即硫酸鈣，通常所說的石膏指生石膏即二水硫酸鈣，主要有單斜晶系和斜方柱晶2 種晶型。優(yōu)點(diǎn)為：有膨脹性，表面光滑、質(zhì)地細(xì)膩，且擁有良好的加工性能、凝結(jié)固化快、顆粒精細(xì)、無毒無害，可彩色打??；缺點(diǎn)為：表觀密度以及強(qiáng)度較低、耐水性差、力學(xué)性能差，無法大范圍使用。

3.3 總結(jié)

根據(jù)實(shí)例，MRI 展示模型應(yīng)選取樹脂材料進(jìn)行3D 打印加工。其綜合性能優(yōu)越，加工方便易于操作，費(fèi)用低廉，適合作為此實(shí)例的模型材料。

4 結(jié)束語

本文對(duì)MRI 設(shè)備的實(shí)體進(jìn)行3D 建模，以及模型工藝和材料的選擇，闡述了3D 模型建設(shè)到實(shí)體模型制作的全過程，為MRI設(shè)備的推廣宣教提供新的思路和途徑，有助于公眾更直觀地了解和掌握復(fù)雜的醫(yī)療設(shè)備知識(shí)?；?D 建模軟件的豐富與不斷進(jìn)步，此項(xiàng)技術(shù)與方法必將在產(chǎn)品展示、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化等發(fā)面產(chǎn)生巨大影響。隨著3D 打印技術(shù)的進(jìn)一步成熟，其在醫(yī)療設(shè)備的展示和科普中將發(fā)揮越來越大的作用。各類設(shè)備的3D 虛擬模型和實(shí)體復(fù)制品也將越來越精確。建議醫(yī)學(xué)院校和科研機(jī)構(gòu)推廣應(yīng)用3D 建模和打印技術(shù)，制作各類醫(yī)療設(shè)備模型，以提高教學(xué)展示、科普宣傳等工作的質(zhì)量與效果。