3D打印新突破！新技术或将用于新冠肺炎诊断和监测

电子工程世界 2020-07-12 00:00

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随着全球掀起的3D打印热潮， 3D打印技术不断革新，在医疗领域也大显神通。

最近，由美国明尼苏达大学的机械工程师和计算机科学家开发的一种新型3D打印技术登上了Science Advances期刊的封面，标志着医疗3D打印技术取得了新突破！

我们熟知的传统3D打印，是按照目标形状，一层一层的在静止平台上挤出熔融的材料，就像在蛋糕上挤奶油一样。

而这项研究，突破了3D打印静止平台的束缚，可将电子传感器直接打印在正在扩张和收缩的器官表面上。不仅如此，该研究团队使用类似于好莱坞电影中的运动捕捉技术，精准控制打印位置。这种新的3D打印技术未来可应用在跳动的心脏上，或者新冠肺炎患者的肺部诊断和监测中。

下面给大家解释一下这项突破性的3D打印技术的原理。

实时3D表面跟踪

我们知道，传统的3D打印也需要预先设定好打印的位置。而在移动的物体上进行3D打印需要将打印路径调整为适应表面上的伸缩运动。

在这项研究中，研究人员将猪肺作为实验对象，使用运动捕捉跟踪标记方法，就像在电影中使用的那样来创建特殊效果。这种方法是将视觉传感系统与3D打印机集成在一起来跟踪随时间变化的3D几何形状，从而在可变形的肺部上制造电子柔性传感器。

过程分为两个阶段：

1. 首先从预先扫描的数据集中离线学习了表面几何图形的低维参数模型，以降低后续在线计算的复杂度;

2.在挤出机头上安装了两个机器视觉摄像机，通过相机实时测量的一组标记来估计离线学习模型中的参数，从而在线调整了打印刀头路径的几何形状。

下面这个视频展示了在打印过程中实时估计形变的自适应3D打印路径。

EIT柔性传感器

费了这么大一番力气打印在器官表面上的电子传感器当然不一般。如下图所示，这种电子柔性传感器由离子水凝胶与EIT技术结合制成的，能够检测并监视器官的健康状况。

什么是EIT技术呢？

当人体的局部器官发生病变时，该部位的阻抗必然与其他部位不同，因而需要用一些医学技术来测量人体的生物阻抗，从而对人体的健康和病变进行检测诊断。

广泛用于这种检测的技术就是EIT (Electrical Impedance Tomography)，又叫电阻抗断层技术。其原理是在人体表面电极上施加微弱的电流，并测得其电极上的电势差，根据电压与电流之间的关系重构出人体内部阻抗变化值。

单纯的EIT传感器延展性差，无法直接使用在扩张和收缩的人体器官上。因此，研究人员将离子水凝胶与EIT技术结合，离子水凝胶具有高透明度和可拉伸性，同时可以保持具有高速响应的导电性。为了保持稳定性，将铜电极嵌入软硅胶环中，共同组成了EIT柔性传感器。

打印好的EIT柔性传感器是非常稳定的，即使在拉拽下也不会变形。

趣味3D打印

研究人员为了展示这种新型的3D打印系统的空间控制能力，还在伸缩的有机硅表面上打印了人的眉毛，眼睛，鼻子和嘴巴。

未来与挑战

这项研究的第一作者，明尼苏达大学机械工程学教授Michael McAlpine说：“我们正在以前所未有的新方式推动3D打印的界限，在移动物体上进行3-D打印已经足够困难，但是要找到一种在其膨胀和收缩时变形的表面上进行打印的方法，这是一个很大的挑战。”

不仅如此，未来的3D打印将不仅仅是打印这么简单，更重要的用途是它可以成为自主机器人系统的一部分。新冠肺炎的大流行让辅助医疗专业人员的机器人技术成为焦点，如果可以将这种3D打印技术应用于采集生命体征的机器人中，从而代替医护人员，这对于对抗新冠肺炎这样的疾病非常重要。

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