Anwendung des 3D-Drucks beim Bau von Gratlochring für Deep Brain Stimulation Implantate

Zusammenfassung

Hier stellen wir ein Protokoll zur Demonstration des 3D-Drucks beim Bau von Tiefenhirnstimulationsimplantaten vor.

Zusammenfassung

Der 3D-Druck wird seit den 1980er Jahren im medizinischen Bereich weit verbreitet, insbesondere in der Chirurgie, wie der präoperativen Simulation, dem anatomischen Lernen und dem chirurgischen Training. Dies erhöht die Möglichkeit, 3D-Druck zu verwenden, um ein neurochirurgisches Implantat zu konstruieren. Unsere früheren Arbeiten nahmen die Konstruktion des Gratlochrings als Beispiel, beschrieben den Prozess der Verwendung von Software wie Computer Aided Design (CAD), Pro/Engineer (Pro/E) und 3D-Drucker, um physikalische Produkte zu konstruieren. Das heißt, insgesamt drei Schritte sind erforderlich, die Zeichnung von 2D-Bild, die Konstruktion von 3D-Bild von Grat-Loch-Ring, und mit einem 3D-Drucker, um das physikalische Modell des Gratlochrings zu drucken. Dieses Protokoll zeigt, dass der Gratlochring aus Kohlefaser schnell und präzise durch 3D-Druck geformt werden kann. Es wurde darauf hingewiesen, dass sowohl CAD- als auch Pro/E-Software zum Bau des Gratlochrings durch Integration in die klinischen Bildgebungsdaten und weiter angewandten 3D-Druck verwendet werden können, um die einzelnen Verbrauchsmaterialien herzustellen.

Einleitung

Der 3D-Druck wird seit den 1980er Jahren im medizinischen Bereich eingesetzt, insbesondere in der Chirurgie zur präoperativen Simulation, anatomischen Lern- und Chirurgischen Ausbildung¹. Beispielsweise kann bei zerebrovaskulären Operationen eine präoperative Simulation mit 3D-gedruckten Gefäßmodellen²durchgeführt werden. Mit der Entwicklung des 3D-Drucks können Textur, Temperatur, Struktur und Gewicht der zerebralen Blutgefäße im größten Umfang klinischer Szenarien simuliert werden. Die Auszubildenden können chirurgische Operationen wie Schneiden und Spannen an solchen Modellen durchführen. Diese Ausbildung ist sehr wichtig für die Chirurgen^3,4,5. Derzeit werden auch Titan-Patches, die durch 3D-Druck gebildet werden, nach und nach⁶aufgetragen, da die Schädelprothesen, die durch 3D-Druck nach Bildgebung und Rekonstruktion entwickelt wurden, sehr konform sind. Die Entwicklung und Anwendung des 3D-Drucks in der Neurochirurgie ist jedoch noch begrenzt.

Der Gratlochring als Teil der Bleifixierungsvorrichtung wurde häufig in der Tiefenhirnstimulation (DBS)^7,8,9,10verwendet. Die aktuellen Gratlochringe werden jedoch von Medizinprodukteherstellern nach einheitlichen Spezifikationen und Abmessungen hergestellt. Dieser Standard-Gratlochring ist nicht immer für alle Bedingungen geeignet, wie Schädelfehlbildung und Kopfhautatrophie. Es kann die Ungewissheit enden und die Acurracy verringern. Die Entstehung des 3D-Drucks ermöglicht die Entwicklung individualisierter Gratlochringe für Patienten in klinischen Szenarien⁵. Gleichzeitig ist der nicht leicht zu erhaltende Gratlochring einer umfangreichen präoperativen Demonstration und chirurgischen Ausbildung nicht förderlich¹.

Um die oben genannten Probleme anzugehen, haben wir vorgeschlagen, einen Gratlochring mit 3D-Druck zu konstruieren. Eine frühere Studie in unserem Labor beschrieb einen innovativen Gratlochring für DBS¹¹. In dieser Studie wird dieser innovative Gratlochring als hervorragendes Beispiel für den detaillierten Produktionsprozess angesehen. Daher besteht der Zweck dieser Studie darin, einen Modellierungsprozess und einen detaillierten technischen Prozess zum Bau eines festen Bohrlochrings mit 3D-Druck bereitzustellen.

Protokoll

1. Zeichnen eines zweidimensionalen (2D)-Bildes eines Gratlochrings

1. Öffnen Sie die CAD-Software (Computer Aided Design) mit 2D-Computern, und erstellen Sie dann ein grafisches Dokument.
2. Klicken Sie auf Zeichnen | Und zeichnen Sie einen Referenzpunkt mit einer durchgezogenen Linie in der Zeichnung. Klicken Sie auf Ändern | Offset, und geben Sie den spezifischen Versatzabstand in der Befehlszeile ein.
3. Klicken Sie auf das Objekt und drücken Sie die linke Maustaste, um eine durchgezogene Linie zu erstellen. Klicken Sie auf Ändern | Trimmen, wählen Sie den zu trimmenden Bereich aus und klicken Sie auf die zusätzliche Linie.
4. Nehmen Sie zum Beispiel den inneren Gratlochring, zeichnen Sie drei verschiedene Ansichten des Innenrings basierend auf der vorgegebenen Größe in der CAD-Software. Zeichnen Sie zunächst die Frontansicht und ändern Sie das Diagramm sorgfältig, bis es mit der erwarteten Struktur übereinstimmt (Abbildung 1d).
5. Zeichnen Sie die ansichtsweite Ansicht, indem Sie auf Zeichnen | Linie, um zuerst den Referenzpunkt zu konstruieren und dann auf Zeichnen | Kreis | Center, Durchmesser, und geben Sie den quantitativen Wert des bestimmten Radius des Kreises oder Durchmessers im Befehlsfenster ein. Klicken Sie auf die Mitte des Bezugspunkts, um einen Kreis zu bilden (Abbildung 1f).
6. Zeichnen Sie die linke Ansicht des inneren Gratlochrings mit der gleichen Annäherung wie die der Vorderansicht (Abbildung 1e).
7. Klicken Sie auf Dimension | Durchmesser, und klicken Sie dann auf den Umfang, um den Durchmesser des Kreises zu markieren (Abbildung 1f).
8. Klicken Sie auf Dimension | Linear und markieren Sie die Länge und Dicke aller zugehörigen Strukturen (Abbildung 1d,e). Klicken Sie auf Dimension | Radius zur Markierung des Kammerwinkels (Abbildung 1d).
9. Erstellen Sie mit demselben Protokoll zweidimensionale Zeichnungen des äußeren Gratlochrings und markieren Sie die tatsächliche Größe und die Beschriftung (Abbildung 1a- c).
10. Fügen Sie technische Anforderungen des Produktionsprozesses hinzu, einschließlich Festigkeit, Zähigkeit und Mangel an Rissen. Darüber hinaus ist eine Glättung der Außenwand erforderlich.
11. Klinken Sie auf Speichern, um das 2D-Bild des Gratlochrings zu speichern.
    HINWEIS: Alle oben genannten Strukturen befinden sich in Millimetereinheiten (mm).

2. Aufbau eines 3D-Bildes des Gratlochrings

1. Starten Sie die 3D-Zeichnungssoftware (siehe Materialtabelle). Wählen Sie Neu | Teil | Solid und deaktivieren Sie die Option mit der Standardvorlage. Wählen Sie part_solid in neuen Dateioptionen aus, und klicken Sie auf Ok, um eine neue Schnittstelle zum Einrichten eines physischen Teilemodells zu erstellen.
2. Klicken Sie im Menü-Manager auf der rechten Seite auf Die Funktion "Teil" und wählen Sie Erstellen | Solide | Blatt hinzufügen. Wählen Sie im Dropdown-Menü SOLID die Option Drehen | Fertig. Klicken Sie auf die Spur der vorläufigen Skizze. Wählen Sie die "vordere" Ebene als Skizzenebene aus, und klicken Sie dann unter SKET VIEWauf Standard.
3. Wählen Sie die gepunktete Linie auf der rechten Symbolleiste des Fensters aus, und zeichnen Sie den oberen Teil des Teils in der zweidimensionalen Skizze. Die spezifische Größe unterliegt der zweidimensionalen Zeichnung. Klicken Sie dann auf Konform, und wählen Sie Fertig im Protrusionsfenster des Vorsprungs aus. Klicken Sie auf das Datum-Ebenensymbol.
4. Wählen Sie im Menümanager Create | Solide | Blatt hinzufügenund Drehen | Fertig. Klicken Sie im Eigenschaftenmenü auf Bilateral und auf Fertig.
5. Klicken Sie auf Front | Vorwärts | Standard- und dann Datumsebene | Gepunktete Linie, um den Querschnitt des Hakens des äußeren Gratlochrings zu konstruieren. Klicken Sie dann auf Konform gefolgt von Fertig im Menü-Manager. Geben Sie "50" in Winkel in angegebener Richtung[45.0000]ein, und klicken Sie dann im Protrusion-Fenster auf Fertig und klicken Sie schließlich auf die Schaltfläche Färbung.
   HINWEIS: Die Einheit des Winkels ist Grad (°).
6. Wählen Sie Neu definieren im Bauteil-Feature aus, und klicken Sie auf die Linienstruktur des Hooks. Geben Sie den Befehl Abschnitt | Definieren | Skizze.
7. Klicken Sie auf das Symbol Gepunktete Linie, erstellen Sie zwei quadratische Prägungen auf dem Hook-Abschnitt, dann Eingabebefehl OK | Fertig | Färbung.
8. Klicken Sie auf das Symbol "Datum-Achse", und geben Sie dann den Befehl Eindatum | Kreuz ,klicken Sie auf die Mittelachse der Linienstruktur, klicken Sie auf Winkel in der Bezugsebene, und klicken Sie dann in der Linienstrukturansicht auf die "vordere" Ebene. Klicken Sie im Versatzmenü auf eingabewert. Eingabe "-45" in "Winkel in angezeigter Richtung[45.0000].
   HINWEIS: Die Einheit des Winkels ist Grad (°).
9. Klicken Sie auf Funktionen | Kopieren | Spiegel. Klicken Sie auf den Hook, wenn das Objekt und der Eingabebefehl Fertig auswählen | Fertig. Klicken Sie auf die Bezugsebene, um die Kopie abzuschließen. Ebenso werden die verbleibenden zwei Hooks auf diese Weise kopiert. Klicken Sie auf Konzentrischer Kreis erstellen, um einen Kreis mit einem Radius von 7,23 mm zu erstellen, klicken Sie auf die Segmentierung von Primitiven an ausgewählten Punkten, um die unnötigen Linien des Kreises zu entfernen.
10. Klicken Sie auf die Schaltfläche "Volumenkörper" in der rechten Symbolleiste, um einen vollständigen äußeren Wandabschnitt zu erstellen. Geben Sie dann den Befehl OK | Fertig.
    HINWEIS: Die Einheit des Radius ist Millimeter (mm).
11. Geben Sie "4" in enter depthein, und klicken Sie dann auf Färbung. Geben Sie den Befehl Mirror | ein. Fertig. Klicken Sie dann auf das Objekt und klicken Sie auf Fertig. Klicken Sie auf die Bezugsebene, um die Kopie abzuschließen.
12. Geben Sie den Befehl Kopieren | Spiegel | Fertig, und wählen Sie zwei Außenwände in verschiedenen Richtungen aus, klicken Sie auf Fertig, um die Anpassung zu ändern. Klicken Sie auf die Bezugsebene, um die Kopie abzuschließen.
13. Geben Sie den Befehl Ansicht | Modelleinstellungen | Farbe und Aussehen | Hinzufügenvon . Passen Sie den RGB-Farbschieberegler an, und passen Sie die Farbe auf Braun an, um die Grafikdetails visueller anzuzeigen. Geben Sie dann den Befehl Close | Einstellungen | OK.
14. Klicken Sie auf die Schaltfläche Ausgeblendete Linienentfernen , klicken Sie auf den konzentrischen Kreis erstellen, erstellen Sie eine äußere Kante an der Außenwand weiter, klicken Sie auf die Segmentierung von Primitiven an ausgewählten Punkten, um überschüssige Linien zu entfernen, und klicken Sie auf die Schaltfläche Volllinientaste, um die neu hinzugefügte äußere Kante mit einem vollständigen Abschnitt zu verbinden. Klicken Sie auf Ok.
15. Eingabe "0.8" in Interdepth. Klicken Sie im Protrusion-Fenster auf Ok. Geben Sie im Menü-Manager den Befehl Kopieren | Spiegel | Fertig. Klicken Sie auf das Objekt, und klicken Sie auf Fertig. Geben Sie den Befehl Benchmark generieren | Offset.
    HINWEIS: Die Einheit der Tiefe ist Millimeter (mm).
16. Klicken Sie im Offset auf den Eingabewert, und geben Sie "0.4" als Isometrik der angegebenen Richtungein, und klicken Sie dann auf Fertig.
    HINWEIS: Die Einheit des Offsets ist Millimeter (mm).
17. Geben Sie den Befehl Kopieren | Spiegel | Fertig, klicken Sie auf die Außenwand. Geben Sie den Befehl Fertig auswählen | Fertig. Klicken Sie auf Fertig auswählen und klicken Sie auf Fertig. Klicken Sie auf das Datum des Bildes, um die Kopie abzuschließen. Auf diese Weise wird die Spiegelbedienung der Außenwand bzw. der quadratischen Prägung abgeschlossen.
18. Geben Sie den Befehl Datei | Kopieren, wählen Sie das Format als STL (*stl) im Dropdown-Menü des Teiletyps speichern aus, geben Sie die Teilenummer ein und klicken Sie auf Ok.
19. Passen Sie im Dialogfeld Ausgabe-STL die Akkordhöhe auf 0,006 und die Winkelsteuerung auf 0,00001 an. Geben Sie den Befehl Apply | OK.
20. Verwenden Sie die gleichen Methoden wie oben, um das 3D-Bild des inneren Rings zu erstellen.

3. Verwenden von 3D-Drucker, um das physikalische Modell des Gratlochrings zu drucken

1. Öffnen Sie die Modellerkennungssoftware, geben Sie den Befehl Projekt | Öffnen ,wählen Sie eine STL-Datei im Popup-Dialogfeld Datei öffnen aus, und klicken Sie dann auf Öffnen. In dieser Software wird eine Warnung angezeigt, wenn Fehler in diesem Modell erkannt werden (Abbildung 3). Wenn gefunden, reparieren Sie das Modell vor dem Drucken. Wenn keine Fehler vorhanden sind, klicken Sie auf Ausgabe.
2. Nachdem Sie bestätigt haben, dass der äußere Ring vollständig ist, geben Sie den Befehl Teil | Exportteil | als STL | Speichern. Verwenden Sie die obigen Anweisungen, um die Defekte des Innenrings zu erkennen.
3. Nach der Modellerkennung muss der gedruckte Pfad entworfen werden. Öffnen Sie die Schneidsoftware, klicken Sie auf Datei | Modelldatei laden, klicken Sie auf eine STL-Datei und klicken Sie auf Öffnen, um zu importieren.
4. Klicken Sie auf die linke Maustaste, um die bewegte Spur des Teils auszuwählen, passen Sie die Position der Teile an. Stellen Sie auf der linken Seite des Bildschirms die Druckgeschwindigkeit auf 30 mm/s, die Drucktemperatur auf 210 °C und die Betttemperatur auf 80 °C ein (Abbildung 4).
5. Klicken Sie auf Toolpath to SD, um die Datei im Gcode-Format zu speichern, um den gedruckten Pfad zu generieren (Abbildung 3).
6. Starten Sie die 3D-Drucker, klicken Sie auf die Vorwärmtaste auf der Hauptoberfläche, stellen Sie die Vorwärmtemperatur des Bettes auf 80 °C und die Düsentemperatur auf 210 °C ein. Klicken Sie auf Drucken, wenn die Temperatur auf den voreingestellten Wert ansteigt, wählen Sie die Zieldatei aus, und klicken Sie auf Bestätigen, um mit dem Drucken zu beginnen.
7. Der äußere Ring wird zuerst gedruckt (Abbildung 5a). Nachdem das untere Stützgitter erstellt wurde, beginnt die Druckdüse, den äußeren Ring Schicht für Schicht vertikal zu konstruieren (Abbildung 5b- d). Dieser Vorgang dauert ca. 13 min.
8. Nachdem der äußere Ring gebildet ist, macht die Druckerdüse weiterhin den inneren Ring auf der rechten Seite(Abbildung 5c,d), was etwa 8 min dauert.
9. Entfernen Sie beide Teile nach dem Abkühlen und Der Bildung von der Plattform (Abbildung 5e,f).

4. Messung des absoluten Fehlers

1. Um den absoluten Fehler zu messen, wählen Sie fünf gedruckte Teile nach dem Zufallsprinzip aus. Messen und zeichnen Sie die Parameter jedes Teils mit Vernier-Sätteln auf. Wählen Sie die Messgenauigkeit bei 0,02 mm.
2. Berechnen Sie den mittelwerten Fehler jedes Teils und den Fehlerbereich des absoluten Fehlers (Abbildung 6a,b).

Ergebnisse

Drei Ansichten von 2D-Bildern wurden durch kommerzielle CAD-Software erstellt (siehe Tabelle der Materialien). In diesen Bildern wurden auch praktische Größe und technische Anforderungen hinzugefügt (Abbildung 1). Darüber hinaus wurden dreidimensionale Daten in (Abbildung 2) erstellt und im STL-Format gespeichert (Abbildung 3). Wie in Abbildung 4darg...

Diskussion

Diese Ergebnisse zeigten, dass die verwendete Software praktikabel war, um 3D-Modelle von Bohrlochringen zu erstellen (Abbildung 1 und Abbildung 2), und 3D-Druck kann verwendet werden, um feste Modelle mit bestimmten Materialien zu bauen ( Abbildung4). In Bezug auf die Größe des Volumenmodells, gab es einen absoluten Fehler von 0 bis 0,59 mm durch die Messung von Vernier Sättel bestimmt (Abbildung 6)...

Materialien

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