Методическая статья

Применение 3D-печати при строительстве кольца Берр-Хоул для имплантатов глубокой стимуляции мозга

DOI:

10.3791/59560

⸱

7 сентября 2019 г.

 ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  , 
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

В этой статье

Краткое содержание

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

Здесь мы представляем протокол для демонстрации 3D-печати в конструкции имплантатов глубокой стимуляции мозга.

Аннотация

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

3D-печать широко применяется в медицинской области с 1980-х годов, особенно в хирургии, таких как предоперационное моделирование, анатомическое обучение и хирургическое обучение. Это повышает возможность использования 3D-печати для создания нейрохирургического имплантата. Наши предыдущие работы приняли строительство заусенца кольцо в качестве примера, описал процесс использования программного обеспечения, как компьютер с помощью дизайна (CAD), Pro / Инженер (Pro /E) и 3D принтер для создания физических продуктов. То есть требуется в общей сложности три шага: рисунок 2D-изображения, конструкция 3D-изображения заусенца, а также с помощью 3D-принтера для печати физической модели кольца заусенцев. Этот протокол показывает, что кольцо заусенцев из углеродного волокна может быть быстро и точно формованных с помощью 3D-печати. Она указала, что как CAD и Pro / E программное обеспечение может быть использовано для построения заусенцев кольцо путем интеграции с клиническими данными изображения и дальнейшего применения 3D-печати, чтобы сделать отдельные расходные материалы.

Введение

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

3D печать применяется в медицинской области с 1980-х годов, особенно в хирургии для предоперационного моделирования, анатомического обучения и хирургического обучения1. Например, при цереброваскулярных операциях предоперационное моделирование может проводиться с помощью 3D печатных сосудистых моделей2. С развитием 3D-печати текстура, температура, структура и вес кровеносных сосудов головного мозга могут быть смоделированы в максимальной степени клинических сценариев. Стажеры могут выполнять хирургические операции, такие как резка и зажим на таких моделях. Это обучение очень важно для хирургов3,4,5. В настоящее время титановые пластыри, образованные 3D-печатью, также постепенно применяются6,так как протезы черепа, разработанные 3D-печатью после визуализации и реконструкции, являются высоко конформными. Однако разработка и применение 3D-печати в нейрохирургии по-прежнему ограничены.

Кольцо заусенца, как часть устройства фиксации свинца, широко используется в глубокой стимуляции мозга (DBS)7,8,9,10. Тем не менее, текущие кольца заусенцев изготов производителей медицинских устройств в соответствии с унифицированными спецификациями и размерами. Это стандартное кольцо заусенцев не всегда подходит для всех условий, таких как порокразвития черепа и атрофия кожи головы. Это может увеличить неопределенность работы и уменьшить несоответствие. Появление 3D-печати позволяет разрабатывать индивидуальные кольца заусенки отверстия для пациентов в клинических сценариях5. В то же время, заусенец отверстие кольцо, которое не легко получить, не способствует обширной предоперационной демонстрации и хирургической подготовки1.

Для решения упомянутых выше проблем мы предложили построить кольцо с 3D-печатью. Предыдущее исследование в нашей лаборатории описал инновационные заусенцев отверстие кольцо для DBS11. В этом исследовании, это инновационное кольцо заусенцев отверстие будет рассматриваться как отличный пример для выставки подробный процесс производства. Таким образом, цель этого исследования заключается в обеспечении процесса моделирования и подробный технический процесс создания твердого кольца заусенцев отверстие с использованием 3D-печати.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Протокол

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

1. Рисование двухмерного (2D)-изображения кольца заусенцев

  1. Откройте 2D компьютерное программное обеспечение (CAD), а затем создайте графический документ.
  2. Нажмите Нарисовать (ru) Линия и нарисовать точку отсчета с твердой линией на рисунке. Нажмите Изменить (ru) Смещениеи введите определенное офсетное расстояние в командной строке.
  3. Нажмите на объект и нажмите левой кнопкой мыши, чтобы создать прочную линию. Нажмите Изменить (ru) Обрезка,выберите область, которая будет обрезана и нажмите на дополнительную линию.
  4. Возьмем, к примеру, внутреннее кольцо заусенцев, нарисуйте три разных вида внутреннего кольца на основе заданного размера в программном обеспечении CAD. Во-первых, нарисуйте передний вид и тщательно изменяйте график, пока он не будет сопоставлять ожидаемую структуру(рисунок 1d).
  5. Нарисуйте верхний вид, нажав Draw (ru) Линия, чтобы построить точку отсчета, а затем нажмите на Draw (ru) Круг Центр, Диаметр, и введите количественное значение определенного радиуса круга или диаметра в командном окне. Нажмите на центр точки отсчета, чтобы сформировать круг(Рисунок 1f).
  6. Нарисуйте левый вид внутреннего кольца заусенцев с тем же подходом, что и передний вид(рисунок 1e).
  7. Нажмите на измерение Диаметр, а затем нажмите на окружность, чтобы отметить диаметр круга(Рисунок 1f).
  8. Нажмите на измерение Линейный и пометить длину и толщину всех связанных структур(Рисунок 1г.е). Нажмите Измерение (ru) Радиус для обозначения угла камеры(рисунок 1d).
  9. Используя тот же протокол, постройте двухмерные чертежи наружного кольца отверстия заусенца и отметьте фактический размер имаркировку (рисунок 1a - c).
  10. Добавьте технические требования производственного процесса, включая прочность, прочность и отсутствие трещин. Кроме того, необходимо сгладить внешнюю стену.
  11. Clink на сохранить, чтобы сохранить 2D-изображение заусенца отверстие кольцо.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Все эти структуры, упомянутые выше, находятся в единицах миллиметров (мм).

2. Конструкция 3D-изображения кольца заусенца

  1. Запустите программное обеспечение для 3D-рисования (см. таблицу материалов). Выберите новые Часть Твердые и отменить с помощью шаблона по умолчанию. Выберите часть в новых вариантах файлов и нажмите на Ok, чтобы создать новый интерфейс для настройки модели физической части.
  2. Нажмите на функцию Часть в менеджере меню справа и выберите Создать (ru) Твердые Добавить лист. В меню выпадения SOLID выберите «Поворот» Готово. Нажмите на след предварительного эскиза. Выберите "переднюю" плоскость в качестве плоскости эскиза, а затем нажмите по умолчанию под SKET VIEW.
  3. Выберите пунктирную линию на правой панели инструментов окна и нарисуйте верхнюю часть детали в двумерном эскизе. Конкретный размер подлежит двумерному рисунку. Затем нажмите Подвиньсяи выберите Сделано в окне выступа. Нажмите на значок плоскости Datum.
  4. В менеджере меню выберите Создать Твердые Добавить лист,и повернуть Готово. Нажмите Двусторонний в меню свойств и нажмите Готово.
  5. Нажмите на фронт (ru) Вперед По умолчанию, а затем Datum плоскости (ru) Пунктирная линия для построения поперечного сечения крючка наружного кольца отверстия заусенца. Затем нажмите Conform, затем готово в менеджере меню. Ввод "50" в угол в указанном направлении ,а затем нажмите Сделано в окне protrusion и, наконец, нажмите на кнопку раскраски.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Единица угла является степень (К).
  6. Выберите переопределите в функции детали и нажмите на структуру линии крючка. Ввод раздела команд Определить Эскиз.
  7. Нажмите значок пунктирной линии, создайте два квадратных тиснения на секции крючка, а затем ввходная команда OK Сделано (сделано) Раскраска.
  8. Нажмите значок оси Datum, а затем вввиньте команду Вставьте datum Крест, нажмите на центральную ось линии структуры, нажмите Угол в плоскости datum, а затем нажмите на "переднюю" плоскость в виде структуры линии. Нажмите значение ввода в меню смещения. Входная "-45" в"Угол в указанном направлении .
    ПРИМЕЧАНИЕ: Единица угла является степень (К).
  9. Нажмите на Особенности (ru) Копия (копия) Зеркало. Нажмите на крючок, как объект и входного управления Готово выберите Готово. Нажмите на плоскость datum, чтобы завершить копию. Аналогичным образом, оставшиеся два крючка копируются таким образом. Нажмите на Создайте концентрический круг, чтобы построить круг с радиусом 7,23 мм, нажмите сегментации примитивов в выбранных точках значок, чтобы удалить ненужные линии круга.
  10. Нажмите кнопку Solid line в правой панели инструментов, чтобы создать полный раздел внешней стены. Затем ввводите команду OK Готово.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Единица радиуса миллиметра (мм).
  11. Ввод "4" в глубину ввода,затем нажмите на раскраску. Ввек команды Зеркало (ru) Готово. Затем нажмите на объект и нажмите Готово. Нажмите на плоскость datum, чтобы завершить копию.
  12. Вввод команды Копия (англ.) Зеркало Сделано,и выберите две внешние стены в разных направлениях, нажмите Сделано, чтобы соответствовать. Нажмите на плоскость datum, чтобы завершить копию.
  13. Ввод представления команды Настройки модели Цвет и внешний вид Добавить. Отрегулируйте ползунок цвета RGB и отрегулируйте цвет к коричневому цвету для того чтобы показать графические детали более визуально. Затем вввод команды Закрыть Настройки OK.
  14. Нажмите кнопку Устранение скрытых линий,нажмите Создать концентрический круг, продолжать создавать внешний край на внешней стене, нажмите Сегментации примитивов на выбранных точках кнопки, чтобы удалить избыточные линии, и нажмите на Кнопка твердой линии для подключения недавно добавленного внешнего края в полный раздел. Нажмите Ok.
  15. Вход "0,8" в глубину Интера. Нажмите Ok в окне protrusion. В менеджере меню ввейте в копию команды Copy Зеркало Готово. Нажмите на объект и нажмите сделано. Ввод ориентира команды Generate Смещение.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Единица глубины миллиметра (мм).
  16. Нажмите значение ввода в Offset и введите "0.4" в качестве изометрического указанного направления,затем нажмите Готово.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Единица смещения миллиметра (мм).
  17. Вввод команды Копия (англ.) Зеркало Сделано,нажмите на внешнюю стену. Ввод команды Готово выберите Готово. Нажмите Готово выберите и нажмите Готово. Нажмите на datum изображения, чтобы завершить копию. Таким образом, зеркальная работа внешней стены и квадратного тиснения завершается соответственно.
  18. Ввод файла команды Копирование,выберите сохранить формат, как STL (Stl) в части типа выпадения вниз меню, введите номер части и нажмите Ok.
  19. В диалоговой коробке Output STL отрегулируйте высоту аккорда до 0,006, а угловой контроль до 0,00001. Ввод команды Apply (ru) OK.
  20. Используйте те же методы, что и выше, чтобы создать 3D-изображение внутреннего кольца.

3. Использование 3D-принтера для печати физической модели кольца заусенцев

  1. Откройте программное обеспечение для обнаружения модели, введите в команду Project Открыть,выбрать один файл STL в всплывающем диалоговом окне Открытого файла, а затем нажмите Open. В этом программном обеспечении появится предупреждение, если в этой модели будут обнаружены дефекты(рисунок 3). Если найдено, отремонтируйте модель перед печатью. Если нет дефектов, нажмите выход.
  2. После подтверждения того, что внешнее кольцо завершено, вввод команды Часть Экспортная часть как STL Сохранить. Используйте вышеуказанные инструкции для обнаружения дефектов внутреннего кольца.
  3. После обнаружения модели необходимо разпроектировать печатный путь. Откройте программное обеспечение для нарезки, щелкните файл Загрузите файл модели,нажмите на один файл STL и нажмите Открыть для импорта.
  4. Нажмите кнопку левой мыши, чтобы выбрать движущуюся дорожку детали, отрегулируйте положение деталей. На левой стороне экрана установите скорость печати до 30 мм/с, температура печати до 210 градусов по Цельсию и температура кровати до 80 градусов по Цельсию(рисунок 4).
  5. Нажмите Toolpath на SD, чтобы сохранить файл в формате Gcode для генерации печатного пути(рисунок 3).
  6. Запустите 3D принтеры, нажмите кнопку Разогрева на главном интерфейсе, установите температуру разогрева кровати до 80 градусов по Цельсию и температуру сопла до 210 градусов по Цельсию. Нажмите Печать, когда температура поднимается до заданным значением, выберите целевой файл и нажмите Confirm, чтобы начать печать.
  7. Внешнее кольцо будет напечатано первым(Рисунок 5a). После того, как нижняя опорная сетка была построена, печатная сопла начинает строить внешнее кольцо вертикально слой за слоем(рисунок 5b - d). Этот процесс занимает около 13 минут.
  8. После того, как внешнее кольцо образуется, сопло принтера продолжает делать внутреннее кольцо на правой стороне(рисунок 5c,d),который занимает около 8 минут.
  9. Удалите обе части с платформы после охлаждения и формирования(рисунок 5e,f).

4. Измерение абсолютной погрешности

  1. Чтобы измерить абсолютную ошибку, выберите пять печатных частей случайным образом. Измерьте и запишите параметры каждой части с помощью калибровцев Вернье. Выберите точность измерения на 0,02 мм.
  2. Рассчитайте среднее погрешность каждой детали и диапазон ошибок абсолютной ошибки(рисунок 6a,b).

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Результаты

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

Три вида 2D-изображений были построены с помощью коммерческого программного обеспечения CAD (см. Таблицу материалов). На этих изображениях также были добавлены практический размер и технические требования(рисунок 1). Далее, трехмерные данные были построены в(Рисунок 2) и сохранены в формате STL(рисунок 3). Как представлено на рисунке 4,твердые детали был...

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Обсуждение

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

Эти результаты показали, что используемое программное обеспечение было практически осуществимо для создания 3D-моделей заусенных колец(рисунок 1 и рисунок 2), и 3D-печать может быть использована для создания твердых моделей с обозначенными материалами (Рисунок 4). С точки зрения размера твердой модели, была абсолютная погрешность от 0 до 0,59 мм, определяемых на основе измерения, сделанного Vernier calipers(рису...

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Раскрытие информации

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

Авторам нечего раскрывать.

Благодарности

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

Эта работа поддерживается грантами Фонда естественных наук провинции Гуандун (No 2017A030313597) и южного медицинского университета (No. LX2016N006, Нет. KJ20161102).

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Материалы

Список материалов, использованных в этой статье
ИмяКомпанияКаталожный номерКомментарии
Adobe Photoshop версии 14.0Система Adobe? US_Доступно только при наличии платной подписки.
Allcct 3D-принтерAllcct technology co., LTD, WuHan, Китай201807A794124CN
Allcct_YinKe_V1.1Allcct technology co., LTD, WuHan, ChinaПрограммное обеспечение предоставлено производителем 3D-принтера и с ним не связан номер по каталогу
AutoCAD 2004Autodesk co., LTD? US666-12345678Программное обеспечение для 2D моделей
Carbon FibreAllcct technology co., LTD, WuHan, ChinaPLA175Ø 5181 и Ослаш; 3Ø BМатериал предоставлен производителем 3D-принтеров
Netfabb Studio Basic 4.9Autodesk co., LTD? Программное обеспечение предоставлено производителем 3D-принтеров и открыто для доступа
Pro/E 2001Parametric Technology Corporation, PTC, US_Software для 3D-моделей; Доступно только при наличии платной подписки.
Штангенциркуль   Пекин Блю Лайт Машинери Электрик Инструмент, Ко,. LTD, КитайGB/T  1214.1-1996 

Ссылки

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

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Перепечатки и разрешения

Запросить разрешение на повторное использование текста или иллюстраций этой статьи JoVE

Запросить разрешение

Теги

3DPro Engineer3DSTL

Похожие статьи