3D打印在深脑刺激植入物毛孔环结构中的应用

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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。

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Chen, J., Chen, X., Lv, S., Zhang, Y., Long, H., Yang, K., Qi, S., Zhang, W., Wang, J. Application of 3D Printing in the Construction of Burr Hole Ring for Deep Brain Stimulation Implants. J. Vis. Exp. (151), e59560, doi:10.3791/59560 (2019).

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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。

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Protocol

1. 绘制毛刺孔环的二维 (2D) 图像

  1. 打开 2D 计算机辅助设计 (CAD) 软件,然后创建图形文档。
  2. 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。
  3. 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。
  4. 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)。
  5. 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)。
  6. 使用与前视图相同的方法绘制内毛刺孔环的左视图(图 1e)。
  7. 单击维度 |直径,然后单击圆周以标记圆的直径 (图 1f)。
  8. 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
  9. 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)。
  10. 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。
  11. 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

  1. 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。
  2. 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。
  3. 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。
  4. 在菜单管理器中,选择"创建 |固体 |添加工作表旋转 |完成。单击属性菜单中的"双边",然后单击"完成"。
  5. 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 (*)。
  6. 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.
  7. 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
  8. 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 (*)。
  9. 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。
  10. 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)。
  11. 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。
  12. 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。
  13. 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。
  14. 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"。
  15. 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)。
  16. 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)。
  17. 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。
  18. 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"。
  19. 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。
  20. 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

  1. 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"。
  2. 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。
  3. 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。
  4. 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)。
  5. 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)。
  6. 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。
  7. 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。
  8. 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。
  9. 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

  1. 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。
  2. 计算每个零件的平均误差和绝对误差的误差范围 (图6a,b)。

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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。

Figure 1
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。

Figure 2
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。

Figure 3
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。

Figure 4
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。

Figure 5
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。

Figure 6
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。

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Discussion

结果表明,该软件可用于构建毛刺孔环的三维模型(图1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。

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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 

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