Methodenartikel

Toepassing van 3D-printen in de bouw van Burr hole ring voor diepe hersenstimulatie implantaten

DOI:

10.3791/59560

⸱

7 september 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 dit artikel

Samenvatting

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

Hier presenteren we een protocol om 3D-printen te demonstreren bij de bouw van diepe hersenstimulatie implantaten.

Samenvatting

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

3D-printen is op grote schaal toegepast in de medische praktijk sinds de jaren 1980, vooral in chirurgie, zoals preoperatieve simulatie, anatomische leren en chirurgische training. Dit verhoogt de mogelijkheid om 3D-printen te gebruiken om een neurochirurgisch implantaat te bouwen. Onze vorige werken namen de bouw van de Burr hole ring als voorbeeld, beschreef het proces van het gebruik van softwares zoals computer aided design (CAD), Pro/Engineer (Pro/E) en 3D-printer om fysieke producten te construeren. Dat wil doen, een totaal van drie stappen zijn vereist, de tekening van 2D-beeld, de bouw van 3D-beeld van Burr hole ring, en het gebruik van een 3D-printer om het fysieke model van Burr hole ring af te drukken. Dit protocol laat zien dat de Burr hole ring gemaakt van koolstofvezel snel en nauwkeurig kan worden gevormd door 3D printen. Het gaf aan dat zowel CAD-als Pro/E-software kan worden gebruikt om de Burr-gatring te construeren via integratie met de klinische beeldvormings gegevens en verder toegepaste 3D-afdrukken om de individuele verbruiksartikelen te maken.

Inleiding

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

3D-printen is toegepast in de medische praktijk sinds de jaren 1980, vooral in chirurgie voor preoperatieve simulatie, anatomische leren en chirurgische training1. Bijvoorbeeld, in cerebrovasculaire operaties, preoperatieve simulatie kan worden uitgevoerd met behulp van 3D gedrukte vasculaire modellen2. Met de ontwikkeling van 3D-printen kunnen de textuur, temperatuur, structuur en het gewicht van cerebrale bloedvaten worden gesimuleerd in de grootste mate van klinische scenario's. Stagiairs kunnen chirurgische ingrepen uitvoeren, zoals snijden en klemmen op dergelijke modellen. Deze training is erg belangrijk voor de chirurgen3,4,5. Momenteel, Titanium patches gevormd door 3D-printen zijn ook geleidelijk toegepast6, aangezien de schedel protheses ontwikkeld door 3D Printing na beeldvorming en reconstructie zijn zeer conformaal. De ontwikkeling en toepassing van 3D-printen in Neurochirurgie is echter nog steeds beperkt.

De Burr hole ring, als onderdeel van de lead fixatie apparaat, is op grote schaal gebruikt in diepe hersenstimulatie (DBS)7,8,9,10. Echter, de huidige Burr hole ringen worden gemaakt door fabrikanten van medische apparatuur volgens de uniforme specificaties en afmetingen. Deze standaard Burr hole ring is niet altijd geschikt voor alle omstandigheden, zoals schedel malformatie en hoofdhuid atrofie. Het kan de onzekerheid van de werking vergroten en de acurratie verminderen. De opkomst van 3D-printen maakt het mogelijk geïndividualiseerde Burr-gatringen te ontwikkelen voor patiënten in klinische scenario's5. Tegelijkertijd is de Burr hole ring, die niet gemakkelijk te verkrijgen is, niet bevorderlijk voor uitgebreide preoperatieve demonstratie en chirurgische training1.

Om de bovengenoemde problemen aan te pakken, hebben we voorgesteld om een Burr hole ring te bouwen met 3D Printing. Een eerdere studie in ons laboratorium beschreef een innovatieve Burr hole ring voor DBS11. In deze studie wordt deze innovatieve Burr hole ring beschouwd als een uitstekend voorbeeld om het gedetailleerde productieproces te vertonen. Daarom is het doel van deze studie om een modelleringsproces te bieden en een gedetailleerd technisch proces van het bouwen van een solide Burr hole ring met behulp van 3D-printen.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Protocol

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

1. tekening van een tweedimensionale (2D)-afbeelding van een Burr hole ring

  1. Open de 2D computer aided design (CAD)-software en maak vervolgens een grafisch document.
  2. Klik op tekenen | Lijn en teken een referentiepunt met een ononderbroken lijn op de tekening. Klik op wijzigen | Offseten typ de specifieke offset afstand in de opdrachtregel.
  3. Klik op het object en druk op de linker muisknop om een ononderbroken lijn te maken. Klik op wijzigen | Trim, selecteer het gebied dat u wilt bijsnijden en klik op de extra lijn.
  4. Neem de binnenste Burr hole ring bijvoorbeeld, tekenen drie verschillende standpunten van de binnenste ring op basis van de vooraf bepaalde grootte in de CAD-software. Teken eerst de vooraanzicht en pas de grafiek zorgvuldig aan totdat deze overeenkomt met de verwachte structuur (Figuur 1d).
  5. Teken de bovenste weergave door te klikken op tekenen | Lijn om eerst het referentiepunt te construeren en klik vervolgens op Draw | Cirkel | Midden, diameteren invoer van de kwantitatieve waarde van een specifieke straal van cirkel of diameter in het opdrachtvenster. Klik op het midden van het referentiepunt om een cirkel te vormen (Figuur 1f).
  6. Teken de linker weergave van de binnenste Burr hole ring met dezelfde benadering als die van de Vooraanzicht (Figuur 1e).
  7. Klik op Dimension | Diameteren klik vervolgens op de omtrek om de diameter van de cirkel te markeren (Figuur 1f).
  8. Klik op Dimension | Lineair en markeer de lengte en dikte van alle geassocieerde structuren (Figuur 1d, e). Klik op dimensie | Straal om de hoek van de kamer te markeren (Figuur 1d).
  9. Met behulp van hetzelfde protocol, construeren tweedimensionale tekeningen van de buitenste Burr hole ring, en markeer de werkelijke grootte en de labeling (Figuur 1a-c).
  10. Voeg technische vereisten toe van het productieproces, inclusief sterkte, taaiheid en gebrek aan scheuren. Bovendien is het effenen van de buitenwand nodig.
  11. Clink op Save om het 2D-beeld van de Burr hole ring op te slaan.
    Opmerking: al deze bovengenoemde structuren bevinden zich in de eenheden millimeter (mm).

2. bouw van een 3D-beeld van de Burr hole ring

  1. Start de 3D-tekensoftware (Zie de tabel met materialen). Selecteer Nieuw | Deel | Effen en haal het vinkje weg met de standaardsjabloon. Selecteer part_solid in nieuwe Bestandsopties en klik op OK om een nieuwe interface te maken voor het instellen van een fysiek onderdeel model.
  2. Klik op onderdeel functie in de menu manager aan de rechterkant en selecteer maken | Solid | Voeg een blad toe. Selecteer in het vervolgkeuzemenu effen roteren | Gedaan. Klik op het spoor van de voorlopige schets. Selecteer het "voorste" vlak als het schets vlak en klik vervolgens op standaard onder SKET weergave.
  3. Selecteer de stippellijn op de rechter werkbalk van het venster en teken het bovenste gedeelte van het onderdeel in de tweedimensionale schets. De specifieke grootte is onderworpen aan de tweedimensionale tekening. Klik vervolgens op conformiteiten selecteer done in het uitsteeksel venster van uitsteeksel. Klik op het pictogram datum vlak .
  4. In menu beheer, selecteer maken | Solid | Blad toevoegenen roteren | Gedaan. Klik op bilateraal in het menu eigenschappen en klik op gereed.
  5. Klik op voorkant | Forward | Standaard en vervolgens datum vlak | Stippellijn om de dwarsdoorsnede van de haak van de buitenste Braam opening ring te construeren. Klik vervolgens op conformiteit gevolgd door gedaan in menu manager. Ingang "50" in de aangegeven richting [45.0000], en klik vervolgens op gedaan in het uitsteeksel venster en tenslotte, klik op de kleurplaat knop.
    Opmerking: de eenheid van de hoek is graden (°).
  6. Selecteer opnieuw definiëren in de onderdeel functie en klik op de lijnstructuur van de haak. Voer de commando sectie | Definiëren | Schets.
  7. Klik op het pictogram met de stippellijn , maak twee vierkante embossments op de haak sectie en voer vervolgens de opdracht OK | Gedaan | Kleuring.
  8. Klik op het pictogram datum-as en voer vervolgens de opdracht een datum invoegen | Kruis, klik op de middelste as van de lijnstructuur, klik op hoek in datum vlak en klik vervolgens op het "voorste" vlak in de lijnstructuur weergave. Klik op invoerwaarde in het menu verschuiving . Ingang "-45" in "hoek in aangegeven richting [45.0000].
    Opmerking: de eenheid van de hoek is graden (°).
  9. Klik op functies | Kopiëren | Mirror. Klik op de haak als het object en de invoer opdracht gedaan selecteren | Gedaan. Klik op het datum vlak om de kopie te voltooien. Evenzo worden de resterende twee haken op deze manier gekopieerd. Klik op concentrische cirkel maken om een cirkel met een straal van 7,23 mm te construeren, klik op de segmentering van primitieven op het pictogram geselecteerde punten om de onnodige lijnen van de cirkel te verwijderen.
  10. Klik op de knop ononderbroken lijn in de rechter werkbalk om een volledig buitenste wand gedeelte te maken. Voer vervolgens de opdracht in OK | Gedaan.
    Opmerking: de eenheid van de straal is millimeter (mm).
  11. Input "4" in Enter diepte, klik dan op kleuring. De commando spiegel invoeren | Gedaan. Klik vervolgens op het object en klik op gereed. Klik op het datum vlak om de kopie te voltooien.
  12. Voer het commando- exemplaar in | Spiegel | Gedaanen selecteer twee buitenste wanden in verschillende richtingen, klik op gereed om te voldoen. Klik op het datum vlak om de kopie te voltooien.
  13. De opdracht weergave invoeren | Model instellingen | Kleur en uiterlijk | Toevoegen. Pas de RGB-kleurschuifregelaar aan en stel de kleur in op bruin om de grafische details visueel weer te geven. Voer vervolgens de opdracht sluiten | Instellingen | OK.
  14. Klik op de knop om Verborgen lijnen te elimineren, klik op de concentrische cirkel maken, ga door met het maken van een buitenste rand op de buitenste muur, klik op de segmentering van primitieven op de knop geselecteerde punten om overtollige lijnen te verwijderen en klik op de Ononderbroken lijn knop om de nieuw toegevoegde buitenrand aan te sluiten op een complete sectie. Klik op OK.
  15. Input "0,8" in Inter diepte. Klik op OK in het venster uitsteeksel . In menu beheer, voer de opdracht copy | Spiegel | Gedaan. Klik op het object en klik op gereed. Invoer van de opdracht genereren benchmark | Offset.
    Opmerking: de eenheid van de diepte is millimeter (mm).
  16. Klik op de invoerwaarde in de verschuiving en voer "0,4" als de isometrisch van de opgegeven richtingen klik vervolgens op gereed.
    Opmerking: de eenheid van de offset is millimeter (mm).
  17. Voer het commando- exemplaar in | Spiegel | Klaaris, klikt u op de buitenste wand. Invoer van de opdracht gedaan selecteren | Gedaan. Klik op gereed selecteren en klik op gereed. Klik op de datum van de afbeelding om de kopie te voltooien. Op deze manier wordt de spiegel werking van de buitenste wand en de vierkante reliëf respectievelijk voltooid.
  18. Voer het commando bestand in | Kopieer, selecteer formaat opslaan als STL (* STL) in de vervolgkeuzelijst onderdeeltype, voer onderdeelnummer in en klik op OK.
  19. Stel in het dialoogvenster uitvoer STL de akkoord hoogte in op 0,006 en de hoek regelaar naar 0,00001. Invoer van de opdracht toepassen | OK.
  20. Gebruik dezelfde methoden als hierboven om het 3D-beeld van de binnenste ring te bouwen.

3.3D-printer gebruiken om het fysieke model van de Burr hole ring af te drukken

  1. De software voor het opsporen van modellen openen, de opdracht project invoeren | Open, kies een STL-bestand in het pop-upvenster bestand openen en klik vervolgens op openen. In deze software wordt een waarschuwing weergegeven als defecten in dit model worden gedetecteerd (Figuur 3). Repareer het model indien gevonden voordat u het afdrukt. Als er geen defecten zijn, klikt u op uitvoer.
  2. Nadat u hebt bevestigd dat de buitenste ring is voltooid, voert u het commando deel | Onderdeel exporteren | Als STL | Opslaan. Gebruik de bovenstaande instructies om de defecten van de binnenste ring te detecteren.
  3. Na de model detectie moet het afgedrukte pad worden ontworpen. Open de snijden-software, klik op bestand | Laad model bestand, klik op een STL-bestand en klik op openen om te importeren.
  4. Klik met de linker muisknop om het bewegende spoor van het onderdeel te kiezen, pas de positie van onderdelen aan. Stel aan de linkerzijde van het scherm de afdruksnelheid in op 30 mm/s, druk de temperatuur af op 210 °C en de bedtemperatuur tot 80 °C (Figuur 4).
  5. Klik op Toolpath naar SD om het bestand in gcode-indeling op te slaan om het afgedrukte pad te genereren (Figuur 3).
  6. Start de 3D-printers, klik op de Voorverwarmingknop op de Hoofdinterface, stel de voorverwarmings temperatuur van het bed in op 80 °c en de nozzle-temperatuur tot 210 °c. Klik op afdrukken wanneer de temperatuur stijgt tot de vooraf ingestelde waarde, selecteer het doelbestand en klik op bevestigen om het afdrukken te starten.
  7. De buitenste ring wordt eerst gedrukt (Figuur 5a). Nadat het onderste steun rooster is geconstrueerd, begint de druk mondstuk de buitenste ring verticaal laag te construeren (Figuur 5b-d). Dit proces duurt ongeveer 13 minuten.
  8. Nadat de buitenste ring is gevormd, blijft het mondstuk van de printer de binnenste ring aan de rechterkant maken (Figuur 5c, d), wat ongeveer 8 minuten duurt.
  9. Verwijder beide delen van het platform na het koelen en worden gevormd (Figuur 5e, f).

4. meting van de absolute fout

  1. Als u de absolute fout wilt meten, selecteert u vijf afgedrukte onderdelen willekeurig. Meet en noteer de parameters van elk onderdeel met Vernier remklauwen. Kies de meetnauwkeurigheid bij 0,02 mm.
  2. Bereken de gemiddelde fout van elk onderdeel en het fouten bereik van de absolute fout (Figuur 6a, b).

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Resultaten

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

Drie weergaven van 2D-afbeeldingen werden gebouwd via commerciële CAD-software (Zie de tabel met materialen). In deze beelden zijn ook de praktische afmetingen en technische eisen toegevoegd (Figuur 1). Verder werden driedimensionale gegevens geconstrueerd (Figuur 2) en opgeslagen in STL-formaat (Figuur 3). Zoals weergegeven in Figuur 4, werden massieve ...

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Discussie

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

Deze resultaten toonden aan dat de gebruikte software haalbaar was om 3D-modellen van Burr hole Rings te bouwen (Figuur 1 en Figuur 2), en 3D-printen kan worden gebruikt om solide modellen met aangewezen materialen te bouwen (Figuur 4). In termen van de grootte van het vaste model was er een absolute fout van 0 tot 0,59 mm, bepaald door de meting door de Vernier remklauwen (Figuur 6). Tot op zekere hoog...

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Openbaarmakingen

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

De auteurs hebben niets te onthullen.

Dankbetuigingen

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

Dit werk wordt ondersteund door subsidies uit het Fonds voor Natuurwetenschappen van de provincie Guangdong (No. 2017A030313597) en Southern Medical University (No. LX2016N006, nee. KJ20161102).

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Materialen

Lijst van materialen gebruikt in dit artikel
NaamBedrijfCatalogusnummerOpmerkingen
Adobe Photoshop Version 14.0Adobe System?US_Alleen beschikbaar met een betaald abonnement.
Allcct 3D printerAllcct technology co., LTD, WuHan, China201807A794124CN
Allcct_YinKe_V1.1Allcct technology co., LTD, WuHan, ChinaDe software wordt geleverd door de 3D printerfabrikant en er is geen catalogusnummer aan verbonden
AutoCAD 2004Autodesk co., LTD?US666-12345678Software voor 2D-modellen
Carbon FibreAllcct technology co., LTD, WuHan, ChinaPLA175Ø5181Ø3ØBHet materiaal wordt geleverd door de 3D printerfabrikant
Netfabb Studio Basic 4.9Autodesk co., LTD?US-De software wordt geleverd door een 3D printerfabrikant en is open voor toegang
Pro/E 2001Parametric Technology Corporation, PTC, US_Software voor 3D-modellen; Alleen beschikbaar met een betaald abonnement.
Vernier caliper  Beijing Blue Light Machinery Electricity Instrument Co,. LTD, ChinaGB/T 1214.1-1996 

Referenties

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

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Herprints en machtigingen

Toestemming aanvragen om de tekst of afbeeldingen van dit JoVE-artikel te hergebruiken

Toestemming aanvragen

Trefwoorden

3D printencomputerondersteund ontwerpenPro Engineerconstructie van 3D modellengenereren van STL bestandenslicing softwareinstellingen voor printsnelheidlaag voor laag printen

Gerelateerde artikelen