تطبيق الطباعة ثلاثية الأبعاد في بناء حلقة ثقب لدغ لزرع تحفيز الدماغ العميق

Summary

هنا، نقدم بروتوكول اثبات الطباعة ثلاثية الأبعاد في بناء غرسات تحفيز الدماغ العميق.

Abstract

وقد تم تطبيق الطباعة ثلاثية الأبعاد على نطاق واسع في المجال الطبي منذ الثمانينات، وخاصة في الجراحة، مثل المحاكاة قبل الجراحة، والتعلم التشريحي والتدريب الجراحي. وهذا يثير إمكانية استخدام الطباعة ثلاثية الأبعاد لبناء زرع جراحة الأعصاب. استغرق أعمالنا السابقة بناء حلقة حفرة لدغ كمثال، ووصف عملية استخدام برامج مثل تصميم بمساعدة الكمبيوتر (CAD)، برو / مهندس (برو / E) وطابعة 3D لبناء المنتجات المادية. وهذا هو، مطلوب ما مجموعه ثلاث خطوات، ورسم صورة 2D، وبناء صورة 3D من حلقة حفرة لدغ، واستخدام طابعة 3D لطباعة النموذج المادي من حلقة حفرة لدغ. هذا البروتوكول يبين أن حلقة حفرة لدغ مصنوعة من ألياف الكربون يمكن أن تكون مصبوب بسرعة وبدقة عن طريق الطباعة 3D. وأشارت إلى أنه يمكن استخدام كل من برامج CAD وPro/E لبناء حلقة حفرة الحفر ة من خلال التكامل مع بيانات التصوير السريري ومواصلة تطبيق الطباعة ثلاثية الأبعاد لجعل المواد الاستهلاكية الفردية.

Introduction

وقد تم تطبيق الطباعة ثلاثية الأبعاد في المجال الطبي منذ الثمانينات، وخاصة في الجراحة لمحاكاة ما قبل الجراحة، والتعلم التشريحي والتدريب الجراحي^1. على سبيل المثال، في العمليات الدماغية الوعائية، يمكن إجراء محاكاة ما قبل الجراحة باستخدام نماذج الأوعية الدموية المطبوعة ثلاثية الأبعاد². مع تطوير الطباعة ثلاثية الأبعاد، يمكن محاكاة نسيج ودرجة الحرارة والهيكل والوزن من الأوعية الدموية الدماغية إلى أقصى حد من السيناريوهات السريرية. يمكن للمتدربين إجراء العمليات الجراحية مثل القطع ولقط على هذه النماذج. هذا التدريب مهم جدا للجراحين^3،4،5. حاليا، بقع التيتانيوم التي شكلتها الطباعة 3D أيضا تدريجيا تم تطبيق⁶، منذ الأطراف الاصطناعية الجمجمة التي وضعتها الطباعة 3D بعد التصوير وإعادة الإعمار هي مطابقة للغاية. ومع ذلك، فإن تطوير وتطبيق الطباعة ثلاثية الأبعاد في جراحة الأعصاب لا تزال محدودة.

وقد استخدمت على نطاق واسع حلقة حفرة لدغ، كجزء من جهاز تثبيت الرصاص، في تحفيز الدماغ العميق (DBS)^7،8،9،10. ومع ذلك، يتم إجراء حلقات حفرة لدغ الحالية من قبل الشركات المصنعة للجهاز الطبي وفقا للمواصفات والأبعاد الموحدة. هذا الحلقة ثقب لدغ القياسية ليست دائما مناسبة لجميع الظروف، مثل تشوه الجمجمة وضمور فروة الرأس. قد يزيد من عدم اليقين في التشغيل ويقلل من اللاكوراسي. ظهور الطباعة ثلاثية الأبعاد يجعل من الممكن تطوير حلقات حفرة حفرة فردية للمرضى في السيناريوهات السريرية^5. في الوقت نفسه، حلقة حفرة لدغ، والتي ليس من السهل الحصول عليها، لا يؤدي إلى مظاهرة واسعة قبل الجراحة والتدريب الجراحي¹.

لمعالجة المشاكل المذكورة أعلاه، اقترحنا لبناء حلقة حفرة حفرة مع الطباعة 3D. وصفت دراسة سابقة في مختبرنا حلقة حفرة حفرة مبتكرة لDBS¹¹. في هذه الدراسة، سيتم اعتبار هذا الحلقة حفرة حفرة مبتكرة كمثال ممتاز لعرض عملية الإنتاج التفصيلية. ولذلك، فإن الغرض من هذه الدراسة هو توفير عملية النمذجة وعملية تقنية مفصلة لبناء حلقة حفرة حفرة صلبة باستخدام الطباعة ثلاثية الأبعاد.

Protocol

1. رسم ثنائي الأبعاد (2D) صورة حلقة حفرة لدغ

1. افتح برنامج التصميم بمساعدة الكمبيوتر 2D (CAD) ثم قم بإنشاء مستند رسومي.
2. انقر على رسم | خط ورسم نقطة مرجعية مع خط صلب على الرسم. انقر على تعديل | إزاحة، واكتب مسافة الإزاحة المحددة في سطر الأوامر.
3. انقر على الكائن واضغط بواسطة زر الماوس الأيسر لإنشاء خط صلب. انقر على تعديل | تقليم، حدد المنطقة المراد اقتطاعها وانقر على خط إضافي.
4. خذ حلقة ثقب لدغ الداخلية على سبيل المثال، رسم ثلاثة وجهات نظر مختلفة من الحلقة الداخلية على أساس حجم محدد مسبقا في برنامج CAD. أولا، رسم العرض الأمامي وتعديل الرسم البياني بعناية حتى يطابق الهيكل المتوقع(الشكل 1د).
5. رسم العرض العلوي بالنقر على رسم | خط لبناء نقطة مرجعية أولا ثم انقر على رسم | دائرة | مركز، قطر،وإدخال القيمة الكمية لنصف قطر معين من دائرة أو قطر في إطار الأوامر. انقر على وسط النقطة المرجعية لتشكيل دائرة(الشكل 1و).
6. رسم وجهة النظر اليسرى من حلقة ثقب لدغ الداخلية مع نفس النهج كما أن من وجهة النظر الأمامية(الشكل 1ه).
7. انقر على البعد | القطر، ثم انقر على محيط لوضع علامة على قطر الدائرة(الشكل 1و).
8. انقر على البعد | الخطية ووضع علامة على طول وسمك جميع الهياكل المرتبطة بها(الشكل 1د، ه). انقر فوق البعد | دائرة نصف قطرها لوضع علامة على زاوية الغرفة(الشكل 1د).
9. باستخدام نفس البروتوكول، قم بإنشاء رسومات ثنائية الأبعاد لحلقة ثقب اللدغ الخارجي، ووضع علامة على الحجم الفعلي ووضع العلامات(الشكل 1أ - ج).
10. إضافة المتطلبات التقنية لعملية الإنتاج، بما في ذلك القوة والمتانة وعدم وجود الشقوق. وعلاوة على ذلك، هناك حاجة إلى تنعيم الجدار الخارجي.
11. Clink على حفظ لحفظ صورة 2D من حلقة حفرة لدغ.
    ملاحظة: كل هذه الهياكل المذكورة أعلاه في وحدات ملليمتر (مم).

2. بناء صورة 3D من حلقة حفرة لدغ

1. بدء تشغيل برنامج الرسم ثلاثي الد(انظر جدول المواد). اختر جديد | جزء | صلب وقم بإلغاء تحديد باستخدام القالب الافتراضي. حدد part_solid في خيارات الملفات الجديدة وانقر على موافق لإنشاء واجهة جديدة لإعداد نموذج جزء فعلي.
2. انقر على ميزة جزء في مدير القائمة على اليمين وحدد إنشاء | صلب | إضافة ورقة. في القائمة المنسدلة SOLID، حدد تدوير | تم ذلك. انقر على أثر الرسم الأولي. حدد المستوى "الأمامي" كمستوى رسم، ثم انقر فوق الافتراضي ضمن SKET VIEW.
3. حدد الخط المنقط على شريط الأدوات الأيمن من الإطار وارسم القسم العلوي من الجزء في الرسم ثنائي الأبعاد. ويخضع الحجم المحدد للرسم ثنائي الأبعاد. ثم انقر فوق مطابقة، وحدد تم في نافذة بروز نتوء. انقر على أيقونة طائرة داتوم.
4. في مدير القائمة، حدد إنشاء | صلب | إضافة ورقة، وتدوير | تم ذلك. انقر فوق ثنائي في قائمة الخصائص ثم انقر فوق تم.
5. اضغط على الجبهة | إلى الأمام | الافتراضي ومن ثم طائرة Datum | خط منقط لبناء المقطع العرضي من هوك من حلقة ثقب لدغ الخارجي. ثم انقر فوق مطابقة متبوعاً تم في إدارة القائمة. إدخال "50" في زاوية في اتجاه المشار إليه [45.0000]، ثم انقر فوق القيام به في نافذة بروز وأخيرا، انقر على زر التلوين.
   ملاحظة: وحدة الزاوية هي درجة (°).
6. حدد إعادة تعريف في ميزة الجزء وانقر فوق بنية خط الخطاف. إدخال قسم الأوامر | تعريف | رسم تخطيطي.
7. انقر فوق رمز الخط المنقط، قم بإنشاء نقشين مربعين على قسم الخطاف، ثم إدخال الأمر موافق | تم ذلك | تلوين.
8. انقر فوق رمز محور داتوم، ثم أدخل الأمر إدراج datum | عبر، انقر فوق المحور الأوسط لبنية الخط ، انقر فوق زاوية في مستوى datum ، ثم انقر فوق المستوى "الأمامي" في طريقة عرض بنية الخط. انقر فوق قيمة الإدخال في القائمة إزاحة. إدخال "-45" في"زاوية في اتجاه المشار إليه[45.0000].
   ملاحظة: وحدة الزاوية هي درجة (°).
9. انقر على الميزات | نسخ | مرآة. انقر على هوك ككائن والأمر الإدخال القيام به حدد | تم ذلك. انقر فوق مستوى datum لإكمال النسخة. وبالمثل، يتم نسخ السنانير المتبقية اثنين بهذه الطريقة. انقر على إنشاء دائرة متحدة المركز لإنشاء دائرة نصف قطرها 7.23 مم، انقر فوق تجزئة البدائيين في رمز نقاط محددة لإزالة الخطوط غير الضرورية من الدائرة.
10. انقر فوق الزر خط صلب في شريط الأدوات الأيمن لإنشاء مقطع جدار خارجي كامل. ثم إدخال الأمر موافق | تم ذلك.
    ملاحظة: وحدة نصف القطر هي ملليمتر (مم).
11. إدخال "4" في عمق أدخل، ثم انقر على التلوين. إدخال مرآة الأمر | تم ذلك. ثم انقر على الكائن وانقر فوق تم. انقر فوق مستوى datum لإكمال النسخة.
12. إدخال نسخة الأمر | مرآة | تم ذلك، وحدد جدارين خارجيين في اتجاهات مختلفة، انقر فوق تم لتتوافق. انقر فوق مستوى datum لإكمال النسخة.
13. إدخال طريقة عرض الأمر | إعدادات الطراز | اللون والمظهر | إضافة. اضبط شريط تمرير ألوان RGB واضبط اللون باللون البني لإظهار تفاصيل الرسم بشكل أكثر تصويرًا. ثم إدخال الأمر إغلاق | الإعدادات | حسناً ، حسناً، حسناً
14. انقر فوق الزر إزالة الخطوط المخفية، انقر فوق إنشاء دائرة متحدة المركز، استمر في إنشاء حافة خارجية على الجدار الخارجي ، انقر فوق تجزئة البدائيين في زر نقاط محددة لإزالة الخطوط الزائدة ، وانقر فوق الزر زر خط صلب لتوصيل الحافة الخارجية المضافة حديثا في مقطع كامل. انقر فوق موافق.
15. إدخال "0.8" في عمق Inter. انقر فوق موافق في إطار نتوء. في إدارة القائمة، أدخل نسخة الأمر | مرآة | تم ذلك. انقر فوق الكائن وانقر فوق تم. إدخال الأمر إنشاء المعيار | إزاحة.
    ملاحظة: وحدة العمق هي ملليمتر (مم).
16. انقر فوق قيمة الإدخال في الإزاحة وأدخل "0.4" كمقياس للاتجاه المحدد، ثم انقر فوق تم.
    ملاحظة: وحدة الإزاحة هي ملليمتر (مم).
17. إدخال نسخة الأمر | مرآة | تم ذلك، انقر فوق الجدار الخارجي. إدخال الأمر تم حدد | تم ذلك. انقر فوق تم حدد وانقر فوق تم. انقر فوق datum من الصورة لإكمال النسخة. وبهذه الطريقة، يتم الانتهاء من تشغيل مرآة الجدار الخارجي والنقش مربع على التوالي.
18. إدخال ملف الأمر | انسخ، وحدد حفظ التنسيق كـ STL (*stl) في القائمة المنسدلة نوع الجزء، وأدخل رقم الجزء وانقر فوق موافق.
19. في مربع الحوار إخراج STL ضبط ارتفاع الوتر إلى 0.006 وعنصر تحكم الزاوية إلى 0.00001. إدخال الأمر تطبيق | حسناً ، حسناً، حسناً
20. استخدم نفس الطرق المذكورة أعلاه لبناء صورة ثلاثية الأبعاد للحلقة الداخلية.

3. باستخدام طابعة 3D لطباعة النموذج المادي من حلقة حفرة لدغ

1. فتح نموذج الكشف عن البرمجيات، وإدخال مشروع الأمر | افتح، واختر ملف STL واحد في مربع الحوار فتح ملف منبثق، ثم انقر فوق فتح. في هذا البرنامج، سيظهر تحذير إذا تم الكشف عن عيوب في هذا النموذج (الشكل 3). إذا تم العثور على، قم بإصلاح الطراز قبل الطباعة. إذا لم تكن هناك عيوب، انقر فوق إخراج.
2. بعد التأكد من اكتمال الحلقة الخارجية، أدخل جزء الأمر | جزء التصدير | كـ STL | حفظ. استخدم الإرشادات المذكورة أعلاه للكشف عن عيوب الحلقة الداخلية.
3. بعد الكشف عن الطراز، يجب تصميم المسار المطبوع. افتح برنامج التقطيع، انقر فوق ملف | تحميل ملف الطراز، انقر فوق ملف واحد STL وانقر فوق فتح للاستيراد.
4. انقر فوق زر الماوس الأيسر لاختيار المسار المتحرك للجزء، وضبط موقف الأجزاء. على الجانب الأيسر من الشاشة، تعيين سرعة الطباعة إلى 30 مم / ث، ودرجة حرارة الطباعة إلى 210 درجة مئوية ودرجة حرارة السرير إلى 80 درجة مئوية(الشكل 4).
5. انقر فوق Toolpath إلى SD لحفظ الملف بتنسيق Gcode لإنشاء مسار مطبوع (الشكل 3).
6. بدء الطابعات 3D، انقر فوق زر التسخين على الواجهة الرئيسية، تعيين درجة حرارة الحرارة المسبقة للسرير إلى 80 درجة مئوية ودرجة حرارة فوهة إلى 210 درجة مئوية. انقر فوق طباعة عند ارتفاع درجة الحرارة إلى قيمة الإعداد المسبق، وحدد الملف الهدف وانقر فوق تأكيد لبدء الطباعة.
7. سيتم طباعة الحلقة الخارجية أولاً(الشكل 5أ). بعد بناء الشبكة الداعمة للقاع، تبدأ فوهة الطباعة في بناء الحلقة الخارجية عمودياً طبقة بطبقة(الشكل 5ب - د). تستغرق هذه العملية حوالي 13 دقيقة.
8. بعد تشكيل الحلقة الخارجية، تستمر فوهة الطابعة في جعل الحلقة الداخلية على الجانب الأيمن(الشكل 5ج، د)،والتي تستغرق حوالي 8 دقائق.
9. إزالة كلا الجزأين من المنصة بعد التبريد ويجري تشكيلها(الشكل 5ه، و).

4. قياس الخطأ المطلق

1. لقياس الخطأ المطلق، حدد خمسة أجزاء مطبوعة بشكل عشوائي. قياس وتسجيل المعلمات من كل جزء مع الفرجار فيرنييه. اختر دقة القياس عند 0.02 مم.
2. حساب متوسط الخطأ لكل جزء ونطاق الخطأ للخطأ المطلق (الشكل 6أ،ب).

النتائج

تم بناء ثلاث مشاهدات من الصور 2D من خلال البرمجيات التجارية CAD (انظر جدول المواد). وفي هذه الصور، أضيف أيضا الحجم العملي والمتطلبات التقنية(الشكل 1). وعلاوة على ذلك، تم إنشاء بيانات ثلاثية الأبعاد في (الشكل 2)وحفظها في شكل المحكمة الخ...

Discussion

وأظهرت هذه النتائج أن البرمجيات المستخدمة كانت عملية لبناء نماذج 3D من حلقات حفرة لدغ(الشكل 1 والشكل 2)،ويمكن استخدام الطباعة 3D لبناء نماذج صلبة مع مواد معينة(الشكل 4). من حيث حجم النموذج الصلب، كان هناك خطأ مطلق من 0 إلى 0.59 ملم تحدد من خلال القي...

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