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個人化精準治療-3D列印骨科植入物的「精密量測」

3D列印醫療植入物的最大考驗:尺寸精度 

3D列印技術在骨科領域的應用,儘管為患者提供了客製化的解決方案,但在尺寸精度仍面臨諸多挑戰。這些挑戰如果處理不當,將影響人體與植入物的契合度和功能性,甚至影響手術效果和患者的康復程度,以下是一些常見的尺寸精度難題: 

1. 材料收縮和變形:
不同的3D列印材料在列印和冷卻過程中會發生收縮和變形,容易導致最終產品的尺寸與設計尺寸不符。 
2. 層厚和分辨率:
3D列印的分辨率取決於設備的層厚度設置。較大的層厚度會降低列印速度,但會影響細節精度和表面光滑度;反之,較小的層厚度能提高細節精度,但列印時間將顯著增加。因此,在速度和尺寸精度之間找到平衡點是重要。 
3. 列印機校準:
3D列印機的任何校準偏差都會導致列印尺寸不準確。定期進行校準和維護是確保尺寸精度的重要環節。 
4. 複雜幾何形狀
醫療植入物通常具有複雜的幾何形狀和結構,這些複雜形狀在列印過程中非常容易出現尺寸偏差。 
5. 後處理工序:
3D列印的醫療植入物通常需經過後處理步驟,如清洗、拋光、熱處理等。這些步驟可能會對尺寸產生影響。 
6. 數據轉換和精度損失:
醫學影像到3D模型的數據轉換過程中,可能會出現精度損失。醫學影像資料(如CT、MRI)的分辨率和精度將直接影響3D模型的準確性。 

 


3D列印髖臼植入物-最佳解決方案 

3D列印的髖臼植入物,在進行列印後,還需經過一系列的後處理步驟,包括熱處理、表面拋光和螺紋加工等,皆需符合多項醫療標準和法規,企業A使用三次元量測設備(CMM)進行精密量測,工程師說道:「3D列印醫療植入物是一項複雜的技術,參數變化很大,因此製作時,預測植入物尺寸和幾何形狀是相當具有挑戰性的。我們基本要具備能檢查由不同類型材料所製成的醫療植入物的能力,而三次元量測設備(CMM)的工作區域大小也很重要,但最關鍵的還是精度。」 

由於必需嚴守細小公差和相關標準,後處理階段會重複進行,直到實體醫療植入物完全和虛擬模型百分之百相符為止。在每個步驟中,會使用三次元量測設備(CMM)進行品質檢查,並透過雷射掃描器,更能快速顯示實體醫療植入物與虛擬模型的匹配程度。而配有雷射掃描器的三次元量測設備(CMM)對於檢查較大部件(如髖臼植入物)的特徵和表面非常有效,對於標準品(如骨板)的品質控制以及評估患者專用植入物中的標準部件(如螺紋孔和球面)也非常有用。

 

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圖片說明:立陶宛的Ortho Baltic,使用雷射掃描器,對3D列印的髖臼植入物進行精密量測
(LK ALTERA 10.7.6 CMM、Nikon LC15Dx laser scanner) 

 

患者專用的醫療植入物是一項客製化的治療方案,也意味手術必須預先計劃好,這樣醫療植入物才能簡單地放置到位。而要能完美執行,就必須百分之百確保植入物的幾何形狀與CAD模型完全一致,且孔加工精度極高,為了滿足這些要求,精密量測的重要性顯見一般。當在每個製造和後處理階段進行快速檢查時,配有雷射掃描器的三次元量測設備(CMM)是不可或缺的,尤其是檢查球面(spherical surfaces)、承載面(earing surfaces)和孔角度(hole angles)。 
 

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圖片說明:(圖左)患者的3D列印髖臼植入物就位照、(圖右)3D列印的髖臼植入物進行精密量測特寫 
 

雷射掃描器的另一個主要優勢是能夠處理反射和多材料表面。透過軟體持續地調整每個測量點的雷射設置來保持精度、速度和數據完整性。探測誤差可與接觸式檢測相媲美(1.9 μm),數據收集速度又快(每秒70,000點),能有效維持在掃描複雜表面時的最高標準,成為醫療行業複雜部件品質評估的理想工具。 
 


醫療植入物的「精密測量」關鍵 

使用三次元量測設備(CMM)時,需要對量測對象的表面噴灑3D掃描噴粉顯像劑,目的如下: 

1.降低反光度:
某些材料或表面會強烈反光,容易在進行精密量測時造成干擾。噴灑3D掃描噴粉顯像劑,能消除這些反射,使精密量測的數據更加準確。 
2.均勻表面特性:
一些物件的表面可能有顏色或透明度差異,3D掃描噴粉顯像劑可使表面顏色一致,避免量測過程中出現數據缺失或誤差。 
3.增加對比度:
3D掃描噴粉顯像劑可增加測量表面的對比度,特別是在使用光學掃描技術時,有助獲得更清晰的數據。 


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圖片說明:(圖左)3D掃描噴粉顯像劑、(圖右)3D掃描噴粉顯像劑噴灑物件場景 

圖片來源:(圖左)https://3dmart.com.tw/shop/aesub-sublimating-3d-scanning-powder-blue-1 

(圖右)https://aesub.com/news/aesub-in-china-2 
 

但對於像是本篇的醫療植入物領域,3D掃描噴粉顯像劑則會引起一些問題和挑戰,像是: 

1.清潔問題:
噴粉後很難完全清除,特別是對於表面複雜或有微細結構的物件。 
2.污染風險:
殘留的粉末可能會造成污染,特別是醫療植入物這種對潔淨度要求非常高的物件。 
3.表面損傷:
某些材料對3D掃描噴粉顯像劑的化學成分較敏感,噴粉後可能會導致表面損傷或材料性能下降。 
4.生物相容性:
3D掃描噴粉顯像劑必需可慮生物相容性,以免對人體造成傷害。 
5.厚度均勻性:
噴粉厚度不均勻會對量測精度造成影響,對需高精度的量測影響巨大。 
6.額外步驟:
噴粉增加了量測前的準備時間和清潔時間,使整個作業時間更加複雜和冗長。 
綜合以上所述,不需噴灑3D掃描噴粉顯像劑的精密量測方式,不僅能有效消除對醫療植入物的隱憂,還能從根本上解決額外步驟的問題,有效確保量測精度和醫療植入物的完整性。 


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圖片說明:(圖左)複雜曲面的醫療植入物、(圖右)易碎、柔性物件

圖片來源
https://industry.nikon.com/en-us
(Nikon LC15Dx laser scanner) 

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