ביצוע הדפסה תלת ממדית בבניית טבעת חור בר לשתלים במוח עמוק

Summary

כאן, אנו מציגים פרוטוקול להדגים הדפסה תלת-ממדית בבניית שתלי גירוי מוחי עמוק.

Abstract

הדפסה תלת ממדית הוחלה באופן נרחב בתחום הרפואי מאז שנות השמונים, בעיקר בניתוח, כגון סימולציה מראש, למידה אנטומית והכשרה כירורגית. זה מעלה את האפשרות של שימוש 3D הדפסה כדי לבנות שתל נוירוניתוחי. העבודות הקודמות שלנו לקחו את הבנייה של הטבעת חור בגולגולת כדוגמה, תיאר את התהליך של שימוש בתוכנות כמו עיצוב בעזרת מחשב (CAD), Pro/מהנדס (Pro/E) ו-3D מדפסת לבנות מוצרים פיזיים. כלומר, יש צורך בשלושה צעדים, ציור של תמונה דו-ממדית, בניית תמונת תלת-ממד של טבעת חור בגולגולת, ושימוש במדפסת תלת-ממדית להדפסת הדגם הפיזי של טבעת החור בגולגולת. פרוטוקול זה מראה כי טבעת חור בר עשוי סיבי פחמן יכול להיות יצוק במהירות ובדייקנות על ידי הדפסה 3D. זה ציין כי הן CAD ו Pro/E תוכנות ניתן להשתמש כדי לבנות את הטבעת חור בר באמצעות שילוב עם נתונים הדמיה קלינית להחיל עוד 3D הדפסה כדי להפוך את מתכלים בודדים.

Introduction

הדפסה תלת ממדית הוחלה בתחום הרפואי מאז שנות ה-80, במיוחד בניתוח להדמיה מבצעית, למידה אנטומית ואימון כירורגי¹. לדוגמה, בפעולות השדרתי, סימולציה מראש ניתן לנהל באמצעות 3D מודפס כלי דם דגמי². עם פיתוח של הדפסה תלת-ממדית, מרקם, טמפרטורה, מבנה ומשקל של כלי דם מוחין יכול להיות מדומה במידה הרבה ביותר של תרחישים קליניים. מתלמדים יכולים לבצע פעולות כירורגיות כגון חיתוך והעצמה על מודלים כאלה. ההכשרה הזאת חשובה מאוד. למנתחים^3,4,5 כיום, תיקוני טיטניום שנוצרו על ידי הדפסה 3D יש גם בהדרגה הוחל⁶, מאז תותבות הגולגולת שפותחה על ידי הדפסה 3d לאחר הדמיה ושחזור מאוד conformal. עם זאת, פיתוח ויישום של הדפסה 3D ב נוירוכירורגיה עדיין מוגבל.

הטבעת חור בר, כחלק של התקן קיבוע העופרת, נעשה שימוש נרחב גירוי מוחי עמוק (DBS)^7,8,9,10. עם זאת, טבעות חור הבור הנוכחי נעשים על ידי יצרני המכשיר הרפואי על פי מפרטים ומידות אחיד. הטבעת הסטנדרטית של בור הגולגולת אינה מתאימה תמיד לכל התנאים, כגון מומים מגולגלות וניוון קרקפת. זה עשוי להגביר את חוסר הוודאות של הפעולה ולהפחית את הספיחה. הופעתה של הדפסה 3D מאפשר לפתח אישית טבעות חור בר עבור חולים בתרחישים קליניים⁵. במקביל, טבעת חור בר, אשר אינו קל להשגה, אינו מסיע הפגנה נרחבת לפני הניתוח ואימון כירורגי¹.

כדי לטפל בבעיות שהוזכרו לעיל, הצעתי לבנות טבעת חור בר עם הדפסה תלת-ממדית. מחקר קודם במעבדה שלנו תיאר טבעת חור חדשני בגולגולת עבור DBS¹¹. במחקר זה, טבעת זו חור חדשני ייחשב דוגמה מצוינת להפגין את תהליך הייצור המפורט. לכן, מטרת מחקר זה היא לספק תהליך מידול ותהליך טכני מפורט של בניית טבעת בור מוצק בגולגולת באמצעות הדפסה תלת-ממדית.

Protocol

1. ציור דו מימדי (2D)-תמונה של טבעת חור בגולגולת

1. פתח את תוכנת העיצוב בעזרת מחשב דו-ממדי (CAD) ולאחר מכן צור מסמך גרפי.
2. לחץ על צייר | שורה וציור של נקודת התייחסות בקו אחיד בציור. לחץ על שינוי | היסטוהקלד את מרחק ההיסט הספציפי בשורת הפקודה.
3. לחץ על האובייקט ולחץ על ידי לחצן העכבר השמאלי כדי ליצור קו אחיד. לחץ על שינוי | קיטום, בחר את האזור שייחתך ולחץ על הקו הנוסף.
4. קחו את טבעת הבור הפנימית לדוגמה, ציירו שלוש תצוגות שונות של הטבעת הפנימית המבוססת על הגודל הנקבע מראש בתוכנת ה-CAD. תחילה, ציירו את התצוגה הקדמית ושנה את הגרף בזהירות עד שיתאים למבנה המצופה (איור 1d).
5. צייר את התצוגה העליונה על-ידי לחיצה על צייר | קו לבניית נקודת ההתייחסות תחילה ולאחר מכן לחץ על צייר | מעגל | מרכוז, קוטרוקלט את הערך הכמותי של רדיוס ספציפי של מעגל או קוטר בחלון הפקודה. לחץ על מרכז נקודת ההתייחסות כדי ליצור עיגול (איור 1f).
6. צייר את התצוגה השמאלית של טבעת חור הגולגולת הפנימית עם אותה גישה כמו זו של המבט הקדמי (איור 1e).
7. לחץ על ממד | קוטר, ולאחר מכן לחץ על ההיקף כדי לסמן את קוטר המעגל (איור 1f).
8. לחץ על ממד | ליניארי ולסמן את אורך ועובי של כל המבנים המשויכים (איור 1d, e). לחץ על ממד | רדיוס כדי לסמן את זווית התא (איור 1ד).
9. באמצעות אותו פרוטוקול, לבנות ציורים דו-ממדית של הטבעת חור הגולגולת החיצונית, ולסמן את הגודל בפועל ואת התיוג (איור 1א-ג).
10. הוסיפו את הדרישות הטכניות של תהליך הייצור, כולל חוזק, קשיחות וחוסר סדקים. כמו-כן, יש צורך בהחלקת הקיר החיצוני.
11. קלינק על שמור כדי לשמור את התמונה 2d של הטבעת חור בגולגולת.
    הערה: כל המבנים שהוזכרו לעיל נמצאים ביחידות של מילימטרים (mm).

2. בניית תמונה תלת-ממדית של טבעת חור הגולגולת

1. הפעל את תוכנת הציור התלת-ממדית (עיין בטבלת החומרים). בחר חדש | חלק | מוצק ובטל שימוש בתבנית ברירת המחדל. בחר part_solid באפשרויות קובץ חדשות ולחץ על אישור כדי ליצור ממשק חדש להגדרת מודל חלק פיזי.
2. לחץ על התכונה חלק במנהל התפריט מימין ובחר ליצור | מוצק | הוסף גיליון. בתפריט הנפתח מוצק , בחר סובב | . בסדר גמור לחץ על העקבות של הסקיצה הראשונית. בחר את המישור "הקדמי" כמישור השרטוט, ולאחר מכן לחץ על ברירת מחדל תחת תצוגת sket.
3. בחר את הקו המנוקד בסרגל הכלים הימני של החלון וצייר את החלק העליון של המקטע בשרטוט דו-ממדי. הגודל הספציפי יהיה כפוף לציור דו מימדי. לאחר מכן לחצו על ' ציות' ובחרו באפשרות ' חלון בליטה ' בליטה . לחץ על סמל המישור של הנתון .
4. במנהל התפריט, בחר באפשרות צור | מוצק | הוסף גיליון וסובב | . בסדר גמור לחץ על דו-צדדי בתפריט מאפיינים ולחץ על Done.
5. לחץ על החזית | קדימה | ברירת מחדל ומישור של נתון | קו מנוקד כדי לבנות את חתך הרוחב של הגומה של טבעת חור הגולגולת החיצונית. לאחר מכן לחץ על ציות לאחר סיום במנהל התפריט. קלט "50" בזווית בכיוון המצוין [45.0000], ולאחר מכן לחץ על נעשה בחלון בליטה ולבסוף, לחץ על כפתור צביעה .
   הערה: יחידת הזווית היא מידה (°).
6. בחרו ' הגדר מחדש ' בתכונה ' חלק ' ולחצו על מבנה הקו של הקרס. הקלט את מקטע הפקודה | הגדר | . כן, סקיצה
7. לחץ על סמל הקו המנוקד , צור שתי תבליטי מרובע במקטע הקרס, ואז פקודת הקלט OK | בוצע | . בסדר, צביעה
8. לחץ על סמל ציר הנתון , ואז הקלט את הפקודה להוסיף נתון | צלב, לחץ על הציר המרכזי של מבנה הקו, לחץ על זווית במישור הנתון ולאחר מכן לחץ על המישור "הקדמי" בתצוגת מבנה הקו. לחץ על ערך הקלט בתפריט היסט . קלט "-45"בזווית בכיוון מצוין [45.0000].
   הערה: יחידת הזווית היא מידה (°).
9. לחץ על תכונות | העתק | . זה מראה לחץ על הוו כאשר האובייקט והפקודה קלט נעשה לבחור | . בסדר גמור לחץ על המישור הנתון כדי להשלים את העותק. באופן דומה, שני הקרסים הנותרים מועתקים בדרך זו. לחץ על צור מעגל קונצנטריים כדי לבנות עיגול עם רדיוס של 7.23 מ"מ, לחץ על פילוח של פרימיטיביים בסמל נקודות נבחרות כדי להסיר את הקווים המיותרים של המעגל.
10. לחצו על לחצן קו מלא בסרגל הכלים הימני כדי ליצור מקטע הקיר החיצוני המלא. לאחר מכן הקלט את הפקודה OK | . בסדר גמור
    הערה: יחידת הרדיוס היא מילימטר (mm).
11. קלט "4" ב הזן עומק, ולאחר מכן לחץ על צביעה. הקלט את שיקוף הפקודה | . בסדר גמור לאחר מכן לחץ על האובייקט ולחץ בוצע. לחץ על המישור הנתון כדי להשלים את העותק.
12. הקלט את עותק הפקודה | ראי | בוצע, ובחר שני קירות חיצוניים בכיוונים שונים, לחץ על Done כדי להתאים. לחץ על המישור הנתון כדי להשלים את העותק.
13. הקלט את תצוגת הפקודה | הגדרות מודל | צבע ומראה | . הוסףאת זה כוונן את מחוון הצבע RGB וכוונן את הצבע לחום כדי להציג את הפרטים הגרפיים באופן חזותי יותר. לאחר מכן הקלט את הפקודה סגור | הגדרות | . אנימבין.
14. לחץ על לחצן ביטול קווים מוסתרים, לחץ על מעגל קונצנטריים, להמשיך ליצור קצה חיצוני על הקיר החיצוני, לחץ על פילוח של פרימיטיביים בלחצן נקודות נבחרות כדי להסיר קווים עודפים, ולחץ על ה לחצן קו אחיד כדי לחבר את הקצה החיצוני החדש שנוספו למקטע שלם. לחץ על אישור.
15. קלט "0.8" בעומק האינטר. לחץ על אישור בחלון הבליטה . במנהל התפריט, הקלט את עותק הפקודה | ראי | . בסדר גמור לחץ על האובייקט ולחץ על done. הקלט את הפקודה ליצור בחינת ביצועים | היסט.
    הערה: יחידת העומק היא מילימטר (mm).
16. לחץ על ערך הקלט בהיסט והזן את "0.4" כאיזומטרי של הכיוון שצויןולאחר מכן לחץ על בוצע.
    הערה: יחידת ההיסט היא מילימטר (mm).
17. הקלט את עותק הפקודה | ראי | בוצע, לחץ על הקיר החיצוני. הקלט את הפקודה שנעשתה בחירה | . בסדר גמור לחץ על בצע בחירה ולחץ על done. לחץ על הנתון של התמונה כדי להשלים את העותק. בדרך זו, פעולת השיקוף של הקיר החיצוני וההבלטה המרובעת מסתיימת בהתאמה.
18. הקלט את קובץ הפקודה | העתק, בחר שמור בפורמט stl (* STL) בתפריט הנפתח סוג חלק, הזן מספר חלק ולחץ על אישור.
19. בתיבת הדו הפלט STL , להתאים את גובה אקורד 0.006 ואת השליטה זווית ל 0.00001. הקלט את הפקודה החל | . אנימבין.
20. השתמש באותן שיטות שלעיל כדי לבנות את תמונת התלת-ממד של הטבעת הפנימית.

3. שימוש במדפסת תלת-ממדית להדפסת הדגם הפיזי של טבעת חור בר

1. פתח את תוכנת זיהוי המודל, הקלט את פרוייקט הפקודה | פתח, בחר קובץ STL אחד בתיבת הדו פתיחת קובץ נפתח ולאחר מכן לחץ על פתח. בתוכנה זו תופיע אזהרה אם הפגמים יזוהו במודל זה (איור 3). אם נמצא, תקן את המודל לפני ההדפסה. אם אין פגמים, לחץ על פלט.
2. לאחר שתאשר שהטבעת החיצונית תושלם, הקלט את חלק הפקודה | חלק ייצוא | כמו STL | . בסדר, שמור השתמש בהוראות הנ ל כדי לזהות את הפגמים של הטבעת הפנימית.
3. לאחר זיהוי מודל, יש לעצב את הנתיב המודפס. פתח את תוכנת הפריסה, לחץ על קובץ | טען קובץ מודל, לחץ על קובץ STL אחד ולחץ על פתח לייבוא.
4. לחץ על לחצן העכבר השמאלי כדי לבחור את המסלול הנעים של החלק, להתאים את המיקום של חלקים. בצד שמאל של המסך, לקבוע את מהירות ההדפסה ל 30 מ"מ/s, הדפסה טמפרטורה 210 ° c וטמפרטורת המיטה כדי 80 ° צ' (איור 4).
5. לחץ על נתיב כלים ל-SD כדי לשמור את הקובץ בתבנית gcode כדי ליצור נתיב מודפס (איור 3).
6. הפעל את המדפסות התלת-ממדית, לחץ על לחצן החימום מראש בממשק הראשי, הגדר את טמפרטורת המיטה עד 80 ° c וטמפרטורת החרירים ל-210 ° c. לחצו על ' הדפס ' כשהטמפרטורה עולה לערך הקבוע מראש, בחרו בקובץ היעד ולחצו על ' אשר ' להתחלת ההדפסה.
7. הטבעת החיצונית תודפס תחילה (איור 5א). לאחר שרשת התמיכה התחתונה נבנתה, זרבובית ההדפסה מתחילה לבנות את הטבעת החיצונית אנכית שכבה על ידי שכבה (איור 5ב-d). תהליך זה אורך כ -13 דקות.
8. לאחר שהטבעת החיצונית נוצרת, זרבובית המדפסת ממשיכה להפוך את הטבעת הפנימית בצד ימין (איור 5ג, ד), שאורכת כ-8 דקות.
9. להסיר את שני החלקים מן הפלטפורמה לאחר קירור להיווצר (איור 5e, f).

4. מדידה של שגיאה אבסולוטית

1. כדי למדוד את השגיאה המוחלטת, בחר חמישה חלקים מודפסים באופן אקראי. למדוד ולתעד את הפרמטרים של כל אחד מהחלקים באמצעות מחוגות ורנייר. בחר את דיוק המדידה ב 0.02 מ"מ.
2. חישוב שגיאת הממוצע של כל חלק וטווח השגיאה של השגיאה המוחלטת (איור 6א, ב).

תוצאות

שלוש תצוגות של תמונות דו-ממדיות נבנו באמצעות תוכנת CAD מסחרית (עיין בטבלת החומרים). בתמונות אלה, גודל מעשי ודרישות טכניות נוספו גם (איור 1). עוד, נתונים תלת-ממדיים נבנו (איור 2) ונשמרו בפורמט STL (איור 3). כפי שהוצג

Discussion

תוצאות אלה הראו כי התוכנה בשימוש היו מעשית מעשית לבנות דגמי תלת-ממד של טבעות חור בר (איור 1 ואיור 2), והדפסה 3d ניתן להשתמש כדי לבנות דגמים מוצקים עם חומרים ייעודיים (איור 4). במונחים של גודל המודל המוצק, אירעה שגיאה מוחלטת בין 0 ל-0.59 מ"מ שנקבעה באמ...

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