Aplicação da impressão 3D na construção do anel de furo de Burr para implantes profundos da estimulação do cérebro

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Summary

Aqui, apresentamos um protocolo para demonstrar a impressão 3D na construção de implantes de estimulação cerebral profunda.

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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

a impressão 3D tem sido amplamente aplicada no campo médico desde a década de 1980, especialmente na cirurgia, como simulação pré-operatória, aprendizado anatômico e treinamento cirúrgico. Isto levanta a possibilidade de usar a impressão 3D para construir um implante Neurosurgical. Nossos trabalhos anteriores levaram a construção do anel de furo de rebarba como exemplo, descreveu o processo de utilização de softwares como design assistido por computador (CAD), Pro/Engineer (pro/E) e impressora 3D para a construção de produtos físicos. Ou seja, um total de três passos são necessários, o desenho de 2D-imagem, a construção de 3D-imagem do anel de Burr buraco, e usando uma impressora 3D para imprimir o modelo físico do anel de Burr buraco. Este protocolo mostra que o anel do furo da rebarba feito da fibra do carbono pode ràpida e exatamente ser moldado pela impressão 3D. Indicou que os softwares CAD e pro/E podem ser usados para construir o anel do furo de rebarba através da integração com os dados clínicos da imagem latente e da impressão 3D aplicada mais adicional para fazer os consumíveis individuais.

Introduction

a impressão 3D tem sido aplicada no campo médico desde a década de 1980, especialmente na cirurgia para simulação pré-operatória, aprendizado anatômico e treinamento cirúrgico1. Por exemplo, em operações cerebrovasculares, a simulação pré-operatória pode ser conduzida usando modelos vasculares impressos em 3D2. Com o desenvolvimento da impressão 3D, a textura, a temperatura, a estrutura e o peso dos vasos sanguíneos cerebrais podem ser simulados na maior extensão dos cenários clínicos. Os estagiários podem executar operações cirúrgicas tais como o corte e o aperto em tais modelos. Este treinamento é muito importante para os cirurgiões3,4,5. Atualmente, os remendos Titanium dados forma pela impressão 3D foram aplicados igualmente gradualmente6, desde que as próteses do crânio desenvolvidas pela impressão 3D após a imagem latente e a reconstrução são altamente conformal. No entanto, o desenvolvimento e aplicação de impressão 3D em neurocirurgia ainda é limitado.

O anel do furo da rebarba, como uma parte do dispositivo da fixação da ligação, foi amplamente utilizado na estimulação profunda do cérebro (DBS)7,8,9,10. Entretanto, os anéis de furo atuais do Burr são feitos por fabricantes do dispositivo médico de acordo com as especificações e as dimensões unificadas. Este anel de furo padrão do Burr não é sempre apropriado para todas as circunstâncias, tais como a malformação do crânio e a atrofia do escalpe. Pode aumentar as incertezas da operação e reduzir a acurracia. O surgimento da impressão 3D possibilita o desenvolvimento de anéis de furo de rebarba individualizados para pacientes em cenários clínicos5. Ao mesmo tempo, o anel do furo da rebarba, que não é fácil de obter, não é propício à demonstração pré-operativa extensiva e ao treinamento cirúrgico1.

Para abordar os problemas mencionados acima, propusemos a construção de um anel de Burr Hole com impressão 3D. Um estudo anterior em nosso laboratório descreveu um anel de furo inovativo da rebarba para DBS11. Neste estudo, este inovador anel de furo de rebarba será considerado um excelente exemplo para expor o processo de produção detalhado. Portanto, o objetivo deste estudo é fornecer um processo de modelagem e um processo técnico detalhado de construção de um anel de furo de rebarba sólido usando impressão 3D.

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Protocol

1. desenhando uma imagem bidimensional (2D) de um anel de Burr Hole

  1. Abra o software de design assistido por computador 2D (CAD) e, em seguida, crie um documento gráfico.
  2. Clique em desenhar | Alinhe e desenhe um ponto de referência com uma linha sólida no desenho. Clique em Modificar | Offsete digite a distância de deslocamento específico na linha de comando.
  3. Clique no objeto e pressione o botão esquerdo do mouse para criar uma linha sólida. Clique em Modificar | Trim, selecione a área a ser cortada e clique na linha extra.
  4. Tome o anel de furo interno da rebarba por exemplo, desenhe três pontos de vista diferentes do anel interno com base no tamanho predeterminado no software CAD. Primeiro, desenhe a vista frontal e modifique o gráfico cuidadosamente até que corresponda à estrutura esperada (Figura 1d).
  5. Desenhe a vista superior clicando em desenhar | Linha para construir primeiro o ponto de referência e, em seguida, clique em desenhar | Círculo de | Centro, diâmetro, e entrada o valor quantitativo do raio específico do círculo ou do diâmetro na janela de comando. Clique no centro do ponto de referência para formar um círculo (Figura 1f).
  6. Desenhe a vista esquerda do anel de furo de rebarba interna com a mesma abordagem que a da vista frontal (Figura 1e).
  7. Clique em Dimension | Diâmetroe, em seguida, clique na circunferência para marcar o diâmetro do círculo (Figura 1f).
  8. Clique em Dimension | Linear e marcar o comprimento e a espessura de todas as estruturas associadas (Figura 1d, e). Clique em Dimension | Raio para marcar o ângulo da câmara (Figura 1d).
  9. Usando o mesmo protocolo, construa desenhos bidimensionais do anel de furo de rebarba exterior e marque o tamanho real e a rotulagem (Figura 1a-c).
  10. Adicione as exigências técnicas do processo de produção, incluindo a força, a dureza e a falta das rachaduras. Além disso, a suavização da parede externa é necessária.
  11. Clink em salvar para salvar a imagem 2D do anel Burr buraco.
    Nota: todas estas estruturas mencionadas acima estão nas unidades de milímetros (mm).

2. construção de uma imagem 3D do anel de Burr Hole

  1. Inicie o software de desenho 3D (consulte a tabela de materiais). Selecione novo | Parte | Solid e desmarque usando o modelo padrão. Selecione part_solid em novas opções de arquivo e clique em OK para criar uma nova interface para configurar um modelo de peça física.
  2. Clique no recurso de peça no Gerenciador de menus à direita e selecione Create | Solid | Adicionar folha. No menu suspenso sólido , selecione girar | Está feito. Clique no traço do esboço preliminar. Selecione o plano "frontal" como plano de esboço e clique em padrão em SKET View.
  3. Selecione a linha pontilhada na barra de ferramentas à direita da janela e desenhe a seção superior da peça no esboço bidimensional. O tamanho específico deve estar sujeito ao desenho bidimensional. Em seguida, clique em conformidade, e selecione feito na janela de protrusão de protrusão. Clique no ícone de plano de Datum .
  4. No Gerenciador de menus, selecione Create | Solid | Adicionar folhae girar | Está feito. Clique em bilateral no menu Propriedades e clique em concluído.
  5. Clique em frente | Encaminhar | Padrão e, em seguida, plano Datum | Linha pontilhada para construir a seção transversal do gancho do anel de furo exterior da rebarba. Em seguida, clique em conformidade seguido por feito no Gerenciador de menus. Entrada "50" em ângulo na direção indicada [45.0000]e, em seguida, clique em feito na janela de saliência e, finalmente, clique no botão para colorir .
    Nota: a unidade do ângulo é grau (°).
  6. Selecione Redefinir no recurso de peça e clique na estrutura de linha do gancho. Insira a seção de comando | Definir | O esboço.
  7. Clique no ícone de linha pontilhada , crie dois relevos quadrados na seção de gancho e, em seguida, comando de entrada OK | Feito | A colorir.
  8. Clique no ícone do eixo Datum e insira o comando INSERT a Datum | Cruz, clique no eixo central da estrutura da linha, clique em ângulo no plano de referência e, em seguida, clique no plano "frontal" na vista de estrutura de linha. Clique em valor de entrada no menu deslocamento . Entrada "-45" em "ângulo na direção indicada [45.0000].
    Nota: a unidade do ângulo é grau (°).
  9. Clique em recursos | Cópia | O espelho. Clique no gancho como o objeto e comando de entrada feito selecione | Está feito. Clique no plano de referência para concluir a cópia. Da mesma forma, os dois ganchos restantes são copiados desta forma. Clique em criar círculo concêntrico para construir um círculo com um raio de 7,23 mm, clique na segmentação de primitivos no ícone de pontos selecionados para remover as linhas desnecessárias do círculo.
  10. Clique no botão linha sólida na barra de ferramentas à direita para criar uma seção de parede externa completa. Em seguida, insira o comando OK | Está feito.
    Nota: a unidade do raio é milímetro (milímetro).
  11. Entrada "4" em profundidade Enter, em seguida, clique em coloração. Insira o comando Mirror | Está feito. Em seguida, clique no objeto e clique em concluído. Clique no plano de referência para concluir a cópia.
  12. Insira o comando Copy | Espelho | Feito, e selecione duas paredes exteriores em sentidos diferentes, clique feito para conformar-se. Clique no plano de referência para concluir a cópia.
  13. Insira o comando View | Configurações do modelo | Cor e aparência | Add (adicionar). Ajuste o controle deslizante de cor RGB e ajuste a cor para marrom para mostrar os detalhes gráficos mais visualmente. Em seguida, insira o comando Close | Configurações | Está bem.
  14. Clique no botão eliminando linhas ocultas, clique em criar círculo concêntrico, continue a criar uma aresta externa na parede externa, clique na segmentação de primitivos no botão de pontos selecionados para remover as linhas em excesso e clique no Botão de linha sólida para conectar a borda externa recém-adicionada em uma seção completa. Clique em OK.
  15. Entrada "0,8" em profundidade inter. Clique em OK na janela protrusão . No Gerenciador de menus, insira o comando Copy | Espelho | Está feito. Clique no objeto e clique em concluído. Input o comando gerar benchmark | O deslocamento.
    Nota: a unidade da profundidade é milímetro (milímetro).
  16. Clique no valor de entrada no deslocamento e digite "0,4" como a isométrica da direção especificadae, em seguida, clique em concluído.
    Nota: a unidade do offset é milímetro (milímetro).
  17. Insira o comando Copy | Espelho | Feito, clique na parede externa. Insira o comando Done Select | Está feito. Clique em concluído selecione e clique em concluído. Clique na referência da imagem para concluir a cópia. Desta maneira, a operação do espelho da parede exterior e da gravação quadrada é terminada respectivamente.
  18. Insira o arquivo de comando | Copie, selecione salvar formato como STL (* STL) no menu suspenso tipo de peça, insira o número da peça e clique em OK.
  19. Na caixa de diálogo STL de saída , ajuste a altura de acorde para 0, 6 e o controle de ângulo para 0, 1. Insira o comando Apply | Está bem.
  20. Use os mesmos métodos acima para construir a imagem 3D do anel interno.

3. usando a impressora 3D para imprimir o modelo físico do anel de furo do Burr

  1. Abra o software de detecção de modelo, insira o comando Project | Abra, escolha um arquivo STL na caixa de diálogo Abrir arquivo pop-up e, em seguida, clique em abrir. Neste software, aparecerá um aviso se forem detectados defeitos neste modelo (Figura 3). Se for encontrado, repare o modelo antes de imprimir. Se não houver defeitos, clique em output.
  2. Depois de confirmar que o anel externo está completo, insira o comando Part | Parte de exportação | como STL | A salvo. Use as instruções acima para detectar os defeitos do anel interno.
  3. Após a detecção do modelo, o caminho impresso precisa ser projetado. Abra o software de fatiamento, clique em arquivo | Carregar arquivo de modelo, clique em um arquivo STL e clique em abrir para importar.
  4. Clique no botão esquerdo do mouse para escolher a faixa de movimento da peça, ajustar a posição das peças. No lado esquerdo da tela, defina a velocidade de impressão para 30 mm/s, temperatura de impressão para 210 ° c e temperatura do leito para 80 ° c (Figura 4).
  5. Clique em ToolPath para SD para salvar o arquivo no formato Gcode para gerar o caminho impresso (Figura 3).
  6. Inicie as impressoras 3D, clique no botão pré-aquecimento na interface principal, defina a temperatura pré-aqueça da cama para 80 ° c e a temperatura do bocal para 210 ° c. Clique em Imprimir quando a temperatura sobe para o valor predefinido, selecione o arquivo de destino e clique em confirmar para iniciar a impressão.
  7. O anel externo será impresso primeiro (Figura 5a). Depois que a grade de suporte inferior foi construída, o bocal de impressão começa a construir o anel externo verticalmente camada por camada (Figura 5b-d). Este processo demora cerca de 13 min.
  8. Depois que o anel externo é formado, o bocal da impressora continua a fazer o anel interno no lado direito (Figura 5c, d), que leva cerca de 8 min.
  9. Retire ambas as partes da plataforma após o resfriamento e sendo formado (Figura 5e, f).

4. medição de erro absoluto

  1. Para medir o erro absoluto, selecione cinco peças impressas aleatoriamente. Meça e registre os parâmetros de cada peça com calipers Vernier. Escolha a exatidão da medida em 0, 2 milímetros.
  2. Calcule o erro médio de cada parte e o intervalo de erro do erro absoluto (Figura 6a, b).

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Representative Results

Três visualizações de imagens 2D foram construídas através de softwares CAD comerciais (veja a tabela de materiais). Nessas imagens, também foram acrescentadas dimensões práticas e requisitos técnicos (Figura 1). Além disso, foram construídos dados tridimensionais (Figura 2) e salvos no formato STL (Figura 3). Conforme apresentado na Figura 4, as peças sólidas foram construídas na plataforma da impressora. Escolhendo cinco grupos dessas partes, foi calculado o erro absoluto e o intervalo de erro (Figura 6a, b). O resultado mostrou que, no anel externo, o erro absoluto máximo e o erro absoluto mínimo foram encontrados no diâmetro externo da cintura e na espessura do topo, respectivamente. No anel interno, o erro absoluto máximo e o erro absoluto mínimo foram encontrados no diâmetro interno e na espessura da parte superior respectivamente. O intervalo de erro total foi [0, 0, 0,59] (Figura 6a, b).

O arquivo STL é ainda mais ser convertido em arquivo Gcode no solfware fatiar. Depois disso, o arquivo Gcode é transmitido para a impressora 3D usando um cartão SD. Na impressora 3D, a fibra de carbono foi alimentada através do porto de alimentação. Uma unidade de controle de temperatura foi usada para controlar o derretimento da fibra de carbono e o bocal foi usado para controlar a liberação do material de impressão e construir o modelo sólido.

Figure 1
Figura 1: imagem 2D do anel do furo de rebarba. (a-c) vistas 2D (vista frontal, vista esquerda e vista superior, respectivamente) do anel externo. (d-f) vistas 2D (vista frontal, vista esquerda e superior, vista respectivamente) do anel interno. Unidade: mm. por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figure 2
Figura 2: imagem 3D do anel do furo de rebarba. (a-c) visualizações 3D (vista frontal, vista esquerda e vista superior, respectivamente) do anel externo. (d-f) visualizações 3D (vista frontal, vista esquerda e vista superior, respectivamente) do anel interno. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figure 3
Figura 3: o fluxograma para a construção de um anel de Burr buraco através de impressão 3D. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figure 4
Figura 4: o processo de fatiar o anel do furo de rebarba cortando o solfware. No solfware fatiando, o modelo STL foi cortado em camadas grossas de 0,1 mm (as setas pretas sólidas). Parâmetros como velocidade e temperatura foram ajustados (caixa vermelha) da seguinte forma: velocidade de impressão a 30 mm/s, temperatura de impressão a 210 ° c e temperatura da cama a 80 ° c. Finalmente, pressionamos Save ToolPathe o arquivo STL foi convertido em arquivos Gcode para impressão 3D diretamente. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figure 5
Figura 5: o exemplo de construção do anel de furo de rebarba através da impressão 3D. (a) A seta sólida à esquerda indicou o bico e a seta sólida no lado direito mostrou o toque de buildplate, que foi usado para hospedar o modelo sólido. (b) o anel externo (a seta sólida) foi construído sobre o toque de buildplate. (c) o anel interno foi construído sobre a placa de toque (a seta sólida). (d) o anel interno foi construído no lado direito da cama (a seta sólida). (e-f) Exemplo de anel interno e do anel externo (a seta sólida) após o polimento. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figure 6
Figura 6: medição do erro absoluto. (a) erro absoluto e intervalo de erro dos anéis exteriores (AE = | MV-SV |; estruturas principais: (1) diâmetro exterior da parte superior; (2) diâmetro exterior da cintura; (3) espessura do corpo principal; (4) espessura da parte superior; (5) largura do gancho; (6) diâmetro interno da parte superior). (b) erro absoluto e intervalo de erro de anéis internos (AE = | MV-SV |; estruturas principais: (1) diâmetro exterior da parte superior; (2) diâmetro exterior da parte inferior; (3) diâmetro interno; (4) altura total; (5) espessura da parte inferior; (6) espessura da parte superior. P = parte, MV = valores medidos, SV = valores padrão, AE = erro absoluto, ER = intervalo de erro. Precisão = 0, 2 mm; Unidade = mm. por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Arquivo suplementar 1: anel de furo de rebarba exterior. Por favor, clique aqui para ver este arquivo. (Clique com o botão direito do mouse para baixar.)

Arquivo suplementar 2: anel interno de Burr Hole. Por favor, clique aqui para ver este arquivo. (Clique com o botão direito do mouse para baixar.)

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Discussion

Esses resultados mostraram que o software utilizado foi praticável para construir modelos 3D de anéis de furo de rebarba (Figura 1 e Figura 2), e a impressão 3D pode ser utilizada para construir modelos sólidos com materiais designados (Figura 4). Em termos do tamanho do modelo sólido, houve um erro absoluto de 0 a 0,59 mm determinado por meio da medida feita pelos pinças de vernier (Figura 6). Até certo ponto, o erro é inevitável, uma vez que tal erro absoluto vem de muitos fatores, como a qualidade do instrumento de impressão. As impressoras industriais podem ter uma melhor precisão. Além disso, ao construir peças menores e mais precisas, o erro absoluto é mais óbvio. Em geral, como mostrado na Figura 3, o processo que construiu o modelo e formou o modelo sólido pela impressão 3D é efetivo e viável. Embora haja um erro absoluto, esse erro pode ser reduzido, melhorando a qualidade das impressoras e ajustando com precisão os parâmetros de impressão.

Um anel de furo inovativo do Burr para DBS foi publicado previamente11. Neste estudo, o mesmo modelo foi aplicado como um exemplo para demonstrar ainda mais o processo sistemático de confecção dos implantes relacionados. Atualmente, na aplicação clínica limitada da impressão 3D, o edifício modelo adota geralmente dois métodos: firstly, a modelagem do CAD foi usada para gerar modelos 3D para umas operações de impressão 3D mais adicionais12. Em segundo lugar, os dados da imagem latente (como no formato de DICOM) foram usados para reconstruir a estrutura do osso dos pacientes em três modelos dimensionais de acordo com dados do CT e do MRI. Após a renderização, os dados podem ser convertidos em arquivos STL editáveis e, emseguida, aestrutura anatômica altamente simulada pode ser produzida pela impressão 3D12,13,14. Da mesma forma, o remendamento ou a implantação de materiais altamente adequados para a morfologia podem ser projetados de acordo com a estrutura anatômica da reconstrução tridimensional15,16,17. Este método foi aplicado na cranioplastia. Um estudo anterior mostrou remendos Titanium do crânio construídos pela tecnologia de impressão 3D6. Embora usando a tecnologia de impressão 3D para construir anéis de Burr buraco através de visualização de fluxo credível neste estudo em possível, este método de modelagem tem certas limitações na prática.

Sendo diferente da produção tradicional de anéis de furo de rebarba, este estudo propôs a utilização da impressão 3D para construir essas peças implantáveis. De facto, os produtos tradicionais são na maior parte uniformes no tamanho, que não se aplicam a alguns pacientes com variação da forma do crânio e atrofia do escalpe. A aplicação da impressão 3D potencialmente forneceria os implantes personalizados para diferentes pacientes. Estudos prévios têm proposto e implementado a aplicação da impressão 3D para produzir fragmentos de crânio para reparação de defeitos do crânio, e mostrou seu efeito permanente6. A eficácia de DBS para doenças Neurosurgical funcionais tem sido reconhecida extensamente (tal como a doença de Parkinson, discinesia)18,19,20, mas a popularidade deste tratamento é limitada, que pode ser o resultado de encargos económicos causados por elevados custos de consumíveis. Os produtos feitos pela impressão 3D têm as vantagens da eficiência elevada da produção, do baixo custo e da personalização, que faz a impressão 3D do grande potencial no campo. O desenvolvimento e a aplicação desta tecnologia podem fornecer mais pacientes a uma oportunidade de receber a cirurgia de DBS. No entanto, há poucos relatos sobre o uso da impressão 3D para produzir consumíveis para DBS na literatura.

Além disso, o anel do furo da rebarba construído pela impressão 3D pode ter outras vantagens. Este produto de prototipagem rápida pode ser usado para demonstração pré-operatória, que irá informar melhor os pacientes e suas famílias sobre o procedimento de implante de eletrodo e melhorar a comunicação médico-paciente efetivamente. Os clínicos podem realizar a simulação pré-operativa e o treinamento cirúrgico através dos produtos impressos 3D para maximizar a simulação da cirurgia de DBS, que melhorará eficazmente suas habilidades cirúrgicas. No tratamento cirúrgico de tumores cerebrovasculares e cranioplastia, produtos impressos em 3D têm sido aplicados ao treinamento cirúrgico2,5.

Este estudo utilizou fibra de carbono, que tem boa resistência e dureza, como o material de impressão para mostrar o processo de produção de impressão 3D. Na prática, muitos fatores do material do implante devem ser considerados. Firstly, se o implante tem o desempenho excelente da desinfecção e pode manter suas propriedades inalteradas o óxido de etileno e o vapor quente por muito tempo12. Em segundo lugar, os implantes precisam ter boa biocompatibilidade e pode ser colocado por um longo tempo sem rejetiong pelo corpo. Em terceiro lugar, os implantes precisam ter excelente resistência mecânica, dureza e resistências químicas.

Neste estudo, a construção de um anel de Burr Hole como exemplo foi demonstrada para descrever sistematicamente o processo de modelagem para impressão 3D. Este é um exemplo de processo completo. No futuro, o uso de softwares de CAD, dados de imagem (por exemplo, DICOM) e impressão 3D para construir o anel de furo de rebarba deve ser incentivado. Como mencionado acima, a reconstrução 3D dos dados DICOM obtidos por imagem pode ser convertida em arquivos STL que podem ser usados para impressão 3D. Este é também o método de modelagem mainstream em cenários clínicos12,13. Este método não foi aplicado na cirurgia de DBS.

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Disclosures

Os autores não têm nada a revelar.

Acknowledgments

Este trabalho é apoiado por subvenções do fundo de ciências naturais da província de Guangdong (no. 2017A030313597) e Southern Medical University (no. LX2016N006, não. 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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