심부 뇌 자극 임플란트용 버 홀 링 시공시 3D 프린팅 적용

요약

여기서, 우리는 심부 뇌 자극 임플란트의 구성에서 3D 프린팅을 입증하는 프로토콜을 제시한다.

초록

3D 프린팅은 1980년대 부터 의료 분야에서 널리 적용되어 왔으며, 특히 수술 전 시뮬레이션, 해부학 학습 및 외과 훈련과 같은 수술에 널리 적용되어 왔습니다. 이것은 신경 외과 임플란트를 건설하기 위하여 3D 인쇄를 사용하는 가능성을 제기합니다. 우리의 이전 작품은 예를 들어 버 홀 링의 건설을했다, 컴퓨터 지원 설계 (CAD), 프로 / 엔지니어 (프로 / E) 및 3D 프린터와 같은 소프트웨어를 사용하여 실제 제품을 구성하는 과정을 설명했다. 즉, 총 3단계가 필요하며, 2D 이미지의 드로잉, 버 홀 링의 3D 이미지 의 구성, 3D 프린터를 사용하여 버 홀 링의 물리적 모델을 인쇄하는 것이 요구된다. 이 프로토콜은 탄소 섬유로 만들어진 버 홀 링이 3D 프린팅으로 신속하고 정확하게 성형될 수 있음을 보여줍니다. CAD 및 Pro/E 소프트웨어를 모두 사용하여 임상 이미징 데이터와 통합하고 개별 소모품을 만들기 위해 3D 프린팅을 적용하여 버 홀 링을 구성할 수 있음을 나타냅니다.

서론

3D 프린팅은 1980년대부터 의료 분야에서 적용되어 왔으며, 특히 수술 전 시뮬레이션, 해부학 학습 및 외과 훈련을 위한 수술^1. 예를 들어, 뇌혈관 수술에서 수술 전 시뮬레이션은 3D 프린팅 된 혈관 모델^2를사용하여 수행 될 수있다. 3D 프린팅의 발달로 대뇌 혈관의 질감, 온도, 구조 및 무게를 임상 시나리오의 가장 큰 범위까지 시뮬레이션 할 수 있습니다. 연수생은 이러한 모델에 절단 및 클램핑과 같은 수술 작업을 수행 할 수 있습니다. 이 훈련은 외과 의사에 매우 중요하다^3,4,5. 현재 3D 프린팅으로 형성된 티타늄 패치도 점진적으로^적용되고있으며, 이미징 및 재구성 후 3D 프린팅으로 개발된 두개골 보철물도 매우 상류감이 높기 때문이다. 그러나 신경 외과에서 3D 프린팅의 개발 및 적용은 여전히 제한적입니다.

버홀링은 리드 고정 장치의 일부로, 심부 뇌 자극(DBS)^7,8,9,10에널리 사용되고 있다. 그러나 현재 버 홀 링은 통합 사양 및 치수에 따라 의료 기기 제조업체에서 제작합니다. 이 표준 버 홀 링은 두개골 기형 및 두피 위축과 같은 모든 조건에 항상 적합하지는 않습니다. 그것은 작동의 불확실성을 증가시키고 acurracy를 감소시킬 수 있습니다. 3D 프린팅의 출현으로 임상^시나리오5에서 환자를 위한 개별화된 버 홀 링을 개발할 수 있습니다. 동시에, 구하기 쉽지 않은 버 홀 링은 광범위한 수술 전 시연 및 수술 훈련에 도움이되지 않습니다^1.

위에서 언급한 문제를 해결하기 위해 3D 프린팅을 통해 버 홀 링을 구성할 것을 제안했습니다. 우리 실험실의 이전 연구는 DBS^11에대한 혁신적인 버 홀 링을 설명했습니다. 이 연구에서, 이 혁신적인 버 홀 링은 상세한 생산 공정을 전시하는 훌륭한 예로 간주됩니다. 따라서 본 연구의 목적은 3D 프린팅을 사용하여 솔리드 버 홀 링을 구축하는 모델링 프로세스 및 상세한 기술적 프로세스를 제공하는 것입니다.

프로토콜

1. 버 홀 링의 2 차원 (2D) 이미지 그리기

1. CAD(2D 컴퓨터 지원 설계) 소프트웨어를 연 다음 그래픽 문서를 작성합니다.
2. 그리기 | 클릭 도면에 실선이 있는 참조점을 선을 그리고 그립니다. 수정을 클릭합니다. 오프셋을하고 명령줄에 특정 간격띄우기 거리를 입력합니다.
3. 개체를 클릭하고 왼쪽 마우스 버튼을 눌러 실선을 만듭니다. 수정을 클릭합니다. 잘라내고트리밍할 영역을 선택하고 추가 선을 클릭합니다.
4. 예를 들어, 내부 버 홀 링을 취하고, CAD 소프트웨어에서 미리 결정된 크기에 기초하여 내부 링의 세 가지 다른 뷰를 그립니다. 먼저, 전면 뷰를 그리고 예상된 구조와 일치할 때까지 그래프를 신중하게 수정합니다(그림1d).
5. 그리기 | 을 클릭하여 상단 뷰 그리기 먼저 참조점을 구성한 다음 그리기 | 을 클릭합니다. 서클 | 중심, 지름및 명령 창에서 원 또는 지름의 특정 반지름의 정량값을 입력합니다. 참조점의 중심을 클릭하여 원을형성합니다(그림 1f).
6. 전면 뷰와 동일한 접근 법으로 내부 버 구멍 링의 왼쪽 뷰를그립니다(그림 1e).
7. 측정기준 클릭 | 지름을클릭한 다음 원둘레를 클릭하여 원의 지름을 표시합니다(그림1f).
8. 측정기준 클릭 | 모든 연관된 구조물의 길이와 두께를 선형으로 표시합니다(그림1d,e). 측정기준 | 챔버의 각도를 표시하는 반경(도1d).
9. 동일한 프로토콜을 사용하여 외부 버 홀 링의 2차원 도면을 구성하고 실제 크기와 라벨링을 표시합니다(도1a-c).
10. 강도, 인성 및 균열 부족을 포함하여 생산 공정의 기술적 요구 사항을 추가합니다. 또한, 외부 벽의 평활이 필요합니다.
11. 저장에 클링버 구멍 링의 2D 이미지를 저장합니다.
    참고: 위에서 언급한 이러한 모든 구조는 밀리미터(mm)의 단위입니다.

2. 버 홀 링의 3D 이미지 구성

1. 3D 도면 소프트웨어를 시작합니다(재료 표참조). 새로 선택 | 일부 | 기본 템플릿을 사용하여솔리드 및 선택 취소. 새 파일 옵션에서 part_solid를 선택하고 확인을 클릭하여 실제 부품 모델을 설정하기 위한 새 인터페이스를 작성합니다.
2. 오른쪽 메뉴 관리자에서 부품 기능을 클릭하고 만들기 | 솔리드 | 시트를 추가합니다. SOLID 드롭다운 메뉴에서 회전을 선택 | 완료 . 예비 스케치의 흔적을 클릭합니다. "앞면" 평면을 스케치 평면으로 선택한 다음 SKET 뷰에서 기본값을 클릭합니다.
3. 창의 오른쪽 도구 모음에서 점선을 선택하고 2차원 스케치에서 파트의 상단 단면을 그립니다. 특정 크기는 2차원 도면의 적용을 받습니다. 그런 다음 [순응]을클릭하고 돌출창에서 완료를 선택합니다. 데이텀 평면 아이콘을 클릭합니다.
4. 메뉴 관리자에서 만들기를 선택 | 솔리드 | 시트 추가및 회전 | 완료 . 속성 메뉴에서 양측을 클릭하고 완료 를 클릭합니다.
5. 정면 | 클릭 앞으로 | 디폴트 및 데이텀 평면 | 외부 버 구멍 링의 후크의 횡단면을 구성하는 점선입니다. 그런 다음 메뉴 관리자에서 완료 다음순응을 클릭합니다. 표시된 방향으로 각도에서 "50"을 입력한 다음[45.0000]및 돌출 창에서 완료를 클릭하고 마지막으로 색칠 하기 버튼을 클릭합니다.
   참고: 각도의 단위는 정도(°)입니다.
6. 부품 피쳐에서 재정의를 선택하고 후크의 선 구조를 클릭합니다. 입력 명령 섹션 | 정의 | 스케치.
7. 점선 아이콘을 클릭하고 후크 섹션에 두 개의 사각형 엠보싱을 만든 다음 입력 명령 확인 | 완료 | 착색.
8. 데이텀 축 아이콘을 클릭한 다음 데이텀 삽입 명령을 입력 | 교차,선 구조의 중심 축을 클릭하고 데이텀 평면에서 각도를 클릭한 다음 선 구조 뷰에서 "앞면" 평면을 클릭합니다. 오프셋 메뉴에서 입력 값을 클릭합니다. 입력 "-45""표시된 방향으로 각도[45.0000].
   참고: 각도의 단위는 정도(°)입니다.
9. 기능 | 클릭 카피 | 미러. 개체 및 입력 명령 완료 선택으로 후크를 클릭 | 완료 . 데이텀 평면을 클릭하여 복사본을 완료합니다. 마찬가지로 나머지 두 후크는 이러한 방식으로 복사됩니다. 동심 원 만들기를 클릭하여 반지름이 7.23mm인 원을 구성하고 선택한 점 아이콘에서 원형의 세분화를 클릭하여 원의 불필요한 선을 제거합니다.
10. 오른쪽 도구 모음에서 실선 버튼을 클릭하여 전체 외부 벽 단면을 작성합니다. 그런 다음 입력 명령 확인 | 완료 .
    참고: 반지름의 단위는 밀리미터(mm)입니다.
11. 입력 "4" 입력 깊이,다음 을 클릭 합니다 . 입력 명령 미러 | 완료 . 그런 다음 개체를 클릭하고 완료 를 클릭합니다. 데이텀 평면을 클릭하여 복사본을 완료합니다.
12. 입력 명령 복사 | 미러 | 완료하고서로 다른 방향으로 두 개의 외부 벽을 선택하고 완료를 클릭하여 준수합니다. 데이텀 평면을 클릭하여 복사본을 완료합니다.
13. 입력 명령 보기 | 모델 설정 | 색상 및 외관 | 을 추가합니다. RGB 색상 슬라이더를 조정하고 색상을 갈색으로 조정하여 그래픽 세부 정보를 보다 시각적으로 표시합니다. 그런 다음 닫기 명령을 입력 | 설정 | 확인 .
14. 숨겨진 선을 제거하는 단추를 클릭하고 동심 원 만들기를클릭하고, 바깥쪽 벽에 외부 모서리를 만들고, 선택한 점 버튼에서 원형의 세분화를 클릭하여 초과 선을 제거하고 새로 추가된 외부 모서리를 전체 섹션에 연결하는 실선 버튼. 확인을 클릭합니다.
15. 입력 "0.8" 인터 깊이. 돌출 창에서 확인을 클릭합니다. 메뉴 관리자에서 명령 복사 | 입력 미러 | 완료 . 개체를 클릭하고 완료를 클릭합니다. 입력 명령 생성 벤치마크 | 오프셋.
    참고: 깊이의 단위는 밀리미터(mm)입니다.
16. 간격띄우기에서 입력 값을 클릭하고 지정된 방향의 아이소메트릭으로"0.4"를 입력한 다음 완료를 클릭합니다.
    주: 오프셋의 단위는 밀리미터(mm)입니다.
17. 입력 명령 복사 | 미러 | 완료,외부 벽을 클릭합니다. 입력 명령 완료 선택 | 완료 . 완료 선택을 클릭하고 완료를 클릭합니다. 복사본을 완료하려면 이미지의 데이텀을 클릭합니다. 이와 같은 방식으로, 외벽과 정사각형 엠보싱의 미러 동작이 각각 완료된다.
18. 명령 파일 입력 | 복사, 부품 유형 드롭다운 메뉴에서 STL(*stl)으로 저장 형식을 선택하고 부품 번호를 입력하고 확인을클릭합니다.
19. 출력 STL 대화 상자에서 코드 높이를 0.006으로 조정하고 각도 컨트롤을 0.00001로 조정합니다. 입력 명령 적용 | 확인 .
20. 위와 동일한 방법을 사용하여 내부 링의 3D 이미지를 작성합니다.

3. 3D 프린터를 사용하여 버 홀 링의 실제 모델을 인쇄합니다.

1. 모델 감지 소프트웨어 열기, 명령 프로젝트 입력 | 열기, 파일 열기 대화 상자에서 STL 파일 하나를 선택한 다음 열기를클릭합니다. 이 소프트웨어에서는 이 모델에서 결함이 감지되면 경고가표시됩니다(그림 3). 발견된 경우 인쇄하기 전에 모델을 복구합니다. 결함이 없는 경우 출력을 클릭합니다.
2. 외부 링이 완료된 것을 확인한 후 명령 부분을 입력 | 수출 부품 | STL | 저장합니다. 위의 지침을 사용하여 내부 링의 결함을 감지하십시오.
3. 모델 감지 후 인쇄된 경로를 설계해야 합니다. 슬라이스 소프트웨어를 열고 파일을 클릭 | 모델 파일을 로드하려면STL 파일 하나를 클릭하고 열기를 클릭하여 가져올 수 있습니다.
4. 왼쪽 마우스 버튼을 클릭하여 부품의 이동 트랙을 선택하고 부품의 위치를 조정합니다. 화면 왼쪽에 인쇄 속도를 30mm/s로 설정하고 인쇄 온도를 210°C로, 침대 온도를 80°C로 설정합니다(그림4).
5. SD에 대한 도구 경로를 클릭하여 파일을 Gcode 형식으로 저장하여 인쇄된 경로를 생성합니다(그림3).
6. 3D 프린터를 시작하고 메인 인터페이스의 예열 버튼을 클릭하고 침대의 예열 온도를 80 °C로 설정하고 노즐 온도를 210 °C로 설정하십시오. 온도가 미리 설정된 값으로 올라가면 인쇄를 클릭하고 대상 파일을 선택하고 확인을 클릭하여 인쇄를 시작합니다.
7. 외부 링이 먼저 인쇄됩니다(그림5a). 바닥 지지 그리드가 시공된 후, 프린팅 노즐은 외부 링을 층별로 수직으로 구성하기시작한다(도 5b - d). 이 프로세스는 약 13분이 소요됩니다.
8. 외부 링이 형성된 후 프린터 노즐은 약 8분 정도 걸리는오른쪽(그림 5c,d)의내부 링을 계속 만듭니다.
9. 냉각 및 형성 된 후 플랫폼에서 두 부품을 모두 제거하십시오(그림 5e,f).

4. 절대 오차의 측정

1. 절대 오차를 측정하려면 5개의 인쇄된 부분을 임의로 선택합니다. Vernier 캘리퍼스로 각 부품의 파라미터를 측정하고 기록합니다. 0.02mm에서 측정 정확도를 선택합니다.
2. 각 부품의 평균 오차와 절대 오차의 오차 범위를 계산합니다(그림6a,b).

결과

상용 CAD 소프트웨어를 통해 2D 이미지의세 가지 뷰를 구축했습니다(재료 표 참조). 이러한 이미지에는 실용적인 크기와 기술적 요구 사항도 추가되었습니다(그림1). 또한, 3차원 데이터를(도 2)로구성하고 STL 형식으로 저장하였다(도3). 그림 4에제시된 바와 같이, 고체 부품은 프린터의 플랫폼에 구축되었다. 이들 부분의 5개 그룹을 선택하여 절대 오차 및 오차 범위를 계산하였다(도6a,b). 결과는 외부 링에서 최대 절대 오차와 최소 절대 오차가 허리의 외부 직경과 상단의 두께에서 각각 발견된 것으로 나타났습니다. 내부 링에서 최대 절대 오차...

토론

이러한 결과는 버 홀 링의 3D 모델을 구축하는 데 사용되는 소프트웨어가 실용적임을 보여주었습니다(그림1 및 그림 2),3D 프린팅을 사용하여 지정된 재료로 솔리드 모델을 구축할 수 있습니다(그림4). 솔리드 모델의 크기면에서 Vernier 캘리퍼스에 의한 측정을 통해 0 ~0.59 mm의 절대 오차가 결정되었습니다(그림6). 이러한 절대 오류는 인쇄 기기의 품질과 같은 여러 요인에서 비롯되기 때문에 어느 정도 는 오류가 불가피합니다. 산업용 프린터는 더 나은 정밀도를 가질 수 있습니다. 또한 더 작고 정밀한 부품을 제작할 때 절대 오차가 더 분명해합니다. 일반적으로, 도 3에도시된 바와 같이, 3D 프린팅에 의해 모델을 구성하고 고체 모델을 더욱 형성하는 공정이 ...

재료

이 논문에 사용된 재료 목록

이름	회사	카탈로그 번호	댓글
어도비 포토샵 버전 14.0	어도비 시스템? US	_	유료 구독에서만 사용할 수 있습니다.
Allcct 3D 프린터	Allcct technology co., LTD, WuHan, China	201807A794124CN
Allcct_YinKe_V1.1	Allcct technology co., LTD, WuHan, China		소프트웨어는 3D 프린터 제조업체에서 제공하며 이와 관련된 카탈로그 번호가 없습니다
AutoCAD 2004	Autodesk co., LTD? US	666-12345678	2D 모델용 소프트웨어
Carbon Fiber	Allcct technology co., LTD, WuHan, China	PLA175Ø 5181&오슬래시; 3&오슬래시; B	재료는 3D 프린터 제조업체
Netfabb Studio Basic 4.9	Autodesk co., LTD에서 제공합니까? 미국	-	이 소프트웨어는 3D 프린터 제조업체에서 제공하며
Pro / E 2001	Parametric Technology Corporation, PTC, 3D	_	있습니다. 유료 구독에서만 사용할 수 있습니다.
버니어 캘리퍼	베이징 블루 라이트 기계 전기 악기 공동. LTD, 중국	GB/T  1214.1-1996년.