Сканеры Artec 3D выходят на передовую линию борьбы с Covid-19

11/06/2020

Автор: Мэттью МакМиллион

В последние месяцы пандемия коронавирусной инфекции привела к тому, что системы здравоохранения и больницы стали с трудом справляться с наплывом пациентов. Изможденные врачи и медицинские сестры во всем мире работают на пределе возможностей и ресурсов.

В то же время ведущие отраслевые компании оказались неспособны достаточно быстро реагировать на резкое повышение спроса — зачастую им требуется несколько недель только для того, чтобы принять решение об изменении стратегии развития, не говоря уже о поиске новых поставщиков и переоборудовании имеющихся мощностей под производство масок, респираторов и систем фильтрации воздуха.

Однако многие не стали сидеть и просто ждать результатов. Тысячи компаний из сферы 3D-печати по всему миру откликнулись на призыв о помощи и стали безвозмездно поддерживать медицинских работников, оказавшихся на передовой линии борьбы с новой инфекцией.

Одна из них, The Makers Group, расположена в России, которая в середине мая вышла на второе место в мире по числу зараженных Covid-19. Группа инженеров взялась за разработку и производство медицинских изделий для пациентов и медперсонала.

Специально изготовленные и отпечатанные на 3D-принтере насадки позволили крепить фильтры особой конструкции к маске для подводного плавания, что усилило защиту медперсонала

Расскажем о трех потрясающих проектах, которые запустила эта команда.

Маски для подводного плавания в помощь врачам и медработникам

Наличие надежных масок и других СИЗов (средств индивидуальной защиты) жизненно необходимо для медицинских сотрудников, работающих в опасных условиях. Однако, когда недели пандемии растянулись на месяцы, и без того скудные запасы масок и защитных щитков во многих поликлиниках и стационарах просто исчезли.

Даже имеющиеся в наличии стандартные медицинские маски имели свои недостатки: прежде всего, они не всегда справляются со своей задачей и всё же пропускают воздух с частицами вируса, а еще их довольно неудобно носить в течение всего дня.

По этим причинам вместо стандартных масок и защитных щитков российские медики стали использовать маски для подводного плавания коммерческого производства. Сеть магазинов спорттоваров Декатлон пожертвовала врачам и медработникам России 10 000 таких масок.

Распаковка одной из масок для подводного плавания, которую пожертвовала сеть магазинов спорттоваров Декатлон

Эта маска плотно прилегает к коже, полностью защищая лицо от прямого контакта с вирусными частицами. Однако у такого готового решения была одна проблема: воздушная трубка маски не оснащена фильтром. Это означает, что воздух, попадающий в маску, вполне может содержать вирус.

Решение этой проблемы предложила компания The Makers Group. Ее специалисты разработали и отпечатали на 3D-принтере насадку, которая позволила подсоединить к воздушной трубке профессиональный фильтр воздуха.

Идеальная посадка: отпечатанный на 3D-принтере черный коннектор надежно соединяет маску с воздушным фильтром

Однако вскоре выяснилось, что врачам крупного телосложения достаточно сложно дышать через один фильтр. Тогда была разработана насадка с двойным выходом, которая позволила подключить к маске два фильтра.

Одна из измененных масок для подводного плавания с двумя фильтрами воздуха

Теперь весь воздух, поступающий в маску, тщательно отфильтрован и безопасен. Эти насадки с одним и двумя выходами уже отпечатаны многотысячными партиями — спрос на них невероятно высок по всей стране.

Свежая партия: отпечатанные на 3D-принтере насадки готовы к установке на маски

Однако не все особенности конструкции маски соответствовали требованиям безопасности. Поскольку изначально маска предназначена для подводного плавания, в ее нижней части расположен выпускной клапан, из которого должна выходить вода, случайно попавшая внутрь.

Маска для подводного плавания с выделенным выпускным клапаном

Так, в условиях больницы, особенно переоборудованной под ковидный госпиталь, этот клапан может потенциально пропускать под маску воздух с вирусными частицами. Специалисты The Makers Group сразу же взялись за поиск решений этой проблемы. Учитывая сложную конструкцию маски, они быстро поняли, что без 3D-сканирования здесь не обойтись, поскольку для продолжения работы нужно было опираться на точные размеры и особенности клапана.

Волонтерскую помощь на этом этапе разработки предложил Денис Баев из Artec 3D. Поскольку маски пользовались огромным спросом, у специалистов было не более пяти минут для 3D-съемки. После этого маску нужно было вернуть врачу, чтобы он мог снова вернуться к выполнению обязанностей.

Выпускной клапан маски, отсканированный Денисом Баевым из Artec 3D

Денис отсканировал всю маску в высоком разрешении с помощью профессионального портативного 3D-сканера Artec Space Spider, разработанного для оцифровки объектов со сложной геометрией и обилием деталей. Весь процесс занял менее одной минуты. Из-за того, что маска изготовлена из прозрачного пластика, перед 3D-съемкой ее покрыли матовым спреем Krylon.

Портативный 3D-сканер Space Spider

Даже после покрытия спреем поверхность маски была по-прежнему сложной для сканирования, поэтому Денис увеличил настройки чувствительности сканера Space Spider, что приходится делать крайне редко. Благодаря высокому уровню чувствительности сканер быстро оцифровал объект.

После этого сканы обработали в программе Artec Studio 15 (на это потребовалось еще три минуты) и экспортировали в Geomagic Design X в формате STL. В Design X предусмотрена автоматическая функция преобразования полигональной сетки в САПР, которая быстро перевела файл STL в подходящую для работы модель САПР.

Скан нижней части маски с выпускным клапаном, полученный с помощью Space Spider (слева) и его модель САПР (справа)

На основе этой модели САПР другие инженеры из The Makers Group разработали идеально прилегающую насадку с клапаном одностороннего действия. Таким образом, проблема полностью решена.

Теперь, когда внутри маски образуется чрезмерное давление, клапан одностороннего действия позволяет выпускать воздух, после чего моментально герметично закрывается, что предотвращает попадание внутрь потенциально зараженного воздуха.

Готово к использованию: отпечатанная на 3D-принтере насадка с клапаном одностороннего действия и маска

Врачи по всей стране теперь каждый день носят такие подводные медицинские маски с герметично прилегающими насадками на выпускной клапан.

Гелевые подушки для пациентов с Covid-19

Врачи быстро обнаружили, что когда пациенты с коронавирусом, осложненным пневмонией, находятся в положении лежа на животе (так называемая «прон-позиция»), им легче дышать, а медикам удобнее проводить искусственную вентиляцию легких. Однако если лежать лицом на подушке или кровати, то у пациентов всего за 4‒5 часов развиваются крайне болезненные пролежни.

К счастью, для поддержки лица пациентов в прон-позиции существуют специальные гелевые подушки, которые не доставляют таких неудобств. Проблема заключается в том, что в последнее время такие подушки было практически невозможно найти. Даже если и удавалось разыскать небольшие партии, то цены на них были настолько высокими, что особо нуждающиеся больницы просто не могли их себе позволить.

Компания The Makers Group перепробовала самые разные способы создания таких гелевых подушек, включая использование САПР и 3D-печать, но из-за того, что подушка имеет уникальную анатомическую форму и изготовлена из мягкого поддерживающего материала, никак не удавалось добиться удовлетворительных результатов.

К счастью, один из пациентов больницы предложил использовать в качестве образца свою гелевую подушку. Ее нельзя было выносить из ковидного госпиталя, а также необходимо было вернуть пациенту через 2‒3 минуты. Этого времени было вполне достаточно.

Чтобы быстро оцифровать подушку с полупрозрачной поверхностью, Денис сначала покрыл ее белым матовым спреем с циклододеканом, который сделал ее более подходящей для сканирования. Artec Eva быстро отсканировал объект, отсняв все поверхности и контуры со скоростью 16 кадров в секунду.

Оцифровка гелевой подушки портативным 3D-сканером Artec Eva

С помощью программы Artec Studio всего за две минуты сканы перевели в STL-файл. Для постобработки использовались следующие инструменты: глобальная регистрация, четкая склейка, фильтр мелких объектов, упрощение полигональной структуры, а в самом конце еще и ластик.

Затем STL-файл отправили врачу, который работал над разработкой подушки вместе с компанией The Makers Group. На этом этапе STL-файл преобразовали в модель САПР, на основе которой изготовили форму для создания подушек.

Модель гелевой подушки в формате STL (слева) и ее модель САПР (справа)

Окончательная, отпечатанная на 3D-принтере форма состоит из трех отдельных частей, но чтобы достичь столь желанных результатов, требовалось еще много работы. Так, для отлива подушек нужен был мягкий силикон медицинского назначения, который было практически невозможно найти. Спасение пришло со стороны Георгия Сережкина из компании Globatek, которая является дилером Artec с золотым статусом. После долгих поисков он помог дизайнерам напрямую связаться с поставщиком подходящего материала — мягкого геля, который держит необходимую форму, а также безопасен и не вызывает аллергии даже при длительном контакте с кожей пациента.

Теперь, когда всё необходимое было под рукой, инженеры изготовили первые пробные подушки, которые уже активно используются по назначению. В дальнейшие планы входит увеличение объемов производства, что позволит снабдить подушками максимально возможное количество пациентов.

Прототип гелевой подушки из пеноматериала

Импровизированная индивидуальная система фильтрации воздуха

Тысячи современных врачей и медицинских специалистов даже мечтать не могут о том, чтобы иметь под рукой портативную систему активной фильтрации воздуха, а ведь она невероятно эффективна. Даже лучшие маски с фильтрами довольно сложно носить много часов подряд, особенно если при этом много двигаться, а значит, больше дышать.

Мы уже не говорим о том, что маски (даже медицинские) не всегда справляются со своей защитной функцией. Доказано, что увеличение сопротивления со стороны профессиональных фильтров воздуха может привести к утечке либо по краям маски, либо в местах прилегания маски к лицу. Кроме того, со временем стандартные фильтры для масок часто забиваются и загрязняются.

Портативная система фильтрации очищает воздух от вирусов и бактерий, а затем подает этот очищенный воздух прямо в маску. Но даже если представить, что такие маски стали бы доступны на местах (сейчас их нет), они были бы не по карману медработникам, которым в большинстве своем приходится самостоятельно приобретать себе маски и средства защиты.

Простая система фильтрации воздуха

Как только специалисты The Makers Group узнали о такой острой необходимости, они сразу же принялись за дело. Самые смекалистые и изобретательные инженеры со всей страны предложили медикам импровизированную систему фильтрации, которая состоит из нескольких элементов. Удивительно эффективное ноу-хау можно быстро изготовить и передать в ковидные госпитали.

Импровизированная система фильтрации воздуха, разработанная командой The Makers Group

Конструкция системы такова: в пластиковый контейнер для бутербродов установлен фильтр для пылесоса, УФ-лампа, которая убивает вирусы и бактерии, а также компьютерный вентилятор («улитка»), который направляет очищенный воздух в маску. Работает устройство от встроенной аккумуляторной батареи, оснащенной зарядным кабелем.

Однако размер отсека для батареи оказался большим и громоздким, что было довольно неудобно для врачей, активно работающих в многолюдных больницах. Поэтому инженеры The Makers Group снова вернулись к разработке. Теперь их внимание было приковано к уменьшению размера отсека с сохранением его функции.

Отсек аккумуляторной батареи крупным планом

Они попросили Дениса оцифровать это небольшое устройство сканером Space Spider, чтобы затем получить его 3D-модель. Хотя с первого взгляда этот объект кажется вполне простым, с точки зрения 3D-съемки, в нем множество труднодоступных поверхностей. Так, сам объект выполнен из черного пластика, а с обеих сторон от зарядных штырей имеются углубления — именно в них расположены внутренние стенки блока, которые очень сложно оцифровать.

После нескольких попыток удалось снять правую внутреннюю стенку, а до левой добраться так и не получилось. Это связано с тем, что рядом с ней расположены зарядные штыри, которые перекрывают обзор сканера.

Можно ли решить такую проблему? Денис воспользовался инструментами Точное позиционирование и Отражение в ПО Artec Studio 15. С их помощью он легко скопировал правую внутреннюю стенку и перенес ее на левую сторону, а также идеально выровнял ее положение.

Спустя еще несколько минут сканы преобразовались в высокоточную 3D-модель.

Затем ее отправили инженерам The Makers Group для дальнейшей разработки и проверки доступного, но очень эффективного устройства для фильтрации воздуха.

И снова 3D-сканеры Artec доказали, что являются ценнейшим инструментом для быстрого и простого решения актуальных проблем. За что бы вы ни взялись: сканирование масок или гелевых подушек, оцифровку и проверку качества первых промышленных образцов компонентов для респираторов или что-то еще — у Artec 3D есть сканеры, способные решить любую поставленную задачу.

Допустим, вам нужно оцифровать пчелу — Artec Micro сделает это настолько идеально, что вы сможете сосчитать каждое дыхальце насекомого. Или захотелось вам одним ленивым днем отсканировать самолет Airbus A380 — с помощью Artec Ray вы получите такую точную 3D-модель, что сможете безошибочно измерить глубину рисунка протектора каждого его колеса. У нас есть решение для любого вашего объекта и сферы применения, какими бы они ни были.

Связаться с нами