Summary
在这里，我们提出一个协议，以演示3D打印在深层脑刺激植入物的构建。
Abstract
自 20 世纪 80 年代以来，3D 打印在医疗领域得到了广泛的应用，特别是在手术中，如术前模拟、解剖学习和外科培训。这增加了使用3D打印来构建神经外科植入物的可能性。我们之前的工作以毛刺孔环的构造为例，描述了使用计算机辅助设计 （CAD）、专业/工程师 （Pro/E） 和 3D 打印机等软件来构建物理产品的过程。即共需要三个步骤，即绘制2D图像、构建毛刺孔环的3D图像，以及使用3D打印机打印毛刺环的物理模型。该协议表明，碳纤维制成的毛刺孔环可以通过三维打印快速准确地成型。表明CAD和Pro/E软件均可用于与临床影像数据集成，构建毛刺孔环，并进一步应用3D打印制作单个耗材。
Introduction
自20世纪80年代以来，3D打印已应用于医学领域，特别是在术前模拟手术、解剖学习和外科培训领域。例如，在脑血管手术中，可以使用3D打印血管模型2进行术前模拟。随着三维打印的发展，可以最大限度地模拟脑血管的质地、温度、结构和重量。受训人员可以进行外科手术，如切割和夹紧此类模型。这种训练是非常重要的外科医生3，4，5。目前，由3D打印形成的钛贴片也逐渐应用了6个，因为经过成像和重建后3D打印开发的头骨假肢具有很强的构同性。然而，3D打印在神经外科的发展和应用仍然有限。
毛刺孔环，作为铅固定装置的一部分，已广泛应用于深脑刺激（DBS）7、8、9、10。然而，目前的毛刺孔环是由医疗器械制造商根据统一的规格和尺寸制造的。此标准毛刺孔环并不总是适合所有条件，如头骨畸形和头皮萎缩。它可能会增加操作的不确定性，减少操作的幅度。3D打印的出现使得在临床场景中为患者开发个性化的毛刺环成为可能。同时，毛刺孔环不易获得，不利于广泛的术前示范和手术训练1。
为了解决上述问题，我们建议使用 3D 打印构建毛刺孔环。我们实验室以前的一项研究描述了星展11的创新毛刺孔环。在这项研究中，这种创新的毛刺孔环将被视为展示详细生产工艺的极好例子。因此，本研究的目的是提供一个建模过程和一个详细的技术过程，使用3D打印建立一个实心毛刺环。
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. 绘制毛刺孔环的二维 （2D） 图像
- 打开 2D 计算机辅助设计 （CAD） 软件，然后创建图形文档。
- 单击"绘制 |在图形上绘制具有实心线的参照点。单击"修改 " |偏移，并在命令行中键入特定的偏移距离。
- 单击对象，按鼠标左键创建实线。单击"修改 " |修剪，选择要修剪的区域，然后单击额外的行。
- 以内毛刺孔环为例，根据 CAD 软件中的预定尺寸绘制三个不同的内圈视图。首先，绘制前视图并仔细修改图形，直到其与预期结构匹配（图 1d）。
- 通过单击"绘制 |首先构造参考点的线，然后单击"绘制 |圆 |中心，直径，并在命令窗口中输入特定半径的圆或直径的定量值。单击参考点的中心以形成一个圆圈 （图 1f）。
- 使用与前视图相同的方法绘制内毛刺孔环的左视图（图 1e）。
- 单击维度 |直径，然后单击圆周以标记圆的直径 （图 1f）。
- 单击维度 |线性并标记所有相关结构的长度和厚度 （图1d，e）。单击维度 |用于标记造型室角度的半径 （图 1d）
- 使用相同的协议，构建外毛刺孔环的二维图形，并标记实际大小和标注（图1a -c）。
- 增加生产工艺的技术要求，包括强度、韧性和缺乏裂纹。此外，外壁需要平滑。
- 在保存上链接以保存毛刺孔环的 2D 图像。
注：上述所有结构均以毫米（毫米）为单位。
2. 毛刺孔环的 3D 图像的构造
- 启动 3D 绘图软件（参见材料表）。选择"新建 |部件 |使用默认模板进行实心和取消选中。在新文件选项中选择零件实体，然后单击"确定"以创建用于设置物理零件模型的新界面。
- 单击右侧菜单管理器中的零件功能，然后选择"创建 |固体 |添加工作表。在SOLID下拉菜单中，选择"旋转 |完成。单击初步草图的轨迹。选择"前"平面作为草图平面，然后单击"SKET VIEW"下的默认平面。
- 选择窗口右侧工具栏上的虚线，并在二维草图中绘制零件的顶部部分。具体尺寸应按二维绘图进行。然后单击"符合"，然后在突起的突出窗口中选择"完成"。单击基准平面图标。
- 在菜单管理器中，选择"创建 |固体 |添加工作表和旋转 |完成。单击属性菜单中的"双边"，然后单击"完成"。
- 单击"正面 " |前进 |默认值，然后基准平面 |虚线以构造外毛刺孔环钩的横截面。然后单击"符合"，然后在菜单管理器中单击"完成"。在指示方向[45.0000]中输入"50"，然后在"突起"窗口中单击"完成"，最后点击着色按钮。
注： 角度的单位是度 （*）。 - 选择零件特征中重新定义，然后单击挂钩的线条结构。输入命令部分 |定义 |素描.
- 单击"点线"图标，在挂钩部分创建两个方形浮雕，然后输入命令"确定" |完成 |着色。
- 单击基准轴图标，然后输入命令插入基准 |交叉，单击线结构的中心轴，单击基准平面中的角度，然后单击线结构视图中的"前"平面。单击偏移菜单中的输入值。输入"-45"在"角度在指示的方向[45.0000]。
注： 角度的单位是度 （*）。 - 点击功能 |复制 |镜像.单击挂钩作为对象和输入命令完成选择 |完成。单击基准平面以完成复制。同样，其余两个挂钩以这种方式复制。单击"创建同心圆"以构造半径为 7.23 mm 的圆，单击选定点处的基元分割图标以删除圆中不必要的线条。
- 单击右侧工具栏中的"实心线"按钮以创建完整的外墙部分。然后输入命令确定 |完成。
注：半径的单位为毫米（毫米）。 - 在"输入深度"中输入"4"，然后单击着色。输入命令镜像 |完成。然后单击对象，然后单击"完成"。单击基准平面以完成复制。
- 输入命令"复制 |镜子 |完成，并在不同方向选择两个外墙，单击"完成"以符合要求。单击基准平面以完成复制。
- 输入命令视图 |模型设置 |颜色和外观 |添加。调整 RGB 颜色滑块并将颜色调整为棕色，以更直观地显示图形细节。然后输入命令关闭 |设置 |好的。
- 单击"消除隐藏线"按钮，单击"创建同心圆"，继续在外墙上创建外边，单击选定点的基元分割按钮以删除多余的行，然后单击实线按钮，用于将新添加的外部边缘连接到完整部分。单击"确定"。
- 输入"0.8"在Inter深度。在"突起"窗口中单击"确定"。在菜单管理器中，输入命令"复制 |镜子 |完成。单击对象并单击"已完成"。输入命令生成基准 |偏移。
注：深度单位为毫米（毫米）。 - 单击"偏移"中的输入值，然后输入"0.4"作为指定方向的等轴测，然后单击"完成"。
注： 偏移单位为毫米（毫米）。 - 输入命令"复制 |镜子 |完成，单击外墙。输入命令"完成"选择 |完成。单击"完成"选择并单击"完成"。单击图像的基准以完成复制。这样，外墙的镜面操作和方形浮雕分别完成。
- 输入命令文件 |在零件类型下拉菜单中复制，选择保存格式为 STL （_stl），输入零件号并单击"确定"。
- 在"输出 STL"对话框中，将弦高度调整为 0.006，将角度控制调整为 0.0001。输入命令应用 |好的。
- 使用与上述相同的方法构建内环的 3D 图像。
3. 使用 3D 打印机打印毛刺孔环的物理模型
- 打开模型检测软件，输入命令项目 |在"打开文件"弹出窗口对话框中选择一个 STL 文件，然后单击"打开"。在此软件中，如果在此模型中检测到缺陷，将显示警告（图 3）。如果找到，在打印前修理模型。如果没有缺陷，请单击"输出"。
- 确认外圈完成后，输入命令部件 |出口部件 |作为 STL |保存。使用上述说明检测内圈的缺陷。
- 在模型检测之后，需要设计打印的路径。打开切片软件，单击"文件" |加载模型文件，单击一个 STL 文件，然后单击"打开"导入。
- 单击鼠标左键选择零件的移动轨迹，调整零件的位置。在屏幕左侧，将打印速度设置为 30 mm/s，将打印温度设置为 210°C，将床温设置为 80°C（图 4）。
- 单击"工具路径"到 SD以 Gcode 格式保存文件以生成打印路径（图 3）。
- 启动 3D 打印机，单击主接口上的预热按钮，将床的预热温度设置为 80°C，将喷嘴温度设置为 210°C。当温度上升到预设值时，单击"打印"，选择目标文件，然后单击"确认"以开始打印。
- 外圈将首先打印 （图5a）。底部支撑网格构建后，打印喷嘴开始逐层垂直构造外圈（图5b-d）。此过程大约需要 13 分钟。
- 外圈形成后，打印机喷嘴继续使右侧的内圈（图5c，d），大约需要8分钟。
- 冷却后从平台上拆下两个部件并形成（图 5e，f）。
4. 绝对误差的测量
- 要测量绝对误差，请随机选择五个打印零件。使用 Vernier 卡钳测量和记录每个零件的参数。选择 0.02 mm 的测量精度。
- 计算每个零件的平均误差和绝对误差的误差范围 （图6a，b）。
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
通过商用CAD软件构建了三个2D图像视图（参见材料表）。在这些图像中，还添加了实际尺寸和技术要求（图1）。此外，三维数据在 （图2） 中构造，并保存为 STL 格式 （图 3）。如图4所示，固体部件构建在打印机平台上。选取了五组这些部分，计算了绝对误差和误差范围（图6a，b）。结果表明，在外圈中，腰部外径和顶部厚度分别发现最大绝对误差和最小绝对误差。在内圈中，顶部内径和厚度分别发现最大绝对误差和最小绝对误差。总误差范围为 [0.00， 0.59] （图 6a，b）。
STL 文件将进一步转换为切片 solfware 中的 Gcode 文件。之后，Gcode 文件使用 SD 卡传输到 3D 打印机。在 3D 打印机中，碳纤维通过进料端口进料。采用温度控制单元控制碳纤维的熔化，用喷嘴控制印刷材料的释放，构建固体模型。
图1：毛刺孔环的二维图像。（a-c） 外圈的 2D 视图（分别为前视图、左视图和顶视图）。（d-f） 内圈的 2D 视图（前视图、左视图和顶部视图、视图）。单位： mm.请点击这里查看此图的较大版本。
图2：毛刺孔环的3D图像。（a-c） 外圈的 3D 视图（分别为前视图、左视图和顶视图）。（d-f） 内圈的 3D 视图（分别为前视图、左视图和顶视图）。请点击此处查看此图的较大版本。
图 3：通过 3D 打印构建毛刺孔环的流程图。请点击此处查看此图的较大版本。
图4：通过切片solfware来切片毛刺环的过程。在切片软件中，STL 模型被切成 0.1 mm 厚的层（黑色实心箭头）。速度和温度等参数设置如下：打印速度为30 mm/s，打印温度为210°C，床温为80°C。最后，我们按下了"保存工具路径"，STL 文件直接转换为 Gcode 文件，以便进行 3D 打印。请点击此处查看此图的较大版本。
图 5：通过 3D 打印构造毛刺孔环的示例。（a）左侧的实心箭头指示喷嘴，右侧的实心箭头显示用于承载固体模型的触摸构建板。（b） 外圈（实心箭头）在接触的铭牌上建造。（c） 内圈建在接触的圆板（实心箭头）上。（d） 内环建在床的右侧（实心箭头）。（e-f）抛光后内圈和外圈（实心箭头）的示例。请点击此处查看此图的较大版本。
图6：绝对误差的测量。（a） 外圈的绝对误差和误差范围 （AE = |MV - SV |;主要结构：（1）顶部外径;（2）腰部外径;（3）主体厚度;（4）顶部厚度;（5）钩子的宽度;（6） 顶部的内径）。（b） 内圈的绝对误差和误差范围 （AE = | |MV - SV |;主要结构：（1）顶部外径;（2）底部外径;（3） 内径;（4） 总高度;（5） 底部厚度;（6） 顶部的厚度。P = 部件，MV = 测量值，SV = 标准值，AE = 绝对误差，ER = 误差范围。精度 = 0.02 毫米;单位 = mm.请点击此处查看此图的较大版本。
补充文件 1：外毛孔环。请点击此处查看此文件。（右键单击下载。
补充文件2：内毛孔环。请点击此处查看此文件。（右键单击下载。
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
结果表明，该软件可用于构建毛刺孔环的三维模型（图1和图2），3D打印可用于用指定材料构建实体模型（图4）。就固体模型的大小而言，通过 Vernier 卡钳进行的测量，存在从 0 到 0.59 mm 的绝对误差（图6）。在某种程度上，这种错误是不可避免的，因为这种绝对错误来自许多因素，如印刷工具的质量。工业打印机的精度更高。此外，当构建更小、更精确的零件时，绝对误差更为明显。一般来说，如图3所示，通过3D打印构建模型并进一步形成实体模型的过程是有效和可行的。尽管存在绝对错误，但可以通过提高打印机质量和准确调整打印参数来减少此类错误。
星展银行的创新毛刺孔环于11日发表。在这项研究中，以同样的模型作为实例，进一步论证了相关植入物的制作系统过程。目前，在3D打印的有限临床应用中，模型建设一般采用两种方法：一是利用CAD建模生成3D模型，进一步实现3D打印操作12。其次，利用成像数据（如DICOM格式）根据CT和MRI数据，在三维模型中重建患者骨骼结构。渲染后，数据可以进一步转换为可编辑的STL文件，然后高度模拟的解剖结构可以通过3D打印12，13，14产生。同样，修补或植入材料，高度适合形态可以设计根据解剖结构的三维重建15，16，17。该方法已应用于颅骨分型。此前的一项研究显示，由3D打印技术6构建的钛头骨斑块。虽然本研究中虽然利用3D打印技术通过可信的流可视化来构造毛刺孔环，但在实践中却存在一定的局限性。
与传统的毛刺孔环生产不同，本研究建议采用3D打印来构造这些可植入部件。事实上，传统产品大多大小均匀，不适用于一些颅骨形状变异和头皮萎缩的患者。3D打印的应用有可能为不同的患者提供定制的植入物。此前的研究已经提出并实施了3D打印技术，用于制造颅骨碎片进行颅骨缺陷修复，并显示出其永久效果。星展银行对功能性神经外科疾病的疗效已被广泛认可（如帕金森病、运动障碍）18、19、20，但这种治疗的普及程度有限，这可能是结果高消耗品成本造成的经济负担。3D打印产品具有生产效率高、成本低、定制化等优点，使3D打印在该领域具有巨大的潜力。这项技术的开发和应用，可以为更多患者提供接受星展系统手术的机会。然而，在文献中很少有关于使用3D打印为星展银行生产耗材的报告。
此外，由 3D 打印构造的毛刺孔环还有其他优点。这种快速原型产品可用于术前演示，可以更好地向患者及其家属通报电极植入过程，并有效地加强医患沟通。临床医生可以通过3D打印产品进行术前模拟和手术培训，以最大限度地模拟DBS手术，这将有效地提高他们的手术技能。在脑血管肿瘤和颅骨成切的外科治疗中，3D打印产品已应用于外科训练2、5。
本研究采用碳纤维，具有良好的强度和韧性，作为显示三维打印生产工艺的印刷材料。在实践中，应考虑植入材料的许多因素。首先，植入物是否具有优异的消毒性能，在环氧乙烷和热蒸汽作用下能否长期保持其性能不变。其次，植入物需要具有良好的生物相容性，可以长时间放置，而不会被人体排斥。第三，植入物需要具有优异的机械强度、韧性和耐化学性。
在这项研究中，以毛刺孔环的构造为例，系统地描述了从建模到3D打印的过程。这是一个完整的过程示例。今后，应鼓励使用 CAD 软件、成像数据（例如 DICOM）和 3D 打印来构建毛刺环。如上所述，通过成像获得的 DICOM 数据的 3D 重建可以进一步转换为可用于 3D 打印的 STL 文件。这也是临床场景12、13的主流建模方法。该方法尚未应用于星展银行手术。
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
作者没有什么可透露的。
Acknowledgments
这项工作得到了广东省自然科学基金（No.2017A030313597）和南方医科大学（No.LX2016N006，号KJ20161102）。
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Adobe Photoshop Version 14.0 | Adobe System?US | _ | Only available with a paid subscription. |
| Allcct 3D printer | Allcct technology co., LTD, WuHan, China | 201807A794124CN | |
| Allcct_YinKe_V1.1 | Allcct technology co., LTD, WuHan, China | The software is provided by the 3D printer manufacturer and there is no Catalog number associated with it | |
| AutoCAD 2004 | Autodesk co., LTD?US | 666-12345678 | Software for 2D models |
| Carbon Fibre | Allcct technology co., LTD, WuHan, China | PLA175Ø5181Ø3ØB | The material is provided by the 3D printer manufacturer |
| Netfabb Studio Basic 4.9 | Autodesk co., LTD?US | - | The software is provided by a 3D printer manufacturer and is open to access |
| Pro/E 2001 | Parametric Technology Corporation, PTC, US | _ | Software for 3D models; Only available with a paid subscription. |
| Vernier caliper | Beijing Blue Light Machinery Electricity Instrument Co,. LTD, China | GB/T 1214.1-1996 |
References
- 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).
- 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).
- Chae, M. P., et al. Emerging Applications of Bedside 3D Printing in Plastic Surgery. Frontiers in Surgery. 2, 25 (2015).
- 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).
- Kimura, T., et al. Simulation of and training for cerebral aneurysm clipping with 3-dimensional models. Neurosurgery. 65 (4), 719-725 (2009).
- 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).
- Ray, C. D. Burr-hole ring-cap and electrode anchoring device. Technical note. Journal of Neurosurgery. 55 (6), 1004-1006 (1981).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Lan, Q., et al. Development of Three-Dimensional Printed Craniocerebral Models for Simulated Neurosurgery. World Neurosurgery. 91, 434-442 (2016).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Moreau, C., et al. STN-DBS frequency effects on freezing of gait in advanced Parkinson disease. Neurology. 71 (2), 80-84 (2008).
- Oyama, G., et al. Unilateral GPi-DBS as a treatment for levodopa-induced respiratory dyskinesia in Parkinson disease. Neurologist. 17 (5), 282-285 (2011).
