Artec 3D 스캐너, COVID-19와의 싸움에서 의무의 부름에 응답하다

11/06/2020

글: Matthew McMillion

최근 몇 달 동안 코로나바이러스 전염병으로 인해 건강 관리 시스템과 병원은 압도되어 위기로 내몰렸습니다. 어느 곳에서든 지친 의사와 간호사는 줄어들고 있는 가능한 자원을 사용하며 최선을 다하고 있습니다.

동시에 업계 선두업체들은 신속하게 대응하는 데 어려움을 겪고 있어 효과적인 전략에 대한 결정을 내리고 새로운 공급업체를 찾고 기존 기계를 개조하여 마스크, 인공호흡기 및 공기 여과 시스템을 생산하는 데 몇 주가 걸리기도 합니다.

그러나 많은 사람이 이 싸움에 대해 가만히 앉아 있지 않았습니다. 전 세계 수천 명의 3D 프린팅 애호가들이 지역 사회와 그 밖의 지역에서 의사와 간호사 및 기타 일선 의료 종사자를 지원하기 위해 자원봉사 요청을 받아들였습니다.

이러한 그룹 중 하나인 The Makers Group은 5월 중순의 전염병 수준이 세계에서 2번째로 높았던 러시아에 있습니다. 이 그룹은 의료진뿐만 아니라 환자를 위한 솔루션을 설계하고 만들어 전국에 걸쳐 도움을 제공하기 시작했습니다.

3D 프린팅된 맞춤형 노즐을 통해 특정 디자인의 스노클링 마스크에 에어 필터를 부착하여 의료진의 바이러스 방지 강화

이 그룹이 최근에 시작한 세 개의 매력적인 프로젝트를 살펴보겠습니다.

의사와 의료진을 위한 스노클링 마스크

신뢰할 수 있는 마스크와 기타 PPE(개인 보호구)를 갖추는 것은 위험한 상황에서 일하는 의료 전문가에게 절대적으로 필요합니다. 그렇긴 하지만 많은 병원과 클리닉에서 세계적 유행병이 수개월 동안 지속하면서 점차 줄어들던 마스크와 안면 보호대 공급이 이제 거의 사라졌습니다.

공급이 가능하더라도 표준 의료 마스크에는 자체 단점이 있습니다. 가장 중요한 것은 하루에 여러 시간 동안 착용하는 불편함뿐만 아니라 때때로 기능을 발휘 못 해 오염된 공기가 침투하는 경향이 있습니다.

그렇기 때문에 러시아 의사는 표준 마스크와 안면 보호대 대신 상용 브랜드의 스노클링 마스크를 사용하기 시작했습니다. 스포츠용품 체인인 Decathlon은 이러한 마스크 10,000개를 러시아 의사 및 의료 종사자에게 아낌없이 기증했습니다.

Decathlon 스포츠용품 체인에서 기증한 스노클링 마스크 중 하나의 포장 풀기

이 마스크는 얼굴에 단단하게 꼭 맞도록 밀착이 되므로 바이러스 입자와의 직접적인 얼굴 접촉을 방지할 수 있습니다. 그러나 이 기성 솔루션의 문제점은 마스크 상단의 공기 튜브 커넥터에 있습니다. 필터가 없습니다. 이것은 이 경로를 통해 마스크로 들어가는 공기에 바이러스가 포함되어 있을 가망성이 높다는 것을 의미합니다.

이러한 취약점에 대응하여 The Makers Group은 에어 튜브 커넥터에 장착하는 맞춤형 3D 프린팅된 노즐을 만들어 전문 등급 에어 필터를 마스크에 결합할 수 있었습니다.

완벽한 맞춤: 3D 프린팅된 검은 색 노즐로 마스크와 에어 필터를 단단히 연결

많은 의사가 단일 에어 필터를 통해 호흡하는 것이 더 어렵다는 것을 알게 되면서 두 개의 필터를 부착할 수 있는 이중 파이프 솔루션이 만들어졌습니다.

이중 필터 시스템을 갖춘 맞춤형 스노클링 마스크 중 하나

이제 마스크에 들어가는 모든 공기가 걸러지고 호흡하기에 안전합니다. 이 단일 및 이중 필터 노즐은 이미 수천 명에 의해 3D 프린팅되었으며, 전국적으로 매우 수요가 많습니다.

오븐에서 갓 구운 이중 필터 커넥터: 마스크 위에 장착할 준비가 된 3D 프린팅된 이중 필터 커넥터 세트

그러나 마스크에는 한 가지 문제가 남아 있었습니다. 원래 물에서 사용하도록 설계되었으므로 마스크 밑에 배수 밸브가 있습니다. 이것은 다이빙 중 물이 약간 들어올 경우 마스크에서 물이 빠져나가도록 설계되었습니다.

배수 밸브를 강조 표시한 스노클링 마스크

그러나 병원 환경, 특히 바이러스 위협이 있는 병원 환경에서 이 밸브를 통해 감염된 일부 공기가 마스크로 유입될 수 있습니다. The Maker's Group은 머리를 맞대고 이 문제를 해결할 다양한 방법을 찾아보았습니다. 이 그룹은 마스크의 복잡성으로 인해 3D 스캐닝만이 작업에 적합한 토대를 제공할 것이라고 신속하게 결정했습니다.

Artec 3D의 Denis Baev가 자진해서 돕기로 했습니다. 마스크는 수요가 매우 높았기 때문에 스캔할 수 있는 최대 시간은 5분이었습니다. 그런 다음 의사는 계속 오랜 시간 동안 근무하기 위해 마스크를 되돌려 받아야 했습니다.

Artec 3D의 Denis Baev가 스캔한 마스크의 배수 밸브 부분.

Denis는 복잡한 형상과 세밀한 부분이 많은 물체를 캡처하도록 설계된 전문 휴대용 3D 스캐너인 Artec Space Spider를 사용하여 1분도 안 되어 고해상도 3D로 마스크 전체를 스캔했습니다. 마스크의 플라스틱이 반투명하므로 스캔하기 전에 Krylon 소광 스프레이를 사용하였습니다.

Space Spider 휴대용 3D 스캐너

스프레이를 해도 마스크 표면이 여전히 스캔하기에 복잡했기 때문에 Denis는 Space Spider의 감도를 증가시켰는데 이 작업은 거의 한 적이 없습니다. 이 수준의 감도로 스캐너는 마스크를 빠르게 캡처했습니다.

이후 스캔은 Artec Studio 15에서 3분 만에 처리하여 Geomagic Design X에 STL 파일로 내보냈습니다. Design X의 자동 Mesh-to-CAD 기능을 통해 STL 파일을 사용 가능한 CAD 모형으로 신속하게 변환했습니다.

배수 밸브가 있는 마스크의 하부(좌측)와 그 CAD 모형(우측)의 Space Spider 스캔

The Makers Group의 다른 애호가들은 이 CAD 모형을 사용하여 일방향 밸브가 있는 마스크에 완벽하게 맞는 부착물을 만들어 문제를 해결했습니다.

이제 마스크 내에 과도한 압력이 축적될 때마다, 일방향 밸브를 통해 내부에서 공기가 빠져나가고 그 후 즉시 수밀이 형성되어 오염된 공기가 유입되는 것을 방지합니다.

사용 준비 완료: 3D 프린팅된 일방향 밸브 부착물 및 마스크

이제 러시아 전역의 의사들은 매일 이 배수 밸브 부착물이 제자리에 단단히 고정된 스노클링 의료 마스크를 착용하고 있습니다.

COVID-19 환자를 위한 젤 베개

의사들은 폐렴이 있는 COVID-19 환자가 엎드린 자세(“복와위”라고도 함)를 하면 호흡이 훨씬 쉬워지며 의사들이 환자의 기계적 환기에 대해서 도와줄 수 있다는 것을 금방 알았습니다. 그러나 베개나 침대에 엎드려 있으면 환자가 4~5시간 만에 상당히 고통스러운 욕창이 생길 수 있습니다.

다행히 환자가 엎드린 자세로 누워있는 동안 환자의 얼굴을 편안하게 지지하도록 설계된 특수 젤 베개가 있습니다. 문제는 최근 그러한 베개를 찾기가 거의 불가능하다는 것입니다. 소량으로 구매할 수 있더라도 가격이 베개를 절실히 필요한 병원이 감당하기 어렵습니다.

The Makers Group은 CAD 디자인 및 3D 프린팅을 포함하여 젤 베개를 만들기 위해 다양한 방법을 시도했지만 부드러운 지탱하는 재료뿐만 아니라 독창적이며 해부학적으로 적합한 베개 모양 때문에 만족스러운 결과를 결코 얻을 수 없었습니다.

아주 운 좋게도 병원에 입원 중인 한 환자가 대의를 위해 젤 베개를 빌려주겠다고 제안했습니다. 그것은 병원을 떠날 수 없었으며 환자에게 2~3분 내에 다시 돌려줘야 했습니다. 그러나 그것으로 충분합니다.

반투명한 표면으로 된 베개를 신속하게 포착하기 위해 Denis는 먼저 베개를 시클로도데칸(Cyclododecane) 스프레이로 도포하여 흰색 무광택으로 마감 처리하고 스캔을 더 쉽게 할 수 있게 했습니다. Artec Eva는 단 몇 초 만에 베개를 스캔하여 모든 표면과 윤곽을 초당 16 프레임으로 캡처했습니다.

Artec Eva 휴대용 3D 스캐너로 젤 베개 스캔

Artec Studio 소프트웨어를 사용하여 단 2분 만에 스캔을 STL 파일로 변환했습니다. 처리 작업 흐름은 전역 정합(Global Registration), 샤프 퓨전(Sharp Fusion), 소형 물체 필터(Small Object Filter), 메시 단순화(Mesh Simplification) 및 지우개(Eraser) 도구로 이루어졌습니다.

STL 파일은 베개 디자인에 관해 The Makers Group과 함께 일하는 의사에게 보냈습니다. 여기에서 STL 파일은 CAD 모형으로 변환되었고, 이 모형은 베개 제작을 위한 금형을 만드는 데 사용되었습니다.

STL 모형(좌측))과 젤 베개의 CAD 모형(우측)

최종 3D 프린팅 주형은 3개의 개별 조각으로 이루어지며, 많이 기대했던 결과를 얻기 위해서는 많은 작업이 필요했습니다. 충전의 경우, 부드러운 의료용 실리콘은 구하기가 불가능했습니다. 많이 찾아본 끝에 Artec Gold Reseller인 Globatek의 Georgy Serezhkin이 지원하여 디자이너를 필요한 형상을 유지하는 부드러운 젤이면서 또한 장기 환자 사용에 안전하고 저자극성인 올바른 재료의 공급업체를 연결해 주었습니다.

이제 모든 것이 준비되어 첫 번째 시험용 베개가 이미 만들어져 현재 사용되고 있습니다. 이 계획은 가능한 한 많은 환자에게 베개를 공급할 수 있도록 생산량을 늘리고 베개를 더 광범위하게 출시하는 것입니다.

젤 베개의 발포 시제품

즉석 개인 공기 여과 시스템

오늘날 수천 명의 의사와 의료 전문가가 휴대용 활성 공기 여과 시스템을 보유할 가능성은 적습니다. 그러나 그것은 매우 효과적입니다. 필터가 장착된 최고의 마스크조차 하루에 몇 시간 동안, 특히 신체적으로 활동적이고 더 숨을 쉬어야 하는 경우 착용하기 어려울 수 있습니다.

의료용 마스크를 포함한 마스크는 때때로 도움이 되지 않는 것으로 알려진 것은 말할 필요도 없습니다. 전문 공기 필터의 저항 증가로 마스크 가장자리 또는 안면 밀봉 부분에서 누기가 발생할 수 있음이 입증되었습니다. 또한 시간이 지남에 따라 표준 마스크 필터가 종종 막히고 오염됩니다.

휴대용 공기 여과 시스템은 바이러스와 박테리아가 있는 공기를 정화하고 이 정화된 공기를 착용자에게 직접 퍼 올립니다. 그러나 이러한 장치를 현지에서 구입할 수 있다 하더라도(구입할 수 없음) 대부분 자신의 마스크와 보호 장비에 대한 비용을 지급해야 하는 의료 전문가가 감당할 수 있는 가격 범위를 벗어날 가능성이 많습니다.

간단한 공기 여과 시스템

The Makers Group은 이 긴급한 요구에 관해 알게 되자 작업에 착수했습니다. 이 그룹은 전국의 몇몇 가장 현명한 엔지니어들과 함께 잉여 부품을 사용하는 즉석 공기 여과 시스템을 고안했습니다. 그것은 놀랍도록 효과적이며 빠르게 만들어 배포할 수 있습니다.

The Makers Group이 설계한 즉석 공기 여과 시스템

플라스틱 샌드위치 상자에 들어있는 이 시스템의 핵심은 진공청소기 필터, 바이러스 및 박테리아를 죽이는 UV 램프 그리고 정화된 공기를 착용자에게 불어주는 PC 팬으로 이루어져 있습니다. 이 장치의 전원은 충전 거치대가 있는 내장 충전식 배터리입니다.

그러나 배터리 박스의 크기는 혼잡하고 매우 활발한 병원 환경에서 바쁜 의사에게는 부피가 크고 번거로웠습니다. 그래서 The Makers Group은 같은 기능을 유지하면서 상자의 크기를 줄이는 데 중점을 두고 작업에 다시 착수했습니다.

충전식 배터리 박스의 클로즈업

The Makers Group은 Denis에게 Space Spider로 소형 장치를 스캔하도록 요청하여 3D 모형을 만들 수 있었습니다. 언뜻 보기에는 3D 스캐닝 관점에서 물체가 매우 단순해 보이지만 작업하기 어려운 물체입니다. 충전  단자의 양쪽에 오목한 부분이 있는 검은색 플라스틱으로 만든 이들 내벽은 캡처하기 쉽지 않은 것으로 나타났습니다.

몇 번의 시도 후 우측 내벽은 캡처하였지만 왼쪽 내벽은 여전히 순조롭게 스캔할 수 없었습니다. 이것은 스캐너의 시야를 차단하고 있는 충전 단자와 근접해 있기 때문이었습니다.

솔루션이 무엇이었냐고요? Denis는 Artec Studio 15의 정확한 위치 선정 및 미러링 도구를 사용하여 우측 내벽을 좌측으로 쉽게 복제하고 제자리에 완벽하게 정렬했습니다.

몇 분 후 스캔은 매우 정확한 3D 모형으로 처리되었습니다.

모형은 그런 다음 The Makers Group으로 전송되어 이 저렴하면서도 매우 효과적인 공기 여과 장치의 지속적인 개발 및 시험에 사용되었습니다.

다시 한 번 Artec 3D 스캐너는 중요한 현실적인 문제를 빠르고 쉽게 해결하는 데 도움이 되는 귀중한 도구임을 입증했습니다. 마스크 또는 젤 베개를 스캔하든 인공호흡기 구성 부품의 첫 번째 제조 공정 또는 수많은 기타 작업을 디지털 방식으로 캡처하고 검사하든 Artec 3D는 모든 요구를 충족하는 스캐너를 갖추고 있습니다.

숨구멍의 수를 셀 수 있을 정도로 꿀벌을 디지털 방식으로 완벽하게 캡처하는 것(Artec Micro)부터 한 나른한 오후에 에어 버스 A380을 스캔하는 것(Artec Ray)까지 그리고 각 바퀴의 트레드 깊이를 정확하게 측정할 수 있을 정도로 정확한 3D 모형을 갖는 것까지 모든 요구를 충족합니다.  물체와 적용 분야가 무엇이든 당사가 지원합니다.

저희에게 연락하세요