Якісна оцінка чотирьох типів тривимірних друкованих анатомічних моделей великогомілкової кістки (tibial bone) порівняно з комерційно доступними моделями

Сара Малек¹ Кассандра Д. Фостер² Девін Г. Гастон²

Адреса для листування: Sarah Malek, DVM, PhD, кафедра ветеринарних клінічних наук (Department of Veterinary Clinical Sciences), Коледж ветеринарної медицини (College of Veterinary Medicine), Університет Пердью (Purdue University), Lynn Hall, 625 Harrison Street, West Lafayette, IN 47907-2026, Сполучені Штати Америки (електронна пошта: maleks@purdue.edu).

Vet Comp Orthop Traumatol 2020;33:267–273.

Анотація Мета Метою цього дослідження було порівняти технічні та фізичні характеристики чотирьох тривимірних друкованих моделей кісток, що використовуються з навчальною метою, з комерційними моделями.

Дизайн дослідження. Великогомілкову кістку у собак візуалізували за допомогою комп'ютерної томографії та використали для розробки моделі. Моделі великогомілкової кістки (tibial models) друкували з використанням смоли (Resin), полімолочної кислоти (polylactide acid, PLA), акрилонітрилбутадієнстиролу (acrylonitrile butadiene styrene, ABS) та ударостійкого полістиролу (high-impact polystyrene, HIPS). Їх порівнювали з двома комерційними моделями (SAWBONES 2117 та 2108). У моделях просвердлювали отвори в трьох ділянках, після чого розрізали поперечно. Порівнювали суб'єктивну якість моделей, час і вартість виготовлення.

Результати. Час друку становив приблизно 3 години для Resin та 4 години для кожної з моделей PLA, ABS і HIPS. На відміну від Resin і SAWBONES, моделі PLA, HIPS і ABS мали вище тепловиділення як під час свердління, так і під час різання, з помірною деформацією конструкції на поверхнях різу в моделях ABS і PLA. Характеристики реальної кістки під час свердління та різання найкраще відтворювалися в порядку зменшення: Resin, PLA, ABS і HIPS, далі — моделі SAWBONES 2117 і 2108. Витрати на матеріали становили $14,6 (Resin), $0,48 (PLA/ABS), $1,52 (HIPS), $23,50 і $17,50 для SAWBONES 2117 і 2108 за модель відповідно. Resin показав найкращі результати та мав найближчі суб'єктивні тактильні властивості до реальної кістки.

Висновок. Надруковані на 3D-принтері моделі великогомілкової кістки (tibial bone) є економічно вигідною альтернативою комерційно доступним моделям кісток у ветеринарній медицині як навчальні моделі.

Ключові слова

• ► моделі кістки (bone models)
• ► тривимірний друк (three-dimensional printing)
• ► собака (dog)

Вступ

Тривимірні (3D) надруковані анатомічні моделі є цінними допоміжними навчальними засобами, які можуть покращити навчання як студентів ветеринарної медицини, так і студентів-медиків.1–4 Нещодавній огляд використання 3D-друку в медичній літературі показав найвищий рівень застосування в ортопедії, щелепно-лицевій хірургії та нейрохірургії, далі — у стоматології, кардіоваскулярній хірургії та загальній хірургії.⁴ Інші застосування цієї технології включають анатомічні моделі для передопераційного планування (наприклад, контурування імплантатів) для скорочення тривалості операцій, хірургічні шаблони, індивідуальні імплантати та форми для протезування.⁴ Ступінь точності, час підготовки, механічні властивості та пов'язані витрати на 3D-надруковані моделі були раніше описані.⁵ Ці дослідження отримано 5 липня 2019 р., прийнято 9 лютого 2020 р., опубліковано онлайн 13 квітня 2020 р.

¹Кафедра ветеринарних клінічних наук, Коледж ветеринарної медицини, Університет Пердью, Вест-Лафайєтт, Індіана, Сполучені Штати Америки

² Школа інженерних технологій, Університет Пердью, Вест-Лафайєт, Індіана, Сполучені Штати Америки, варіюються залежно від методик і складу, що ускладнює порівняння повідомлених переваг і недоліків.4,5 Комерційні моделі кісток для навчання мають пов'язані витрати, які можуть значно зростати, якщо потрібні моделі, виготовлені на замовлення, оскільки вони, як правило, не мають різноманітності за формою та розміром або можуть бути недоступними. Подібні проблеми існують при використанні трупних кісток, включаючи доступність, витрати на придбання, обробку, зберігання, а також варіабельність зразків.

Доступні методи 3D-друку моделей узагальнено в ►Таблиці 1. Техніка екструзії матеріалу (тобто технологія моделювання методом осадження нитки [FDM]), стереолітографія (SLA), струминне нанесення матеріалу та струминне склеювання порошку — усі вони раніше досліджувалися для створення анатомічних моделей.6–¹¹ З-поміж цих технік SLA та струминне нанесення матеріалу ширше використовувалися для створення моделей для передопераційного планування та освітніх цілей завдяки вищій деталізації та якості отриманих моделей; однак є також повідомлення про те, що техніки FDM дають моделі хорошої якості.2,3,10,12 Було показано, що ці техніки є високовідтворюваними під час створення копій із мінімальним завищенням розмірів лише у більших копіях.¹³ Немає досліджень, які порівнювали б якість, технічні характеристики та витрати, пов'язані з виготовленням 3D-друкованих моделей великогомілкової кістки у собак як потенційних замінників кадаверних моделей для освітніх цілей. Метою цього дослідження було оцінити можливість виготовлення власних 3D-друкованих моделей великогомілкової кістки у собак із використанням FDM та струминного нанесення матеріалу, а також оцінити суб'єктивну якість отриманих моделей, зручність поводження з ними та пов'язані з цим витрати порівняно з двома наявними на ринку комерційними моделями.

Таблиця 2. Специфікації дизайну для кожної з протестованих моделей

Примітка: Моделі A (SAWBONES 2117) і B (SAWBONES 2108) були комерційно доступними моделями кісток. До тривимірних друкованих моделей належали ABS, HIPS, PLA та Resin.

Матеріали та методи

Дві комерційно доступні інтактні моделі правої великогомілкової кістки у собак були протестовані (SAWBONES 2117 та 2108; SAWBONES, Вашингтон, Сполучені Штати) (►Таблиця 2). Вибір цих моделей ґрунтувався на попередньому досвіді використання їх як анатомічних

Таблиця 1. Перелік процесів тривимірного друку, наявних на ринку на цей час.

Примітка: Таблиця містить базовий механізм, за допомогою якого ці процеси друку створюють об'єкти, та технології принтерів, що використовують ці процеси

Заповнення моделей PLA, ABS і HIPS було з того самого матеріалу. Модель F складалася зі смоли з іншим стандартним допоміжним матеріалом. a

VerowhitePlus, штаб-квартира Stratasys, Міннесота, Сполучені Штати. Допоміжний матеріал (RGD705, штаб-квартира Stratasys, Міннесота, Сполучені Штати.

c Lulzbot Taz, Aleph Objects, Inc., Колорадо, Сполучені Штати.

d Stratasys Eden 350V, Object Inc., Колорадо, Сполучені Штати.

a Заявлене використання кожного процесу у створенні анатомічних моделей ґрунтувалося на огляді наявної на цей час літератури.