基于3D建模的MRI模型制作及选材研究.pdf

设备管理与维修2023 翼10（下）0引言随着医疗设备的快速更新，采用适当的方式普及推广新设备的技术原理，对提高公众健康意识具有重要作用。在传统的设备科普中，宣讲者普遍采用已淘汰的旧设备进行讲解，导致信息滞后，无法展示新设备的特点。同时，由于 MRI（Magnetic Resonance Imaging，磁共振成像）设备体积庞大，重量可达数吨，且对安装环境有严格要求，大多固定安装在医院内专门的磁共振检查室，不方便搬运（图 1）。这给利用实体设备进行教学示范带来极大不便，大多数情况下无法将实物设备搬到教室或展览现场进行说明操作。与此同时，MRI 作为一种复杂的现代医学成像设备，公众也难以在固定场所内观察到完整的工作过程。目前，3D 打印技术已经开始在医学领域广泛应用，主要包括医学教学模型、手术导航模板、细胞培养支架、个性化植入物等方面，极大地推动了医疗方式的进步和个性化诊疗的发展1-4。本研究采用 3D 模型技术，根据实际 MRI 设备的结构尺寸制作精细的 3D 模型。该模型既保留了实物设备的所有特征，又便于通过计算机实现模型的局部放大、旋转、剖析，特别适用于交互式虚拟仿真教学。同时，基于 3D 模型数据还可以利用 3D打印制作实体复制品。虚拟数字模型和 3D 打印的实体模型，为MRI 设备的教学示范提供了极大便利。通过 3D 建模软件对 MRI 进行计算机 3D 绘图建模，并 3D打印机打印实物模型，宣讲者可以通过模型展示对新型设备进行科普宣讲，从而使受众体验到逼真的医疗器械真实格局及其应用场景，有助于广大受众更好地认知和学习最先进医疗设备知识。基于 3D 模型的建设，通过对模型制作工艺的分析与对比，选择出适用的制作方式，并选择恰当的制作材料，最终完整 3D模型的实物打印。实物模型的呈现可以激发大众的好奇心，最终达到相关宣传目的。13D 建模1.1尺寸测量及估算1.1.1尺寸测量对设备间、磁体室以及控制室中实体设备进行尺寸测量。（1）进入设备间及控制室，对电控柜、冷却机柜、空调柜、稳压电源柜、射频和磁场信号柜、控制电脑等设备进行外形尺寸的大致测量。（2）对各个功能柜内部的凸台、凹陷等相关特征进行测量，确定其大致定位及外形尺寸。（3）对各个功能柜、磁体室、控制室内设备进行拍照，以方便之后的观察、绘图、相关尺寸测量估算以及实物结构分析，提高绘图效率。1.1.2尺寸估算因为磁体室内不允许有金属物品进入，所以相应尺寸测量无法直接完成，需要进行尺寸估算。设备室内也因为相关功能柜处于运行状态中，并且有磁铁零件，所以无法贴紧测量，无法得出完全准确尺寸，需进行尺寸估算。（1）对磁体室进行拍照。在磁体室外进行拍照，通过不同角度对线圈、升降床以及 MRI 整体设备进行拍照，对照说明书给出的相关外形尺寸，以相应的缩放比例为参照，对相关未能测量的缺失尺寸进行估算。（2）查阅相关 MRI 设备设计文件，找到相关外形尺寸，根据文件给出的视图进行等比例缩小，估算相关特征尺寸，以完成3D 模型建设。1.2实物结构绘制、分析及装配1.2.1实物结构分析在 3D 模型装配的阶段，必须对模型外观、结构、厚度等进摘要：基于实体 MRI 设备进行 3D 模型绘制，将 3D 建模过程分为 4 个步骤：尺寸的测量及估算；实物结构绘制、分析及装配；模型尺寸复盘及修改；采用专业布局进行最后修改。阐述不同建模工艺的优缺点，选用合适的建模方式，对各种 3D 打印材料进行优缺点分析，并对 3D 建模及模型制作的发展前景进行展望。关键词：3D 建模；3D 打印；材料；MRI中图分类号：R197.39文献标识码：BDOI：10.16621/ki.issn1001-0599.2023.10D.70基于 3D 建模的 MRI 模型制作及选材研究李翰威1，王屹辰2，王浩文1（1.南方医科大学南方医院，广东广州510515；2.莱尼电气线缆（中国）有限公司，江苏常州213022）图 1MRI 设备骳髊髝设备管理与维修2023 翼10（下）行一定了解，才能为正确的 3D 模型装配打下坚实的基础。根据在设备室、控制室以及磁体间所拍摄照片，对每个设备的结构进行分析与讨论。首先，根据照片对已知结构进行整理。其次，与医疗设备工程师进行讨论，了解设备的原理、结构，并在之后的装配中体现出来。最后，根据 MRI 设备说明文件进行合理的结构分析，防止出现不切实际或不专业的相关装配。1.2.2计算机 3D 零件绘制采用 CAD 软件（如 SolidWorks）根据已测量及估算的尺寸进行 3D 零件绘图。在绘制过程中根据已测量以及估算的相关外型尺寸、定位尺寸、装配尺寸进行线管零件的草图绘制以及特征绘制。在对零件的 3D 模型构建时，应尽量将可绘制特征在单一零件图中表现，可以大大减少在最后零件装配阶段发生装配错误的可能性。在零件图绘制过程中，应对相应特征进行材料及颜色设定，这对后期整体的 3D 渲染效果展示有一定影响5，对设备的宣讲具有一定的帮助（图 2）。绘制的同时注意细节之处，若有未知尺寸应当仔细记录，为后面的绘制复盘做好准备。1.2.3计算机 3D 模型装配根据结构分析，对绘制的3D 零件进行装配。装配完成后，根据不同视角进行渲染，达到最好的视觉效果（图 3），以便实现全方位展示医疗设备结构原理的效果。模型零件装配时应注意其中存在的错误，记录需要增加细节或进行修改的位置，为后续的复盘工作做好准备。1.3模型尺寸复盘及修改1.3.1模型复盘在整体装配全部完成之后，应对 3D 模型的建设进行一次复盘，对出现的问题以及尚未发现的问题进行检查并及时改正（图 4）。（1）对已发现的错误及细节不到位的情况进行及时修补。若缺少修补条件，可去实体设备间进行尺寸的复盘测量，对缺少的细节尺寸进行补测，在模型精确度上做到精益求精。（2）检查模型，找出未发现的错误。对于专业性错误，应听取专业人士的相关意见与评价，同时结合该 MRI 设备的产品介绍与数据分析进行进一步比对，使 3D 模型在专业方面更准确。1.3.2模型修改对模型复盘并修正错误后，应与已有照片、数据等进行二次比对，确认无误后完成 3D 模型修改。1.4采用专业布局进行最后修改在 MRI 3D 模型建造中，磁体间的专业布局尤为重要。首先，因为磁体间有强磁场产生，所以磁体间四周的墙壁应用红铜进行包裹，以达到铜屏蔽的效果。其次，在磁体间中，MRI 的摆放位置也有相应的规范要求，线圈顶部应离前墙面 3200 mm，窗体正中距离右侧墙体 2500 mm。最后，根据相应专业规范做出最后的修改，3D 模型建设完成（图 5）。2制作工艺在医疗设备的展示推广过程中，实体模型展示无疑是最好的方式，它能够给广大群众提供最直接的感受。实体展示最能抓住群众眼球，激发其了解设备的好奇心。实体模型可以展示的产品色彩、结构、材料等多个方面，使群众能够从整体布局到设备细节使用等方面全方位深入了解医疗设备。实体模型的制作工艺和手段有多种选择6，下面对常见模型制作工艺展开分析，并进行最优选择。2.1手版手版模型制作是现代先进的加工手段的体现7。手版的优点为可以解决图纸中无法体现的问题（曲面相交最终结果、机构运动是否合理等）制作方法多样，材料多采用 ABS 工程塑料。缺点为：淤零件强度达不到原零件设计的要求性能；于制品的强度较低，致密性较差；盂设备少，操作时间相对较长，设计与建模脱节；榆手版制作是应用于模型生产之前的样板工作，达不到展览需求。图 2线圈 3D 模型图 3射频和磁场信号柜渲染效果图 4MRI 3D 模型修改复盘及修改图 5整体 MRI 空间 3D 模型骳髍髒设备管理与维修2023 翼10（下）2.2注塑注塑是一种工业产品生产造型的方法，通常使用橡胶注塑和塑料注塑，可分为注塑成型模压法和压铸法。随着我国塑料工业的迅速发展，注塑模具在质量、技术和制造水平上获得了巨大进步。注塑的优点为拥有低成本的模具制造设备，加工工艺合理稳定，技术应用广泛适合大批量生产模型。缺点为：淤国内技术发展不平衡，整体水平较低，模具精度、粗糙度与先进水平有一定差距；于开发能力弱，创新能力不足；盂对单一模具制造精度不足，无法进行展览讲解；榆开模费用昂贵。2.33D 打印3D 打印是使用数字技术材料打印机进行模型制作。该技术在 AEC（Architecture，Engineering&Construction，建筑、工程和施工）、汽车，航空航天、牙科和医疗产业、教育等其他领域都有所应用。3D 打印的优点为：淤制造复杂物品不增加成本；于无需组装。能使部件一体成型，省略了组装环节；盂零时间交付。按需求打印，随时均可生产，不需要库存；榆设计空间无限。可以制造任意形状产品；虞减少废弃副产品，较为环保；愚精确的实体复制。将现代扫描技术和 3D 打印技术的相结合，能够提高实体世界和数字世界之间形态转换的匹配度；舆操作简单，零技能制造。缺点为无法打印高端模型，材料及打印技术尚不成熟，开模费用昂贵。2.4结论综上所述，由于普及展示用的 MRI 模型为单一展示模型，需要良好的展示精度，同时拥有一定强度。在成本上 3D 打印优于其他制作工艺，在结构上 3D 打印可以一次成型，大大节省制作时间，提高整体效率，所以优先选用 3D 打印技术。3材料选取目前，3D 打印领域的常用打印材料，从形态上主要包含 4种：液态光敏树脂材料、薄材（纸张、塑料膜）、低熔点丝材和粉末材料。从成分上则几乎涵盖了目前生产生活中的各类材料包括塑料、树脂、蜡等高分子材料、金属和合金材料、陶瓷材料等。总体来说，材料总体分为有机高分子材料和无机材料两大类，有机高分子材料包括 ABS、PA、光敏树脂以及水凝胶等，无机材料包括钛合金、陶瓷和石膏等8-9。3.1有机高分子材料3.1.1工程塑料传统的工程塑料起步较早，相关研究趋于成熟，在 3D 打印中是主选材料。在其中大致可分为 ABS、PLA、PA 3 种。优点为：力学性能大、耐热性好、加工性能优良、应用范围广；缺点为：易产生卷曲、拉伸强度低、热变形温度低、产品美观度不高、尺寸精度不能保证。3.1.2光敏树脂光敏树脂（UV 树脂），是一类光固化成型（SLA）材料，由聚合物单体和预聚体组成，其中添加了光敏剂。优点为：加工方便，在短时间内完成固化，综合性能优良；缺点为：尺寸精度较低。3.1.3生物医用高分子材料3D 打印技术在生物医用领域应用广泛，可用于细胞、组织、器官以及个性化组织支架等模型。优点为：具有良好的生物相容性，结构精度容易控制；缺点为：加工困难、价格昂贵，因此仅用于医学领域，应用范围狭窄。3.2无机材料3.2.1金属材料金属材料的优点为：力学性能、化学性能以及加工性能优异，可以满足高性能加工；缺点为：加工困难，液态金属不易固化。3.2.2陶瓷常见的陶瓷打印材料包括氧化锆、氧化铝、硅碳化硼等，优点为低密度、强度高、耐腐蚀、高硬度、耐高温、化学性能稳定；缺点为加工困难，黏结剂粉末与陶瓷粉末难以配比。3.2.3石膏石膏即硫酸钙，通常所说的石膏指生石膏即二水硫酸钙，主要有单斜晶系和斜方柱晶 2 种晶型。优点为：有膨胀性，表面光滑、质地细腻，且拥有良好的加工性能、凝结固化快、颗粒精细、无毒无害，可彩色打印；缺点为：表观密度以及强度较低、耐水性差、力学性能差，无法大范围使用。3.3总结根据实例，MRI 展示模型应选取树脂材料进行 3D 打印加工。其综合性能优越，加工方便易于操作，费用低廉，适合作为此实例的模型材料。4结束语本文对 MRI 设备的实体进行 3D 建模，以及模型工艺和材料的选择，阐述了 3D 模型建设到实体模型制作的全过程，为 MRI设备的推广宣教提供新的思路和途径，有助于公众更直观地了解和掌握复杂的医疗设备知识。基于 3D 建模软件的丰富与不断进步，此项技术与方法必将在产品展示、结构设计优化等发面产生巨大影响。随着 3D 打印技术的进一步成熟，其在医疗设备的展示和科普中将发挥越来越大的作用。各类设备的 3D 虚拟模型和实体复制品也将越来越精确。建议医学院校和科研机构推广应用 3D 建模和打印技术，制作各类医疗设备模型，以提高教学展示、科普宣传等工作的质量与效果。基金项目：2022 年广东省医学会医学工程学分会青年委员会重点项目，项目名称“基于 3D 打印技术的医学影像教学模型及软件开发”，项目编号为 2022-GDMAZD-01。参考文献1Rengier F，Mehndiratta A，Von Tengg-Kobligk H，et al.3D printingbased on imaging data：review of medical application J .Internationaljournal of computer assisted radiology and surgery，2010（5）：335-341.2 Mitsouras D，Liacouras P，Imanzadeh A，et al.Medical 3D printingfor the radiologist J.Radiographics，2015，35（7）：1965-1988.3 Rankin T M，Giovinco N A，Cucher D J，et al.Three-dimensionalprinting surgical instruments：are we there yet J.Journal of SurgicalResearch，2014，189（2）：193-197.4Silva D N，De Oliveira M G，Meurer E，et al.Dimensional error inselective laser sintering and 3D-printing of models for craniomaxillaryanatomy reconstruction J.Journal of cranio-maxillofacial surgery，2008，36（8）：443-449.5孟晓昊.大型机械设备的模型制作方法与工艺研究 D.西安：西安理工大学，2014.6安芬菊，梁永回.快速成型技术与数控技术在手版制作中的应用比骳髍體设备管理与维修2023 翼10（下）较 J.机械制造，2012，50（2）：54-56.7王延庆，沈竞兴，吴海全.3D 打印材料应用和研究现状 J.航空材料学报，2016，36（4）：89-98.8张胜，徐艳松，孙姗姗，等.3D 打印材料的研究及发展现状 J.中国塑料，2016，30（1）：7-14.9窦建辉.开放式磁共振梯度线圈设计研究 D.杭州：中国计量大学，2018.编辑张韵0引言LNG 产业巡检环境复杂，布置了大量的管道及管线，一旦发生险情，巡检人员生命安全将受到威胁，更无法及时处置危情；而且人力投入多，至少需 23 名巡检人员为一组进入站场，且必须携带大量装备，增加身体负担，影响巡检任务的完成；人工巡检数据记录落后、主观性强，不同工作经验、技能水平人员对巡检质量影响极大，数据分析可行性差，且易发生漏巡、错巡等，存在巡检质量差等问题1-4。随着经济的发展，人工智能逐渐出现在人们的视线，人工智能将成为其新的竞争热点，巡检机器人更是其中的重中之重。在不少 LNG 企业内，工业机器人能够替代工人巡检，已经逐渐成为趋势5-9。智能巡检机器人的好处是可以自由切换无轨导航和轨道导航，定制化携带摄像头，定时、定点、定路径巡检，可见光视频监控，数据分析可以进行违停检测，可替代人工做到异常监控如火灾情况、智能识别、垃圾检测和表盘数据等，弥补了人工在收集数据发生遗漏导致分析错误的状况出现。当有异常数据出现时，软件上进行设置可以迅速报警，当有紧急情况或发现有异常安保问题时，智能移动机器人能迅速传输信号进行报警，保证不出现安全治安问题。可以在最快的时间内采取行动处理好问题10-12。1LNG 智能巡检机器人主要应用场景1.1LNG 接收站场巡检园区巡检机器人产品特点主要有：淤实现机器人完全自主行走、语音远程控制行走，具备自主避障功能；于当电量不足时自主返回充电房充电；盂机器人在固定位置对数字仪表数字的读取，实时传输到后台、入库；榆人员可随时监控。当有异常数据出现时，软件上进行报警；虞迅速处理异常安全问题。机器人现场摄像头采集的视频实时回传到后台，后台实时监控，根据企业需求增加响应的检测设备及检测功能。园区巡检机器人的出现除了可以帮助企业实现安全巡检之外，还能够增加企业的特色。另外园区巡检机器人的出现还能够帮助企业减少招工难、管理难、运营成本高一系列的难题。主要技术要求有：淤防爆规范；于满足电磁兼容要求；盂满足机械振动性要求；榆满足巡检功能：可见光检测、红外检测、噪声检测；虞满足运动性能：自主导航定位、防碰撞、防跌落、具有越障能力、涉水能力、转弯能力、续航能力、充电能力等；愚满足智能报警功能：机器人异常报警，备检设备异常报警：应包括过热、三相温差异常、各类表计读数异常、设备分合状态异常等。1.2电力巡检传统电力巡检方式是相关技术人员通过简易设备，结合自身在行业内的经验，对变电场主要设备进行巡查，存在人员成本高、工作质量可靠性差等问题，人员检测出的质量问题也无法及时回传变电场终端，动态响应能力偏低。如果工厂场所处于较为恶劣的条件下，相关技术人员进行巡检时还存在较大的作业风险，在国家严控企业安全管理背景下，人工巡检方式逐渐无法满足时代的需求。21 世纪以来，信息化技术呈爆炸式增长，电力巡检也逐步融入智能化元素，新型智能巡检方式应运而生。应用于电力巡检方向的智能机器人，目前发展出了自主巡检和人工控制两种方式，正常可通过设定智能巡检路线，实现完全无人操作下的电力巡检。如果出现极端天气或者其他恶劣影响，可以选取人工介入方式，对室外高压设备及其他危险区域进行重点筛查。智能巡检机器人还可以对发现的问题，如设备缺陷、异物悬挂等，进行记录并上传，实现真正意义上的全自动无人值守。LNG 电厂智能巡检机器人，每天可以巡视整个电厂 3 遍，每台机器人每天要扭动脑袋 700 多次，能够有效减轻变电站值班人员的工作强度。通过电力机器人智能化运检，极大地推进了变电站的自动化进程，可实现全自主、高效率、全天候巡检，运检精度准、安全系数高、适应能力强。变电站智能巡检机器人工作成果显著。摘要：为了满足 LNG 企业日益提高的巡检要求，为保证天然气的正常供应及的运输，先进的智能巡检机器人的应用就显得尤为重要，既可以灵活方便地协助 LNG 企业开展日常巡检任务，又可以避免一些安全事故。根据不同的应用场景展开介绍和分析，并研究智能巡检机器人能够解决的行业痛点问题，为后续 LNG 行业智能巡检机器人的设计与开发提供参考。关键词：LNG；机器人；智能；巡检中图分类号：TP242.6文献标识码：BDOI：10.16621/ki.issn1001-0599.2023.10D.71LNG 行业智能巡检机器人应用场景综述任玉洁，刘冰，吴健宏，邢楠，田靖（中海石油气电集团有限责任公司，北京100028）骳髍髕