分析多元傳感測(cè)量系統(tǒng)在醫(yī)療電子設(shè)備中的應(yīng)用

多元傳感測(cè)量系統(tǒng)正成為廣受制造商青睞的品控技術(shù)，用以開發(fā)、維持并提高醫(yī)療設(shè)備的質(zhì)量。

專業(yè)的工件需用專門的測(cè)量技術(shù)

醫(yī)療器械及其部件對(duì)形狀和功能有著極為嚴(yán)格的要求。例如，在耳鼻喉科中應(yīng)用的中耳修復(fù)術(shù)假體就非常小。除尺寸外，醫(yī)療器械部件制造往往只允許極微小的公差。用于這些醫(yī)療器械部件的測(cè)量系統(tǒng)必須具有高精度的性能，通常要達(dá)到亞微米極。

在整形外科移植領(lǐng)域，像人工全髖關(guān)節(jié)球窩接頭，脛骨、全膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)植入體都需要高度精確的測(cè)量方式。這些植入體的表面是由非統(tǒng)一有理樣條曲線(NURBS)構(gòu)成的高階曲線。由于移植組件必須與假體部件甚至是植入人體內(nèi)的部件相匹配，它們往往呈不規(guī)則形狀和彎曲狀。復(fù)雜的3D曲線增加了從一個(gè)方向測(cè)量所有平面的難度，導(dǎo)致一些類型的傳感器難以對(duì)它們進(jìn)行有效測(cè)量。

視頻測(cè)量系統(tǒng)適于測(cè)量具有相交平面的棱柱形工件。當(dāng)平面相交時(shí)，就出現(xiàn)了邊緣，而視頻能夠輕易測(cè)量邊緣。整形外科移植組件通常是由持續(xù)規(guī)則的曲線（人工髖關(guān)節(jié)配件）或復(fù)雜的輪廓表面（人工膝關(guān)節(jié)配件）構(gòu)成，其形狀正是模仿人體器官的輪廓。這些表面只有很少或根本沒有平面或相交的邊。

雖然視頻傳感器擅長(zhǎng)測(cè)邊和表面點(diǎn)，但用大量的數(shù)據(jù)點(diǎn)獲取即使是輪廓表面的線性截面的數(shù)據(jù)，也是非常費(fèi)力和不切實(shí)際的。觸發(fā)式探針也有同樣的局限性，因?yàn)樘结樞枰咏總€(gè)點(diǎn)，觸發(fā)后回到原位——雖有一定的可行性，但同樣不適用于進(jìn)行大批量產(chǎn)品的測(cè)量。

測(cè)量人工膝關(guān)節(jié)

確定人工膝關(guān)節(jié)仿生曲線輪廓是否符合設(shè)計(jì)要求的最好方法是用激光測(cè)量。激光傳感器在多元傳感測(cè)量系統(tǒng)中是如何工作的呢？激光傳感器向工件表面投射光線，感應(yīng)器獲得反射光和散射光并自動(dòng)計(jì)算3D空間內(nèi)激光和工件之間的測(cè)量點(diǎn)距離。

激光可測(cè)量一個(gè)點(diǎn)，或者當(dāng)工件從激光下移過(guò)或激光掃描過(guò)工件時(shí)，也可獲得和計(jì)算一系列的數(shù)據(jù)點(diǎn)。用戶可自定義取點(diǎn)間隔和取樣率。

當(dāng)激光射線移過(guò)工件時(shí)，測(cè)量軟件可不間斷計(jì)算激光和工件表面的距離，通過(guò)Z軸平臺(tái)控制的封閉環(huán)定位將激光傳感器保持在捕獲范圍內(nèi)。這樣就能迅速獲取數(shù)據(jù)點(diǎn)的精確位置。激光聚焦比視頻自動(dòng)聚焦更快、更精確，由于激光是非接觸式的傳感器，避免了對(duì)工件表面潛在的損壞以及對(duì)無(wú)菌工件潛在的污染。

在多數(shù)情況下，操作者可能難以固定膝關(guān)節(jié)假體來(lái)保證激光直射到所有關(guān)鍵表面。這時(shí)，把假體安裝到旋轉(zhuǎn)分度臺(tái)上，不失為一種解決方案，同時(shí)減少了手動(dòng)裝卸工件和夾具的步驟，從而加快測(cè)量速度。

一般先用探針從膝彎表面建立一個(gè)基準(zhǔn)，然后旋轉(zhuǎn)分度臺(tái)旋轉(zhuǎn)膝關(guān)節(jié)假體以呈現(xiàn)激光傳感器測(cè)量的最理想表面。由于是在被測(cè)表面的反面設(shè)定的基準(zhǔn)，測(cè)量系統(tǒng)必須裝配完全的3D測(cè)量軟件，當(dāng)分度器旋轉(zhuǎn)時(shí)，軟件可以旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系。這樣的話，不管旋轉(zhuǎn)分度器的位置如何，激光捕獲的每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)在測(cè)量軟件控制的3D空間內(nèi)都有跡可尋。

測(cè)量膝關(guān)節(jié)假體復(fù)雜輪廓的另一個(gè)方法是使用Renishaw SP25的接觸式掃描探針。與激光類似，操作者確定好掃描的起點(diǎn)和終點(diǎn)，不同的是，系統(tǒng)在工件表面移動(dòng)并獲取數(shù)據(jù)點(diǎn)時(shí)，測(cè)頭一直要接觸假體表面。

不同于觸發(fā)式探針，SP25接觸式掃描探針與工件一直保持接觸狀態(tài)。如同激光，數(shù)據(jù)點(diǎn)密度和掃描速度可以自定義。多元傳感系統(tǒng)在配備SP25的同時(shí)，必須安裝配套的3D測(cè)量軟件來(lái)追蹤三維空間的數(shù)據(jù)點(diǎn)。

測(cè)量固定在旋轉(zhuǎn)分度臺(tái)上的膝關(guān)節(jié)假體還有其他方式可供選擇。前面提到的線性激光和接觸式探針掃描可掃描分度臺(tái)上的假體頂端表面。因?yàn)橹本€掃描表現(xiàn)了3D工件的一個(gè)線性截面，該截面作為一條邊可被視頻傳感器測(cè)量。將假體旋轉(zhuǎn)90度，當(dāng)光從后面照到工件上時(shí)，該截面變成一條明顯的“邊”。這種技術(shù)要求良好的測(cè)量透鏡系統(tǒng)，具有較長(zhǎng)的工作距離，受膝關(guān)節(jié)假體斜面影響較小。

因?yàn)椤敖孛妗贝笥诠鈱W(xué)視窗，系統(tǒng)在多個(gè)視窗中自動(dòng)追蹤邊緣、獲取數(shù)據(jù)點(diǎn)時(shí)，諸如“尋邊器”等功能就能恰倒好處地進(jìn)行應(yīng)用。

膝關(guān)節(jié)假體安裝到旋轉(zhuǎn)分度臺(tái)上，其整個(gè)表面都可以進(jìn)行測(cè)量。緩緩轉(zhuǎn)動(dòng)分度器，每次只轉(zhuǎn)幾個(gè)角度，便可完成多次線性掃描（或?qū)み叄a(chǎn)生數(shù)據(jù)點(diǎn)陣。這些數(shù)據(jù)點(diǎn)陣可以導(dǎo)入3D擬合軟件，得到旋轉(zhuǎn)中心后，軟件會(huì)顯示工件的數(shù)據(jù)如何與工件的CAD模型相一致。

一些擬合軟件甚至能夠執(zhí)行數(shù)據(jù)點(diǎn)陣的幾何尺寸和公差分析，同時(shí)滿足多種要求，圖解與設(shè)計(jì)文件之間存在的任何偏差。這種分析不僅可用于每個(gè)工件的驗(yàn)收階段，制造工程師在生產(chǎn)過(guò)程中還可以提高后續(xù)工件生產(chǎn)的精度和效率。

醫(yī)療設(shè)備生產(chǎn)廠商需要隨時(shí)記錄、控制生產(chǎn)過(guò)程，這一過(guò)程也包括應(yīng)用檢測(cè)設(shè)備來(lái)控制和監(jiān)測(cè)產(chǎn)品質(zhì)量。多元傳感測(cè)量系統(tǒng)能夠快速精確地檢測(cè)醫(yī)療設(shè)備的重要尺寸，最大限度的減少工件裝卸的次數(shù)。保證生產(chǎn)出來(lái)的工件符合設(shè)計(jì)規(guī)范正是游戲之名。最后的結(jié)果將會(huì)影響醫(yī)療設(shè)備生產(chǎn)廠商資產(chǎn)負(fù)債表的健康 —— 最終影響患者的健康。

技術(shù)提示

? 視頻光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)適合測(cè)量棱柱狀工件，顧名思義，此類工件具有相交的平面。

? 激光對(duì)焦比視頻自動(dòng)聚焦速度更快，也更精確，并且由于激光傳感是非接觸式的，避免了對(duì)工件表面潛在的損壞以及對(duì)無(wú)菌工件潛在的污染。

? 多元傳感測(cè)量系統(tǒng)能夠快速精確地檢測(cè)醫(yī)療設(shè)備的重要尺寸，最大限度的減少工件裝卸的次數(shù)。