隨著全球掀起的3D打印熱潮，3D打印技術(shù)不斷革新，在醫(yī)療領(lǐng)域也大顯神通。

最近，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(kāi)發(fā)的一種新型3D打印技術(shù)登上了Science Advances期刊的封面，標(biāo)志著醫(yī)療3D打印技術(shù)取得了新突破！

我們熟知的傳統(tǒng)3D打印，是按照目標(biāo)形狀，一層一層的在靜止平臺(tái)上擠出熔融的材料，就像在蛋糕上擠奶油一樣。

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。不僅如此，該研究團(tuán)隊(duì)使用類(lèi)似于好萊塢電影中的運(yùn)動(dòng)捕捉技術(shù)，精準(zhǔn)控制打印位置。這種新的3D打印技術(shù)未來(lái)可應(yīng)用在跳動(dòng)的心臟上，或者新冠肺炎患者的肺部診斷和監(jiān)測(cè)中。

下面小編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

我們知道，傳統(tǒng)的3D打印也需要預(yù)先設(shè)定好打印的位置。而在移動(dòng)的物體上進(jìn)行3D打印需要將打印路徑調(diào)整為適應(yīng)表面上的伸縮運(yùn)動(dòng)。

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(jué)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。

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(xiàn)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(xiàn)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(jué)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(xiàn)學(xué)習(xí)模型中的參數(shù)，從而在線(xiàn)調(diào)整了打印刀頭路徑的幾何形狀。

下面這個(gè)視頻展示了在打印過(guò)程中實(shí)時(shí)估計(jì)形變的自適應(yīng)3D打印路徑。

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。

什么是EIT技術(shù)呢？

當(dāng)人體的局部器官發(fā)生病變時(shí)，該部位的阻抗必然與其他部位不同，因而需要用一些醫(yī)學(xué)技術(shù)來(lái)測(cè)量人體的生物阻抗，從而對(duì)人體的健康和病變進(jìn)行檢測(cè)診斷。

廣泛用于這種檢測(cè)的技術(shù)就是EIT （Electrical Impedance Tomography），又叫電阻抗斷層技術(shù)。其原理是在人體表面電極上施加微弱的電流，并測(cè)得其電極上的電勢(shì)差，根據(jù)電壓與電流之間的關(guān)系重構(gòu)出人體內(nèi)部阻抗變化值。

單純的EIT傳感器延展性差，無(wú)法直接使用在擴(kuò)張和收縮的人體器官上。因此，研究人員將離子水凝膠與EIT技術(shù)結(jié)合，離子水凝膠具有高透明度和可拉伸性，同時(shí)可以保持具有高速響應(yīng)的導(dǎo)電性。為了保持穩(wěn)定性，將銅電極嵌入軟硅膠環(huán)中，共同組成了EIT柔性傳感器。

打印好的EIT柔性傳感器是非常穩(wěn)定的，即使在拉拽下也不會(huì)變形。

趣味3D打印

研究人員為了展示這種新型的3D打印系統(tǒng)的空間控制能力，還在伸縮的有機(jī)硅表面上打印了人的眉毛，眼睛，鼻子和嘴巴。

未來(lái)與挑戰(zhàn)

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3－D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(zhuān)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。