分析多元傳感測量系統在醫療電子設備中的應用

多元傳感測量系統正成為廣受制造商青睞的品控技術(shù)，用以開(kāi)發(fā)、維持并提高醫療設備的質(zhì)量。

專(zhuān)業(yè)的工件需用專(zhuān)門(mén)的測量技術(shù)

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

在整形外科移植領(lǐng)域，像人工全髖關(guān)節球窩接頭，脛骨、全膝關(guān)節和踝關(guān)節植入體都需要高度精確的測量方式。這些植入體的表面是由非統一有理樣條曲線(xiàn)(NURBS)構成的高階曲線(xiàn)。由于移植組件必須與假體部件甚至是植入人體內的部件相匹配，它們往往呈不規則形狀和彎曲狀。復雜的3D曲線(xiàn)增加了從一個(gè)方向測量所有平面的難度，導致一些類(lèi)型的傳感器難以對它們進(jìn)行有效測量。

視頻測量系統適于測量具有相交平面的棱柱形工件。當平面相交時(shí)，就出現了邊緣，而視頻能夠輕易測量邊緣。整形外科移植組件通常是由持續規則的曲線(xiàn)（人工髖關(guān)節配件）或復雜的輪廓表面（人工膝關(guān)節配件）構成，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(méi)有平面或相交的邊。

雖然視頻傳感器擅長(cháng)測邊和表面點(diǎn)，但用大量的數據點(diǎn)獲取即使是輪廓表面的線(xiàn)性截面的數據，也是非常費力和不切實(shí)際的。觸發(fā)式探針也有同樣的局限性，因為探針需要接近每個(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)品的測量。

測量人工膝關(guān)節

確定人工膝關(guān)節仿生曲線(xiàn)輪廓是否符合設計要求的最好方法是用激光測量。激光傳感器在多元傳感測量系統中是如何工作的呢？激光傳感器向工件表面投射光線(xiàn)，感應器獲得反射光和散射光并自動(dòng)計算3D空間內激光和工件之間的測量點(diǎn)距離。

激光可測量一個(gè)點(diǎn)，或者當工件從激光下移過(guò)或激光掃描過(guò)工件時(shí)，也可獲得和計算一系列的數據點(diǎn)。用戶(hù)可自定義取點(diǎn)間隔和取樣率。

當激光射線(xiàn)移過(guò)工件時(shí)，測量軟件可不間斷計算激光和工件表面的距離，通過(guò)Z軸平臺控制的封閉環(huán)定位將激光傳感器保持在捕獲范圍內。這樣就能迅速獲取數據點(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，避免了對工件表面潛在的損壞以及對無(wú)菌工件潛在的污染。

在多數情況下，操作者可能難以固定膝關(guān)節假體來(lái)保證激光直射到所有關(guān)鍵表面。這時(shí)，把假體安裝到旋轉分度臺上，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，從而加快測量速度。

一般先用探針從膝彎表面建立一個(gè)基準，然后旋轉分度臺旋轉膝關(guān)節假體以呈現激光傳感器測量的最理想表面。由于是在被測表面的反面設定的基準，測量系統必須裝配完全的3D測量軟件，當分度器旋轉時(shí)，軟件可以旋轉坐標系。這樣的話(huà)，不管旋轉分度器的位置如何，激光捕獲的每個(gè)數據點(diǎn)在測量軟件控制的3D空間內都有跡可尋。

測量膝關(guān)節假體復雜輪廓的另一個(gè)方法是使用Renishaw SP25的接觸式掃描探針。與激光類(lèi)似，操作者確定好掃描的起點(diǎn)和終點(diǎn)，不同的是，系統在工件表面移動(dòng)并獲取數據點(diǎn)時(shí)，測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，數據點(diǎn)密度和掃描速度可以自定義。多元傳感系統在配備SP25的同時(shí)，必須安裝配套的3D測量軟件來(lái)追蹤三維空間的數據點(diǎn)。

測量固定在旋轉分度臺上的膝關(guān)節假體還有其他方式可供選擇。前面提到的線(xiàn)性激光和接觸式探針掃描可掃描分度臺上的假體頂端表面。因為直線(xiàn)掃描表現了3D工件的一個(gè)線(xiàn)性截面，該截面作為一條邊可被視頻傳感器測量。將假體旋轉90度，當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)要求良好的測量透鏡系統，具有較長(cháng)的工作距離，受膝關(guān)節假體斜面影響較小。

因為“截面”大于光學(xué)視窗，系統在多個(gè)視窗中自動(dòng)追蹤邊緣、獲取數據點(diǎn)時(shí)，諸如“尋邊器”等功能就能恰倒好處地進(jìn)行應用。

膝關(guān)節假體安裝到旋轉分度臺上，其整個(gè)表面都可以進(jìn)行測量。緩緩轉動(dòng)分度器，每次只轉幾個(gè)角度，便可完成多次線(xiàn)性?huà)呙瑁ɑ驅み叄?，產(chǎn)生數據點(diǎn)陣。這些數據點(diǎn)陣可以導入3D擬合軟件，得到旋轉中心后，軟件會(huì )顯示工件的數據如何與工件的CAD模型相一致。

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

醫療設備生產(chǎn)廠(chǎng)商需要隨時(shí)記錄、控制生產(chǎn)過(guò)程，這一過(guò)程也包括應用檢測設備來(lái)控制和監測產(chǎn)品質(zhì)量。多元傳感測量系統能夠快速精確地檢測醫療設備的重要尺寸，最大限度的減少工件裝卸的次數。保證生產(chǎn)出來(lái)的工件符合設計規范正是游戲之名。最后的結果將會(huì )影響醫療設備生產(chǎn)廠(chǎng)商資產(chǎn)負債表的健康 —— 最終影響患者的健康。

技術(shù)提示

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

? 激光對焦比視頻自動(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，避免了對工件表面潛在的損壞以及對無(wú)菌工件潛在的污染。

? 多元傳感測量系統能夠快速精確地檢測醫療設備的重要尺寸，最大限度的減少工件裝卸的次數。