深層脳刺激インプラント用バリ穴リング構築における3Dプリンティングの応用

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Summary

ここでは、深層脳刺激インプラントの構築における3Dプリンティングを実証するプロトコルを紹介する。

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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

3Dプリンティングは、1980年代から医療分野、特に術前シミュレーション、解剖学学習、外科研修などの分野で広く応用されてきました。これは神経外科インプラントを構築するために3D印刷を使用する可能性を高める。これまでの研究では、バリ穴リングの構築を例に、コンピュータ支援設計(CAD)、プロ/エンジニア(Pro/E)、3Dプリンターなどのソフトウェアを使用して物理製品を構築するプロセスを説明しました。すなわち、合計3つのステップが必要であり、2D画像の描画、バリ穴リングの3D画像の構築、および3Dプリンタを使用してバリ穴リングリングの物理モデルを印刷する。このプロトコルは、炭素繊維で作られたバリ穴リングが3Dプリンティングによって迅速かつ正確に成形できることを示しています。これは、CADとPro/Eソフトウェアの両方が臨床画像データと統合することによりバリ穴リングを構築するために使用することができ、さらに個々の消耗品を作るために3Dプリンティングを適用できることを示しました。

Introduction

3Dプリンティングは、1980年代から医療分野で、特に術前シミュレーション、解剖学学習、外科トレーニング1の手術に適用されています。例えば、脳血管操作では、3Dプリント血管モデル2を用いて術前シミュレーションを行うことができる。3Dプリンティングの開発により、脳血管の質感、温度、構造、重量を臨床シナリオの最大限の範囲でシミュレートすることができます。研修生はそのようなモデルの切断および締め金締め金取りのような外科操作を行うことができる。この訓練は外科医3、4、5のために非常に重要である。現在、3Dプリンティングによって形成されたチタンパッチも徐々に適用されています6,イメージングと再構成後に3Dプリンティングによって開発された頭蓋骨の補綴物は、非常にコンフォーマルです.しかし、神経外科における3Dプリンティングの開発と応用はまだ限られている。

バリ穴リングは、鉛固定装置の一部として、深部脳刺激(DBS)7、8、9、10で広く使用されている。しかし、現在のバリ穴リングは、統一された仕様と寸法に従って医療機器メーカーによって作られています。この標準的なバリ穴リングは、頭蓋骨の奇形や頭皮の萎縮など、すべての条件に常に適しているわけではありません。これは、操作の不確実性を増加させ、アキュラを減らす可能性があります。3Dプリンティングの出現により、臨床シナリオ5の患者のための個別のバリ穴リングを開発することが可能になります。同時に、入手が容易ではないバリ穴リングは、広範な術前デモンストレーションおよび外科的訓練1を助長しない。

上記の問題に対処するため、3Dプリンティングを用いてバリ穴リングを構築することを提案した。私たちの研究室での以前の研究では、DBS11のための革新的なバリ穴リングを説明しました.本研究では、この革新的なバリ穴リングは、詳細な製造プロセスを示す優れた例とみなされます。そこで本研究の目的は、3Dプリンティングを用いて固体バリ穴リングを構築するモデリングプロセスと詳細な技術プロセスを提供することです。

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Protocol

1. バリ穴リングの2次元(2D)画像を描画する

  1. 2D コンピュータ支援設計 (CAD) ソフトウェアを開き、グラフィカル ドキュメントを作成します。
  2. [描画] をクリックします |図面上に実線を描いた参照点を線と描画します。[変更] をクリックします |[オフセット]を表示し、コマンド ラインに特定のオフセット距離を入力します。
  3. オブジェクトをクリックし、マウスの左ボタンで押して実線を作成します。[変更] をクリックします |トリム、トリムする領域を選択し、余分な線をクリックします。
  4. 例えば、内側のバリ穴リングを取り、CADソフトウェアで所定のサイズに基づいて内輪の3つの異なるビューを描画する。まず、正面図を描画し、期待される構造に一致するまでグラフを慎重に修正します (図 1d)。
  5. [描画] をクリックして上部ビューを描画|最初に参照点を構築し、[描画] をクリックする線|サークル |中心、直径、およびコマンド ウィンドウに円または直径の特定の半径の定量値を入力します。基準点の中心をクリックして円を形成します(図 1f)。
  6. 内側のバリ穴リングの左図を、正面図と同じアプローチで描画します(図 1e)。
  7. ディメンションをクリック | 直径をクリックし、円の直径をマークします (図 1f)。
  8. ディメンションをクリック | 線形で、関連するすべての構造体の長さと厚さをマークします(図 1d,e)。ディメンションをクリック|チャンバの角度をマークする半径(図1d)。
  9. 同じプロトコルを使用して、外側のバリ穴リングの2次元図面を構築し、実際のサイズとラベリングをマークします(図1a - c)。
  10. 強度、靭性、亀裂の欠如を含む生産プロセスの技術的要件を追加します。また、外壁の平滑化が必要です。
  11. バリ穴リングの2D画像を保存するには、保存時にクリンクします。
    注:上記のこれらの構造はすべてミリメートル(mm)単位です。

2. バリ穴リングの3D画像の構築

  1. 3D 描画ソフトウェアを起動します(「材料の表」を参照)。[新規] を選択 |一部 |既定のテンプレートを使用して、ソリッドとチェックを外します。新しいファイル オプションでpart_solidを選択し、[OK]をクリックして、物理パーツ モデルを設定するための新しいインターフェイスを作成します。
  2. 右側のメニューマネージャでパーツ機能をクリックし、[作成] を選択します|ソリッド |シートを追加します。[SOLID]ドロップダウン メニューで、[回転] を選択します。完了しました。予備スケッチのトレースをクリックします。スケッチ平面として「前面」平面を選択し、[SKET VIEW]の下にある既定値をクリックします。
  3. ウィンドウの右側のツールバーの点線を選択し、2 次元スケッチでパーツの上部の断面を描画します。特定のサイズは、2 次元図面の対象とする。次に、[コンフォープ]をクリックし、[突起の起]ウィンドウで[完了]を選択します。データム平面アイコンをクリックします。
  4. メニュー マネージャで、[作成] を選択します |ソリッド |シートを追加し、回転する |完了しました。プロパティ メニューで[二国間]をクリックし、[完了]をクリックします。
  5. [前面] をクリックします|フォワード |デフォルトデータム平面 |点線は、外側バリ穴リングのフックの断面を構築する。次に、[コンフォーム]をクリックし、[メニュー マネージャで完了]をクリックします。指定された方向[45.0000]に「50」と入力し、[起]ウィンドウで[完了]をクリックし、最後に[着色]ボタンをクリックします。
    注: 角度の単位は度 (°) です。
  6. パーツ フィーチャーで[再定義]を選択し、フックの線構造をクリックします。コマンドセクションを入力する |定義 |スケッチ.
  7. 点線アイコンをクリックし、フックセクションに2つの正方形のエンボスを作成し、入力コマンドOK |完了 |着色.
  8. データム軸アイコンをクリックし、コマンドを入力します データムを挿入 |[クロス]をクリックし、ライン構造の中心軸をクリックし、データム平面の[角度]をクリックし、ライン構造ビューの「前面」平面をクリックします。オフセットメニューの入力値をクリックします。「指示された方向の角度[45.0000]」に「-45」と入力します。
    注: 角度の単位は度 (°) です。
  9. 機能をクリック|コピー |ミラー.オブジェクトと入力コマンドとしてフックをクリックします[ 完了] 選択 |完了しました。データム平面をクリックしてコピーを完了します。同様に、残りの 2 つのフックもこの方法でコピーされます。半径 7.23 mm の円を作成するには、[同心円を作成]をクリックし、選択したポイント アイコンでプリミティブのセグメンテーションをクリックして、円の不要な線を削除します。
  10. 右側のツールバーの[実線]ボタンをクリックして、完全な外壁セクションを作成します。次に、コマンド OK を入力します |完了しました。
    注: 半径の単位はミリメートル (mm) です。
  11. 深さを入力して「4」と入力し、[着色]をクリックします。コマンドミラーを入力する |完了しました。次に、オブジェクトをクリックし、[完了]をクリックします。データム平面をクリックしてコピーを完了します。
  12. コマンドのコピーを入力する |ミラー |[完了]をクリックし、異なる方向に 2 つの外壁を選択し、[完了]をクリックして準拠します。データム平面をクリックしてコピーを完了します。
  13. コマンドビューを入力する |モデル設定 |色と外観 |を追加します。RGB カラー スライダを調整し、色を茶色に調整して、グラフィックの詳細をより視覚的に表示します。次に、コマンドを入力します閉じる |設定 |OK.
  14. 隠線を削除するボタンをクリックし、[同心円を作成]をクリックし、外壁に外側のエッジを作成し続け、選択したポイントボタンでプリミティブのセグメンテーションをクリックして余分な線を削除し、新しく追加された外線を完全な断面に接続する実線ボタン。[OK]をクリックします。
  15. 深度間に「0.8」と入力します。[突起] ウィンドウで[OK]をクリックします。メニューマネージャで、コマンドを入力します|ミラー |完了しました。オブジェクトをクリックし、完了をクリックします。コマンドを入力するベンチマークを生成 |オフセット.
    注:深さの単位はミリメートル(ミリメートル)です。
  16. オフセット入力値をクリックし、指定した方向のアイソメとして「0.4」と入力し、[完了]をクリックします。
    注: オフセットの単位はミリメートル(mm)です。
  17. コマンドのコピーを入力する |ミラー |完了し、外壁をクリックします。コマンドの入力完了選択 |完了しました。[完了] をクリックし、[完了]をクリックします。イメージのデータムをクリックしてコピーを完了します。このようにして、外壁と正方形のエンボス加工のミラー操作がそれぞれ完了します。
  18. コマンドファイルの入力|コピー、パーツタイプのドロップダウンメニューでSTL(*stl)として保存形式を選択し、部品番号を入力して[OK]をクリックします。
  19. [出力 STL]ダイアログ ボックスで、弦の高さを 0.006 に、角度コントロールを 0.00001 に調整します。コマンドを入力する 適用 |OK.
  20. 内輪の 3D イメージを構築するには、上記と同じ方法を使用します。

3. 3Dプリンターを使用してバリ穴リングの物理モデルを印刷する

  1. モデル検出ソフトウェアを開き、コマンドプロジェクトを入力 | [ファイルく] ダイアログ ボックスで 1 つの STL ファイルを選択し、[開く]をクリックします。このソフトウェアでは、このモデルで欠陥が検出されると警告が表示されます (図 3)。見つかった場合は、印刷する前にモデルを修復します。欠陥がない場合は、[出力]をクリックします。
  2. 外側のリングが完了したことを確認したら、コマンドパーツを入力します|エクスポート部品 |STL として |保存します。上記の手順を使用して、内輪の欠陥を検出します。
  3. モデル検出後、印刷パスを設計する必要があります。スライスソフトウェアを開き、[ファイル] をクリックします|モデル ファイルを読み込み、1つの STL ファイルをクリックし、[開く]をクリックしてインポートします。
  4. マウスの左ボタンをクリックして、パーツの移動トラックを選択し、パーツの位置を調整します。画面の左側で、印刷速度を 30 mm/s に設定し、印刷温度を 210 °C、ベッド温度を 80 °C (図 4)に設定します。
  5. [ツールパスから SD]をクリックしてファイルを Gcode 形式で保存し、印刷パスを生成します (図 3)。
  6. 3Dプリンタを起動し、メインインターフェイスの予熱ボタンをクリックし、ベッドの予熱温度を80°Cに設定し、ノズル温度を210°Cに設定します。温度がプリセット値に上がったときに[印刷]をクリックし、ターゲットファイルを選択し、[確認]をクリックして印刷を開始します。
  7. 外側のリングが最初に印刷されます (図 5a)。底面支持グリッドが構築された後、印刷ノズルは、層ごとに垂直層によって外輪を構築し始めます(図5b -d)。このプロセスには約 13 分かかります。
  8. 外輪が形成された後、プリンタノズルは、約8分かかる右側(図5c,d)の内輪を作り続けます。
  9. 冷却して形成された後、プラットフォームから両方の部品を取り外します(図 5e,f)。

4. 絶対誤差の測定

  1. 絶対誤差を測定するには、5つの印刷部品をランダムに選択します。バーニエキャリパーで各部品のパラメータを測定し、記録します。0.02 mm で測定精度を選択します。
  2. 各部品の平均誤差と絶対誤差の誤差範囲を計算します(図6a,b)。

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Representative Results

2D画像の3つのビューは、商用CADソフトウェアを介して構築されました(材料の表を参照)。これらの画像では、実用的なサイズと技術的要件も追加されています (図 1)。また、3次元データを(図2)で構築し、STL形式で保存した(図3)。図4に示すように、固体部品はプリンタのプラットフォーム上に構築されました。これらの部分の5つのグループを選択して、絶対誤差と誤差範囲を計算した(図6a,b)。その結果、外輪では、ウエストの外径と上部の厚さにそれぞれ最大絶対誤差と最小絶対誤差が見つかった。内輪では、それぞれ上部の内径と厚さに最大絶対誤差と最小絶対誤差が見つかりました。エラーの合計範囲は [0.00, 0.59] (図 6a,b)でした。

STLファイルはさらに、スライスソルフワのGcodeファイルに変換されます。その後、GcodeファイルはSDカードを使用して3Dプリンタに送信されます。3Dプリンターでは、炭素繊維を給餌ポートを介して供給しました。温度制御ユニットを使用して炭素繊維の融解を制御し、ノズルを使用して印刷材料の放出を制御し、固体モデルを構築しました。

Figure 1
図1:バリ穴リングの2D画像。(a-c) 外側のリングの 2D ビュー(正面ビュー、左ビュー、上面図)。(d-f) 内輪の 2D ビュー(正面ビュー、左ビュー、上図、それぞれビュー)。単位: mm.この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。

Figure 2
図2:バリ穴リングの3D画像。(a-c) 外側のリングの 3D ビュー(正面ビュー、左ビュー、上面図)。(d-f)内輪の 3D ビュー(正面ビュー、左ビュー、上面図)。この図のより大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。

Figure 3
図 3: 3D 印刷を介してバリ穴リングを構築するためのフローチャート。この図のより大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。

Figure 4
図4:ソルフワレをスライスしてバリ穴リングをスライスするプロセス。スライスソルフワレでは、STLモデルを0.1mmの厚さの層(黒い固体矢印)にスライスしました。速度や温度などのパラメータを次のように設定(赤い箱):印刷速度を30mm/s、印刷温度を210°C、ベッド温度を80°Cに設定した。最後に、ツールパスを保存し、STLファイルを3Dプリント用にGcodeファイルに直接変換しました。この図のより大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。

Figure 5
図5:3Dプリンティングを介してバリ穴リングを構築する例。(a)左側の実線矢印はノズルを示し、右側のソリッド矢印は、ソリッドモデルをホストするために使用されたタッチビルドプレートを示しました。(b)外輪(実線矢印)は、触れるビルドプレート上に組み立てられました。(c)内側のリングは、触れるブイルプレート(実線矢印)の上に構築されました。(d)内輪はベッドの右側(実線矢印)に組み立てられました。(e-f)研磨後の内輪及び外輪(実線矢印)の例。この図のより大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。

Figure 6
図6:絶対誤差の測定。(a) 外輪の絶対誤差と誤差範囲 (AE = |MV - SV |;主な構造:(1)上部の外径;(2)ウエストの外径;(3)本体の厚さ。(4)上部の厚さ。(5)フックの幅。(6)上部の内径)。(b) 内輪の絶対誤差と誤差範囲 (AE = |MV - SV |;主な構造:(1)上部の外径;(2)底部の外径;(3)内径;(4)全高;(5)底部の厚さ。(6)上部の厚さ。P = 部品、MV = 測定値、SV = 標準値、AE = 絶対誤差、ER = 誤差範囲。精度 = 0.02 mm;単位 = mm.この図のより大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。

補足ファイル 1: 外側のバリ穴リング。このファイルを表示するには、ここをクリックしてください。(右クリックしてダウンロードしてください。

補足ファイル2:内側のバリ穴リング。このファイルを表示するには、ここをクリックしてください。(右クリックしてダウンロードしてください。

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Discussion

これらの結果から、使用するソフトウェアはバリ穴リングの3Dモデル(図1および図2)を構築するために実用的であり、3Dプリンティングを使用して指定された材料を用いた固体モデルを構築できることが示された(図4)。固体モデルの大きさに関しては、Vernierキャリパーによる測定によって決定された0から0.59 mmまでの絶対誤差があった(図6)。このような絶対誤差は、印刷機器の品質など多くの要因から発生するため、ある程度はエラーは避けられません。工業用プリンターは、より高い精度を持つことができます。さらに、より小さく、より正確な部品を構築する場合、絶対誤差はより明白です。一般に、図3に示すように、モデルを構築し、さらに3Dプリンティングによってソリッドモデルを形成するプロセスは有効かつ実現可能である。絶対的な誤差はありますが、プリンタの品質を向上させ、印刷パラメータを正確に調整することで、このようなエラーを軽減できます。

DBS用の革新的なバリ穴リングが以前に11で公開されました。本研究では、関連するインプラントを作る系統的なプロセスをさらに実証する例として、同じモデルを適用した。現在、3Dプリンティングの限られた臨床応用において、モデル構築は一般的に2つの方法を採用している:まず、CADモデリングは、さらに3D印刷操作のための3Dモデルを生成するために使用されてきた12。第二に、画像データ(DICOMのフォーマットのような)は、CTおよびMRIデータに従って3次元モデルで患者の骨構造を再構築するために使用されている。レンダリング後、データをさらに編集可能な STL ファイルに変換し、高度にシミュレートされた解剖構造を 3D 印刷12、13、14で作成できます。同様に、形態に非常に適したパッチまたは移植材料は、三次元再建15、16、17の解剖構造に従って設計することができる。この方法は頭蓋形成術に適用されている。以前の研究では、3Dプリンティング技術6によって構築されたチタン頭蓋骨パッチを示しました。本研究では、3Dプリンティング技術を用いてバリ穴リングを構築することが可能であるが、このモデリング方法には実際には一定の限界がある。

本研究では、バリ穴リングの従来の生産とは異なり、3Dプリンティングを用いてこれらの埋め込み可能な部品を構築することを提案した。実際には、従来の製品は、頭蓋骨の形状の変化と頭皮の萎縮を持つ一部の患者には適用されないサイズで、ほとんど均一です。3Dプリンティングの適用は異なった患者のためにカスタマイズされたインプラントを提供する。これまでの研究では、頭蓋骨の欠陥修復のための頭蓋骨の断片を生成するために3Dプリンティングの適用を提案し、実施し、その永久的な効果6を示している。機能性神経外科疾患に対するDBSの有効性は広く認められている(パーキンソン病、ジスキネシアなど)18、19、20、しかし、この治療の人気は限られており、その結果である可能性がある。高い消耗品コストによって引き起こされる経済的負担の。3Dプリンティングによる製品は、高い生産効率、低コスト、カスタマイズの利点があり、3Dプリンティングは現場で大きな可能性を秘めています。この技術の開発と応用は、より多くの患者にDBS手術を受ける機会を提供するかもしれない。しかし、3Dプリンティングを使用してDBSの消耗品を製造するという報告はほとんどありません。

さらに、3Dプリンティングによって構築されたバリ穴リングは、他の利点を有することができます。この急速なプロトタイピングプロトタイピングプロトタイピング製品は、電極注入の手順について患者とその家族により良い通知し、効果的に医師と患者のコミュニケーションを強化する術前のデモンストレーションに使用することができます。臨床医は、3Dプリント製品を通じて術前シミュレーションと外科トレーニングを行い、DBS手術のシミュレーションを最大化し、外科的スキルを効果的に向上させることができます。脳血管腫瘍および頭蓋形成術の外科的治療において、3Dプリント製品は外科訓練2、5に適用されている。

本研究では、強靭性と靭性に優れた炭素繊維を印刷材料として用い、3Dプリンティングの製造工程を示した。実際には、インプラント材料の多くの要因を考慮する必要があります。まず、インプラントが優れた消毒性能を有し、エチレンオキシドおよび熱い蒸気の下で長時間その特性を変えることができるかどうか12.第二に、インプラントは良好な生体適合性を持っている必要があり、体内で拒絶することなく長い時間置くことができます。第三に、インプラントは優れた機械的強度、靭性および耐薬品性を有する必要があります。

本研究では、モデリングから3Dプリンティングまでのプロセスを系統的に記述するために、バリ穴リングの構築を例に実証した。これは完全なプロセス例です。将来的には、CADソフトウェア、イメージングデータ(DICOMなど)、3Dプリンティングを使用してバリ穴リングを構築することが奨励されるべきである。前述したように、撮像によって得られたDICOMデータの3D再構成は、さらに3D印刷に使用できるSTLファイルに変換することができる。これはまた、臨床シナリオ12、13における主流のモデリング方法である。この方法はDBS手術には適用されていない。

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Disclosures

著者は何も開示していない。

Acknowledgments

この研究は、広東省自然科学基金(No.2017A030313597)と南部医科大学(No.LX2016N006、いいえ。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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