Bachelor's Thesis

Preparation of a contrast radiographic ruler for pediatric orthopedics using 3D printing

Author of thesis: Tomáš Kaválek

Acad. year: 2025/2026

Supervisor: Ing. Pavel Kaspar, Ph.D.

Reviewer: Ing. Nikola Papež, Ph.D.

Abstract:

This bachelor’s thesis deals with the development, production, and clinical validation of a modular contrast radiographic ruler for pediatric orthopedics using 3D printing technology. The thesis addresses the issue of radiographic magnification during X-ray imaging, which prevents the accurate measurement of bone lengths and deformities without the use of a reference calibration tool. The aim was to create a cost-effective, mechanically durable, and non-toxic alternative to commonly available commercial rulers, which often contain toxic lead or are prone to mechanical damage. Fused Deposition Modeling technology and the composite filament Prusament PETG Tungsten 75% were chosen for the prototype production. The work describes the iterative structural design of the modular system utilizing a protective mask and the optimization of multi-material printing parameters. An important part of the thesis is the microscopic and elemental analysis of the composite using Scanning Electron Microscopy and Energy Dispersive X-ray Spectroscopy methods, which examined the distribution of tungsten particles and the quality of layer fusion, and helped to identify and eliminate printing defects at the material interface. The designed prototypes and calibration phantoms were subsequently tested experimentally and clinically. Clinical trials demonstrated the excellent shielding properties of the material even in thin layers and confirmed that the developed 3D-printed ruler is fully comparable to commercial alternatives, thus representing a safe and functional solution for real clinical practice.

Keywords:

radiographic ruler, 3D printing, FDM, PETG, tungsten, X-ray radiation, radiographic magnification, pediatric orthopedics, electron microscopy, SEM, EDX, clinical testing

Date of defence

17.06.2026

Date of publish

16.06.2028

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaAznamka

Grading

A

Process of defence

Student prezentoval výsledky své práce a komise byla seznámena s posudky. Ing. Harabiš položil otázku zda byla použitá speciální tryska pro tisk wolframu a na vhodnost výběru použité trysky. Ing. Šabatová položila otázku na motivaci výběru tématu. Student obhájil bakalářskou práci a odpověděl na otázky členů komise a oponenta.

Language of thesis

Czech

Faculty

Department

Study programme

Biomedical Technology and Bioinformatics (BPC-BTB)

Composition of Committee

doc. Ing. Martin Rožánek, Ph.D. (předseda)
doc. Ing. Jana Kolářová, Ph.D. (místopředseda)
MUDr. Zuzana Nováková, Ph.D. (člen)
Ing. Kateřina Šabatová (člen)
Ing. Radovan Smíšek, Ph.D. (člen)
Ing. Vratislav Harabiš, Ph.D. (člen)

Supervisor’s report
Ing. Pavel Kaspar, Ph.D.

V předložené bakalářské práci se student Tomáš Kaválek zabývá návrhem a výrobou kontrastního radiologického pravítka pro pediatrickou ortopedii za použití 3D tisku. Teoretická část podává základní informace jako vlastnosti rentgenového záření, význam radiografie v ortopedii a způsoby měření, na což navazuje technické řešení pravítek a porovnání jejich vlastností a cen. Po probrání technologií výroby a materiálových možností pak nastupuje praktická část, která zahrnuje jak návrh pravítka, tak samotnou realizaci 3D tiskem, včetně řešení problémů v procesu výroby, a následnou mikroskopickou a materiálovou analýzou výsledného výrobku, včetně praktického ověření v laboratoři a klinické validaci v nemocničním prostředí.
Z formální stránky je práce velmi dobře zpracována s absencí gramatických chyb a minimem chyb formátovacích. Informace jsou velmi dobře strukturovány a jsou podány jasně a srozumitelně a ve více než dostatečném rozsahu. S literaturou student pracuje také velmi dobře, a to i přes horší dostupnost zdrojů v dané problematice. Velkým bonusem je aktivní konzultace s lékaři a ověření v klinické praxi, což dává práci další rozměr, a ukazuje na jasnou možnost a směr praktické využitelnosti výsledků. Všechny body zadány byly splněny v plném rozsahu, a student byl během řešení práce velmi aktivní v konzultacích i pravidelné práci.
Bakalářskou práci proto hodnotím jako A/99. Points proposed by supervisor: 99

Grade proposed by supervisor: A

Reviewer’s report
Ing. Nikola Papež, Ph.D.

Student Tomáš Kaválek prokázal výborné inženýrské myšlení a schopnost pracovat s pokročilými analytickými metodami. Svůj teoretický koncept dokázal úspěšně dotáhnout až do fáze reálného, klinicky ověřeného prototypu. Práce je ucelená, gramaticky i stylisticky zdařilá a má jasný přínos pro lékařskou praxi. Její rozsah plně odpovídá standardům pro bakalářské práce. Práce s literaturou je rovněž na dobré úrovni, text je podložen validovanými výzkumnými výsledky. Téma a výsledky práce byly navíc prezentovány na konferenci EEICT 2026, což považuji za významný přínos. Oceňuji také iterativní způsob řešení mechanických problémů – student slepě netiskl první model, ale aktivně reagoval na zjištěné limity a kritickým přístupem postupně vyvinul plně funkční prototyp.

Jako drobné nedostatky v práci vnímám například neuvedení přesných modelů některých použitých přístrojů či částečně chybějící specifikaci některých měřicích parametrů. Určité detaily lze sice vyčíst z prezentovaných snímků z elektronového mikroskopu, jiné snímky (např. Obr. 5.2 či Obr. 5.5) jsou však hůře čitelné. Student dále v textu popisuje snímek s využitím detektoru zpětně odražených elektronů (BSE), avšak z Obr. 5.3 je zřejmé, že vzorek byl vizualizován pomocí sekundárních elektronů (SE). Tyto připomínky však nemají zásadní vliv na celkovou dobrou kvalitu zpracování práce.

Práci doporučuji k obhajobě a navrhuji hodnocení 91/A. Topics for thesis defence:
  1. V sekci 3.3 zmiňujete ceny komerčních pravítek (přibližně 6000–10000 Kč). Jaká je odhadovaná cena jednoho kompletu či modulu Vašeho pravítka při započtení nákladů na materiály Prusament PETG Tungsten 75 % a běžné PETG?
  2. V nemocničním prostředí je kladen vysoký důraz na dezinfekci. Vzhledem k tomu, že SEM analýza potvrdila přirozenou mikropórovitost FDM tisku (což představuje riziko usazování bakteriální mikroflóry), jaké metody povrchové úpravy nebo sterilizace byste navrhl pro zajištění hygienické nezávadnosti pravítka v klinické praxi? Vezměte v potaz, že PETG má teplotu měknutí okolo 80–85 °C, a standardní autoklávování tedy nepřipadá v úvahu.
  3. Jakým konkrétním postupem hodláte kompenzovat zjištěnou rozměrovou odchylku, která při plné délce pravítka činí téměř 4 mm, jak tvrdíte v závěru? V práci zároveň zdůrazňujete (sekce 2.3), že v praxi je vyžadována přesnost měření na desetiny milimetru. Jak je této přesnosti možné reálně dosáhnout vzhledem k tepelné roztažnosti materiálu a mechanickým vůlím při skládání jednotlivých modulů?
Points proposed by reviewer: 91

Grade proposed by reviewer: A

Reasons for publication postponement

Publication of the final thesis has been postponed in compliance with the provisions of Section 47b (4) of Act No. 111/1998 Coll., on the Higher Education Institutions and on amendments and supplements to other acts, as amended.

The thesis contains the results that will be the subject of the publication.

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová