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台灣首創手持3D掃描機 即時繪下人物身形

創新科技專案 X 解密科技寶藏_96
・2015/04/09 ・1527字 ・閱讀時間約 3 分鐘 ・SR值 543 ・八年級

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文/劉珈均

雕像與3D列印的雙胞胎。
雕像與3D列印的雙胞胎。

近年3D列印颳起一陣旋風,風靡台灣自造者社群,結構精緻複雜的飾品、大小零件都可借重3D列印,列印材料也由塑膠擴展到金屬,甚至食物,大眾熱烈討論3D列印帶來的新可能性。工研院電子與光電研究所搭上3D列印潮流,研發台灣首款手持式3D掃描機,不限物體大小,可在短時間內建構出物體的3D全彩模型。

近年3D列印風行,但供3D列印用的3D的數位內容不容易自行取得。電光所影像處理晶片程式技術部經理陳加珍說,主流的3D掃描技術以雷射或結構光掃描,要拍多張照片且耗時較久,此技術透過兩個鏡頭投射與接收,只需要拍一個影像就能呈現3D圖像,因此掃描速度非常快,使用者得以連續掃描、讓系統即時拼接為3D資料,並直接支援3D列印輸出。

電光所影像處理晶片程式技術部經理陳加珍
電光所影像處理晶片程式技術部經理陳加珍

團隊研發的3D量測與校正技術已獲得專利,當使用者拿著3D掃瞄機緩慢移動著掃描物體時,後端軟體高速運算,將重複的像素疊合,隨著掃描器移動、掃描,系統源源不斷生成三維資料,自動即時接合為連續的3D全彩模型,重複疊合的另一個好處是可以提高量測解析度,記錄物體的細節。掃描的物體不限大小與外型,皆可掃描為3D圖像,相比桌上型的掃描機,此款儀器操作極富彈性便利。掃描器的光源為紅外線LED,用以掃描人體也相當安全。

談及研發過程的小插曲,陳加珍笑著說,若運算不夠快或出錯,三維資料相疊沒疊好,掃描後的人像就可能會出現兩個鼻子。掃描人體除了好玩拿來掃描朋友人像、列印成雕像外,在醫療上用途亦相當廣泛。陳加珍舉例,義肢須與肢體密合,精細、高解析的掃描人體3D結構細節,便能協助義肢製作,讓義肢更貼合身體,提高穿戴舒適度。

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掃描器最上方的鏡頭為LED紅外線發出端,左下鏡頭為顏色感測器,右下鏡頭為紅外線訊號接收端。
掃描器最上方的鏡頭為LED紅外線發出端,左下鏡頭為顏色感測器,右下鏡頭為紅外線訊號接收端。
當使用者拿著3D掃瞄機緩慢移動著掃描物體時,後端軟體高速運算,將重複的像素疊合,源源不斷生成三維資料,自動即時接合為連續的3D全彩模型。
當使用者拿著3D掃瞄機緩慢移動著掃描物體時,後端軟體高速運算,將重複的像素疊合,源源不斷生成三維資料,自動即時接合為連續的3D全彩模型。

此3D掃描機為台灣首款手持式的設備,曾在去年的台北國際電腦展大出風頭,也獲得103年資訊月百大創新產品金質獎。目前市售的手持式3D掃描機價格約美金2萬至4萬左右,就算是專業工作室也難以負擔,陳加珍說,若以後順利量產、上線,他們理想目標售價定在新台幣十萬以下。

團隊的核心技術是「深度感測」,過去團隊研究將之運用於設計人機互動裝置,例如影像感測人的手勢動作,讓投影的書籍自動翻頁。深度感測技術還有許許多多延伸應用領域,例如空間定位、作為工業機器人的視覺、齒型與足型掃描、文化古蹟的數位保存等。也有業者構想將3D感測技術嵌入手機與平板,變成行動3D掃描器,與遊戲結合或用以拍攝3D影像、分辨物體前後景深而更輕易的去背等等新的應用。

開發手持式3D掃描器的電光所團隊。
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創新科技專案 X 解密科技寶藏_96
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由 19 個國家級產業科技研發機構,聯手發表「創新科技專案」超過 80 項研發成果。手法結合狂想與探索,包括高度感官互動的主題式「奇想樂園」區,以及分享科技新知與願景的「解密寶藏」區。驚奇、專業與創新,激發您對未來的想像與憧憬!

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鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2022/11/01 ・2113字 ・閱讀時間約 4 分鐘

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鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
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乳房重建新科技: 3D列印 + 自體移植
胡中行_96
・2022/08/11 ・2305字 ・閱讀時間約 4 分鐘

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許多乳癌患者會在切除乳房後,選擇接受重建手術。常見的做法,包括:塞鹽水或矽膠囊袋的「人工乳房植入」、類似剪貼概念的「游離皮瓣重建」,以及猶如把奶油灌進泡芙的「自體脂肪移植」,都是採用填補替代物的手段,而非讓身體的組織重新生長出來。這些方法有時會出現囊袋收縮、組織捐贈部位併發症,或是不均勻的脂肪再吸收等問題,而且不是每個病患都適合。[1] 為此科學家正在利用 3D 列印可生物降解的人工結構,加上病患的自體組織,企圖開發造型美觀,且觸感自然的重建乳房。

植入可生物降解的(藍色)模架,允許結締組織和(紅色)血管生長,再注入病患的(黃色)自體脂肪。圖/參考資料 6 ,Figure 1(CC BY)

3D 列印乳房重建的步驟

目前不少研究團隊嘗試重建乳房的方向雷同,大致上得經過下列幾個步驟:首先,搶在乳癌病患尚未動手術之前,先做 3D 掃描,記錄先天乳房的樣貌。澳洲 Translational Research Institute (簡稱 TRI )的團隊特別聲明,他們使用的技術沒有放射線,不會增加療程風險。接著,根據掃描的結果,在電腦裡客製化想要重建的乳房尺寸與形狀。然後將設計圖傳輸到 3D 印表機,準備列印。[1]

葡萄牙科學家用水凝膠列印層疊的網格結構。圖/Barros da Silva P, Coelho M, Bidarra SJ, et al. (2020) ‘Reshaping in vitro Models of Breast Tissue: Integration of Stromal and Parenchymal Compartments in 3D Printed Hydrogels’. Frontiers in Bioengineering and Biotechnology, 8, 494.(CC BY)
2017 年澳洲Translational Research Institute展示 3D 列印聚己內酯乳房模架。來源:Translational Research Institute on YouTube

塑造乳房形狀的彈性結構,講求可生物降解,例如:法國 Healshape 公司採用水凝膠;以色列 CollPlant 公司從菸葉中萃取膠原蛋白;[2] 而澳洲 Metro North Health 和昆士蘭科技大學,則都偏好製做可吸收縫線的聚己內酯。[3-5] 無論是什麼材質,目的都是建構讓組織順著長成後,能被身體吸收的模架(scaffolds)。法國 Lattice Medical 公司把造型設計得像個網面空心罩杯,方便盛裝填充物;[2]澳洲的 TRI 和 Metro North Health 以及法國的 Healshape 等團隊,則把它印成網格層疊的實心半球,有助身體組織攀附。[1-3] 模架做好之後,就可以開刀將它放進胸部,再放置或注入填充物,例如:帶血管的脂肪組織或自體脂肪幹細胞等。[1, 2] 相較於傳統的自體脂肪移植,模架能夠防止脂肪再吸收,免得好不容易做好的新乳房又消下去。[3]

乳房重建解說動畫:從3D列印模架植入,到自體脂肪填充的過程。來源:ABC News on YouTube

2016 年《科學報告》期刊上,有個動物實驗的照片和圖說,把上述的程序介紹得一目瞭然。當時研究團隊抓了兩隻母的迷你豬,來頂替女性人類。想看看在牠們身上,建立人工乳房的效果。[6]

  

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a. 從乳房模架的局部放大圖,可見網狀結構盤根錯節,但中間留有孔洞。[6]

b. 從迷你豬的腹部抽脂。[6]

(c. 和 d. 展示該結構有無灌入填充物的差別,[6] 但在實際手術中,應該是發生於病患體內,不可能看得到。)

e. 正在將迷你豬的自體脂肪,灌進早已植入牠體內的模架。[6]

f. 研究團隊自認傷口縫合後,照片中的成品像個相當自然的乳房。[6]

圖/參考資料6,Figure 2(CC BY)

手術完成 24 週後,研究團隊又把該模架拔出來觀察。[6] 由於畫面更加血腥,這裡便不再分享了。當然若是在人體裡的可生物降解模架,植入後是不用取出來檢查的。依照使用的技術不同,快則 6 到 9 個月,慢則 1.5 至 2 年,理論上模架結構便會完全消失,體內徒存新長出來的組織。[2, 3]

法國 Healshape 公司用緊湊激昂的配樂,襯托 3D 列印乳房重建技術的介紹影片。來源:Healshape on YouTube

3D 列印乳房重建的發展進度

2016 年的時候,就已經有科學家嘗試植入模架,引導乳房組織重生。不過,當時的材質無法生物降解,而且成功率僅五分之一。現在這種可以被身體吸收的模架,算是重大進展,雖然還不清楚患者實際的感受如何。[2] 從媒體報導和政府發佈的新聞稿來看,不少相關研究計劃都在 2022 年 7 月,剛進入人體試驗階段。[2-4] 澳洲 Metro North Health 的團隊,號稱全球第一個完成此手術,但目前也只有 1 名受試者。假使一切順利,他們期望未來能招募 15 至 20 名女性,參與正式的第一期臨床試驗。[3]

  

參考資料

  1. Advancing Breast Tissue Engineering into Clinical Practice Utilising 3-Dimensional Scanning And Bioprinting Techniques (Translational Research Institute, accessed on 04 AUG 2022)
  2. Goodbye silicone? A new era of breast reconstruction is on the horizon (The Guardian, 03 JUL 2022)
  3. World-first breast implant trial in Australia aims to provide safer alternative to silicone (ABC News, 04 AUG 2022)
  4. Metro North Health delivers world-first breast scaffold surgery (Queensland Government, 04 AUG 2022)
  5. Cometta S, Bock N, Suresh S, et al. (2021) ‘Antibacterial Albumin-Tannic Acid Coatings for Scaffold-Guided Breast Reconstruction’. Frontiers in Bioengineering and Biotechnology, 9, 638577.
  6. Chhaya, M., Balmayor, E., Hutmacher, D. et al. (2016) ‘Transformation of Breast Reconstruction via Additive Biomanufacturing’. Scientific Reports, 6, 28030.
胡中行_96
65 篇文章 ・ 24 位粉絲
曾任澳洲臨床試驗研究護理師,以及臺、澳劇場工作者。 西澳大學護理碩士、國立台北藝術大學戲劇學士(主修編劇)。邀稿請洽臉書「荒誕遊牧」,謝謝。

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雕像與3D列印的雙胞胎。
雕像與3D列印的雙胞胎。

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電光所影像處理晶片程式技術部經理陳加珍
電光所影像處理晶片程式技術部經理陳加珍

團隊研發的3D量測與校正技術已獲得專利,當使用者拿著3D掃瞄機緩慢移動著掃描物體時,後端軟體高速運算,將重複的像素疊合,隨著掃描器移動、掃描,系統源源不斷生成三維資料,自動即時接合為連續的3D全彩模型,重複疊合的另一個好處是可以提高量測解析度,記錄物體的細節。掃描的物體不限大小與外型,皆可掃描為3D圖像,相比桌上型的掃描機,此款儀器操作極富彈性便利。掃描器的光源為紅外線LED,用以掃描人體也相當安全。

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掃描器最上方的鏡頭為LED紅外線發出端,左下鏡頭為顏色感測器,右下鏡頭為紅外線訊號接收端。
掃描器最上方的鏡頭為LED紅外線發出端,左下鏡頭為顏色感測器,右下鏡頭為紅外線訊號接收端。

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此3D掃描機為台灣首款手持式的設備,曾在去年的台北國際電腦展大出風頭,也獲得103年資訊月百大創新產品金質獎。目前市售的手持式3D掃描機價格約美金2萬至4萬左右,就算是專業工作室也難以負擔,陳加珍說,若以後順利量產、上線,他們理想目標售價定在新台幣十萬以下。

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開發手持式3D掃描器的電光所團隊。
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神啊!請給我一台「聽得見」的 3D 列印機!——找回聽力的 3D 列印應用
雅文兒童聽語文教基金會_96
・2022/02/16 ・2370字 ・閱讀時間約 4 分鐘

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  • 文/蔡宜欣|雅文基金會聽語科學研究中心

從「我的眼鏡是依照我的臉型 3D 列印的」的流行話題到「3D 列印房子熱潮席捲全球,讓大家都買得起房」的居住議題,不難發現 3D 列印(3D Printing)技術不再只侷限於玩具模型,而是能應用在任何可以想像得到的地方。現在甚至還能重新建構聽力組織器官,幫助聽力受損者重拾聽力。

3D 列印不需開模就可印出設計圖。圖/Pexels

從二維走向三維的印刷技術

在 3D 列印出現以前,工業生產往往需要開發模具才能進行製造,這對於時常推陳出新的產業而言,耗費了許多時間與生產成本。1980 年代,以快速原型(Rapid Prototyping)為概念的機器被發明, 而 3D 列印便是其中一種技術,能快速製造產品。

3D 列印技術又稱為積層製造(Additive Manufacturing),生產過程先於電腦中描繪和設計物品的 3D 樣貌,再劃分成無數個 2D 平面,最後印製每層 2D 平面,慢慢堆疊累積後完成物品。常見的 3D 列印方法大致有三種:表面常有一層層堆疊紋理的熱融沉積成型(Fused Deposition Modeling, FDM)、成品表面呈現霧化、細緻磨砂質感,較少堆積紋理的選擇性雷射燒結(Selective Laser Sintering, SLS),以及光固化成型(Stereo Lithography Apparatus, SLA),其成品表面光滑、精細,但製作成本相對較高 [1-4]。3D 列印集結了節省人力、製作時間、客製化等優點於一身,因此也被運用於需要依據聽損者耳型個別化打造的助聽器上。

量身訂製耳模,跟悶塞感說掰掰

常見的助聽器可以分為耳掛型助聽器、耳內型、耳道型助聽器等。耳掛型助聽器的組成首先需要一塊貼合耳道的耳模(earmold),幫助助聽器固定在耳朵上,聲音處理裝置會將接收到的聲音進行處理,並通過一根小管,將聲音傳送到聽損者的耳中;耳內型的助聽器則是直接將聲音處理裝置放在一個貼合耳道的機殼中。不論是耳模或機殼,若與耳道不夠貼合,就容易出現尖銳刺耳的回饋音,也容易鬆脫掉落 [5-8]

由於每個人的耳型不同,上述提到幾種常見助聽器的耳模和機殼,皆需依每位聽損者量身訂做。

一般傳統的熔模鑄造(Investment casting)方法,是將黏性大的材料(如 AB 黏土)擠入耳中,等待固化後取出,也就是耳樣(下圖左);再透過翻模技術製作耳樣熔模,並於完成後,將矽膠或壓克力等液態材料倒入用耳樣熔模,等待固化後才能完成耳模(下圖右)。而機殼則是在內部固化前會將材料倒出,僅留下外殼,最後再將電子組件放入其中[8]

近幾年出現 3D 列印耳模的方法,只要透過雷射掃描耳朵或耳樣的方式,取得耳型的數據資料,並透過電腦確認細節或電子組件擺放的位置,即可印製。由於助聽器需要長時間配戴,因此 3D 列印方式是採取表面相對光滑、配戴舒適感較高的 SLA 或 SLS。

相較於熔模鑄造,3D 列印取代傳統翻模製程,減少造成的誤差;此外,3D 列印方式不僅耗費較少的人力成本和製作時間,甚至可以依據自己喜歡的顏色、圖案進行外觀客製化。預先從電腦中確認成品的樣貌後再製作,也能使成品更為精準,減少手工製作的誤差。再者,數據化的資料還可以存放在電腦中,便於日後再製[8-15]

重建聽小骨,讓聲音傳遞不斷線

此外,有一種類型的聽損者是由於外耳或中耳構造受傷、缺陷,造成聲音受阻,無法正常傳遞至耳中,這類型聽損者有一部分無法透過助聽器改善聽力,甚至需要進行耳部手術。

在南非,有專家針對這樣的聽損者,研發以生物相容性材料製作的中耳聽小骨,透過 3D 列印,順利移植到患者身上,幫助他們重拾聽力。3D 列印技術不僅能確保聽小骨尺寸吻合患者耳形,增加重建手術的成功率,也減少了傳統手術花費的時間與風險[16-18]

從客製化製作助聽器耳模、機殼到聽小骨義肢,3D 列印幫助聽損者們更快速找回聽力。或許 3D 列印技術不會完全取代現有的生產和製造方法,但無疑為我們創造了新的可能與選擇。期望未來能發展更多新的醫療技術,讓所有聽損者都能聽見世界的聲音!

參考文獻

  1. 【3D列印知識】新手入門:五種常見3D列印技術比較及原理​
  2. 3D Printing Technology Comparison: FDM vs. SLA vs. SLS
  3. 3D Printed Glasses: Trends in the eyewear industry in 2021
  4. Formlabs
  5. Hearing aid types and styles
  6. 助聽器是尊貴的象徵?從聲學椅到聲學拐杖,為了聽清楚的怪招式還真多
  7. 注意!原來「耳模」這麼重要
  8. Harvey Dillon(2019). 助听器:第二版(胡向阳)。北京:华夏出版社(原著於2012出版)
  9. Chung, K. (2004). Challenges and recent developments in hearing aids: Part II. Feedback and occlusion effect reduction strategies, laser shell manufacturing processes, and other signal processing technologies. Trends in Amplification8(4), 125-164.
  10. 3D列印技術在醫療輔具的應用與挑戰
  11. How 3D Printed Hearing Aids Silently Took Over The World
  12. How Personalization Has Changed the Hearing Aid Industry for the Better
  13. 3D printing technology for improved hearing
  14. Morear
  15. 助聽器展現酷炫動漫風 3D列印多彩耳模讓聽損兒自由配
  16. 3D Medical Printing Can Help Correct Hearing Loss
  17. A Life Changing Procedure for Those with Conductive Hearing Loss
  18. University of Pretoria prof performs first 3D printed ear bone transplant
雅文兒童聽語文教基金會_96
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雅文基金會提供聽損兒早期療育服務,近年來更致力分享親子教養資訊、推動聽損兒童融合教育,並普及聽力保健知識,期盼在家庭、學校和社會埋下良善的種子,替聽損者營造更加友善的環境。