用于3D打印应用中的质量控制的系统和方法技术方案

本公开提供了用于执行三维(3D)打印系统的质量控制评估的系统和方法。具体而言，本公开提供了用于3D打印系统的体模设计以及通过使用3D打印体模执行的3D打印系统的质量控制方法。

System and method for quality control in 3D printing applications

The present disclosure provides a system and method for executing the quality control evaluation of a three-dimensional (3D) printing system. Specifically, the present disclosure provides a phantom design for the 3D printing system and a quality control method for the 3D printing system executed by using 3D printing phantom.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于3D打印应用中的质量控制的系统和方法相关申请的交叉引用本申请基于2015年11月29日提交的名为“用于3D打印应用中的质量控制的系统和方法”的美国临时专利申请号62/260,554，要求其优先权且通过引用将其整体结合于此。关于联邦资助研究的说明不适用。
技术介绍
本公开大体涉及三维(3D)打印并且，更具体地涉及用于3D打印机的质量控制的系统和方法。随着3D打印技术的进步，医疗领域已经开始尝试3D打印，为手术规划、手术引导、人体部件替换(包括新骨支架、手部替代物、甚至器官)制作解剖模型。为了可供人类应用，打印的部件必须具有高度的尺寸准确度。与其他制造设备一样，3D打印机可能随着时间的推移而脱离校准，导致打印不符合所需尺寸规范的部件。3D打印过程包含多个步骤，并且有几个可以影响部件生产的可能的错误来源。由于复杂部件的打印可能需要几个小时才能完成，因此减少不合格部件的数量非常重要。因此，质量控制(QC)是通常没有以系统和一致的方式应用于3D打印的有价值的概念。
技术实现思路
本公开提供了用于3D打印系统和3D打印工艺的质量控制的系统和方法。例如，提供了3D打印体模和使用3D打印体模进行质量控制过程的方法。通过使用体模，操作者能够测试输出的3D打印部件的几何准确度、分辨率和形状保真度。本文描述的规程允许操作者从扫描阶段到最终3D打印部件的检查识别3D打印过程中各个点处的潜在错误。在一个方面，本公开提供了用于执行3D打印系统的质量控制评定的三维(3D)体模。体模包括由不透射线的材料形成的支撑基座，并且提供包括平面的至少一个表面。体模还包括从平面突出的多个正特征和嵌入基座部分的多个负特征。这些正特征和负特征可以共同包括几何对象和解剖对象。在另一方面，本公开提供一种用于3D打印系统的质量控制的方法。该方法包括用扫描设备扫描3D参考体模，由此产生3D参考体模的一个或多个扫描图像。该方法还包括将一个或多个扫描图像输入建模软件，并在建模软件中生成3D参考体模的3D模型。该方法还包括在与建模软件通信的3D打印机上打印打印的3D体模。该方法还包括将打印的3D体模的至少一个几何特征的大小与对应于3D参考体模的至少一个几何特征的大小比较，并且在比较打印3D体模的至少一个几何特征和对应的3D参考体模的至少一个几何特征的大小时，确定3D打印系统的至少一个几何准确度、分辨率、和形状保真度。在又一个方面，本公开提供了通过使用3D打印系统生产患者特定的体模的方法。该方法包括用扫描设备扫描患者身体的部位，由此生产患者的身体的部位的一个或多个图像，并且将一个或多个图像输入至建模软件。该方法还包括分割一个或多个图像以形成分割的图像集，从分割的图像集形成患者身体的部位的3D模型，并且利用3D打印机打印患者的身体的部位的打印的3D模型。该方法还包括用扫描设备扫描患者的身体的部位的打印的3D模型，由此产生打印的3D模型的一个或多个图像，在建模软件中将打印的3D模型的一个或多个图像记录到3D模型，并且逐点计算建模软件中的打印的3D模型的一个或多个图像与3D模型之间的几何差异。该方法还包括确定打印的3D模型的一个或多个图像与建模软件中的3D模型之间的计算的几何差异是否在预定的容差内。本专利技术的先前以及其他方面和优点将从以下描述而显现。在该描述中，参考形成其一部分且作为说明示出本专利技术的优选实施例的附图。然而，这样的实施例不必要表示本专利技术的全部范围，并因此对权利要求和在本文中作出参考以用于解释本专利技术的范围。附图说明当考虑到以下的其详细描述时，本专利技术将会更好地被理解，并且除了上述阐述的那些之外的特征、方面和优点将变得显而易见。这样的详细描述参考了以下附图。图1是现有技术3D打印系统的立体图。图2是根据本公开的一个方面的用于3D打印系统的体模的示图。图3是根据本公开的一个方面的用于3D打印系统的另一个体模的图像。图4是说明根据本公开的一个方面的用于生产部件的3D打印过程的步骤的示例的流程图。图5是说明根据本公开的一个方面的通过使用参考体模的用于3D打印系统的质量控制过程的步骤的示例的流程图。图6是根据说明本公开的一个方面的用于生产临床模型的3D打印系统的质量控制过程的步骤的示例的流程图。图7A是图3的参考体模的图像。图7B是根据本公开的一个方面的用3D打印系统打印的图7A的参考体模的打印版本的图像。图7C是示出图7A的参考体模和图7B的参考体模的打印版本之间的几何比较的图。图8A是人体解剖的部位的3D模型的图像。图8B是用3D打印系统打印的图8A的人体解剖的部位的打印版本的图像。图8C是示出图8A的人体解剖的部位的3D模型和图8B的人体解剖的部位的打印版本之间的几何比较的图形。图9是肝脏的患者特定3D打印体模与其相关CT扫描的示例的图像。图10是患者特定3D打印体模及其相关CT扫描的示例的图像，其中，碘溶液已经被置于体模中的血管中并且浓度已经被调整以模拟实际患者肝脏中的不同浓度水平。具体实施方式目前，本领域需要一种3D打印部件的质量控制方法。由于例如在医疗应用中尺寸准确度和形状保真度极为重要，通过3D打印创建的部件必须符合严格的要求，并且所有尺寸在可接受的容差内。对于涉及患者的模型，使模型准确表示患者解剖和病理十分重要。与生产3D打印部分相关的巨大成本和时间要求尽可能合理地限制不可用部分的生产。因此，用于3D打印系统的体模和相关的质量控制方法将是期望的。图1示出现有技术3D打印系统。3D打印系统10可被用于生产例如在医疗应用中可以被使用的部件。3D打印系统10包括计算机14和打印机18。计算机14通常包括3D建模软件以将数据传送到打印机18。打印机18从建模软件接收数据并生产(即，3D打印)由用户用建模软件设计的部件22。本领域技术人员应理解，可以使用许多不同模型的3D打印机以完成可以用于医疗应用的部件的3D打印。一个适用于生产用于医疗领域的部件的这种模型是MakerBotReplicatorII打印机，尽管许多其他的打印机也同样可以接受。此外，应理解，可以使用几种类型的3D打印过程来生产这些部件。可以使用的一种类型的3D打印过程是选择性激光烧结(SLS)；然而，其他3D打印工艺，诸如立体光刻(SLA)、熔融沉积建模(FDM)、选择性激光熔融(SLM)、电子束熔化(EBM)、层压物体制造(LOM)以及本领域已知的其他3D打印工艺可以被用于生产用于医疗应用的3D打印部件。图2示出了被配置成用于在3D打印系统中执行质量控制的3D体模100的一个非限制性示例。如将描述的，3D体模100可以包括多个正(即，从体模的表面突出)和负(即，从体模的表面向内延伸)拓扑特征，例如，所有拓扑特征可以源自体模100的共同表面或体模100的多个表面。特别地，体模100包括支撑基座104。支撑基座104被示出为从第一表面106延伸到第二表面108的矩形结构，其移位了厚度t。因此，四个壁109,110,111,112沿着第一表面106与第二表面108之间的厚度t延伸。多个特征116,120,124,128,132,136,140被嵌入第一表面106。如将被描述的，嵌入第一表面106的多个特征116,120,124,128,132,136,140可以是负特征。多个正特征144,148,本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于执行3D打印系统的质量控制评估的三维(3D)体模，所述体模包括：支撑基座，包括至少一个表面，所述至少一个表面包括平面；多个正特征，从所述平面突出；多个负特征，嵌入所述支撑基座；并且其中所述正特征和所述负特征共同地包括几何对象和解剖对象。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2015.11.29 US 62/260,5541.一种用于执行3D打印系统的质量控制评估的三维(3D)体模，所述体模包括：支撑基座，包括至少一个表面，所述至少一个表面包括平面；多个正特征，从所述平面突出；多个负特征，嵌入所述支撑基座；并且其中所述正特征和所述负特征共同地包括几何对象和解剖对象。2.如权利要求1所述的3D体模，其中，所述多个正特征包括血管树结构和耳蜗结构中的一个。3.如权利要求1所述的3D体模，其中，所述多个正特征包括圆锥形特征。4.如权利要求1所述的3D体模，其中，所述多个正特征包括多个不同直径的圆柱体。5.如权利要求1所述的3D体模，其中，所述多个正特征包括半球形突起、锥形突起、矩形突起和六边形突起中的至少一个。6.如权利要求1所述的3D体模，其中，所述多个负特征包括中空半球、中空锥、中空矩形、中空六边形中的至少一个。7.如权利要求1所述的3D体模，其中，所述多个负特征包括多个线段集。8.如权利要求7所述的3D体模，其中，所述多个线段集以相对于彼此不同的几何定向布置。9.如权利要求7所述的3D体模，其中，所述多个线段集包括大致水平布置的第一线段集、大致垂直布置的第二线段集和垂直于所述第一线段集和所述第二线段集布置的第三线段集合，其中所述第三线段集延伸到所述基座部分中的深度大于所述第二线段集的深度或所述第一线段集的深度。10.如权利要求7所述的3D体模，其中，所述多个线段集中的每一个包括多个线段组，每个线段组包括多个单独的线段。11.如权利要求1所述的3D体模，其中，所述正特征的高度和所述负特征的深度中的至少一个大致等于所述支撑基座的厚度。12.一种用于3D打印系统的质量控制的方法，所述方法包括：用扫描设备扫描3D参考体模，由此产生所述3D参考体模的一个或多个扫描图像；将所述一个或多个扫描图像输入建模软件；在所述建模软件中生成所述3D参考体模的3D模型；在与所述建模软件通信的3D打印机上打印打印的3D体模；将所述打印的3D体模的至少一个几何特征的大小与所述3D参考体模的对应的至少一个几何特征的大小进行比较；以及在将所述打印的3D体模的所述至少一个几何特征的大小与所述3D参考体模的所述对应的至少一个几何特征的大小进行比较时，确定所述3D打印系统的几何准确度、分辨率和形状保真度中的至少一个。13.如权利要求12所述的方法，其中，所述3D参考体模包括多个线对组。14.如权利要求13所述的方法，其中，所述多个线对组包括不同大小的开口。15.如权利要求12...

【专利技术属性】
技术研发人员：冷帅，J·M·松本，J·L·库尔曼，K·P·麦吉，J·M·莫里斯，
申请(专利权)人：梅约医学教育与研究基金会，
类型：发明
国别省市：美国,US