Artículo de método

Aplicación de la impresión 3D en la construcción del anillo de agujero de rebaba para implantes de estimulación cerebral profunda

DOI:

10.3791/59560

⸱

7 de septiembre de 2019

 ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  , 
1Department of Neurosurgery, Nanfang Hospital, Southern Medical University, 2Department of Neurosurgery, Zhujiang Hospital, Southern Medical University, 3Faculty of Brain Sciences, University of College London

* These authors contributed equally

En este artículo

Resumen

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Aquí, presentamos un protocolo para demostrar la impresión 3D en la construcción de implantes de estimulación cerebral profunda.

Resumen

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

La impresión 3D se ha aplicado ampliamente en el campo médico desde la década de 1980, especialmente en cirugía, como la simulación preoperatoria, el aprendizaje anatómico y el entrenamiento quirúrgico. Esto aumenta la posibilidad de utilizar la impresión 3D para construir un implante neuroquirúrgico. Nuestros trabajos anteriores tomaron la construcción del anillo de agujero de rebaba como un ejemplo, describió el proceso de uso de softwares como diseño asistido por computadora (CAD), Pro/Engineer (Pro/E) e impresora 3D para construir productos físicos. Es decir, se requieren un total de tres pasos, el dibujo de la imagen 2D, la construcción de la imagen 3D del anillo de agujero de rebaba, y el uso de una impresora 3D para imprimir el modelo físico del anillo de agujero de rebaba. Este protocolo muestra que el anillo de orificio de rebaba hecho de fibra de carbono se puede moldear rápida y precisamente mediante impresión 3D. Indicó que los softwares CAD y Pro/E se pueden utilizar para construir el anillo de orificio de rebaba mediante la integración con los datos de imágenes clínicas y la impresión 3D aplicada para fabricar los consumibles individuales.

Introducción

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

La impresión 3D se ha aplicado en el campo médico desde la década de 1980, especialmente en cirugía para simulación preoperatoria, aprendizaje anatómico y formación quirúrgica1. Por ejemplo, en operaciones cerebrovasculares, la simulación preoperatoria se puede llevar a cabo utilizando modelos vasculares impresos en 3D2. Con el desarrollo de la impresión 3D, la textura, temperatura, estructura y peso de los vasos sanguíneos cerebrales se pueden simular en la mayor medida de los escenarios clínicos. Los aprendices pueden realizar operaciones quirúrgicas como cortar y sujetar estos modelos. Este entrenamiento es muy importante para los cirujanos3,4,5. Actualmente, los parches de titanio formados por la impresión 3D también se han aplicado gradualmente6,ya que las prótesis de cráneo desarrolladas por la impresión 3D después de la toma de imágenes y la reconstrucción son altamente conformes. Sin embargo, el desarrollo y la aplicación de la impresión 3D en neurocirugía sigue siendo limitado.

El anillo de orificio de rebaba, como parte del dispositivo de fijación de plomo, ha sido ampliamente utilizado en la estimulación cerebral profunda (DBS)7,8,9,10. Sin embargo, los anillos de agujeros de rebaba actuales son fabricados por fabricantes de dispositivos médicos de acuerdo con las especificaciones y dimensiones unificadas. Este anillo de agujero de rebaba estándar no siempre es adecuado para todas las condiciones, como la malformación del cráneo y la atrofia del cuero cabelludo. Puede aumentar las incertidumbres de funcionamiento y reducir la acurración. La aparición de la impresión 3D permite desarrollar anillos de agujero de rebaba individualizados para pacientes en escenarios clínicos5. Al mismo tiempo, el anillo de agujero de rebaba, que no es fácil de obtener, no es propicio para una extensa demostración preoperatoria y entrenamiento quirúrgico1.

Para abordar los problemas mencionados anteriormente, propusimos construir un anillo de agujero de rebaba con impresión 3D. Un estudio anterior en nuestro laboratorio describió un innovador anillo de agujero de rebaba para DBS11. En este estudio, este innovador anillo de agujero de rebaba será considerado como un excelente ejemplo para exhibir el proceso de producción detallado. Por lo tanto, el propósito de este estudio es proporcionar un proceso de modelado y un proceso técnico detallado de construcción de un anillo de agujero de rebaba sólida utilizando impresión 3D.

Acceso restringido. Inicie sesión o comience una prueba gratuita para ver este contenido.

Protocolo

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

1. Dibujar una imagen bidimensional (2D) de un anillo de agujero de rebaba

  1. Abra el software de diseño asistido por ordenador (CAD) 2D y, a continuación, cree un documento gráfico.
  2. Haga clic en Dibujar (Draw) Linee y dibuje un punto de referencia con una línea sólida en el dibujo. Haga clic en Modificar (Mod. ) Desfasey escriba la distancia de desfase específica en la línea de comando.
  3. Haga clic en el objeto y pulse con el botón izquierdo del ratón para crear una línea sólida. Haga clic en Modificar (Mod. ) Recortar, seleccione el área a recortar y haga clic en la línea adicional.
  4. Tome mosqueo el anillo de orificio de rebaba interior, por ejemplo, dibuje tres vistas diferentes del anillo interior en función del tamaño predeterminado en el software CAD. En primer lugar, dibuje la vista frontal y modifique el gráfico cuidadosamente hasta que coincida con la estructura esperada (Figura 1d).
  5. Dibuje la vista superior haciendo clic en Dibujar ( Draw) Línea para construir el punto de referencia primero y luego haga clic en Dibujar . Círculo de círculos de la ciudad de Centro, Diámetroe introduzca el valor cuantitativo del radio específico de círculo o diámetro en la ventana de comandos. Haga clic en el centro del punto de referencia para formar un círculo(Figura 1f).
  6. Dibuje la vista izquierda del anillo de agujero de rebaba interior con el mismo enfoque que el de la vista frontal(Figura 1e).
  7. Haga clic en Dimensión (Dimension) Diámetro, y luego haga clic en la circunferencia para marcar el diámetro del círculo (Figura 1f).
  8. Haga clic en Dimensión (Dimension) Lineal y marque la longitud y el grosor de todas las estructuras asociadas(Figura 1d,e). Haga clic en Dimensión (Dimension) Radio para marcar el ángulo de la cámara(Figura 1d).
  9. Usando el mismo protocolo, construya dibujos bidimensionales del anillo de agujero de rebaba exterior y marque el tamaño real y el etiquetado(Figura 1a - c).
  10. Agregue los requisitos técnicos del proceso de producción, incluyendo la resistencia, la dureza y la falta de grietas. Además, se necesita un alisado de la pared exterior.
  11. Clink on Guardar para guardar la imagen 2D del anillo de agujero de rebaba.
    NOTA: Todas estas estructuras mencionadas anteriormente se encuentran en las unidades de milímetros (mm).

2. Construcción de una imagen 3D del anillo de agujero de rebaba

  1. Inicie el software de dibujo 3D (consulte la Tabla de materiales). Seleccione Nuevo ( New ) Piezas de la Sólido y desmarque utilizando la plantilla predeterminada. Seleccione part_solid en las nuevas opciones de archivo y haga clic en Aceptar para crear una nueva interfaz para configurar un modelo de pieza físico.
  2. Haga clic en la función Pieza en el administrador de menús de la derecha y seleccione Crear . Sólidos ? Añadir hoja. En el menú desplegable SOLID, seleccione Rotar . Hecho. Haga clic en el trazado del boceto preliminar. Seleccione el plano "frontal" como plano de croquis y, a continuación, haga clic en predeterminado en Vista SKET.
  3. Seleccione la línea de puntos en la barra de herramientas derecha de la ventana y dibuje la sección superior de la pieza en el croquis bidimensional. El tamaño específico estará sujeto al dibujo bidimensional. A continuación, haga clic en Conformary seleccione Listo en la ventana Protrusión de protrusión. Haga clic en el icono plano de referencia.
  4. En el administrador de menús, seleccione Crear . Sólidos ? Añadir hoja, y Rotar ? Hecho. Haga clic en Bilateral en el menú de propiedades y haga clic en Listo.
  5. Haga clic en El frente de la parte de la parte de la parte Adelante ( Forward ) Por defecto y, a continuación, plano de referencia ( Datum plane) Línea de puntos para construir la sección transversal del gancho del anillo de orificio de rebaba exterior. A continuación, haga clic en Conformar seguido de Hecho en el administrador de menús. Introduzca "50" en el ángulo en la dirección indicada[45.0000]y luego haga clic en Hecho en la ventana Protrusión y, finalmente, haga clic en el botón Colorear.
    NOTA: La unidad del ángulo es grado (o).
  6. Seleccione Redefinir en la operación de pieza y haga clic en la estructura de línea del gancho. Ingrese la sección de comandos ? Definir ? Croquis.
  7. Haga clic en el icono Línea de puntos, cree dos relieves cuadrados en la sección de gancho y, a continuación, en el comando de entrada Aceptar . Hecho a la vez Colorear.
  8. Haga clic en el icono del eje de referencia y, a continuación, introduzca el comando Insertar un dato de referencia . Cruzar, haga clic en el eje central de la estructura de líneas, haga clic en Angulo en el plano de referencia y, a continuación, haga clic en el plano "frontal" en la vista de estructura de línea. Haga clic en el valor de entrada en el menú de desplazamiento. Entrada "-45" en "Angulo en dirección indicada[45.0000].
    NOTA: La unidad del ángulo es grado (o).
  9. Haga clic en Características de la página de la página de la página de Copiar ? Espejo. Haga clic en el gancho como el objeto y el comando de entrada Listo seleccionar ? Hecho. Haga clic en el plano de referencia para completar la copia. Del mismo modo, los dos ganchos restantes se copian de esta manera. Haga clic en Crear círculo concéntrico para construir un círculo con un radio de 7,23 mm, haga clic en el icono Segmentación de primitivas en puntos seleccionados para eliminar las líneas innecesarias del círculo.
  10. Haga clic en el botón Línea sólida de la barra de herramientas derecha para crear una sección completa del muro exterior. A continuación, introduzca el comando OK ( OK) Hecho.
    NOTA: La unidad del radio es milimétrica (mm).
  11. Introduzca "4" en Introducir profundidady, a continuación, haga clic en Colorear. Introduzca el comando Espejo ( Mirror) Hecho. A continuación, haga clic en el objeto y haga clic en Listo. Haga clic en el plano de referencia para completar la copia.
  12. Ingrese el comando Copiar ? Espejo de espejos ( Espejo) Hechoy seleccione dos muros exteriores en direcciones diferentes, haga clic en Listo para ajustarse. Haga clic en el plano de referencia para completar la copia.
  13. Introduzca el comando Ver ( View) Configuración del modelo ? Color y apariencia ? Añadir. Ajuste el control deslizante de color RGB y ajuste el color a marrón para mostrar los detalles gráficos de forma más visual. A continuación, introduzca el comando Cerrar ? Configuraciones ? OK.
  14. Haga clic en el botón Eliminación de líneas ocultas, haga clic en el círculo concéntrico Crear, continúe creando un borde exterior en el muro exterior, haga clic en el botón Segmentación de primitivas en los puntos seleccionados para eliminar el exceso de líneas y haga clic en el botón Botón de línea sólida para conectar el borde exterior recién agregado en una sección completa. Haga clic en Aceptar.
  15. Entrada "0.8" en Profundidad Inter. Haga clic en Aceptar en la ventana Protrusión. En el gestor de menús, introduzca el comando Copiar . Espejo de espejos ( Espejo) Hecho. Haga clic en el objeto y haga clic en hecho. Ingrese el comando Generar punto de referencia ? Desplazamiento.
    NOTA: La unidad de la profundidad es milimétrica (mm).
  16. Haga clic en el valor de entrada en el desfase e introduzca "0.4" como isométrico de la dirección especificaday, a continuación, haga clic en Listo.
    NOTA: La unidad del desplazamiento es milimétrica (mm).
  17. Ingrese el comando Copiar ? Espejo de espejos ( Espejo) Hecho ,haga clic en la pared exterior. Ingrese el comando Listo seleccione ? Hecho. Haga clic en Listo seleccione y haga clic en Listo. Haga clic en el dato de la imagen para completar la copia. De esta manera, la operación del espejo de la pared exterior y el grabado cuadrado se completan respectivamente.
  18. Ingrese el comando Archivo ? Copiar, seleccione guardar formato como STL (*stl) en el menú desplegable Tipo de pieza, introduzca el número de pieza y haga clic en Aceptar.
  19. En el cuadro de diálogo STL de salida, ajuste la altura del acorde a 0,006 y el control de ángulo a 0,00001. Ingrese el comando Aplicar ? OK.
  20. Utilice los mismos métodos que los anteriores para construir la imagen 3D del anillo interior.

3. Uso de la impresora 3D para imprimir el modelo físico del anillo de agujero de rebaba

  1. Abra el software de detección de modelos, introduzca el comando Proyecto Abra, elija un archivo STL en el cuadro de diálogo emergente Abrir archivo y, a continuación, haga clic en Abrir. En este software, aparecerá una advertencia si se detectan defectos en este modelo(Figura 3). Si se encuentra, repare el modelo antes de imprimir. Si no hay defectos, haga clic en Salida.
  2. Después de confirmar que el anillo exterior está completo, ingrese el comando Parte de la parte Exportar parte ? como STL ? Guardar. Utilice las instrucciones anteriores para detectar los defectos del anillo interior.
  3. Después de la detección del modelo, es necesario diseñar la ruta impresa. Abra el software de corte, haga clic en Archivo . Cargar archivode modelo , haga clic en un archivo STL y haga clic en Abrir para importar.
  4. Haga clic en el botón izquierdo del ratón para elegir la pista móvil de la pieza, ajustar la posición de las piezas. En el lado izquierdo de la pantalla, ajuste la velocidad de impresión a 30 mm/s, la temperatura de impresión a 210 oC y la temperatura de la cama a 80 oC(figura 4).
  5. Haga clic en Trayectoria de herramienta a SD para guardar el archivo en formato Gcode para generar la ruta impresa(Figura 3).
  6. Inicie las impresoras 3D, haga clic en el botón Precalentamiento en la interfaz principal, establezca la temperatura de precalentamiento de la cama en 80 oC y la temperatura de la boquilla a 210 oC. Haga clic en Imprimir cuando la temperatura aumente hasta el valor preestablecido, seleccione el archivo de destino y haga clic en Confirmar para iniciar la impresión.
  7. El anillo exterior se imprimirá primero(Figura 5a). Después de construir la rejilla de soporte inferior, la boquilla de impresión comienza a construir el anillo exterior verticalmente capa por capa (Figura 5b- d). Este proceso tarda unos 13 minutos.
  8. Después de que se forma el anillo exterior, la boquilla de la impresora continúa haciendo el anillo interior en el lado derecho(Figura 5c,d), que toma alrededor de 8 min.
  9. Retire ambas partes de la plataforma después de enfriarse y formarse(Figura 5e,f).

4. Medición del error absoluto

  1. Para medir el error absoluto, seleccione cinco piezas impresas aleatoriamente. Mida y registre los parámetros de cada pieza con pinzas Vernier. Elija la precisión de medición en 0,02 mm.
  2. Calcular el error medio de cada parte y el intervalo de errores del error absoluto(Figura 6a,b).

Acceso restringido. Inicie sesión o comience una prueba gratuita para ver este contenido.

Resultados

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Tres vistas de imágenes 2D se construyeron a través de software CAD comercial (ver la Tabla de Materiales). En estas imágenes también se han añadido requisitos prácticos de tamaño y técnicos(Figura 1). Además, los datos tridimensionales se construyeron en (Figura 2) y se guardaron en formato STL (Figura 3). Como se presenta en la Figura 4,las piezas sóli...

Acceso restringido. Inicie sesión o comience una prueba gratuita para ver este contenido.

Discusión

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Estos resultados mostraron que el software utilizado era factible para construir modelos 3D de anillos de agujeros de rebaba(Figura 1 y Figura 2),y la impresión 3D se puede utilizar para construir modelos sólidos con materiales designados(Figura 4). En cuanto al tamaño del modelo sólido, hubo un error absoluto de 0 a 0,59 mm determinado a través de la medición realizada por las pinzas Vernier(Figura 6)....

Acceso restringido. Inicie sesión o comience una prueba gratuita para ver este contenido.

Divulgaciones

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Los autores no tienen nada que revelar.

Agradecimientos

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Este trabajo está respaldado por subvenciones del Fondo de CienciaS Naturales de la Provincia de Guangdong (No 2017A030313597) y la Universidad Médica del Sur (No. LX2016N006, No. KJ20161102).

Acceso restringido. Inicie sesión o comience una prueba gratuita para ver este contenido.

Materiales

Lista de materiales utilizados en este artículo
NombreEmpresaNúmero de catálogoComentarios
Adobe Photoshop versión 14.0¿Sistema Adobe? US_Solo disponible con una suscripción de pago.
Impresora 3D AllcctAllcct technology co., LTD, WuHan, China201807A794124CN
Allcct_YinKe_V1.1Allcct technology co., LTD, WuHan, ChinaEl software es proporcionado por el fabricante de la impresora 3D y no hay ningún número de catálogo asociado con él
AutoCAD 2004Autodesk co., LTD? US666-12345678Software para modelos 2D
Fibra de carbonoAllcct technology co., LTD, WuHan, ChinaPLA175 y Oslash; 5181 y Oslash; 3 y Oslash; BEl material es proporcionado por el fabricante de impresoras 3D
Netfabb Studio Basic 4.9Autodesk co., LTD? US-Elsoftware es proporcionado por un fabricante de impresoras 3D y está abierto al acceso
Pro/E 2001Parametric Technology Corporation, PTC, US_Software para modelos 3D; Solo disponible con una suscripción de pago.
Calibre Vernier   Beijing Blue Light Machinery Electricity Instrument Co,. LTD, ChinaGB/T  1214.1-1996 y ensp;

Referencias

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. 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).
  2. Mashiko, T., et al. Development of three-dimensional hollow elastic model for cerebral aneurysm clipping simulation enabling rapid and low cost prototyping. World Neurosurgery. 83 (3), 351-361 (2015).
  3. Chae, M. P., et al. Emerging Applications of Bedside 3D Printing in Plastic Surgery. Frontiers in Surgery. 2, 25(2015).
  4. Doyle, B. J., et al. Improved assessment and treatment of abdominal aortic aneurysms: the use of 3D reconstructions as a surgical guidance tool in endovascular repair. Irish Journal of Medical Science. 178 (3), 321-328 (2009).
  5. Kimura, T., et al. Simulation of and training for cerebral aneurysm clipping with 3-dimensional models. Neurosurgery. 65 (4), 719-725 (2009).
  6. Park, E. K., et al. Cranioplasty Enhanced by Three-Dimensional Printing: Custom-Made Three-Dimensional-Printed Titanium Implants for Skull Defects. Journal of Craniofacial Surgery. 27 (4), 943-949 (2016).
  7. Ray, C. D. Burr-hole ring-cap and electrode anchoring device. Technical note. Journal of Neurosurgery. 55 (6), 1004-1006 (1981).
  8. Yamamoto, T., Katayama, Y., Kobayashi, K., Oshima, H., Fukaya, C. Dual-floor burr hole adjusted to burr-hole ring and cap for implantation of stimulation electrodes. Technical note. Journal of Neurosurgery. 99 (4), 783-784 (2003).
  9. Wharen, R. E., Putzke, J. D., Uitti, R. J. Deep brain stimulation lead fixation: a comparative study of the Navigus and Medtronic burr hole fixation device. Clinical Neurology and Neurosurgery. 107 (5), 393-395 (2005).
  10. Patel, N. V., Barrese, J., Ditota, R. J., Hargreaves, E. L., Danish, S. F. Deep brain stimulation lead fixation after Stimloc failure. Journal of Clinical Neuroscience. 19 (12), 1715-1718 (2012).
  11. Chen, J., et al. 3-D printing for constructing the burr hole ring of lead fixation device in deep brain stimulation. Journal of Clinical Neuroscience. 58, 229-233 (2018).
  12. Hoang, D., Perrault, D., Stevanovic, M., Ghiassi, A. Surgical applications of three-dimensional printing: a review of the current literature & how to get started. Annals of Translational Medicine. 4 (23), (2016).
  13. Bustamante, S., Bose, S., Bishop, P., Klatte, R., Norris, F. Novel application of rapid prototyping for simulation of bronchoscopic anatomy. Journal of Cardiothoracic and Vascular Anesthesia. 28 (4), 1122-1125 (2014).
  14. Lan, Q., et al. Development of Three-Dimensional Printed Craniocerebral Models for Simulated Neurosurgery. World Neurosurgery. 91, 434-442 (2016).
  15. Li, W. Z., Zhang, M. C., Li, S. P., Zhang, L. T., Huang, Y. Application of computer-aided three-dimensional skull model with rapid prototyping technique in repair of zygomatico-orbito-maxillary complex fracture. The International Journal of Medical Robotics. 5 (2), 158-163 (2009).
  16. Wang, L., Cao, T., Li, X., Huang, L. Three-dimensional printing titanium ribs for complex reconstruction after extensive posterolateral chest wall resection in lung cancer. The Journal of Thoracic and Cardiovascular Surgery. 152 (1), e5-e7 (2016).
  17. Xu, N. F., et al. Reconstruction of the Upper Cervical Spine Using a Personalized 3D-Printed Vertebral Body in an Adolescent With Ewing Sarcoma. Spine. 41 (1), E50-E54 (2016).
  18. Brozova, H., Barnaure, I., Alterman, R. L., Tagliati, M. STN-DBS frequency effects on freezing of gait in advanced Parkinson disease. Neurology. 72 (8), 770(2009).
  19. Moreau, C., et al. STN-DBS frequency effects on freezing of gait in advanced Parkinson disease. Neurology. 71 (2), 80-84 (2008).
  20. Oyama, G., et al. Unilateral GPi-DBS as a treatment for levodopa-induced respiratory dyskinesia in Parkinson disease. Neurologist. 17 (5), 282-285 (2011).

Acceso restringido. Inicie sesión o comience una prueba gratuita para ver este contenido.

Reimpresiones y permisos

Solicitar permiso para reutilizar el texto o las figuras de este artículo de JoVE

Solicitar permiso

Etiquetas

Impresi n 3Ddise o asistido por computadoraPro Engineerconstrucci n de modelos 3Dgeneraci n de archivos STLsoftware de laminadoajustes de velocidad de impresi nimpresi n capa por capa

Artículos relacionados