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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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环并不总是适用于所有情况，例如颅骨畸形或头皮萎缩等情形，可能增加手术的不确定性并降低准确性。3D打印技术的出现使得在临床场景中为患者定制个性化的颅骨钻孔环成为可能5。同时，由于颅骨钻孔环不易获取，也不利于术前广泛演示和手术培训1。
为解决上述问题，我们提出采用3D打印技术构建颅骨钻孔环。本实验室先前的一项研究描述了一种用于脑深部刺激术（DBS）的创新性颅骨钻孔环11。在本研究中，该创新性颅骨钻孔环将作为优秀范例，展示其详细的制作流程。因此，本研究的目的是提供一种建模流程以及利用3D打印技术构建实体颅骨钻孔环的详细技术步骤。
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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，然后点击圆周以标注圆的直径（图1f）。
- 点击 标注 | 线性，标注所有相关结构的长度和厚度（图1d,e）。点击 标注 | 半径，标注腔室的角度（图1d）。
- 采用相同的流程，构建外环钻孔环的二维图纸，并标注实际尺寸和标签（图1a - c）。
- 添加生产工艺的技术要求，包括强度、韧性以及无裂纹。此外，外壁需要进行光滑处理。
- 点击 保存，保存钻孔环的二维图像。
注：上述所有结构的单位均为毫米（mm）。
2. 构建骨窗环的三维图像
- 启动 3D 绘图软件（参见材料表）。选择新建 | 零件 | 实体，并取消勾选使用默认模板。在新文件选项中选择part_solid，然后点击确定，以创建用于建立物理零件模型的新界面。
- 在右侧的菜单管理器中点击零件特征，选择创建 | 实体 | 添加薄板。在实体下拉菜单中选择旋转 | 完成。点击初步草图的轨迹。选择"前视"平面作为草绘平面，然后在草图视图（SKET VIEW）下点击默认。
- 选择窗口右侧工具栏中的虚线按钮，在二维草图中绘制零件的上部截面。具体尺寸以二维图纸为准。然后点击确认，并在凸台的凸出（Protrusion）窗口中选择完成。接着点击基准平面图标。
- 在菜单管理器中选择创建 | 实体 | 添加薄板，然后选择旋转 | 完成。在属性菜单中点击双边，再点击完成。
- 依次点击前视 | 正向 | 默认，然后点击基准平面 | 虚线，以构建外锯齿环钩状部分的横截面。随后在菜单管理器中点击确认，再点击完成。在指定方向的角度[45.0000]中输入"50"，然后在凸出（Protrusion）窗口中点击完成，最后点击着色按钮。
注：角度的单位为度（°）。 - 在零件特征中选择重新定义，点击钩状部分的线结构，输入命令截面 | 定义 | 草绘。
- 点击虚线图标，在钩状截面上创建两个方形凸起，然后输入命令确定 | 完成 | 着色。
- 点击基准轴图标，输入命令插入基准 | 交叉，点击线结构的中心轴，在基准平面中点击角度，然后在线结构视图中点击"前视"平面。在偏移（offset）菜单中点击输入值，在"指定方向的角度[45.0000]中输入"-45"。
注：角度的单位为度（°）。 - 点击特征 | 复制 | 镜像。选择钩状部分作为对象，输入命令完成选择 | 完成。点击基准平面以完成复制。类似地，其余两个钩状部分也以此方式复制。点击创建同心圆，绘制半径为 7.23 mm 的圆，再点击在选定位置分割图元图标，以去除圆上不必要的线条。
- 在右侧工具栏中点击实线按钮，创建完整的外壁截面。然后输入命令确定 | 完成。
注：半径的单位为毫米（mm）。 - 在输入深度中输入"4"，然后点击着色。输入命令镜像 | 完成。点击对象，再点击完成。点击基准平面以完成复制。
- 输入命令复制 | 镜像 | 完成，选择两个不同方向的外壁，点击完成以确认。点击基准平面以完成复制。
- 输入命令视图 | 模型设置 | 颜色与外观 | 添加。调节 RGB 颜色滑块，将颜色调整为棕色，以更直观地显示图形细节。然后输入命令关闭 | 设置 | 确定。
- 点击消除隐藏线按钮，点击创建同心圆，继续在外壁上创建外边缘，点击在选定位置分割图元按钮以去除多余线条，再点击实线按钮，将新增的外边缘连接成完整截面。点击确定。
- 在内深（Inter depth）中输入"0.8"。在凸出（Protrusion）窗口中点击确定。在菜单管理器中输入命令复制 | 镜像 | 完成。点击对象并点击完成。输入命令生成基准 | 偏移。
注：深度的单位为毫米（mm）。 - 在偏移（Offset）中点击输入值，在指定方向的等距中输入"0.4"，然后点击完成。
注：偏移量的单位为毫米（mm）。 - 输入命令复制 | 镜像 | 完成，点击外壁。输入命令完成选择 | 完成。点击完成选择，再点击完成。点击图像的基准以完成复制。由此，分别完成对外壁及方形凸起的镜像操作。
- 输入命令文件 | 复制，在零件类型下拉菜单中选择保存格式为 STL (*stl)，输入零件编号，然后点击确定。
- 在输出 STL对话框中，将弦高调整为 0.006，角度控制调整为 0.00001。输入命令应用 | 确定。
- 采用与上述相同的方法构建内环的 3D 图像。
3. 使用3D打印机打印颅骨钻孔环的物理模型
- 打开模型检测软件，输入命令 Project | Open，在弹出的“Open file”对话框中选择一个 STL 文件，然后点击 Open。该软件中若检测到模型存在缺陷，将弹出警告（图3）。若发现缺陷，需在打印前修复模型；若无缺陷，则点击 Output。
- 确认外环完整后，输入命令 Part | Export part | as STL | Save。使用上述步骤检测内环是否存在缺陷。
- 完成模型检测后，需设计打印路径。打开切片软件，点击 File | Load model file，选择一个 STL 文件后点击 Open 进行导入。
- 单击鼠标左键选择部件的移动轨迹，并调整部件位置。在屏幕左侧，将打印速度设置为 30 mm/s，打印温度设置为 210 °C，热床温度设置为 80 °C（图4）。
- 点击 Toolpath to SD，将文件以 Gcode 格式保存，以生成打印路径（图3）。
- 启动 3D 打印机，在主界面点击 Preheating 按钮，将热床预热温度设为 80 °C，喷嘴温度设为 210 °C。当温度升至预设值后，点击 Print，选择目标文件并点击 Confirm 开始打印。
- 首先打印外环（图5a）。底部支撑网格构建完成后，打印喷嘴开始逐层垂直构建外环（图5b - d）。此过程约需 13 分钟。
- 外环成型后，打印机喷嘴继续在右侧制作内环（图5c,d），耗时约 8 分钟。
- 冷却并成型后，将两个部件从平台取下（图5e,f）。
4. 绝对误差的测量
- 为测量绝对误差，随机选取五个打印零件。使用游标卡尺测量并记录每个零件的参数，测量精度选择为 0.02 mm。
- 计算每个零件的平均误差以及绝对误差的误差范围（图 6a,b）。
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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 |
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重印与许可
