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3D打印新成果!新技術(shù)或?qū)⒅υ\斷監(jiān)測(cè)新冠肺炎

正如大家所知道的,在全球新冠肺炎爆發(fā)時(shí)期,3D打印技術(shù)用于打印防護(hù)口罩及面罩,極大的緩解了醫(yī)療資源的不足。

最近3D打印技術(shù)在醫(yī)療領(lǐng)域又取得了一重大突破。由美國(guó)明尼蘇達(dá)大學(xué)的機(jī)械工程師和計(jì)算機(jī)科學(xué)家開發(fā)的一種新型3D打印技術(shù)登上了Science Advances期刊的封面,稱該技術(shù)或?qū)⒂糜谛鹿诜窝椎脑\斷和檢測(cè)。

3D打印新成果!新技術(shù)或?qū)⒅υ\斷監(jiān)測(cè)新冠肺炎(圖1)

我們熟知的傳統(tǒng)3D打印,是按照設(shè)計(jì)好的三維圖,一層一層的在靜止平臺(tái)上擠出熔融的材料,從而堆積成型。而這項(xiàng)研究,突破了3D打印靜止平臺(tái)的束縛,可將電子傳感器直接打印在正在擴(kuò)張和收縮的器官表面上。

研究小組的新技術(shù)通過(guò)使用雙攝像頭實(shí)時(shí)創(chuàng)建3D打印的工具路徑,精準(zhǔn)控制打印位置。這種方法不僅可以被醫(yī)務(wù)人員用來(lái)在安全距離內(nèi)監(jiān)測(cè)傳染性患者,它甚至可以被用于診斷和監(jiān)測(cè)感染COVID-19患者的肺部。

下面我來(lái)給大家解釋一下這項(xiàng)突破性的3D打印技術(shù)的原理。

實(shí)時(shí)3D表面跟蹤

在這項(xiàng)研究中,研究人員將豬肺作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象,使用運(yùn)動(dòng)捕捉跟蹤標(biāo)記方法,就像在電影中使用的那樣來(lái)創(chuàng)建特殊效果。這種方法是將視覺傳感系統(tǒng)與3D打印機(jī)集成在一起來(lái)跟蹤隨時(shí)間變化的3D幾何形狀,從而在可變形的肺部上制造電子柔性傳感器。

3D打印新成果!新技術(shù)或?qū)⒅υ\斷監(jiān)測(cè)新冠肺炎(圖2)

過(guò)程分為兩個(gè)階段:

1. 首先從預(yù)先掃描的數(shù)據(jù)集中離線學(xué)習(xí)了表面幾何圖形的低維參數(shù)模型,以降低后續(xù)在線計(jì)算的復(fù)雜度;

2.在擠出機(jī)頭上安裝了兩個(gè)機(jī)器視覺攝像機(jī),通過(guò)相機(jī)實(shí)時(shí)測(cè)量的一組標(biāo)記來(lái)估計(jì)離線學(xué)習(xí)模型中的參數(shù),從而在線調(diào)整了打印刀頭路徑的幾何形狀。

EIT柔性傳感器

費(fèi)了這么大一番力氣打印在器官表面上的電子傳感器當(dāng)然不一般。如下圖所示,這種電子柔性傳感器由離子水凝膠與EIT技術(shù)結(jié)合制成的,能夠檢測(cè)并監(jiān)視器官的健康狀況。

3D打印新成果!新技術(shù)或?qū)⒅υ\斷監(jiān)測(cè)新冠肺炎(圖3)

這項(xiàng)研究的第一作者,明尼蘇達(dá)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)教授Michael McAlpine說(shuō):“我們正在以前所未有的新方式推動(dòng)3D打印的界限,在移動(dòng)物體上進(jìn)行3D打印已經(jīng)足夠困難,但是要找到一種在其膨脹和收縮時(shí)變形的表面上進(jìn)行打印的方法,這是一個(gè)很大的挑戰(zhàn)?!?/p>

不僅如此,未來(lái)的3D打印將不僅僅是打印這么簡(jiǎn)單,更重要的用途是它可以成為自主機(jī)器人系統(tǒng)的一部分。新冠肺炎的大流行讓輔助醫(yī)療專業(yè)人員的機(jī)器人技術(shù)成為焦點(diǎn),如果可以將這種3D打印技術(shù)應(yīng)用于采集生命體征的機(jī)器人中,從而代替醫(yī)護(hù)人員,這對(duì)于對(duì)抗新冠肺炎這樣的疾病非常重要。



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