3D打印技术在深部脑刺激植入术中骨窗环构建的应用
2019年9月7日
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。
3D打印技术使得为患者开发个性化的颅骨钻孔环成为可能。本方案提供了使用3D建模软件构建此类植入物的详细步骤。3D打印制品具有高效生产、低成本以及可定制的优点。
借助 3D 打印技术，患者可以获得高度个性化、符合其个体需求的植入物。要绘制一个骨窗环的二维图像，需在 2D CAD 软件程序中新建一个图形文档。点击“绘图”和“直线”，在图纸上用实线绘制一个参考点。
然后单击“修改”和“偏移”，在命令行中输入特定的偏移距离。要选择需要修剪的区域，单击“修改”和“修剪”，然后单击多余的线条。要绘制俯视图，单击“绘图”和“直线”以构建参考点，再单击“绘图”、“圆”和“中心-直径”，在命令窗口中输入圆的特定半径或直径的定量值。
然后单击参考点的中心以形成一个圆。接下来，采用与前视图相同的方法绘制内钻孔环的左视图。单击“尺寸”和“直径”，然后单击圆周以标注该圆的直径。
单击“尺寸”和“线性”以标注所有相关结构的长度和厚度。然后单击“尺寸”和“半径”以标注腔室的角度。采用相同的方法，绘制外层钻孔环的二维图，并标注实际尺寸和标签。
然后点击“保存”以保存颅骨钻孔环的二维图像。要绘制颅骨钻孔环的三维图像，请打开三维绘图软件程序，并选择前视平面作为草图平面。在草图视图下点击“默认”，然后选择虚线工具，在二维草图中绘制该部件的顶部截面。
单击“确认”和“完成”，然后单击基准平面图标。在菜单管理器中，依次选择“创建”、“实体”、“添加曲面”、“旋转”，然后单击“完成”。接着在属性菜单中单击“双向”，然后单击“完成”。
要构建外侧钻孔环钩状结构的横截面，请依次点击 前视图、向前、默认、基准平面 和 虚线。点击 确认 和 完成，在凸台的 角度 中输入 50，指定方向为 45，然后点击 完成。接着点击着色按钮。
接下来，在零件特征中选择“重新定义”，然后单击钩子的线结构。选择“截面”、“定义”和“草图”。单击虚线图标。
在钩状部分创建两个方形凸起，单击“确定”、“完成”和“着色”。单击基准访问图标，然后单击“插入基准”和“十字线”。单击线结构的中心轴。
在基准平面中单击角度，然后在线框结构视图中单击前视平面。接着在偏移菜单中单击输入值，输入角度为负45，并指定方向为45。单击特征，选择复制和镜像。
单击钩状物体作为对象，然后单击“选择”和“完成”。单击基准平面以完成复制，并以相同方式复制其余两个钩状物。接着单击“创建同心圆”以构建半径为 7.23 毫米的圆，然后单击“在选定位置分割图元”图标，以删除圆上不必要的线条。
要创建完整的外墙部分，请单击实线按钮，然后单击“确定”和“完成”。输入深度为四，然后单击着色。再单击镜像，然后单击完成。
单击对象，然后单击“完成”。接着单击基准平面以完成复制。为确认操作，依次单击“复制”、“镜像”和“完成”，并选择两个不同方向的外壁。
然后单击“完成”，再单击基准平面以完成复制。为增强图形细节，单击“视图”、“模型设置”、“颜色与外观”，选择“添加”，调节 RGB 颜色滑块至棕色。然后单击“关闭”、“设置”和“确定”。单击“消除隐藏线”按钮，再单击“创建同心圆”。
继续在外壁上创建外边缘，然后单击“在选定点分割基元”按钮以删除多余的线条。单击“实线”按钮，将新添加的外边缘连接成一个完整的截面，然后单击“确定”。在凸台窗口中输入深度为 0.8，然后单击“确定”。在菜单管理器中依次单击“复制”、“镜像”、“完成”，选择对象后再次单击“完成”。
单击“生成基准和偏移”，然后单击“偏移”中的输入值。接着在指定方向输入0.4作为等轴值，然后单击“完成”。单击“复制”、“镜像”和“完成”，然后单击外壁。
要完成外壁和方形凸纹的镜像操作，请单击“完成选择”和“完成”，然后单击图像的基准以完成复制。选择“文件”和“复制”，并将文件保存为 stl 格式。输入零件编号，然后单击“确定”。随后在输出 STL 对话框中，将弦高调整为 006，角度控制调整为 0.00001，单击“应用”和“确定”。要打印环状结构，请在模型检测软件中打开项目文件。
确认外环完整，然后单击“部件”，选择“将部件导出为STL”并保存。完成模型检测后，打开切片软件，单击“文件”和“加载模型文件”，打开一个stl文件。单击鼠标左键以选择部件的移动轨迹，并调整部件的位置。
将打印速度设置为30毫米每秒，打印温度设置为210摄氏度，热床温度设置为80摄氏度。然后点击“Tool Path to SD”以G代码格式保存文件并生成打印路径。当温度升至预设值后，点击“Print”，选择目标文件并确认以开始打印。
在构建完底部支撑网格后，打印喷嘴将开始逐层垂直构建外环。外环成型后，打印机喷嘴将在右侧打印内环。待两个环均冷却后，从平台取下模型。
此处针对五组已展示的加工零件计算了绝对误差和误差范围。结果表明，在外圈中，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；在内圈中，最大绝对误差出现在内径，最小绝对误差出现在顶部厚度。
总误差范围为 0.00、0.59。如果能够从图像中提取厚度信息，则 3D 和 MR 数据有望用于构建实际的颅骨钻孔环成像。本方案通过整合临床影像数据与 3D 打印技术，提供了一种快速且准确的方法，用于构建深部脑刺激植入体。
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概述
本文介绍了一种利用3D打印技术制备深部脑刺激植入物的实验方案。该方法可实现根据个体患者需求定制化的颅骨钻孔环的开发。
关键研究组成部分
科学领域
- 神经科学
- 生物医学工程
- 3D打印技术
背景
- 3D打印能够实现个性化医疗设备的生产。
- 深部脑刺激是多种神经系统疾病的治疗方法。
- 植入物的定制化可改善患者的治疗效果。
- 在医疗应用中，高效且具有成本效益的制造至关重要。
研究目的
- 演示3D打印技术在制造深部脑刺激植入物中的应用。
- 提供构建颅骨钻孔环的详细操作方案。
- 强调医疗植入物个性化定制的优势。
使用的方法
- 使用 3D 建模软件进行设计。
- 创建颅骨钻孔环的分步操作流程。
- 对产品效率和成本效益的评估。
- 根据个体患者解剖结构进行定制化设计。
主要结果
- 成功展示了3D打印颅骨钻孔环的应用。
- 产品效率高，制造成本低。
- 个性化定制可实现更贴合患者的植入物。
- 个体化植入物有望改善患者的治疗效果。
结论
- 3D打印是制造个性化医疗设备的一种可行方法。
- 该方案可针对神经科学中的多种应用进行调整。
- 仍需进一步研究以探索3D打印植入物的全部潜力。
常见问题
行业重要性概述
3D打印技术能够快速制造出针对患者个体化的神经外科植入物，减少对标准化部件的依赖，支持神经调控治疗中的个体化治疗策略。该方法通过将临床影像数据与增材制造技术相结合，提高了植入物适配性和手术规划的预测准确性。通过可重复、低成本的原型制作，该技术还有助于在早期阶段降低设备与组织界面设计的风险。
生物制药研发中的战略应用
早期发现与靶点验证
- 科学价值：能够针对解剖学目标迭代测试植入物几何结构，以优化器械-组织相互作用的假设。
- 操作价值：利用CAD软件和临床影像数据快速原型制作颅骨钻孔环，用于设计验证。
筛选与检测方法开发
- 科学价值：生成标准化的物理模型，用于评估手术工具的兼容性及植入力学性能。
- 操作价值：通过可重复的3D打印并结合可量化的误差容限，实现类似检测方法的植入物尺寸验证。
转化与临床前研究
- 科学价值：利用患者来源的解剖数据，可在临床前模型中评估植入物定位的准确性。
- 操作价值：能够在转化研究工作流程中规模化生产个体化植入物，用于慢性刺激研究。
流程与工作流整合
该方法连接了成像引导的设计与物理原型构建，适用于神经调控设备从发现到临床前研究的连续开发流程。
- 发现生物学：支持关于神经靶点激活最佳植入物几何形状的假设生成。
- 筛选：通过标准化打印与计量实现植入物原型的尺寸验证。
- 分析：提供定量误差指标（绝对误差、误差范围）以评估制造保真度。
- 转化研究：通过患者特异性植入物的制备，将设计迭代与临床前验证相连接。
- 企业级复用：为神经调控项目中患者特异性植入物的生产建立可重复使用的流程。
运营与企业影响
- 科学价值：通过解剖学保真度提高对植入物-组织界面设计的预测可信度。
- 操作价值：通过3D打印实现高产品效率、低成本和定制化。
- 战略价值：通过实现植入前适配验证，降低设备晚期失效风险。
- 产品组合影响：通过个体化原型制作，支持神经调节设备的风险调整式推进。
实施注意事项
- 需要具备计算机辅助设计软件（例如 Pro/E、2D CAD）和 3D 打印工作流程的专业知识。
- 依赖于获取临床影像数据以实现精确的解剖建模。
- 需要对文件格式（STL）和切片参数进行标准化，以确保输出结果的可重复性。
- 涉及打印速度、温度和打印平台附着力的校准，以实现稳定的逐层沉积。
- 受限于可打印基材的材料特性（例如碳纤维复合材料），在长期植入应用中存在局限性。
