CN109233298A - 一种大脑模型，大脑模型填充物及其制备方法 - Google Patents

一种大脑模型，大脑模型填充物及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种大脑模型，大脑模型填充物及其制备方法，所述大脑模型填充物包括水80‑100份，油3‑15份，表面活性剂3‑10份，胶质13‑18份，淀粉0‑3份，保湿剂0‑5份，防腐剂2‑3份；所述制备方法包括将配方量的胶质加入配方量的水中，搅拌加热直至胶质完全溶解；温度下降后加入配方量的油、表面活性剂、保湿剂、淀粉和防腐剂并搅拌均匀；在还未凝固时加入准备好的大脑模型中，撇去表面气泡，冷却，凝固；还包括用于加入大脑模型填充物的大脑模型。本发明制备步骤清晰，方便使用且可长时间保存，测量发现本发明十分接近真实大脑的数值，相比对比文献，该大脑模型在更宽的频带上有更好的准确度，操作简单，易于实现。

Description

一种大脑模型，大脑模型填充物及其制备方法
技术领域
本发明涉及医学检测技术领域，尤其是一种大脑模型，大脑模型填充物及其制备方法。
背景技术
大脑，作为人体中最为复杂的器官，承担了一部分维持生命运转以及进行所有的智慧行为(学习、思考、沟通、决策)的职责。但大脑也是脆弱的，脑肿瘤，脑卒中等疾病都会让人丧失部分或是全部的行为能力。随着我国老龄人口的增多，相关疾病的防范与诊治也成为社会热点。而随着老龄人数的增多，传统医院大型检测设备必定供不应求，新型的小型检测设备市场前景广阔，同时也对探测技术提出了新的要求，使其足以满足小型化，无创无感的需求。
在对大脑的研究以及医疗中，脑部成像是十分关键的一步。微波成像技术是一种新型的无创检测手段，具有高分辨率、强穿透力、低截获率以及强抗干扰性等特点。在医学检测技术领域中，相比较X光成像，微波无创检测技术具有辐射功率小、实时处理、电路实现方式简单等优点。在进行人体以及动物实验之前，制作出一个在介电常数方面具有较高仿真度的模型，在大脑疾病以及其活动研究方面具有重要意义，这是进行微波探测系统研究的第一步。同时，具有制作出来的大脑模型还可以被应用在一些小型设备的辐射监测，以及其他针对大脑的研究上面，大脑模型的应用场景并不单一。图1示出了一张CT成像底片，图2则为一种大脑模型。
但是，制作大脑模型还存在着种种技术难题。人脑的复杂性决定了对它的研究是困难的。
目前主要是通过各种手段，实现大脑的成像，从而对其活动进行分析和研究。建模方法大体可以分为两类，一类是计算机建模，也就是通过计算机软件，针对某几种需要研究的特征，建构出相应的大脑模型。第二种则是建立实体模型。这个实体模型在某种特性(如电导率，X光吸收率，含水率，反射率等)上与人脑具有较高的拟真度。由于材料的限制，一般同时只能模拟出一种特性。现在还有一种新的脑模制作方法，也就是通过在人体外培育脑组织，使其最终长成一个可供研究使用的大脑。然后通过外界电刺激等方式，使制作出来的大脑真是仿真出人脑的活动。随着生物技术的突破，相关技术也在迅速的发展。
因为针对大脑介电常数特性进行研究并不广泛，所以现有的集中制作大脑模型的方法都无法满足需求。受益于电子技术的飞速发展，借助电脑构建大脑模型的方法仿真度高，灵活性大，但使用电脑建模，首先是需要十分精确的大脑介电常数特性，目前已有的数据不足以构建出模型。而且虚拟的模型在后期实际探测和研究方面也存在很多不便之处[2]，图3为用于MRI的软件大脑模型的三个截面。
现有大多数研究大脑的方式是核磁共振，以及X光扫描。因此在制作实体模型方面也主要是关注模型的X光吸收特性等，在材料使用上也与我们关注的方面不匹配[1][3]。根据搜集到的国内外研究资料，现有的制作出大脑模型的方法，存在步骤较为复杂或是无法长时间保存的问题[5]。因此探索出一个步骤清晰，方便使用且可长时间保存的新配方就很有必要。
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发明内容
为解决背景技术中提到的一个或者多个缺点，本发明旨在提出一种大脑模型，大脑模型填充物，以及一种大脑模型填充物的制备方法。
本发明首先提出一种大脑模型填充物。
一种大脑模型填充物，包括水80-100份，油3-15份，表面活性剂3-10份，胶质13-18份，淀粉0-3份，保湿剂0-5份。
作为本发明的进一步改进，还包括防腐剂2-3份。
作为本发明的进一步改进，包括脑白质填充物和血液填充物，所述脑白质填充物包括水80-90份，油10-15份，表面活性剂5-10份，胶质10-15份，淀粉0-2份，保湿剂0-5份，防腐剂2-3份；所述血液填充物包括水92-100份，油3-5份，表面活性剂3-6份，胶质13-18份，淀粉0-3份，保湿剂0-5份，防腐剂2-3份。
作为本发明的进一步改进，所述油包括动物油、植物油中的至少一种，所述保湿剂包括丙二醇、丙三醇和丁二醇中的至少一种，所述胶质包括明胶、琼脂中的至少一种，所述防腐剂包括焦亚硫酸钠、山梨酸钾和苯甲酸钠中的至少一种。
作为本发明的进一步改进，所述水为纯净水，所述油为橄榄油，所述保湿剂为丙二醇，所述胶质为明胶，所述防腐剂为焦亚硫酸钠。
本发明继而提出一种大脑模型填充物的制备方法。
一种大脑模型填充物的制备方法，包括以下步骤：
S1，将配方量的胶质加入配方量的水中，搅拌加热至约85℃，恒温搅拌直至胶质完全溶解；
S2，将温度下降至60℃左右，不分先后顺序加入配方量的油、表面活性剂、保湿剂、淀粉和防腐剂并搅拌均匀；
S3，将搅拌均匀的液体冷却，在还未凝固时加入准备好的大脑模型中，撇去表面气泡；
S4，继续冷却，直至凝固。
作为本发明的进一步改进，分别制备脑白质填充物和血液填充物，在两者冷却但还未凝固之前，在大脑模型中的一个局部位置，加入血液填充物来模拟病变位置，在大脑模型中的其余位置加入脑白质填充物，继续冷却，直至完全凝固。
本发明还提出了一种大脑模型。
一种大脑模型，包括一个人体头部仿真模型，所述人体头部仿真模型的头顶上设有盖体，所述人体头部仿真模型内设有用于加入如权利要求1-7所述的大脑模型填充物的空腔，所述盖体覆盖在空腔上。
作为本发明的进一步改进，人体头部仿真模型的头顶至肩部的高度H为240-250mm，两耳之间的长度L1为160-170mm，面部至后脑勺的长度L2为180-185mm，所述空腔的容量为1.4L。
作为本发明的进一步改进，所述人体头部仿真模型为聚氨酯材质。
相比现有技术，本发明的有益效果是：
本发明不仅提供了一个步骤清晰简单，材料易得，方便使用且可长时间保存的大脑模型填充物的新配方及其制备方法，还提供了一种适用于本发明大脑模型填充物使用的大脑模型。
通过大脑模型填充物进行测量，可以发现测量结果十分接近真实大脑的数值。
通过对已放入大脑模型填充物的大脑模型进行测量，对比文献，可以发现本发明的大脑模型在更宽的频带上有更好的准确度，同时操作简单，易于实现。
附图说明
图1是现有技术中提到的一张CT成像底片。
图2是现有技术中提到的一种大脑模型。
图3是现有技术中提到的用于MRI的软件大脑模型的三个截面。
图4是本发明实施例中所提及的实验仪器及制备过程。
图5-6是本发明的一种大脑模型填充物.
图7是本发明的一种大脑模型的六视图。
图8是本发明的一种大脑模型的侧剖图。
图9是本发明的一种大脑模型的左视图。
图10是本发明实施例中制备的血液填充物的测量图。
图11是本发明实施例中制备的已放入大脑模型填充物的大脑模型的测量图。
图12是本发明实施例中制备的大脑模型填充物放置多天后的测量图。
图13是本发明实施例中制备的不同组合比例的大脑模型填充物的测量图。
图14-15是本发明实施例中所提及的气泡很多的大脑模型填充物。
图16是本发明实施例中所提及的气泡很多的大脑模型填充物的测量图。
图17是对比文献中提及的大脑模型的测量图。
图18是本发明提供的已放入大脑模型填充物的大脑模型的测量图。
具体实施方式
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面结合附图及具体实施例对本发明进一步说明。
实施例1
1.材料准备
1.1水：优选为纯净水。
1.2油：优选为橄榄油。在实际操作中，其他的植物油或者是动物油也可以使用。根据数据，人脑的介电常数在4GHz内约为45左右，水的介电常数为80，油的介电常数为2-3，选用二者进行不同比例混合，可以得到所需的不同介电常数的模型。由于后期成型需要，制作出的大脑模型填充物需形成凝固胶体状态，因此决定使用液体作为制作时的操作状态，使得物质可以较为均匀的混合，也有利于按需制作出不同形状的脑模。
1.3保湿剂：优选为丙二醇。由于模型的介电常数是由水与油的比例控制的，因此需要添保湿剂来保证模型长期存放时，内部水分含量不会因为蒸发而快速下降，延长大脑模型的使用时间。在本配方中选用丙二醇作为保湿剂，因为丙二醇为液体，易于水相互均匀混合，具有较强的吸水性以及能够适度抑制细菌生长。其他的多元醇类诸如丙三醇，丁二醇等也可以作为保湿剂。
1.4胶质：主要的成型原料，优选为明胶。由于制作出的模型需要放入大脑模型的空腔内，以使得在实验时有较好的仿真度，因此需要借助胶质溶于水后，高温为胶体，低温为固体的特性。有大量的高分子材料可以满足这一特性，例如明胶、琼脂等，本配方使用的是明胶，不仅是因为明胶高温为胶体，低温为固体的的特性，也是由于加入明胶对固体介电常数影响较小。
1.5表面活性剂：优选为洗涤剂如洗洁精。主要是利用其乳化油脂的特点。由于水和油互不相溶，因此添加表面活性剂使油乳化成小油滴，形成水油悬浊液，让模型各处的介电常数保持均衡。
1.6淀粉：优选为小麦粉。淀粉溶于水后可以显著增加液体的粘稠度，同时改变凝固后固体的表面形状特征。同时由于明胶与油天然呈现黄色，加入白色的小麦粉后可以使成型固体在外观上更加接近脑白质，而且对于塑性有帮助。常见的淀粉类原料油小麦粉，面粉等。
1.7防腐剂：由于明胶的主要成分为蛋白质，因此细菌很容易在模型上滋生。所以加入防腐剂，减少霉菌滋生的可能性。也是为了延长模型的保存时间。本配方使用的是焦亚硫酸钠，因为焦亚硫酸钠同时还具有漂白以及除菌的特性。其他还可以使用的有像山梨酸钾，苯甲酸钠等。
2.配方
(单位：重量份)
名称 水 油 表面活性剂 胶质 淀粉 保湿剂 防腐剂
脑白质填充物 80～90 10～15 5～10 10～15 0～2 0～5 2～3
血液填充物 92～100 3～5 3～6 13～18 0～3 0～5 2～3
注意，本配方所指的0-2，0-3，0-5均不包括端值0；本配方所指的其它大于0的范围值，均包括端值。
3.仪器
4.准备大脑模型
采用计算机技术建模并制作一种聚氨酯材质的大脑模型，如图7-9所示，包括一个人体头部仿真模型，所述人体头部仿真模型的头顶上设有盖体，所述人体头部仿真模型内设有用于加入大脑模型填充物的空腔，所述盖体覆盖在空腔上。
人体头部仿真模型的头顶至肩部的高度H为240-250mm(本实施例优选245.8mm)，两耳之间的长度L1为160-170mm(本实施例优选169.4mm)，面部至后脑勺的长度L2为180-185mm(本实施例优选180.1mm)，所述空腔的容量为1.4L。
5.制备流程
5.1脑白质填充物的制备
5.1.1将10-15份的明胶加入80-90份的水中，搅拌加热至约85℃，恒温搅拌直至明胶完全溶解，如图4所示；
5.1.2将温度下降至60℃左右，不分先后顺序加入10-15份的橄榄油，5-10份的洗洁精，0-5份的丙二醇，0-2份的小麦粉，2-3份的焦亚硫酸钠并搅拌均匀；
5.1.3将搅拌均匀的液体冷却，在还未凝固时加入准备好的大脑模型中，撇去表面气泡；
5.1.4继续冷却，直至凝固，如图5、6所示。。
5.2血液填充物的制备
5.2.1将13-18份的明胶加入92-100份的水中，搅拌加热至约85℃，恒温搅拌直至明胶完全溶解；
5.2.2将温度下降至60℃左右，不分先后顺序加入3-5份的橄榄油，3-6份的洗洁精，0-5份的丙二醇，0-3份的小麦粉，2-3份的焦亚硫酸钠并搅拌均匀；
5.2.3将搅拌均匀的液体冷却，在还未凝固时加入准备好的大脑模型中，撇去表面气泡；
5.2.4继续冷却，直至凝固。
5.3分别制备5.1脑白质填充物和5.2血液填充物，在两者冷却但还未凝固之前，在大脑模型(图7-9)中的一个局部位置，加入血液填充物来模拟病变位置，在大脑模型中的其余位置加入脑白质填充物，继续冷却，直至完全凝固。
6.测试数据
6.1通过对5.1、5.2获得的大脑模型填充物进行测量，可以发现测量结果十分接近真实大脑的数值，如图10所示为血液填充物的测量值。
6.2如图11所示，通过对已放入大脑模型填充物的大脑模型进行测量，对比文献，可以发现本发明的大脑模型在更宽的频带上有更好的准确度，同时操作简单，易于实现。
6.3如图12所示，将放置几天后的大脑模型填充物再次进行测量，所测得数值没有很大改变，可以实现较长的保存时间。
6.4如图13所示，在限定范围内，进行了多个水、油配方比例组合的大脑模型填充物进行测量，所测得的值也基本符合大脑白质的介电系数要求。
7.特别说明
在研究的过程中，发现气泡对其实际测量数值有很大影响。如图14、15、16所示，当使用表面满是气泡的填充物进行测量的时候，数值有明显下降。因此在在操作流程中对温度以及搅拌提出了特别的说明。
8.结论
本发明相比现有技术，在数值上更加接近理论值，同时在制作方法上比现有研究要简化很多，图17为文献中的大脑模型填充物测量值，以及图18为本发明的大脑模型填充物测量值。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种大脑模型填充物，其特征在于，包括水80-100份，油3-15份，表面活性剂3-10份，胶质13-18份，淀粉0-3份，保湿剂0-5份。
2.根据权利要求1所述的大脑模型填充物，其特征在于，还包括防腐剂2-3份。
3.根据权利要求2所述的大脑模型填充物，其特征在于，包括脑白质填充物和血液填充物，所述脑白质填充物包括水80-90份，油10-15份，表面活性剂5-10份，胶质10-15份，淀粉0-2份，保湿剂0-5份，防腐剂2-3份；所述血液填充物包括水92-100份，油3-5份，表面活性剂3-6份，胶质13-18份，淀粉0-3份，保湿剂0-5份，防腐剂2-3份。
4.根据权利要求3所述的大脑模型填充物，其特征在于，所述油包括动物油、植物油中的至少一种，所述保湿剂包括丙二醇、丙三醇和丁二醇中的至少一种，所述胶质包括明胶、琼脂中的至少一种，所述防腐剂包括焦亚硫酸钠、山梨酸钾和苯甲酸钠中的至少一种。
5.根据权利要求4所述的大脑模型填充物，其特征在于，所述水为纯净水，所述油为橄榄油，所述保湿剂为丙二醇，所述胶质为明胶，所述防腐剂为焦亚硫酸钠。
6.一种如权利要求2-5任一项所述的大脑模型填充物的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1，将配方量的胶质加入配方量的水中，搅拌加热至约85℃，恒温搅拌直至胶质完全溶解；
S2，将温度下降至60℃左右，不分先后顺序加入配方量的油、表面活性剂、保湿剂、淀粉和防腐剂并搅拌均匀；
S3，将搅拌均匀的液体冷却，在还未凝固时加入准备好的大脑模型中，撇去表面气泡；
S4，继续冷却，直至凝固。
7.根据权利要求6所述的大脑模型填充物的制备方法，其特征在于，分别制备脑白质填充物和血液填充物，在两者冷却但还未凝固之前，在大脑模型中的一个局部位置，加入血液填充物来模拟病变位置，在大脑模型中的其余位置加入脑白质填充物，继续冷却，直至完全凝固。
8.一种大脑模型，其特征在于，包括一个人体头部仿真模型，所述人体头部仿真模型的头顶上设有盖体，所述人体头部仿真模型内设有用于加入如权利要求1-7所述的大脑模型填充物的空腔，所述盖体覆盖在空腔上。
9.根据权利要求8所述的大脑模型，其特征在于，人体头部仿真模型的头顶至肩部的高度H为240-250mm，两耳之间的长度L1为160-170mm，面部至后脑勺的长度L2为180-185mm，所述空腔的容量为1.4L。
10.根据权利要求9所述的大脑模型，其特征在于，所述人体头部仿真模型为聚氨酯材质。
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