本文介绍了一种利用3D打印技术构建深部脑刺激植入物的实验方案。
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本文内容
摘要
摘要
自20世纪80年代以来，3D打印已广泛应用于医学领域，尤其是在外科手术中，如术前模拟、解剖学习和手术培训。这为利用3D打印技术构建神经外科植入物提供了可能。我们之前的研究以骨窗环的构建为例，描述了使用计算机辅助设计（CAD）、Pro/Engineer（Pro/E）等软件以及3D打印机制造实体产品的过程。具体而言，该过程共需三个步骤：绘制二维图像、构建骨窗环的三维图像，以及使用3D打印机打印骨窗环的实体模型。本方案表明，采用碳纤维材料的骨窗环可通过3D打印实现快速且精确的成型。结果表明，结合临床影像数据，CAD和Pro/E软件均可用于构建骨窗环，并进一步通过3D打印技术制备个体化耗材。
引言
自20世纪80年代以来，3D打印已应用于医学领域，尤其在手术中的术前模拟、解剖学习和外科培训方面具有重要作用1。例如，在脑血管手术中，可通过使用3D打印的血管模型进行术前模拟2。随着3D打印技术的发展，脑血管的质地、温度、结构和重量已能最大程度地模拟临床实际情况。学员可在这些模型上进行切割、夹闭等外科操作训练。此类培训对外科医生而言极为重要3,4,5。目前，3D打印成型的钛网修补片也逐渐得到应用6，因为通过影像学成像与重建后采用3D打印技术制作的颅骨假体具有高度贴合性。然而，3D打印在神经外科领域的发展与应用仍受到一定限制。
作为电极固定装置的一部分，颅骨钻孔环已在深部脑刺激（DBS）中得到广泛应用7,8,9,10。然而，目前的颅骨钻孔环均由医疗器械制造商按照统一规格和尺寸生产。这种标准的颅骨钻孔....
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方案
1. 绘制颅骨钻孔环的二维（2D）图像
- 打开二维计算机辅助设计（CAD）软件，然后创建一个图形文档。
- 点击 绘图 | 直线，在绘图区用实线绘制一个参考点。点击 修改 | 偏移，并在命令行中输入具体的偏移距离。
- 选中对象并用鼠标左键点击，以生成一条实线。点击 修改 | 修剪，选择需要修剪的区域，然后点击多余的线条。
- 以内环钻孔环为例，在CAD软件中根据预设尺寸绘制内环的三个不同视图。首先绘制主视图，并仔细修改图形，直至其与预期结构一致（图1d）。
- 通过点击 绘图 | 直线 首先构建参考点，然后点击 绘图 | 圆 | 圆心、直径，并在命令窗口中输入圆的半径或直径的具体数值。点击参考点的中心位置以形成一个圆（图1f）。
- 采用与主视图相同的方法绘制内环钻孔环的左视图（图1e）。
- 点击 标注 | 直径
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结果
通过商业CAD软件（见材料表）构建了三组二维图像。在这些图像中，还添加了实际尺寸和技术要求（图1）。进一步地，构建了三维数据（图2），并以STL格式保存（图3）。如图4所示，实体部件在打印机平台上被制造出来。选取五组此类部件，计算其绝对误差和误差范围（图6a,b）。结果表明，在外环中，最大绝对误差出现在腰部外径，最小绝对误差出现在顶部厚度；在内环中，最大绝对误差出现在内径，最小绝对误差出现在顶部厚度。总体误差范围为[0.00, 0.59]（图6a,b）。
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讨论
这些结果表明，所使用的软件能够有效构建颅骨钻孔环的三维模型（图1 和 图2），且可通过3D打印技术使用指定材料制作实体模型（图4）。在实体模型尺寸方面，使用游标卡尺测量发现其绝对误差范围为0至0.59 mm（图6）。一定程度上，此类误差不可避免，因其来源于多种因素，例如打印设备的质量。工业级打印机通常具有更高的精度。此外，在制作更小、更精密的部件时，绝对误差更为明显。总体而言，如 图3 所示，通过建模并进一步采用3D打印形成实体模型的流程是有效且可行的。尽管存在绝对误差，但通过提升打印机质量并精确调整打印参数，可有效减小该误差。
一种用于DBS的创新颅骨钻孔环此前已有报道11。在本研究中，采用相同模型作为示例，进一步展示相关植入物制作的系统.......
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披露
作者无任何利益冲突需要披露。
致谢
本工作由广东省自然科学基金（编号：2017A030313597）和南方医科大学（编号：LX2016N006，编号：KJ20161102）资助。
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材料
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| Adobe Photoshop 版本 14.0 | Adobe System?US | _ | 仅可通过付费订阅获得。 |
| Allcct 3D 打印机 | Allcct technology co., LTD, 武汉, 中国 | 201807A794124CN | |
| Allcct_YinKe_V1.1 | Allcct technology co., LTD, 武汉, 中国 | 该软件由 3D 打印机制造商提供，无相关目录编号 | |
| AutoCAD 2004 | Autodesk co., LTD?US | 666-12345678 | 用于 2D 模型的软件 |
| 碳纤维 | Allcct technology co., LTD, 武汉, 中国 | PLA175Ø5181Ø3ØB | 该材料由 3D 打印机制造商提供 |
| Netfabb Studio Basic 4.9 | Autodesk co., LTD?US | - | 该软件由 3D 打印机制造商提供，可公开访问 |
| Pro/E 2001 | Parametric Technology Corporation, PTC, US | _ | 用于 3D 模型的软件；仅可通过付费订阅获得。 |
| 游标卡尺 | 北京蓝光机电仪器有限公司, 中国 | GB/T 1214.1-1996 |
参考文献
- Pucci, J. U., Christophe, B. R., Sisti, J. A., Connolly, E. S. Three-dimensional printing: technologies, applications, and limitations in neurosurgery. Biotechnology Advances. 35 (5), 521-529 (2017).
- Mashiko, T., et al.
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重印与许可
