CN101673481A - 一种婴儿唇裂面部仿真模型制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于医学用仿真人体器官表面模型的设计与制备方法，具体涉及一种婴儿唇裂面部仿真模型制备方法，其步骤如下：1)采集唇裂患儿面部三维原始数据；2)重建唇裂患儿面部数字化面部模型；3)将模型文件自动分层离散形成加工文件；4)自动加工唇裂患儿面部树脂件原型；5)翻制硅橡胶唇裂面部模型；6)硅橡胶面部模型的着色。它能提供一种与3个月龄唇裂婴儿面部形态、肤色、质地等高度一致的个性化定制的面部仿真模型，仿真模型不仅为外科医师术前提供提供真实参考，使术中心中有数，同时也能为唇腭裂患者家长提供手术后面容美观效果。
Description
技术领域
本发明属于医学用仿真人体器官表面模型的设计与制备方法，具体涉及一种婴儿唇裂面部仿真模型制备方法。
背景技术
唇腭裂是最常见的先天性颌面缺损畸形之一，在中国的发病率约占出生人口率的七百分之一，据统计我国至少有240万唇腭裂患者，而且每年还有两万多例唇腭裂新生儿出生。在患儿3个月龄左右进行唇裂修补手术是目前唇裂主要的治疗手段，每年国内有数以万计的唇裂患儿接受手术治疗，因此需要大量能熟练进行此项手术的外科医师，但是国内外市场上尚无高仿真的婴儿唇裂医学模型可供年轻外科医师进行手术模拟或教学训练。目前的训练方法仅靠手术观摩或利用电脑模拟进行示教，但是上述方法无法为新医师提供一种真实、可靠的手术操作训练。此外，患者家长对于唇裂手术后面容美观效果也极其关心，希望能有一种个性化的与患儿面容高度相似的唇裂面部仿真模型，提供给医师进行模拟手术并展示最终的手术修复效果，以预后治疗效果、提高唇裂手术质量。但是国内外尚未见有类似产品或研究报道，因此需要首次建立一种能够真实模拟患儿面部软组织的仿真人体模型设计与制备方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种与3个月龄唇裂婴儿面部形态、肤色、质地等高度一致的婴儿唇裂面部仿真模型，以便为外科医师提供个性化唇裂手术模拟及高仿真手术教学用具，为唇腭裂患者家长提供手术后面容美观效果。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种婴儿唇裂面部仿真模型制备方法，其步骤如下：
1)采集唇裂患儿面部三维原始数据；
2)重建唇裂患儿面部数字化面部模型；
3)将模型文件自动分层离散形成加工文件；
4)自动加工唇裂患儿面部树脂件原型；
5)翻制硅橡胶唇裂面部模型；
6)硅橡胶面部模型的着色。
所述的1)采集唇裂患儿面部三维原始数据是采用结构光人体三维扫描系统实现患儿面部活体数据采集，操作前先打开结构光三维扫描系统，调整扫描仪高度、角度、位置，调整摄像头焦距，光圈，使获得的图像清晰亮度自然，调整系统参数如下：基距＝500mm；测量距离≈900mm；α≈30°；摄像头焦距选择16mm；调整摄像头的高度与焦距，固定患儿坐于摄像头前方约75cm处，并与摄像头等高，以黑色非反光幕布为背景；运用3DSS系统自带的扫描软件3DSS-color对患儿面部形态进行扫描，扫描得到的点云数据以.wrl格式保存。
所述的2)重建唇裂患儿面部数字化面部模型是将扫描获取的患儿面部原始点云数据.wrl文件输入Geomagic Studio 10逆向工程软件中，然后去除多余的杂点与坏点，得到完整的患儿面形点云数据；再将点云数据通过逆向工程的方式封装、重构为三维面片模型，并对模型进行修补及曲面优化，将其输出为.wrp格式文件进行保存；然后执行Geomagic Studio10逆向工程软件中“抽壳(Shell)”命令赋予该模型厚度为5mm，以.stl格式存盘。
所述的3)将模型文件自动分层离散形成加工文件是将.stl文件导入Magics RP软件中进行切片，根据激光成型机中聚苯乙烯成型粉(PSB)材料加工要求，运行Magics RP软件，打开machine setup命令，导入AFS-360型机器工作平台执行“Slice”切片命令进行切片，切片参数：z方向放大0.5％，切片层厚＝0.15mm，刀具补偿＝0.1；切片完成后自动以.cli格式存储；然后运行Arps2000V4激光扫描路径与优化软件分别打开.cli文件，检验数据格式是否正确，检验数据正确后，输出.afi格式的RP机器代码文件；最后加工输出选项：扫描方向为X、Y方向交替、不扫描轮廓、路径优化原则为深度-广度混合原则；PSB成型粉加工输出选项：扫描方向为X、Y方向交替、扫描轮廓、路径优化原则为深度-广度混合原则。
所述的4)自动加工唇裂患儿面部树脂件原型是：
A、在AFS-360激光成型机料缸中分别加入聚苯乙烯成型粉，打开AFS-360激光成型机，运行Afswin320自动成型系统控制软件，输入婴儿唇裂面部模型的.afi文件；
B、设置参数，打开开关开始加工，加工完成后，自然冷却至室温，拿出加工好的原型件，清除多余粉末，试件加工完成；
C、将E1000环氧树脂双组分按比例充分混合，涂刷试件b使其充分浸透，静置4-6小时，40℃加热4-6小时使环氧树脂充分结固，获得最终的婴儿唇裂面部树脂模型。
所述的5)翻制硅橡胶唇裂面部模型包括如下步骤：
A、调拌牙科用超硬石膏，灌注入下半金属型盒；
B、将唇裂树脂模型包埋入下半型盒，待其自然结固干燥后，在模型表面涂布牙科分离剂，然后复位上半型盒，灌注满超硬石膏，待其自然结固；
C、将型盒整体置于100℃水浴箱内加热30分钟，取出并开盒，取出树脂模型，备用。
D、准确称取适量A-2186赝复用硅橡胶基胶，依据临床患儿面部照片，进行硅橡胶的内着色，直至与患儿面部肤色的基调色基本相似为止；
E、向内着色A-2186基胶添加交联剂，混合比例为基胶∶交联剂＝10∶1，混和并搅拌均匀，抽真空20min，用注射器注入牙科技工型盒，压盒，100℃水浴箱煮盒固化2小时；
F、待其自然冷却后小心开盒取出内着色后的赝复体，去除表面的石膏颗粒，用眼科剪、尖刀片等去除表面的硅橡胶小瘤，剪除边缘，成型。
所述的6)硅橡胶面部模型的着色是：在自然光线下保持室温在20℃-25℃之间，进行唇裂硅橡胶面部模型的外着色；(1)将未加交联剂的内着色A-2186基胶置于调色板上；(2)取内着色基胶，添加颜料和交联剂至基胶中，搅拌均匀及排除气泡，调制成照片中面部皮肤颜色相协调的外着色基胶；用画笔涂布基胶于硅橡胶面部表面，每次操作后用无色海绵吸去过多的色料，仅保留修复体表面薄层基胶；(3)放置3-8分钟后，进行亚光处理；(4)放置在恒温箱中，直至薄层外着色硅胶完全固化；(5)重复上述外着色操作，一般5～7次左右，直至修复体颜色与患儿照片皮肤颜色完全一致。
所述的着色基胶是A-2186。
本发明的优点是：由于通过如下步骤1)采集唇裂患儿面部三维原始数据；2)重建唇裂患儿面部数字化面部模型；3)将模型文件自动分层离散形成加工文件；4)自动加工唇裂患儿面部树脂件原型；5)翻制硅橡胶唇裂面部模型；6)硅橡胶面部模型的着色。能提供一种与3个月龄唇裂婴儿面部形态、肤色、质地等高度一致的个性化定制的面部仿真模型，仿真模型不仅为外科医师术前提供提供真实参考，使术中心中有数，同时也能为唇腭裂患者家长提供手术后面容美观效果。
此外，各种来自不同3个月龄唇裂婴儿面部形态也能为高仿真手术提供教学用具，为做手术打下专业基础。
具体实施方式
本发明的婴儿唇裂仿真面部模型制备方法步骤如下：
1)采集唇裂患儿面部三维原始数据：本发明采用3DSS-STD-II型结构光人体三维扫描系统(上海数造机电科技有限公司)实现患儿面部活体数据采集，设备其主要性能指标：单幅测量范围(mm)：400×300；单幅测量点数：130万；设计测量精度：0.03mm。操作前先打开3DSS-STD-II型结构光三维扫描系统，调整扫描仪高度、角度、位置，调整摄像头焦距、光圈，使获得的图像清晰亮度自然，调整系统参数如下：基距＝500mm；测量距离≈900mm；α≈30°。摄像头焦距＝16mm。调整3DSS摄像头的高度与焦距，固定患儿坐于摄像头前方约75cm处，并与摄像头等高，以黑色非反光幕布为背景。运用3DSS系统自带的扫描软件3DSS-color对患儿面部形态进行扫描，扫描得到的点云数据以.wrl格式保存。
2)重建唇裂患儿面部数字化面部模型：将扫描获取的患儿面部原始点云数据.wrl文件输Geomagic Studio 10逆向工程软件(美国Raindrop Geomagic公司)中，去除多余的杂点与坏点，得到完整的患儿面形点云数据。将点云数据通过逆向工程的方式封装、重构为三维面片模型，并对模型进行适当的修补及曲面优化，将其输出为.wrp格式文件进行保存。执行Geomagic Studio 10逆向工程软件中“抽壳(Shell)”命令赋予该模型厚度为5mm，以.stl格式存盘。
3)将模型文件自动分层离散形成加工文件：将.stl文件导入Magics RP软件中进行切片，根据AFS-360激光成型机(北京隆源自动成型系统有限公司)聚苯乙烯成型粉(PSB)材料加工要求，运行Magics RP软件(比利时Materialise公司)，打开machine setup命令，导入AFS-360型机器工作平台执行“Slice”切片命令进行切片，切片参数：z方向放大0.5％，切片层厚＝0.15mm，刀具补偿＝0.1。切片完成后自动以.cli格式存储。运行Arps2000 V4激光扫描路径与优化软件(北京隆源自动成型系统有限公司)，分别打开.cli文件，检验数据格式是否正确，检验数据正确后，输出.afi格式的RP机器代码文件。加工输出选项：扫描方向为X、Y方向交替、不扫描轮廓、路径优化原则为深度-广度混合原则；PSB成型粉加工输出选项：扫描方向为X、Y方向交替、扫描轮廓、路径优化原则为深度-广度混合原则。
4)自动加工唇裂患儿面部树脂件原型：在AFS-360激光成型机料缸中分别加入聚苯乙烯成型粉，打开AFS-360激光成型机，运行Afswin320自动成型系统控制软件(北京隆源自动成型系统有限公司)，输入婴儿唇裂面部模型的.afi文件，设置主要加工工艺参数：扫描半径(In)＝17.32；激光功率(百分比，％)：内部激光功率＝28，外部激光功率＝18，支撑功率＝14；温度曲线设置：预铺粉50层，温度115℃，加工温度119-100℃，加工后铺粉30层，温度100℃，最终温度50℃，温度误差2℃；温控表参数：OPL为9，OPH为65；激光光斑直径为0.3mm。打开各项开关开始加工，加工完成后，自然冷却至室温，拿出加工好的原型件，清除多余粉末，试件加工完成。将E1000环氧树脂双组分按比例充分混合，涂刷试件b使其充分浸透，静置4-6小时，40℃加热4-6小时使环氧树脂充分结固，获得最终的婴儿唇裂部树脂模型。
5)翻制硅橡胶唇裂面部模型：将唇裂树脂模型进行石膏包埋装盒、煮盒、冲蜡、涂分离剂等。采用A-2186(美国Factor II公司)赝复用硅橡胶作为该仿真面部模型最终材料，该材料质地、弹性等性能与人体面部软组织非常接近(邵氏强度(A)，25；拉伸强度(MPa)，5.6；扯断伸长率(％)，650；永久变形率(％)，4.2；撕裂强度(KN/m)，15.6)。按产品说明书，准确称取适量A-2186赝复用硅橡胶基胶。依据临床患儿面部照片，进行硅橡胶的内着色。选用油画类颜料中的黄、褐、白等色调少量多次的添加到A-2186硅橡胶的基胶中，直至与患儿面部肤色的基调色基本相似为止，内着色硅橡胶基胶的配置量要比修复体实际用量稍多一些，留出下一步赝复体外着色的使用量。得到适宜颜色的内着色硅橡胶基胶，备用。向内着色A-2186基胶添加交联剂，混合比例为基胶∶交联剂＝10∶1，混和并搅拌均匀，抽真空20min，用注射器注入牙科技工型盒，压盒，100℃水浴箱煮盒固化2小时。待其自然冷却后小心开盒取出内着色后的赝复体，去除表面的石膏颗粒，用眼科剪、尖刀片等去除表面的硅橡胶小瘤，剪除边缘。
6)硅橡胶面部模型的着色：保持室温为22.5℃，适当强度的自然光线，进行唇裂硅橡胶面部模型的外着色：(1)取少量未加交联剂的内着色A-2186基胶置于调色板上，注意减少调色板背景对操作者配色的干扰。(2)细致观察患儿临床照片面部的颜色特征，取适量内着色基胶，添加少量适宜的颜料和适量交联剂至基胶中，注意搅拌均匀及排除气泡，调制成照片中面部皮肤颜色相协调的外着色基胶。用专用画笔涂布基胶于硅橡胶面部表面，每次操作后用无色海绵吸去过多的色料，仅保留修复体表面薄层基胶。(3)放置数分钟后，进行亚光处理；(4)放置在恒温箱中，直至薄层外着色硅胶完全固化。(5)重复上述外着色操作，一般5～7次左右，直至修复体颜色与患儿照片皮肤颜色完全一致。
Claims (8)
1.一种婴儿唇裂面部仿真模型制备方法，其步骤如下：
1)采集唇裂患儿面部三维原始数据；
2)重建唇裂患儿面部数字化面部模型；
3)将模型文件自动分层离散形成加工文件；
4)自动加工唇裂患儿面部树脂件原型；
5)翻制硅橡胶唇裂面部模型；
6)硅橡胶面部模型的着色。
2.根据权利要求1所述的一种婴儿唇裂面部仿真模型制备方法，其特征是：所述的1)采集唇裂患儿面部三维原始数据是采用结构光人体三维扫描系统实现患儿面部活体数据采集，操作前先打开结构光三维扫描系统，调整扫描仪高度、角度、位置，调整摄像头焦距，光圈，使获得的图像清晰亮度自然，调整系统参数如下：基距＝500mm；测量距离≈900mm；α≈30°；摄像头焦距选择16mm；调整摄像头的高度与焦距，固定患儿坐于摄像头前方约75cm处，并与摄像头等高，以黑色非反光幕布为背景；运用3DSS系统自带的扫描软件3DSS-color对患儿面部形态进行扫描，扫描得到的点云数据以.wrl格式保存。
3.根据权利要求1所述的一种婴儿唇裂面部仿真模型制备方法，其特征是：所述的2)重建唇裂患儿面部数字化面部模型是将扫描获取的患儿面部原始点云数据.wrl文件输入Geomagic Studio 10逆向工程软件中，然后去除多余的杂点与坏点，得到完整的患儿面形点云数据；再将点云数据通过逆向工程的方式封装、重构为三维面片模型，并对模型进行修补及曲面优化，将其输出为.wrp格式文件进行保存；然后执行Geomagic Studio 10逆向工程软件中“抽壳(Shell)”命令赋予该模型厚度为5mm，以.stl格式存盘。
4.根据权利要求1所述的一种婴儿唇裂面部仿真模型制备方法，其特征是：所述的3)将模型文件自动分层离散形成加工文件是将.stl文件导入Magics RP软件中进行切片，根据激光成型机中聚苯乙烯成型粉(PSB)材料加工要求，运行Magics RP软件，打开machine setup命令，导入AFS-360型机器工作平台执行“Slice”切片命令进行切片，切片参数：z方向放大0.5％，切片层厚＝0.15mm，刀具补偿＝0.1；切片完成后自动以.cli格式存储；然后运行Arps2000 V4激光扫描路径与优化软件分别打开.cli文件，检验数据格式是否正确，检验数据正确后，输出.afi格式的RP机器代码文件；最后加工输出选项：扫描方向为X、Y方向交替、不扫描轮廓、路径优化原则为深度广度混合原则；PSB成型粉加工输出选项：扫描方向为X、Y方向交替、扫描轮廓、路径优化原则为深度广度混合原则。
5.根据权利要求1所述的一种婴儿唇裂面部仿真模型制备方法，其特征是：所述的4)自动加工唇裂患儿面部树脂件原型是：
A、在AFS-360激光成型机料缸中分别加入聚苯乙烯成型粉，打开AFS-360激光成型机，运行Afswin320自动成型系统控制软件，输入婴儿唇裂面部模型的.afi文件；
B、设置参数，打开开关开始加工，加工完成后，自然冷却至室温，拿出加工好的原型件，清除多余粉末，试件加工完成；
C、将E1000环氧树脂双组分按比例充分混合，涂刷试件b使其充分浸透，静置4-6小时，40℃加热4-6小时使环氧树脂充分结固，获得最终的婴儿唇裂面部树脂模型。
6.根据权利要求1所述的一种婴儿唇裂面部仿真模型制备方法，其特征是：所述的5)翻制硅橡胶唇裂面部模型包括如下步骤：
A、调拌牙科用超硬石膏，灌注入下半金属型盒；
B、将唇裂树脂模型包埋入下半型盒，待其自然结固干燥后，在模型表面涂布牙科分离剂，然后复位上半型盒，灌注满超硬石膏，待其自然结固；
C、将型盒整体置于100℃水浴箱内加热30分钟，取出并开盒，取出树脂模型，备用。
D、准确称取适量A-2186赝复用硅橡胶基胶，依据临床患儿面部照片，进行硅橡胶的内着色，直至与患儿面部肤色的基调色基本相似为止；
E、向内着色A-2186基胶添加交联剂，混合比例为基胶∶交联剂＝10∶1，混和并搅拌均匀，抽真空20min，用注射器注入牙科技工型盒，压盒，100℃水浴箱煮盒固化2小时；
F、待其自然冷却后小心开盒取出内着色后的赝复体，去除表面的石膏颗粒，用眼科剪、尖刀片等去除表面的硅橡胶小瘤，剪除边缘，成型。
7.根据权利要求1所述的一种婴儿唇裂面部仿真模型制备方法，其特征是：所述的6)硅橡胶面部模型的着色是：在自然光线下保持室温在20℃-25℃之间，进行唇裂硅橡胶面部模型的外着色；(1)将未加交联剂的内着色A-2186基胶置于调色板上；取内着色基胶，添加颜料和交联剂至基胶中，搅拌均匀及排除气泡，调制成照片中面部皮肤颜色相协调的外着色基胶；用画笔涂布基胶于硅橡胶面部表面，每次操作后用无色海绵吸去过多的色料，仅保留修复体表面薄层基胶；(3)放置3-8分钟后，进行亚光处理；(4)放置在恒温箱中，直至薄层外着色硅胶完全固化；(5)重复上述外着色操作，一般5～7次左右，直至修复体颜色与患儿照片皮肤颜色完全一致。
8.根据权利要求7所述的一种婴儿唇裂面部仿真模型制备方法，其特征是：所述的着色基胶是A-2186。
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