Design and Fabrication of Custom Nasal Dilator with Reverse Engineering and Additive Manufacturing

Year 2024, Volume: 24 Issue: 1, 197 - 206, 27.02.2024

Hasan Kemal Sürmen Tolga Güven

https://doi.org/10.35414/akufemubid.1332603

Abstract

Nasal dilators are medical devices used to relieve respiratory distress caused by structural anomalies in the nasal valve. These devices, which are applied to the nose externally or internally, widen the nasal valve part of the nose, reducing the air resistance and facilitating breathing. The structure of the nose varies from person to person, and there are even structural differences between two nasal valve structures of the same individual. Therefore, customized nasal dilators can be more efficient and comfortable. In this study, the design and fabrication of custom nasal dilators using reverse engineering and additive manufacturing methods are discussed. In the design process, the impression of the nasal valve was taken with a clay mold and the 3D model of this mold was obtained by photogrammetry method. The final model was then designed with a 3D modeling software to provide air passage and facilitate the use of the device. TPU was chosen as the material for the comfortable use of the nasal dilator due to its flexible feature. Then the final model was fabricated with an FDM (Fused Deposition Modeling) 3D printer. The final product was compared with its 3D model in terms of dimensional accuracy. As a result of measurements taken from various references, the average dimensional error in the product was obtained as 0.609% with 0.058mm. It is understood that the personalized nasal dilators proposed in this study can provide a great advantage over standard nasal dilators of the same form used for different nasal structures, thanks to their compatibility with the nasal structure of each user. Reverse engineering, which facilitates the modeling of free-form organic objects, and 3D printing technology, which enables direct fabrication from design, offers significant benefits for the design and production of personalized medical devices that are not suitable for mass production, without production line and high initial investment costs.

Keywords

3D Printing, Nasal Dilator, Additive Manufacturing, Photogrammetry, Custom Design, Reverse Engineering

Tersine Mühendislik ve Eklemeli İmalat ile Kişiye Özel Nazal Dilatör Tasarımı ve Üretimi

Abstract

Nazal dilatörler nazal valfdeki yapısal anomalilerden kaynaklanan solunum güçlüğünü gidermek amacıyla kullanılan medikal cihazlardır. Buruna dışarıdan veya içeriden uygulanan cihazlar burnun nazal valf bölgesini genişleterek buradaki hava direncini azaltır ve nefes almayı kolaylaştırırlar. Burun yapısı kişiden kişiye değişmekte hatta aynı bireyin iki nazal valf yapısı arasında bile yapısal farklılıklar bulunmaktadır. Bu nedenle kişiye özel olarak tasarlanan nazal dilatörler daha verimli ve konforlu olabilirler. Bu çalışmada tersine mühendislik ve eklemeli imalat yöntemleri kullanılarak kişiye özel nazal dilatör tasarımı ve üretiminden bahsedilmektedir. Tasarım sürecinde nazal valfin izi kil kalıp ile alınmış ve bu kalıbın 3B modeli fotogrametri yöntemiyle elde edilmiştir. Elde edilen model daha sonra bir 3B modelleme yazılımı ile hava geçişini sağlayacak ve cihazın kullanımı kolaylaştıracak şekilde tasarlanmıştır. Nazal dilatörün konforlu kullanımı için malzeme olarak esnek özelliğinden dolayı TPU seçilmiştir. Daha sonra modelin üretimi bir FDM (Fused Deposition Modeling) 3B yazıcı ile yapılmıştır. Elde edilen ürün, 3B modeli ile boyutsal doğruluk açısından karşılaştırılmıştır. Belirlenen çeşitli referanslardan alınan ölçümler neticesinde üründe ortalama boyutsal hata 0,058mm ile %0,609 olarak elde edilmiştir. Bu çalışmada geliştirilmiş olan kişiye özel nazal dilatörlerin her bir kullanıcının burun yapısıyla uyumu sayesinde farklı burun yapıları için kullanılan aynı formdaki standart nazal dilatörlere göre büyük üstünlük sağlayabileceği anlaşılmaktadır. Serbest-formlu organik objelerin modellenmesini kolaylaştıran tersine mühendislik ve tasarımdan doğrudan üretime imkân veren 3B baskı teknolojisi hat kurulumu ve yüksek ilk yatırım maliyetleri olmadan, seri üretime uygun olmayan kişiye özel medikal cihazların tasarım ve üretimi için önemli faydalar sunmaktadır.

Keywords

3B Baskı, Burun Dilatörü, Eklemeli İmalat, Fotogrametri, Kişiye Özel Tasarım, Tersine Mühendislik

References

• Akçam, T., Karakoç, Ö., Karahatay, S., & Yetişer, S. (2005). Burun Genişletici Bantların ve Lokal Dekonjestanların Nazal Hava Yoluna Etkileri. The Turkish Journal Of Ear Nose And Throat, 15(5), 97-102.
• Asadpour, A. (2021). Mobile Photogrammetry for Architectural Documentation: Tips from a Case Study. Academia Letters, 1-9. https://doi.org/10.20935/AL2085
• Boualleg, A. (2019). Investigations on post-processing of 3D printed thermoplastic polyurethane (TPU) surface. Halmstad University, 63
• Deruyver, L., Rigaut, C., Lambert, P., Haut, B., & Goole, J. (2021). The importance of pre-formulation studies and of 3D-printed nasal casts in the success of a pharmaceutical product intended for nose-to-brain delivery. Advanced drug delivery reviews, 175, 113826. https://doi.org/10.1016/j.addr.2021.113826
• Eser, C., Gencel, E., Tabakan, I., Kesiktaş, E., & Yavuz, M. (2015). Travmatik Nazal Deformasyonu Olan Olgularda Uygulanan Osteotomili ve Osteotomisiz Açık Septorinoplasti Yöntemlerinin Karşılaştırılması. Cukurova Medical Journal, 40(4), 738-745. https://doi.org/10.17826/cutf.22407
• Fairbanks, D. N., Mickelson, S. A., & Woodson, B. T. (Eds.). (2003). Snoring And Obstructive Sleep Apnea. Lippincott Williams & Wilkins.
• Hanon, M. M., Zsidai, L., & Ma, Q. (2021). Accuracy investigation of 3D printed PLA with various process parameters and different colors. Materials Today: Proceedings, 42, 3089-3096. https://doi.org/10.1016/j.matpr.2020.12.1246
• Herbert, N., Simpson, D., Spence, W. D., & Ion, W. (2005). A preliminary investigation into the development of 3-D printing of prosthetic sockets. Journal of Rehabilitation Research & Development, 42(2). https://doi.org/10.1682/JRRD.2004.08.0134
• Hudgel, D. W., & Harasick, T. H. E. R. E. S. A. (1990). Fluctuation in timing of upper airway and chest wall inspiratory muscle activity in obstructive sleep apnea. Journal of Applied Physiology, 69(2), 443-450. https://doi.org/10.1152/jappl.1990.69.2.443
• Jiang, R., Jáuregui, D. V., & White, K. R. (2008). Close-range photogrammetry applications in bridge measurement: Literature review. Measurement, 41(8), 823-834. https://doi.org/10.1016/j.measurement.2007.12.005
• Karataş, D. (2012). Yüksek İrtifada Burun Fizyolojisi. Eur J Basic Med Sci, 2(1), 24-29. https://doi.org/10.21601/ejbms/9172
• Luhmann, T., Robson, S., Kyle, S., & Boehm, J. (2019). Close-Range Photogrammetry And 3d İmaging. In Close-Range Photogrammetry And 3d Imaging. De Gruyter. 1-27 https://doi.org/10.1515/9783110607253
• Mannoor, M. S., Jiang, Z., James, T., Kong, Y. L., Malatesta, K. A., Soboyejo, W. O., ... & McAlpine, M. C. (2013). 3D printed bionic ears. Nano letters, 13(6), 2634-2639. https://doi.org/10.1021/nl4007744
• Matteo, G., Giuseppe, P., Brigida, S., Nicola, Q., Giorgio, C., & On Snoring, I. S. G. (2019). Internal And External Nasal Dilatator İn Patients Who Snore: A Comparison İn Clinical Practice. Acta Bio Medica: Atenei Parmensis, 90(2), 10.
• Matteo, G., Pierluigi, I., Giuseppe, P., Vitaliano, N. Q., Onofrio, R., Nicola, Q., & Giorgio, C. (2019). Internal Nasal Dilator İn Patients With Obstructive Sleep Apnea. Acta Bio Medica: Atenei Parmensis, 90(2), 19.
• Matteo, G., & Giorgio, C. (2019). The Clinical İmportance Of The Nasal Valfe. Acta Bio Medica: Atenei Parmensis, 90(2), 31
• Matteo, G., Pierluigi, I., Giuseppe, P., Vitaliano, N. Q., Onofrio, R., Nicola, Q., & Giorgio, C. (2019). Internal Nasal Dilator İn Patients With Obstructive Sleep Apnea Syndrome And Treated With Continuous Positive Airway Pressure. Acta Bio Medica: Atenei Parmensis, 90(2), 24.
• Matteo, G., Pierluigi, I., Giuseppe, P., Vitaliano, N. Q., Onofrio, R., Nicola, Q., & Giorgio, C. (2019). Internal Nasal Dilator İn Patients With Obstructive Sleep Apnea. Acta Bio Medica: Atenei Parmensis, 90(2), 19.
• Mohamed, O. A., Masood, S. H., & Bhowmik, J. L. (2015). Optimiz"ation of fused deposition modeling process parameters: a review of current research and future prospects. Advances in manufacturing, 3, 42-53. https://doi.org/10.1007/s40436-014-0097-7
• Mukhtarova, E. (2020). Nazal Septal Perforasyon Onarımında Kompozit Kıkırdak Greft ve Trombositten Zengin Plazma Uygulanması: Deneysel Çalışma. Uzmanlık Tezi, Necmettin Erbakan Üniversitesi, Meram Tıp Fakültesi, Konya, 52
• Pestano, V., Oliveira, M. P. D., & Silva, F. P. D. (2022). Effect of acetone vapor smoothing process on surface finish and geometric accuracy of fused deposition modeling ABS parts. Journal of Materials Science and Chemical Engineering, 10(10), 1-9. https://doi.org/10.4236/msce.2022.1010001
• Oruç, M. E. (2021). Küçük Objelerin Modellenmesinde Videogrametri ve Fotogrametri Yöntemlerinin Karşılaştırılması Üzerine Bir Çalışma. Türkiye Fotogrametri Dergisi, 3(2), 62-68. https://doi.org/10.53030/tufod.1019385
• Petruson, B. (1989). Better sleep with dilated nose. Rhinology, 27(3), 211-3.
• Rahmanimirshekarlou, R., & Tunçer, N. İ. (2022). Ortodontide 3 Boyutlu Teknolojiler. Sağlık Bilimlerinde, Prof. Dr. Engin Şahna, Prof. Dr. Hasan Akgül (Editörler), Gece Kitaplığı, 33-48.
• Ravi, T., Ranganathan, R., Ramesh, S. P., & Dandotiya, D. S. (2021). 3D Printed Personalized Orthotic Inserts Using Photogrammetry and FDM Technology. Fused Deposition Modeling Based 3D Printing, Dave, H.K., Davim, J.P., Springer, 349-361. https://doi.org/10.1007/978-3-030-68024-4_18
• Reddy, V., Flys, O., Chaparala, A., Berrimi, C. E., Amogh, V., & Rosen, B. G. (2018). Study on surface texture of Fused Deposition Modeling. Procedia Manufacturing, 25, 389-396. https://doi.org/10.1016/j.promfg.2018.06.108
• Saqib, S.; Urbanic, J. (2012). An experimental study to determine geometric and dimensional accuracy impact factors for fused deposition modelled parts. In Enabling Manufacturing Competitiveness and Economic Sustainability, Hoda A. ElMaraghy, Springer: Berlin/Heidelberg, Germany, pp. 293–298. https://doi.org/10.1007/978-3-642-23860-4_48
• Shikara, M., Rizzi, C. J., Zelip, B., Hubbard, F., Vakharia, K. T., Isaiah, A., & Vakharia, K. T. (2018). Assessment of a novel computer algorithm for printing a 3-dimensional nasal prosthetic. JAMA Otolaryngology–Head & Neck Surgery, 144(7), 557-563. https://doi.org/10.1001/jamaoto.2018.0360
• Surmen, K., Ortes, F., & Arslan, Y. Z. (2016). Design and production of subject specific insole using reverse engineering and 3D printing technology. Int J Eng Sci Invent, 5(12), 11-15.
• Surmen, H. K. (2023). Photogrammetry for 3D Reconstruction of Objects: Effects of Geometry, Texture and Photographing. Image Analysis & Stereology, 42(2), 51-63. https://doi.org/10.5566/ias.2887
• Sürmen, H. K. (2019). 3d Baskı Yöntemi ile Hastaya Özel Ortez İmalatı. 4th Internatıonal Congress On 3d Prıntıng (Addıtıve Manufacturıng) Technologıes And Dıgıtal Industry, 1388-1395.
• Sürmen, H. K. (2019). Eklemeli İmalat (3b Baskı): Teknolojiler ve Uygulamalar. Uludağ Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Dergisi, 24(2), 373-392. https://doi.org/10.17482/uumfd.519147
• Sürmen, H. K., 2022. Fotogrametri ile Üç Boyutlu Tarama – 3B Fotogrametri, Mühendislik Alanında Uluslararası Araştırmalar-I, Serüven Yayınevi, 173-196
• Tahamiler, R., Işıldak, H., & Çanakçıoğlu, S. (2007). Rinitli Hastalarda Burun Tıkanıklığının Objektif Ölçümü İçin Rinomanometri. Cerrahpaşa Tıp Dergisi, 38(1), 11-15.
• Ulfberg, J., & Fenton, G. (1997). Effect Of Breathe Right Nasal Strips On Snoring. Rhinology, 35, 50-52.
• Uslu, A., & Uysal, M. (2021). Kitle kaynaklı fotoğraflar kullanılarak kültürel mirasın üç boyutlu modellenmesi ve web tabanlı görselleştirilmesi: Afrodisias-Tetrapylon örneği. Afyon Kocatepe Üniversitesi Fen ve Mühendislik Bilimleri Dergisi, 21(3), 632-639. https://doi.org/10.35414/akufemubid.889211
• Varolgüneş, A. (2010). Horlama ve Obstrüktif Sleep Apne Sendromu Hastalarında Damak Radyofrekans Uygulanması Etkinliğnin Değerlendirilmesi, Uzmanlık Tezi, Dicle Üniversitesi Tıp Fakültesi, Diyarbakır, 45.
• Yiğit, A. Y., & Uysal, M. (2021). Tarihi Eserlerin 3B Modellenmesi ve Artırılmış Gerçeklik ile Görselleştirilmesi. Bilecik Şeyh Edebali Üniversitesi Fen Bilimleri Dergisi, 8(2), 1032-1043. https://doi.org/10.35193/bseufbd.1011064
• Yüksel, H., & Bulut, M. O. (2019). Üç Boyutlu Tarama Sistemleri. Tekstil ve Mühendis, 26(116), 406-414. https://doi.org/10.7216/1300759920192611612
• Zigon, J., Kariz, M., & Pavlic, M. (2020). Surface finishing of 3D-printed polymers with selected coatings. Polymers, 12(12), 2797. https://doi.org/10.3390/polym12122797
• Zuniga, J. M., Dimitrios, K., Peck, J. L., Srivastava, R., Pierce, J. E., Dudley, D. R., ... & Knarr, B. A. (2018). Coactivation index of children with congenital upper limb reduction deficiencies before and after using a wrist-driven 3D printed partial hand prosthesis. Journal of neuroengineering and rehabilitation, 15(1), 1-11. https://doi.org/10.1186/s12984-018-0392-9