Филип Хрнчирик, Иван В. Робертс, Хлоя Свордс, Манохар Л. Банс, Кембриджский университет
При установке кохлеарного импланта (КИ) механическая травма приводит к потере остаточного слуха в 50% случаев имплантации [Jia H, 2013; Zanetti D; Eshraghi AA]. Это может серьезно ограничить работу КИ из-за дегенерации нейронов и фиброза, вызванного острым механическим повреждением и хроническим воспалением. Существующие методы, позволяющие детально охарактеризовать взаимодействие импланта и ушной улитки, предполагают проведение испытаний на животных или трупах [Claussen AD, 2019; Kretzmer EA, 2004].
Ограничения текущего метода
Сложно получить, использовать и измерить. Невозможно систематически варьировать параметры формы и размера.
Цель исследования
Создать высокоточные и оптически прозрачные модели ушной улитки методом 3D печати в реалистичном масштабе в диапазоне форм и размеров, наблюдаемых у человека, и измерить в них силу введения.
Методы
Изображения височных костей трупов людей были получены с помощью микрокомпьютерной томографии (микроКТ) и реконструированы для создания САПР файлов (CAD).
Рис. 1 Процесс разработки модели искусственной ушной улитки
Первоначальный отбор - различные технологии 3D-печати были оценены с помощью оптического микроскопа для изготовления точной модели искусственной улитки с акцентом на гладкость и геометрическую точность печатных моделей.
- Мультиструйная печать (MJP) - 3D Systems
- Цифровая обработка световых сигналов (DLP) - Asiga и Cadworks3D
- Непрерывная цифровая обработка световых сигналов (cDLP) - EnvisionTEC
- Низкосиловая стереолитография (LFS) - Formlabs Form 3
Углубленная оценка производительности с помощью сканирующей электронной микроскопии (SEM) и микрокомпьютерной томографии (microCT)
- Номинально-фактический анализ - наблюдение за отклонением моделей искусственной улитки и оригинальной 3D-реконструкции микроКТ трупа
- Шесть дубликатов для статистического анализа
- Оптимизированная постобработка для обеспечения высокой оптической прозрачности напечатанных моделей.
- Были рассмотрены три методики: 1) рекомендованная производителем, 2) покрытие акрилом, 3) покрытие смолой
- Платформа для вставки - 1-осевой датчик нагрузки с камерой, расположенной над моделью, синхронизированной с шаговым двигателем для медленной контролируемой вставки.
Результаты
Первоначальный отбор
Технологии 3D-печати DLP (Cadworks3D) и LFS (Formlabs Form3) продемонстрировали превосходную производительность с отличной гладкостью поверхности и геометрической точностью/
Рис.2: Анализ с помощью оптического микроскопа. Слева - модель, напечатанная с помощью DLP; справа - напечатанная с помощью LFS
Углубленная оценка принтеров DLP и LFS
- SEM-анализ выявил различия между разными настройками печати по технологии DLP (ступенчатое покрытие) и очень гладкое покрытие, полученное по технологии LFS.
- МикроКТ с номинально-фактическим анализом показала, что 90% поверхности находится в пределах 58 мкм отклонений в моделях, напечатанных с помощью технологии DLP.
Рис.3: SEM-анализ. Слева - модель, напечатанная с помощью DLP; справа - напечатанная с помощью LFS
Рис.4: Слева - визуализация отклонений; справа - диаграмма, показывающая, что 90 % поверхности находится в пределах 58 мкм отклонений; оба изображения показывают результаты DLP-печати
Постобработка напечатанных моделей
- Постобработка была оптимизирована с помощью акрилового покрытия
- Покрытие не оказало значительного влияния на отклонения в печатных моделях.
Рис.5: SEM-анализ. Слева - модель, напечатанная с помощью DLP; справа - напечатанная с помощью LFS
Установка для вставки - предварительные данные
- Большие скорости вставки приводят к большим усилиям вставки
- Ранние эксперименты показывают высокую зависимость от расположения круглого окна; однако необходимо провести дополнительные исследования
Рис.6: Измерение силы вставки при 3 скоростях вставки
Результаты
В статье представлены методы создания высокоточных, оптически прозрачных моделей человеческой улитки с помощью технологий 3D-печати DLP и LFS, а также характеристика силы введения в зависимости от различных параметров. Эти модели обеспечивают хорошую основу для оценки силы введения и поведения имплантата во время имплантации.
