Articolo metodologico

Applicazione della stampa 3D nella costruzione dell'anello di foro di Burr per impianti di stimolazione cerebrale profonda

DOI:

10.3791/59560

⸱

7 settembre 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

In questo articolo

Sommario

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

Qui presentiamo un protocollo per dimostrare la stampa 3D nella costruzione di impianti di stimolazione cerebrale profonda.

Abstract

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

La stampa 3D è stata ampiamente applicata in campo medico fin dagli anni '80, in particolare nella chirurgia, come la simulazione preoperatoria, l'apprendimento anatomico e la formazione chirurgica. Questo aumenta la possibilità di utilizzare la stampa 3D per costruire un impianto neurochirurgico. I nostri lavori precedenti hanno preso come esempio la costruzione dell'anello del foro di bava, descritto il processo di utilizzo di software come computer aided design (CAD), Pro/Engineer (Pro/E) e stampante 3D per la costruzione di prodotti fisici. Cioè, un totale di tre passaggi sono necessari, il disegno di immagine 2D, la costruzione di immagine 3D di anello foro burr, e utilizzando una stampante 3D per stampare il modello fisico di anello foro burr. Questo protocollo mostra che l'anello di burr foro in fibra di carbonio può essere stampato rapidamente e con precisione dalla stampa 3D. Ha indicato che sia i software CAD che Pro/E possono essere utilizzati per costruire l'anello del foro di bava mediante l'integrazione con i dati di imaging clinico e la stampa 3D applicata ulteriormente per rendere i singoli materiali di consumo.

Introduzione

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La stampa 3D è stata applicata in campo medico fin dagli anni '80, in particolare in chirurgia per simulazione preoperatoria, apprendimento anatomico e formazione chirurgica1. Ad esempio, nelle operazioni cerebrovascolari, la simulazione preoperatoria può essere condotta utilizzando modelli vascolari stampati in 3D2. Con lo sviluppo della stampa 3D, la consistenza, la temperatura, la struttura e il peso dei vasi sanguigni cerebrali possono essere simulati nella massima misura degli scenari clinici. I tirocinanti possono eseguire operazioni chirurgiche come il taglio e la serraggio su tali modelli. Questa formazione è molto importante per i chirurghi3,4,5. Attualmente, i cerotti in titanio formati dalla stampa 3D sono stati gradualmente applicatianche 6, poiché le protesi del cranio sviluppate dalla stampa 3D dopo l'imaging e la ricostruzione sono altamente conformi. Tuttavia, lo sviluppo e l'applicazione della stampa 3D in neurochirurgia è ancora limitata.

L'anello del foro della bava, come parte del dispositivo di fissaggio del piombo, è stato ampiamente utilizzato nella stimolazione cerebrale profonda (DBS)7,8,9,10. Tuttavia, gli anelli del foro di bava attuali sono realizzati da produttori di dispositivi medici in base alle specifiche e alle dimensioni unificate. Questo anello foro bava standard non è sempre adatto a tutte le condizioni, come malformazione del cranio e atrofia del cuoio capelluto. Può aumentare le incertezze di funzionamento e ridurre la acurracia. L'emergere della stampa 3D permette di sviluppare anelli di foro personalizzate per i pazienti in scenari clinici5. Allo stesso tempo, l'anello di burr foro, che non è facile da ottenere, non è favorevole a un'estesa dimostrazione preoperatoria e formazione chirurgica1.

Per affrontare i problemi di cui sopra, abbiamo proposto di costruire un anello foro bava con stampa 3D. Uno studio precedente nel nostro laboratorio ha descritto un innovativo anello di foro di bava per DBS11. In questo studio, questo innovativo anello di foro di bava sarà considerato un ottimo esempio per mostrare il processo di produzione dettagliato. Pertanto, lo scopo di questo studio è quello di fornire un processo di modellazione e un processo tecnico dettagliato di costruzione di un anello foro solido utilizzando la stampa 3D.

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Protocollo

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1. Disegno di un'immagine bidimensionale (2D) di un anello di foro

  1. Aprire il software CAD (Computer Aided Design) 2D e quindi creare un documento grafico.
  2. Fare clic su Disegna . Linea e disegnare un punto di riferimento con una linea continua sul disegno. Fare clic su Modifica . Offsete digitare la distanza di offset specifica nella riga di comando.
  3. Fare clic sull'oggetto e premere con il pulsante sinistro del mouse per creare una linea continua. Fare clic su Modifica . Taglia, selezionare l'area da tagliare e fare clic sulla linea aggiuntiva.
  4. Prendiamo ad esempio l'anello interno del foro della bava, disegna tre diverse viste dell'anello interno in base alle dimensioni predeterminate nel software CAD. In primo luogo, disegnare la vista frontale e modificare il grafico con attenzione fino a quando non corrisponde alla struttura prevista (Figura 1d).
  5. Disegnare la vista dall'alto facendo clic su Disegna Linea per costruire prima il punto di riferimento e poi fare clic su Disegna. Proprietà Circle . Centro, Diametroe immettere il valore quantitativo di un raggio specifico del cerchio o del diametro nella finestra di comando. Fare clic al centro del punto di riferimento per formare un cerchio (Figura 1f).
  6. Disegnare la vista sinistra dell'anello del foro di bava interno con lo stesso approccio della vista frontale (Figura 1e).
  7. Fare clic su Quota Diametro, quindi fare clic sulla circonferenza per contrassegnare il diametro del cerchio (Figura 1f).
  8. Fare clic su Quota Lineare e contrassegnare la lunghezza e lo spessore di tutte le strutture associate(Figura 1d,e). Fare clic su Quota . Raggio per contrassegnare l'angolo della camera (Figura 1d).
  9. Utilizzando lo stesso protocollo, costruire disegni bidimensionali dell'anello foro della bava esterna e contrassegnare le dimensioni effettive e l'etichettatura (Figura 1a- c).
  10. Aggiungere requisiti tecnici del processo di produzione, tra cui forza, robustezza e mancanza di crepe. Inoltre, è necessario levigare la parete esterna.
  11. Clink on Save per salvare l'immagine 2D dell'anello del foro della bava.
    NOTA: Tutte queste strutture di cui sopra sono nelle unità di millimetri (mm).

2. Costruzione di un'immagine 3D dell'anello del foro della bava

  1. Avviare il software di disegno 3D (vedere la Tabella dei materiali). Selezionare Nuovo . Proprietà Part (Parte) Solido e deselezionare utilizzando il modello di default. Selezionate part_solid nelle nuove opzioni del file e fate clic su Ok per creare una nuova interfaccia per l'impostazione di un modello di parte fisica.
  2. Fare clic sulla funzione Parte nel gestore di menu a destra e selezionare Crea Proprietà Solid . Aggiungi foglio. Nel menu a discesa SOLID, selezionare Ruota Fatto. Fare clic sulla traccia dello schizzo preliminare. Selezionare il piano "frontale" come piano di schizzo, quindi fare clic su Default in SKET VIEW.
  3. Selezionare la linea tratteggiata sulla barra degli strumenti destra della finestra e disegnare la sezione superiore della parte nello schizzo bidimensionale. Le dimensioni specifiche devono essere soggette al disegno bidimensionale. Quindi fate clic su Conformità (Conform)e selezionate Fatto (Done) nella finestra di protrusione (Protrusion Window). Fare clic sull'icona del piano Datum.
  4. In Gestione menu, selezionare Crea . Proprietà Solid . Aggiungi foglioe Ruota Fatto. Fare clic su Bilaterale nel menu delle proprietà e scegliere Fine.
  5. Fare clic su Front Proprietà Forward . Predefinito e poi piano Datum Linea punteggiata per costruire la sezione trasversale del gancio dell'anello esterno del foro della bava. Quindi fate clic su Conforme seguito a Fatto in Gestione menu. Immettere "50" in Angolo nella direzione indicata[45.0000], quindi fare clic su Fine nella finestra Protrusione e infine fare clic sul pulsante Colorazione.
    N.B.: L'unità dell'angolo è di grado.
  6. Selezionare Ridefinisci nella funzione parte e fare clic sulla struttura della linea del gancio. Inserire il comando Section Proprietà Define . Schizzo.
  7. Fare clic sull'icona della linea punteggiata, creare due rilievo quadrati sulla sezione hook, quindi inserire il comando OK Proprietà Done . Colorazione.
  8. Fare clic sull'icona dell'asse Datum, quindi immettere il comando Inserisci un Croce, fare clic sull'asse centrale della struttura della linea, fare clic su Angolo nel piano di Riferimento, quindi fare clic sul piano "anteriore" nella vista della struttura della linea. Fare clic sul valore di input nel menu di offset. Immettere "-45" in"Angolo nella direzione indicata[45.0000].
    N.B.: L'unità dell'angolo è di grado.
  9. Fare clic su Caratteristiche . Metodo Copy . Specchio. Fare clic sull'hook come oggetto e comando di input Fatto selezionare Fatto. Fare clic sul piano di datum per completare la copia. Allo stesso modo, i due ganci rimanenti vengono copiati in questo modo. Fare clic sull'icona Crea cerchio concentrico per costruire un cerchio con un raggio di 7,23 mm, fare clic sull'icona Segmentazione delle primitive in corrispondenza dei punti selezionati per rimuovere le linee non necessarie del cerchio.
  10. Fare clic sul pulsante Linea continua nella barra degli strumenti a destra per creare una sezione completa del muro esterno. Quindi immettere il comando OK Fatto.
    NOTA: l'unità del raggio è millimetristica (mm).
  11. Immettere "4" in Enter depth, quindi fare clic su Colorazione. Inserire il comando Mirror Fatto. Quindi fare clic sull'oggetto e fare clic su Fine. Fare clic sul piano di datum per completare la copia.
  12. Inserire il comando Copia Proprietà Mirror . Fattoclic su Fatto e selezionare due muri esterni in direzioni diverse, fare clic su Fine per conformarsi. Fare clic sul piano di datum per completare la copia.
  13. Immettere il comando Visualizza . Impostazioni del modello Colore e aspetto Aggiungere. Regolare il cursore del colore RGB e regolare il colore su marrone per visualizzare i dettagli grafici in modo più visivo. Quindi immettere il comando Close Proprietà Settings (Impostazioni) OK.
  14. Fare clic sul pulsante Eliminata linee nascoste, fare clic sul pulsante Crea cerchio concentrico, continuare a creare uno spigolo esterno sul muro esterno, fare clic sul pulsante Segmentazione delle primitive nei punti selezionati per rimuovere le linee in eccesso, quindi fare clic sul pulsante Linea continua per collegare lo spigolo esterno appena aggiunto in una sezione completa. Fare clic su OK.
  15. Ingresso "0.8" in Inter depth. Fate clic su OK nella finestra Protrusione. In Gestione menu, immettere il comando Copia Proprietà Mirror . Fatto. Fare clic sull'oggetto e quindi su Fatto. Inserire il comando Genera benchmark Offset.
    NOTA: l'unità della profondità è millimetria (mm).
  16. Fare clic sul valore Input nell'offset e immettere "0.4" come Isometrica della direzione specificata,quindi fare clic su Fatto.
    NOTA: l'unità dell'offset è millimetristica (mm).
  17. Inserire il comando Copia Proprietà Mirror . Fatto, fare clic sul muro esterno. Inserire il comando Fatto selezionare Fatto. Fare clic su Fine selezione e fare clic su Fine. Fare clic sul tratteggio dell'immagine per completare la copia. In questo modo, l'operazione dello specchio della parete esterna e della goffratura quadrata viene completata rispettivamente.
  18. Inserire il comando File Copia, selezionare Salva formato come STL (stl) nel menu a discesa Tipo di parte, immettere il numero di parte e fare clic su Ok.
  19. Nella finestra di dialogo Output STL, regolare l'altezza della corda su 0,006 e il controllo dell'angolo su 0,00001. Inserire il comando Applica OK.
  20. Utilizzare gli stessi metodi sopra utilizzati per creare l'immagine 3D dell'anello interno.

3. Utilizzo della stampante 3D per stampare il modello fisico dell'anello del foro della bava

  1. Aprire il software di rilevamento del modello, inserire il comando Progetto Apri, scegli un file STL nella finestra di dialogo a comparsa Apri file, quindi fai clic su Apri. In questo software, verrà visualizzato un avviso se vengono rilevati difetti in questo modello (Figura 3). Se trovato, riparare il modello prima della stampa. Se non sono presenti difetti, fare clic su Output.
  2. Dopo aver confermato che l'anello esterno è completo, inserire il comando Part Sezione di esportazione come STL Salva. Utilizzare le istruzioni precedenti per rilevare i difetti dell'anello interno.
  3. Dopo il rilevamento del modello, il percorso di stampa deve essere progettato. Aprire il software di sezionamento, fare clic su File Carica file modello, fare clic su un file STL e fare clic su Apri per importare.
  4. Fare clic con il pulsante sinistro del mouse per scegliere la traccia mobile della parte, regolare la posizione delle parti. Sul lato sinistro dello schermo, impostare la velocità di stampa su 30 mm/s, la temperatura di stampa a 210 gradi centigradi e la temperatura del letto a 80 gradi centigradi(Figura 4).
  5. Fare clic su Percorsoutensile a SD per salvare il file in formato Gcode e generare il percorso stampato (Figura 3).
  6. Avviare le stampanti 3D, fare clic sul pulsante Preriscaldamento sull'interfaccia principale, impostare la temperatura di preriscaldamento del letto a 80 gradi centigradi e la temperatura dell'ugello a 210 . Fare clic su Stampa quando la temperatura raggiunge il valore preimpostato, selezionare il file di destinazione e fare clic su Conferma per avviare la stampa.
  7. L'anello esterno verrà stampato per primo (Figura 5a). Dopo aver costruito la griglia di supporto inferiore, l'ugello di stampa inizia a costruire l'anello esterno verticalmente per strato (Figura 5b- d). Questo processo richiede circa 13 min.
  8. Dopo la formazione dell'anello esterno, l'ugello della stampante continua a fare l'anello interno sul lato destro (Figura 5c,d), che richiede circa 8 min.
  9. Rimuovere entrambe le parti dalla piattaforma dopo il raffreddamento e la formazione (Figura 5e,f).

4. Misurazione dell'errore assoluto

  1. Per misurare l'errore assoluto, selezionare cinque parti stampate in modo casuale. Misurare e registrare i parametri di ogni parte con pinze Vernier. Scegliere la precisione di misurazione a 0,02 mm.
  2. Calcolare l'errore medio di ogni parte e l'intervallo di errore dell'errore assoluto (Figura 6a,b).

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Risultati

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Tre viste di immagini 2D sono state costruite attraverso software CAD commerciale (vedere la Tabella dei Materiali). In queste immagini sono stati aggiunti anche requisiti tecnici e di dimensioni pratiche (Figura 1). Inoltre, i dati tridimensionali sono stati costruiti in (Figura 2) e salvati in formato STL (Figura 3). Come presentato in Figura 4, parti ...

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Discussione

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Questi risultati hanno mostrato che il software utilizzato era praticabile per costruire modelli 3D di anelli di foro di bava (Figura 1 e Figura 2), e la stampa 3D può essere utilizzata per costruire modelli solidi con materiali designati ( Figura4). In termini di dimensioni del modello solido, si è verificato un errore assoluto da 0 a 0,59 mm determinato attraverso la misurazione effettuata dalle pinze Vernier (

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Dichiarazioni

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Gli autori non hanno nulla da rivelare.

Ringraziamenti

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Questo lavoro è supportato da sovvenzioni dal Fondo di Scienza Naturale della Provincia del Guangdong (N. 2017A030313597) e dalla Southern Medical University (N. . LX2016N006, No. KJ20161102).

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Materiali

Elenco dei materiali utilizzati in questo articolo
NomeAziendaNumero di catalogoCommenti
Adobe Photoshop versione 14.0Sistema Adobe? US_Disponibile solo con un abbonamento a pagamento.
Stampante 3D Allcct Allccttechnology co., LTD, WuHan, Cina201807A794124CN
Allcct_YinKe_V1.1Allcct technology co., LTD, WuHan, CinaIl software è fornito dal produttore della stampante 3D e non vi è alcun numero di catalogo associato ad esso
AutoCAD 2004Autodesk co., LTD? US666-12345678Software per modelli 2D
Carbon FibreAllcct technology co., LTD, WuHan, CinaPLA175Ø 5181Ø 3Ø BIl materiale è fornito dal produttore di stampanti 3D
Netfabb Studio Basic 4.9Autodesk co., LTD? US-Ilsoftware è fornito da un produttore di stampanti 3D ed è aperto all'accesso
a Pro/E 2001Parametric Technology Corporation, PTC, US_Software per modelli 3D; Disponibile solo con un abbonamento a pagamento.
Pinza a corsoio   Pechino Blue Light Machinery Electricity Instrument Co,. LTD, CinaGB/T 1214.1-1996 

Riferimenti

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