CN108403194A - 一种3d打印穿刺针辅助导航模板 - Google Patents

一种3d打印穿刺针辅助导航模板 Download PDF

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李伟
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Abstract

本发明涉及医疗器械，提供了一种3D打印穿刺针辅助导航模板，包括导航模板和连接板，导航模板的两侧和末端各设有1个承口，连接板的两侧和中间各设有1个插口，连接板插入导航模板的3个承口进行固定和连接，导航模板打印时每一层10%～20%的渐变的填充率，连接板填充率为50%～80%，打印每一层的层厚度0.1mm～0.35mm，总厚度为10mm～50mm，导航模板上还设置有若干针孔，所述针孔直径为d，0.91mm≤d≤3.43mm，针孔间距为L，3 mm≤L≤7mm。采用熔融沉积成型打印模式节约了打印时间，降低了打印成本，在打印过程中避免使用打印辅助材料支撑，提高了3D打印穿刺针辅助导航模板的精度和强度。

Description

一种3D打印穿刺针辅助导航模板
技术领域
本发明属于医疗器械领域，具体涉及一种3D打印穿刺针辅助导航模板。
背景技术
利用3D打印制作导航模板辅助肺小结节活检穿刺等手术，通过CT等影像设备的辅助，可明显提高手术准确性，实现诊疗过程的规范化、程序化和标准化，减少传统盲穿需要多次调针给病人造成的痛苦，提高一次穿刺的成功率。但目前穿刺针辅助导航模板基本上采用熔融沉积成型的方法打印而成，其原理：加热喷头在计算机的控制下，根据产品零件的截面轮廓信息，作X-Y平面运动，热塑性丝状材料由供丝机构送至热熔喷头，并在喷头中加热和熔化成半液态，然后被挤压出来，有选择性的涂覆在工作台上，快速冷却后形成一层薄片轮廓。一层截面成型完成后工作台下降一定高度，再进行下一层的熔覆，好像一层层"画出"截面轮廓，如此循环，最终形成三维产品零件。
熔融沉积成型打印模式有时候会用到要辅助支撑材料，辅助支撑材料应用于打印过程的中空的部分，起到一个缓冲的作用，中空的部分由辅助材料支撑，打印材料在辅助材料上进行层层堆积，打印完成后，辅助支撑材料要被移除。如果设计和生产中大量使用辅助材料，会影响打印品质，并且需要大量时间来移除辅助材料，产生浪费，如何在设计中避免使用辅助材料支撑，以及在生产中如何避免或者正确的使用辅助材料支撑是需要解决的问题。
同时，市场上广泛应用的熔融沉积成型喷嘴直径大都在0.4mm到0.5mm之间，这就限制了可以打印的最小范围即辅助导航模板上的穿刺针通道等过小的细节无法被正确的打印出来。如果采用实心打印，但是材料和时间的成本太高，无法应用于医疗手术，这样采用熔融沉积成型即就是内部非实心结构，那么如何在熔融沉积成型方式下选择合适的打印材料、打印层厚、打印填充率和打印填充结构成为了打印穿刺针辅助导航模板的关键。
发明内容
本发明的目的是提供一种3D打印穿刺针辅助导航模板，以提供合适的结构，同时提供优选的打印材料、打印层厚、打印填充率和打印填充结构以达到在打印过程中避免或正确的使用打印辅助材料支撑，提高3D打印穿刺针辅助导航模板的精度和强度。
本发明提供一种3D打印穿刺针辅助导航模板结构，包括导航模板和连接板，所述导航模板两侧设置有第一承口和第二承口，导航模板末端设置有第三承口，所述连接板的两侧设置有第一插口和第二插口，连接板中间设置有第三插口，所述连接板的两侧第一插口和第二插口与导航模板两侧第一承口和第二承口插入固定，所述连接板中间第三插口与导航模板末端设置的第三承口插入固定，导航模板和连接板连接方式为插入结合嵌入式。简化了手术过程中的组装，提高效率，并且进一步提高了手术的清洁度。
基于上述技术方案，本发明较优的一种实施方案，所述导航模板上设置有若干针孔，所述针孔直径为d，0.91mm≤ d≤3.43mm，针孔间距为L，3 mm≤ L≤7mm，所述针孔外围还设置有防护沟槽，所述防护沟槽用来避免血液流到针孔内。
基于上述技术方案，本发明较优的一种实施方案，所述针孔的口径为上大下小，上部口径为下部口径的1.01～1.05倍，这样的设计保证了的针头在入口处有一定的活动空间，在底部针进入人体的时候紧密无缝，保证针头垂直进入人体，不会自由摆动。
基于上述技术方案，本发明较优的一种实施方案，所述导航模板为聚乳酸（PLA）材料制成，PLA材料对人体无害，不会产生任何不良影响。
基于上述技术方案，本发明较优的一种实施方案，所述连接板为丙烯腈-丁二烯-苯乙烯（ABS）或者丙烯腈-苯乙烯-丙烯酸酯（ASA）材料制成，这是因为连接板的主要用于连接导航模板和导航支架，选用以上材料，其特性为体积轻，强度高，不容易变形，而且抗热和抗紫外线能力强。
基于上述技术方案，本发明较优的一种实施方案，所述导航模板为3d打印形成的多层结构，每一层的层面结构为三角形结构或蜂窝形结构或者矩形结构，由下到上逐层堆积打印，堆积打印时使用了每一层10%～20%的渐变的填充率，即从下到上的密度会逐渐增加，这样既保证了导航模板整体的结构力度，也确保了大部分的体积是中空的，这个的特性可以起到很好的吸取的血液的作用，在临床过程中可以避免血液填充到针孔部分。
基于上述技术方案，本发明较优的一种实施方案，所述连接板为3d打印形成的多层结构，每一层的层面结构为三角形结构或蜂窝形结构或者矩形结构，由下到上逐层堆积打印，所述连接板填充率为50%～80%，保证了连接板整体结构稳定，强度高。
基于上述技术方案，本发明较优的一种实施方案，所述导航模板为3d打印形成的多层结构，打印每一层的层厚度0.1mm～0.35mm，导航模板的总厚度为10mm～50mm，所述连接板为3d打印形成的多层结构，打印每一层的层厚度0.1mm～0.35mm，连接板的总厚度为10mm～50mm，既能保证结构上下的稳定，和总体结构的强度，也不会消耗太多的时间和材料。
基于上述技术方案，本发明最后使用时，需将连接板一端与穿刺导航支架系统相连接即可。
本发明具有以下有益效果：采用熔融沉积成型打印模式打印穿刺针辅助导航模板，相对于实心打印方式节约了打印时间，降低了打印成本，并提供了合适的穿刺针辅助导航模板结构，优选的打印材料、打印层厚、打印填充率和打印填充结构使得在打印过程中避免使用打印辅助材料支撑，提高了3D打印穿刺针辅助导航模板的精度和强度。
附图说明
图1本发明导航模板立体结构示意图；
图2本发明连接板立体结构示意图；
图3本发明穿刺针辅助导航模板立体结构示意图；
图4填充率从0%到50%的测试样品内部结构；
图5填充率和测试样品的质量关系；
图6填充率和样品所能承受的压缩力；
图7样品在每一个测试填充率所需的时间；
附图标记：导航模板-1，连接板-2，第一承口-3，第三承口-4，第二承口-5，针孔-6，第一插口-7，第二插口-8，第三插口-9。
具体实施方式
如图1～图3所示，本发明提供一种3D打印穿刺针辅助导航模板结构，包括导航模板（1）和连接板（2），所述导航模板两侧设置有第一承口（3）和第二承口（5），导航模板末端设置有第三承口（4），所述连接板的两侧设置有第一插口（7）和第二插口（8），连接板中间设置有第三插口（9），所述连接板的两侧第一插口（7）和第二插口（8）与导航模板两侧第一承口（3）和第二承口（5）插入固定，所述连接板中间第三插口（9）与导航模板末端设置的第三承口（4）插入固定，所述导航模板上设置有若干针孔（6），所述针孔直径为d，0.91mm≤ d≤3.43mm，针孔间距为L，3 mm≤ L≤7mm，所述针孔外围还设置有防护沟槽。
其中，所述针孔的口径为上大下小，上部口径为下部口径的1.01～1.05倍，这样的设计保证了的针头在入口处有一定的活动空间，在底部针进入人体的时候紧密无缝，保证针头垂直进入人体，不会自由摆动。
对于选材料，所述导航模板为聚乳酸（PLA）材料制成，PLA材料对人体无害，不会产生任何不良影响，所述连接板为丙烯腈-丁二烯-苯乙烯（ABS）或者丙烯腈-苯乙烯-丙烯酸酯（ASA）材料制成，这是因为连接板的主要用于连接导航模板和导航支架，选用以上材料，其特性为体积轻，强度高，不容易变形，而且抗热和抗紫外线能力强。
填充率选择，所述导航模板为3d打印形成的多层结构，每一层的层面结构为三角形结构或蜂窝形结构或者矩形结构，由下到上逐层堆积打印，堆积打印时使用了每一层10%～20%的渐变的填充率，即从下到上的密度会逐渐增加，所述连接板每一层的层面结构为三角形结构或蜂窝形结构或者矩形结构，由下到上逐层堆积打印，所述连接板填充率为50%～80%。
打印厚度的选择，所述导航模板为3d打印形成的多层结构，打印每一层的层厚度0.1mm～0.35mm，导航模板的总厚度为10mm～50mm，所述连接板打印每一层的层厚度0.1mm～0.35mm，连接板的总厚度为10mm～50mm；最后使用时，需将连接板一端与穿刺导航支架系统相连接即可。
图4～图7，为填充率的实验结果：我们对填充率进行了测试，填充率测试范围从0%～100%，间隔为10%，通过使用加载器来记录每个样品能承受的压缩力。其中，填充结构，材料，机器，和打印参数等为控制变量。试验的内部结构请参照图4，其示出了填充率从0%到50%测试样品的内部结构。图5填充率和测试样品的质量关系，图6填充率和样品所能承受的压缩力，图7是样品在每一个测试填充率所需的时间。结果表明，一般来说，当填充率上升，样本的质量，打印时间，和承受力的能力都会上升，但是，如果考虑成本，既时间和材料耗损，对比力度，既压缩力，那么20%，50%，80%的比例最佳。也就是说在减少耗材和打印时间，但又保持一定的强度的情况下导航模板选用20%左右的填充率最佳，连接板选用50%左右填充率为最佳。所以最终结论为，我们的导航模板采用10～20%的渐变填充率，既开始为10%然后到顶层时逐渐增加到20%。而连接板可采用50～80%之间的填充率，可根据实际情况进行调整；
填充结构选择的试验，填充结构的试验和填充率的试验是采用了一样的模式，其中，填充率为20%，材料，打印机，打印参数也为控制变量，打印结果，对比材料消耗，既质量，打印时间，和力度，既压缩力，最终选择使用三角形填充结构；
打印层厚选择，测试范围为0.05mm到0.5mm，其中0.5mm打印时间最快，0.05mm结构精细，但是打印时间延迟了3-5倍以上，不切合实际，最后结论为打印层厚度应为0.1mm到0.35mm之间，这样打印时间合理，结构稳定。
以上所述仅为本发明较佳可行的实施例而已，并非因此局限本发明的权利范围，凡运用本发明说明书及附图内容所做的等效变化，均包含于本发明的权利范围内。

Claims (10)

1.一种3D打印穿刺针辅助导航模板，其特征在于，包括导航模板和连接板，所述导航模板两侧设置有第一承口和第二承口，导航模板末端设置有第三承口，所述连接板的两侧设置有第一插口和第二插口，连接板中间设置有第三插口，所述连接板的两侧第一插口和第二插口与导航模板两侧第一承口和第二承口插入固定，所述连接板中间第三插口与导航模板末端设置的第三承口插入固定。
2.根据权利要求1所述的一种3D打印穿刺针辅助导航模板，其特征在于，所述导航模板上设置有若干针孔，所述针孔直径为d，0.91mm≤ d≤3.43mm，针孔间距为L，3 mm≤ L≤7mm。
3.根据权利要求2所述的一种3D打印穿刺针辅助导航模板，其特征在于，所述针孔的口径为上大下小，上部口径为下部口径的1.01～1.05倍。
4.根据权利要求1所述的一种3D打印穿刺针辅助导航模板，其特征在于，所述导航模板为聚乳酸材料制成。
5.根据权利要求1所述的一种3D打印穿刺针辅助导航模板，其特征在于，所述连接板为丙烯腈-丁二烯-苯乙烯或者丙烯腈-苯乙烯-丙烯酸酯材料制成。
6.根据权利要求1所述的一种3D打印穿刺针辅助导航模板，其特征在于，所述导航模板为3d打印形成的多层结构，每一层的层面结构为三角形结构或蜂窝形结构或者矩形结构，由下到上逐层堆积打印，堆积打印时使用了每一层10%～20%的渐变的填充率，即从下到上的密度会逐渐增加。
7.根据权利要求1所述的一种3D打印穿刺针辅助导航模板，其特征在于，所述连接板为3d打印形成的多层结构，每一层的层面结构为三角形结构或蜂窝形结构或者矩形结构，由下到上逐层堆积打印，所述连接板填充率为50%～80%。
8.根据权利要求6所述的一种3D打印穿刺针辅助导航模板，其特征在于，所述导航模板为3d打印形成的多层结构，打印每一层的层厚度0.1mm～0.35mm，导航模板的总厚度为10mm～50mm。
9.根据权利要求7所述的一种3D打印穿刺针辅助导航模板，其特征在于，所述连接板为3d打印形成的多层结构，打印每一层的层厚度0.1mm～0.35mm，连接板的总厚度为10mm～50mm。
10.根据权利要求1所述的一种3D打印穿刺针辅助导航模板，其特征在于，所述连接板一端与穿刺导航支架系统相连接。
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