分析多元传感测量系统在医疗电子设备中的应用

多元传感测量系统正成为广受制造商青睐的品控技术，用以开发、维持并提高医疗设备的质量。

专业的工件需用专门的测量技术

医疗器械及其部件对形状和功能有着极为严格的要求。例如，在耳鼻喉科中应用的中耳修复术假体就非常小。除尺寸外，医疗器械部件制造往往只允许极微小的公差。用于这些医疗器械部件的测量系统必须具有高精度的性能，通常要达到亚微米极。

在整形外科移植领域，像人工全髋关节球窝接头，胫骨、全膝关节和踝关节植入体都需要高度精确的测量方式。这些植入体的表面是由非统一有理样条曲线(NURBS)构成的高阶曲线。由于移植组件必须与假体部件甚至是植入人体内的部件相匹配，它们往往呈不规则形状和弯曲状。复杂的3D曲线增加了从一个方向测量所有平面的难度，导致一些类型的传感器难以对它们进行有效测量。

视频测量系统适于测量具有相交平面的棱柱形工件。当平面相交时，就出现了边缘，而视频能够轻易测量边缘。整形外科移植组件通常是由持续规则的曲线（人工髋关节配件）或复杂的轮廓表面（人工膝关节配件）构成，其形状正是模仿人体器官的轮廓。这些表面只有很少或根本没有平面或相交的边。

虽然视频传感器擅长测边和表面点，但用大量的数据点获取即使是轮廓表面的线性截面的数据，也是非常费力和不切实际的。触发式探针也有同样的局限性，因为探针需要接近每个点，触发后回到原位——虽有一定的可行性，但同样不适用于进行大批量产品的测量。

测量人工膝关节

确定人工膝关节仿生曲线轮廓是否符合设计要求的最好方法是用激光测量。激光传感器在多元传感测量系统中是如何工作的呢？激光传感器向工件表面投射光线，感应器获得反射光和散射光并自动计算3D空间内激光和工件之间的测量点距离。

激光可测量一个点，或者当工件从激光下移过或激光扫描过工件时，也可获得和计算一系列的数据点。用户可自定义取点间隔和取样率。

当激光射线移过工件时，测量软件可不间断计算激光和工件表面的距离，通过Z轴平台控制的封闭环定位将激光传感器保持在捕获范围内。这样就能迅速获取数据点的精确位置。激光聚焦比视频自动聚焦更快、更精确，由于激光是非接触式的传感器，避免了对工件表面潜在的损坏以及对无菌工件潜在的污染。

在多数情况下，操作者可能难以固定膝关节假体来保证激光直射到所有关键表面。这时，把假体安装到旋转分度台上，不失为一种解决方案，同时减少了手动装卸工件和夹具的步骤，从而加快测量速度。

一般先用探针从膝弯表面建立一个基准，然后旋转分度台旋转膝关节假体以呈现激光传感器测量的最理想表面。由于是在被测表面的反面设定的基准，测量系统必须装配完全的3D测量软件，当分度器旋转时，软件可以旋转坐标系。这样的话，不管旋转分度器的位置如何，激光捕获的每个数据点在测量软件控制的3D空间内都有迹可寻。

测量膝关节假体复杂轮廓的另一个方法是使用Renishaw SP25的接触式扫描探针。与激光类似，操作者确定好扫描的起点和终点，不同的是，系统在工件表面移动并获取数据点时，测头一直要接触假体表面。

不同于触发式探针，SP25接触式扫描探针与工件一直保持接触状态。如同激光，数据点密度和扫描速度可以自定义。多元传感系统在配备SP25的同时，必须安装配套的3D测量软件来追踪三维空间的数据点。

测量固定在旋转分度台上的膝关节假体还有其他方式可供选择。前面提到的线性激光和接触式探针扫描可扫描分度台上的假体顶端表面。因为直线扫描表现了3D工件的一个线性截面，该截面作为一条边可被视频传感器测量。将假体旋转90度，当光从后面照到工件上时，该截面变成一条明显的“边”。这种技术要求良好的测量透镜系统，具有较长的工作距离，受膝关节假体斜面影响较小。

因为“截面”大于光学视窗，系统在多个视窗中自动追踪边缘、获取数据点时，诸如“寻边器”等功能就能恰倒好处地进行应用。

膝关节假体安装到旋转分度台上，其整个表面都可以进行测量。缓缓转动分度器，每次只转几个角度，便可完成多次线性扫描（或寻边），产生数据点阵。这些数据点阵可以导入3D拟合软件，得到旋转中心后，软件会显示工件的数据如何与工件的CAD模型相一致。

一些拟合软件甚至能够执行数据点阵的几何尺寸和公差分析，同时满足多种要求，图解与设计文件之间存在的任何偏差。这种分析不仅可用于每个工件的验收阶段，制造工程师在生产过程中还可以提高后续工件生产的精度和效率。

医疗设备生产厂商需要随时记录、控制生产过程，这一过程也包括应用检测设备来控制和监测产品质量。多元传感测量系统能够快速精确地检测医疗设备的重要尺寸，最大限度的减少工件装卸的次数。保证生产出来的工件符合设计规范正是游戏之名。最后的结果将会影响医疗设备生产厂商资产负债表的健康 —— 最终影响患者的健康。

技术提示

? 视频光学测量系统适合测量棱柱状工件，顾名思义，此类工件具有相交的平面。

? 激光对焦比视频自动聚焦速度更快，也更精确，并且由于激光传感是非接触式的，避免了对工件表面潜在的损坏以及对无菌工件潜在的污染。

? 多元传感测量系统能够快速精确地检测医疗设备的重要尺寸，最大限度的减少工件装卸的次数。