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，用以開發、維持并提高醫療設備的質量。

專業的工件需用專門的測量技術

醫療器械及其部件對形狀和功能有著極為嚴格的要求。例如，在耳鼻喉科中應用的中耳修復術假體就非常小。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。

在整形外科移植領域，像人工全髖關節球窩接頭，脛骨、全膝關節和踝關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(NURBS)構成的高階曲線。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曲線增加了從一個方向測量所有平面的難度，導致一些類型的傳感器難以對它們進行有效測量。

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，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（人工髖關節配件）或復雜的輪廓表面（人工膝關節配件）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有平面或相交的邊。

雖然視頻傳感器擅長測邊和表面點，但用大量的數據點獲取即使是輪廓表面的線性截面的數據，也是非常費力和不切實際的。觸發式探針也有同樣的局限性，因為探針需要接近每個點，觸發后回到原位——雖有一定的可行性，但同樣不適用于進行大批量產品的測量。

測量人工膝關節

確定人工膝關節仿生曲線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，感應器獲得反射光和散射光并自動計算3D空間內激光和工件之間的測量點距離。

激光可測量一個點，或者當工件從激光下移過或激光掃描過工件時，也可獲得和計算一系列的數據點。用戶可自定義取點間隔和取樣率。

當激光射線移過工件時，測量軟件可不間斷計算激光和工件表面的距離，通過Z軸平臺控制的封閉環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的精確位置。激光聚焦比視頻自動聚焦更快、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節假體來保證激光直射到所有關鍵表面。這時，把假體安裝到旋轉分度臺上，不失為一種解決方案，同時減少了手動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基準，然后旋轉分度臺旋轉膝關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，軟件可以旋轉坐標系。這樣的話，不管旋轉分度器的位置如何，激光捕獲的每個數據點在測量軟件控制的3D空間內都有跡可尋。

測量膝關節假體復雜輪廓的另一個方法是使用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和終點，不同的是，系統在工件表面移動并獲取數據點時，測頭一直要接觸假體表面。

不同于觸發式探針，SP25接觸式掃描探針與工件一直保持接觸狀態。如同激光，數據點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，必須安裝配套的3D測量軟件來追蹤三維空間的數據點。

測量固定在旋轉分度臺上的膝關節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上的假體頂端表面。因為直線掃描表現了3D工件的一個線性截面，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，該截面變成一條明顯的“邊”。這種技術要求良好的測量透鏡系統，具有較長的工作距離，受膝關節假體斜面影響較小。

因為“截面”大于光學視窗，系統在多個視窗中自動追蹤邊緣、獲取數據點時，諸如“尋邊器”等功能就能恰倒好處地進行應用。

膝關節假體安裝到旋轉分度臺上，其整個表面都可以進行測量。緩緩轉動分度器，每次只轉幾個角度，便可完成多次線性掃描（或尋邊），產生數據點陣。這些數據點陣可以導入3D擬合軟件，得到旋轉中心后，軟件會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陣的幾何尺寸和公差分析，同時滿足多種要求，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工件的驗收階段，制造工程師在生產過程中還可以提高后續工件生產的精度和效率。

醫療設備生產廠商需要隨時記錄、控制生產過程，這一過程也包括應用檢測設備來控制和監測產品質量。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。保證生產出來的工件符合設計規范正是游戲之名。最后的結果將會影響醫療設備生產廠商資產負債表的健康 —— 最終影響患者的健康。

技術提示

? 視頻光學測量系統適合測量棱柱狀工件，顧名思義，此類工件具有相交的平面。

? 激光對焦比視頻自動聚焦速度更快，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。