CN102568287A - 多模态仿生体模 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种应用于超声波或核磁共振检测的多模态仿生体模，包括组织器官体模、固定底座及流体控制系统，组织器官体模包括多个仿人体组织器官的体模单元，多个体模单元按照人体解剖结构的组织器官位置固定在符合人体解剖结构的所述固定底座上，组织器官体模及所述固定底座为非金属材料制作，组织器官体模由超声及核磁仿生材料构成，流体控制系统用于模拟控制人体的血液循环及呼吸运动。该多模态仿生体模集合了仿人体躯干部位多个主要组织器官的体模单元，结构简单，各体模单元采用解剖学上的位置关系固定在固定底座上，以达到真实模拟效果。
Description
【技术领域】
本发明涉及医疗设备领域，尤其涉及一种多模态仿生体模。
【背景技术】
由于超声具有适应面广、价格低廉、无辐射、快捷及无创等优点，超声诊断已经在国内外得到了广泛的应用。超声诊断是利用超声波在人体组织界面发生反射和散射信号的强弱差异来传递生物内部信息，从而达到诊断的目的。随着医学超声领域的不断发展，超声诊断的影像技术也发生了深刻的变革，产生了大量的成像新技术：彩色多普勒、介入超声、三维超声、宽频带超声等，而且超声不仅可以用于临床的诊断，还可以广泛应用于术中导航，辅助医生安全顺利的完成手术，如经皮肾穿微创碎石术等。
此外，在生物医学方面应用较多的还有MRI(Magnetic Resonance Imaging，原子核磁共振成像，简称核磁共振成像)。其原理是，将患者置于成像体内，通过向患者施加射频信号，靶区域氢原子核受到射频信号激励，发出微弱的射频信号，称为核磁共振信号，再通过施加适当梯度磁场，可有选择地获得磁共振信号，通过对信息进行处理获得各点的组织特性而对组织成像。磁共振图像具有极高的组织分辨能力，能较容易地区分正常组织和肿瘤组织，确定肿瘤组织的边界。另外，磁共振图像得到的是一定体积内的立体数据，可以对人体某个部位以至全身成像，因此可以用于病变部位的准确定位。
超声诊断或MRI成像是现今医学研究的重点，对种类繁多、功能复杂的超声或MRI成像的评价是其应用于临床的必经阶段，所以建立完善的体外评价体系尤为重要。
体模，即仿生物体组织器官模型的简称，包括仿组织器官的外形、颜色及生理特性，其主要用于临床医学试验模拟，此外，还可以用于教学试验。传统的临床医用的体模种类繁多，如用于超声诊断的体模，用于MRI成像的体模等。但传统的仿生体模多是单模态且针对人体不同组织器官的体模，并没有一种能够实现多模态且具有人体躯干部分符合人体解剖学的各个组织器官整体的仿生体模，因此，无论是在教学试验和科研上均造成不便。
【发明内容】
基于此，有必要提供一种使用方便的集合人体多个组织器官的多模态仿生体模。
一种应用于超声波或核磁共振检测的多模态仿生体模，包括组织器官体模、固定底座及流体控制系统，所述组织器官体模包括多个仿人体组织器官的体模单元，所述多个体模单元按照人体解剖结构的组织器官位置固定在符合人体解剖结构的所述固定底座上，所述组织器官体模及所述固定底座为非金属材料，所述组织器官体模由超声及核磁仿生材料构成，所述流体控制系统用于模拟控制人体的血液循环及呼吸运动。
优选的，所述多个体模单元包括由不同材料构成的肺部体模、心脏体模、肝脏体模、胃部体模、肾脏体模、膀胱体模、仿肠道、仿血管及位于所述仿血管内的仿血液液体，所述仿血管贯穿所述肺部体模、心脏体模、肝脏体模、胃部体模、肾脏体模及膀胱体模。
优选的，所述肺部体模为采用硅胶仿生材料的满足肺部解剖学结构的气囊；所述心脏体模为硅胶仿生材料与硫化剂制成的符合心脏解剖学的腔体结构，包括左心房空腔、右心房空腔、左心室空腔及右心室空腔。
优选的，构成所述肝脏体模、胃部体模、肾脏体模及膀胱体模的材料为80％～90％蒸馏水、3％～5％琼脂糖、3％～5％甘油、2％～7％碳化硅金属颗粒及3％～5％活性炭所组成的混合物，所述胃部体模、肾脏体模及膀胱体模中设有空腔。
优选的，所述仿血液液体为水、尼龙粉、右旋糖酐及表面活性剂的混合物；所述仿血管及所述仿肠道为具有不同内径的仿生硅胶软管，所述仿血管包括贯穿所述肺部体模、心脏体模、肝脏体模、胃部体模、肾脏体模及膀胱体模的仿主动脉和仿主静脉。
优选的，所述流体控制系统包括液体控制系统和气体控制系统，所述液体控制系统用于模拟控制血液循环，所述气体控制系统用于模拟控制呼吸运动。
优选的，所述液体控制系统包括心脏跳动控制单元、蠕动泵及液体流量测量装置，所述心脏跳动控制单元、所述蠕动泵、所述仿血管及所述心脏体模构成闭环的血液循环系统，所述心脏跳动控制单元通过控制心脏体模的跳动控制血液的流动来模拟控制血液循环；所述液体流量测量装置包括两个分别用于检测仿主动脉和仿主静脉中血液流量信息的流量计。
优选的，所述气体控制系统包括气泵、电磁阀及频率控制单元，所述气泵、电磁阀及所述频率控制单元与所述肺部体模相连用于模拟控制人体呼吸运动。
优选的，多个所述体模单元还包括骨骼体模及仿脂肪肌肉组织；所述骨骼体模为羟基磷灰石材质或羟基磷灰石胶原复合材质；所述仿脂肪肌肉组织为多元醇、聚异氰酸酯及有机溶胶胀性基质按摩尔比120～150∶40～60∶160～200的混合反应物。
优选的，所述组织器官体模上设有用于连接所述流体控制系统的接头。
优选的，所述固定底座为可拆卸式结构。
优选的，所述固定底座内设有用于消声的吸声内衬，所述的吸声内衬为室温硫化硅橡胶、固化剂、蛭石粉及石英砂的混合物。
该多模态仿生体模集合了仿人体躯干部位多个主要组织器官的体模单元，结构简单，各体模单元采用解剖学上的位置关系固定在固定底座上，以达到真实模拟效果。同时，仿生体模中设有流体控制系统，可以模拟人体血液循环或呼吸运动，还能灵活的通过流体控制系统向体模单元中注入液体，观察体模单元的模拟生理反应，并结合相应的检测成像设备进行扫描成像，目的性、对比性更强。该多模态仿生体模能够同时进行超声和MRI成像，真实模拟人体组织器官的成像特点，可以广泛应用于教学、医学实验等领域，使用方便快捷。
【附图说明】
图1为一较优实施例的多模态仿生体模示意图；
图2为图1实施例的肝脏体模的超声成像图；
图3为图1实施例的肝脏中仿血管的MRI成像图；
图4为图1中液体控制系统示意图；
图5为图1中气体控制系统示意图。
【具体实施方式】
下面主要结合附图及具体实施例对多模态仿生体模作进一步详细的说明。该仿生体模应用于超声波或核磁共振检测，用于模拟人体组织器官的声学及磁场特性。
如图1所示，一实施例的多模态仿生体模100包括：组织器官体模110、固定底座120及流体控制系统130。其中，组织器官体模110包括多个仿人体组织器官的体模单元(图中只示出部分)。多个体模单元按照人体解剖结构固定在固定底座120的相应位置上。组织器官体模110及固定底座120为非金属材料制作，且组织器官体模110由符合人体超声及核磁成像特性的超声及核磁仿生材料构成。流体控制系统130用于模拟并控制人体的血液循环及呼吸运动。
其中，超声仿生材料要求：
声速：(1540±15)m/s(23±3)℃
声衰减：(0.7±0.05)dB/cm/MHz(23±3)℃；
仿生组织器官采用材料由声衰减系数小，声阻抗特性与人体组织对接近的材料构成，如：聚乙烯、琼脂糖、明胶等。为了模拟人体组织对超声的散射，还可以加入碳化硅等材料。
对于MRI仿生材料中不能含有磁性材料，如铁等金属材料，但是可以包含超顺磁性材料或者磁性兼容材料，如碳化硅，超顺磁性的三氧化铁粒子，而且人体组织器官都含有水，且核磁成像信号来源于对氢原子的激发，因此仿生材料可以通过加入蒸馏水来模拟人体组织器官。
本实施例的多个仿人体组织器官的体模单元具体包括肺部体模(图未示)、心脏体模(图未示)、肝脏体模(图未示)、胃部体模(图未示)、肾脏体模(图未示)、膀胱体模(图未示)、仿血管112、仿肠道(图未示)及仿血液液体(图未示)。图2和图3所示为肝脏体模的超声成像图及肝脏体模中仿血管112的MRI成像图，从图中可以看出，该仿组织器官体模可以达到真实模拟人体组织器官的效果。
此外，针对具体的使用需求，还可以添加其它体模单元，例如，胰腺体模(图未示)、生殖系统体模(图未示)等。
肺部体模主要用于模拟人体的呼吸运动。肺部体模可以采用硅胶仿生材料材料制成大致符合人体肺部解剖结构的气囊形状，能够进行冲气或放气，进而模拟人体的呼吸系统。
心脏体模可以采用硅胶仿生材料与硫化剂制作成模拟人体心脏的腔体结构，包括左心房空腔、右心房空腔、左心室空腔及右心室空腔四个腔体。四个腔体中注入有仿血液液体。仿血液液体为水、甘油、尼龙粉、右旋糖酐及表面活性剂的混合物。
肝脏体模、胃部体模、肾脏体模及膀胱体模的外形大致符合人体解剖结构形貌，具体是按照人体生理参数配比的80％～90％蒸馏水、3％～5％琼脂糖、3％～5％甘油、2％～7％碳化硅金属颗粒及3％～5％活性炭的不同比例混合物，从而可以从外形及不同检测设备的检测成像图上加以区分，模拟人体的超声及磁场特性。胃部体模、肾脏体模及膀胱体模中设有空腔，便于向其中加入其他物体来模拟人体生理反应，如为模拟病变组织的特性，向胃部体模、肾脏体模及膀胱体模中加入硅胶物质等。
仿血管及仿肠道可以选用不同内径的医用的仿生硅胶软管制成。其中，仿血管包括贯穿肺部体模、心脏体模、肝脏体模、胃部体模、肾脏体模及膀胱体模的仿主动脉和仿主静脉。仿血管与心脏体模配合仿血液液体构成多模态仿生体模100的血液循环系统，用于模拟人体的血液循环。
多个所述体模单元还包括骨骼体模、仿脂肪肌肉组织114。仿脂肪肌肉组织114覆盖在固定底座120表面。
骨骼体模可以选用市售的骨骼材料制成，如羟基磷灰石材质或羟基磷灰石胶原复合材质等。
仿脂肪肌肉组织114为多元醇、聚异氰酸酯、有机溶胶胀性基质的混合反应物。
本实施例的体模单元均采用非金属材质制作，可以同时适用于超声及MRI成像，相比较传统的仿人体体模只能适用于单一成像检测系统，本实施例的多模态仿生体模100使用更方便，可以用于模拟人体血流状态、心脏跳动、肺部呼吸运动及组织器官的超声特性和磁场特性，在不同模态下都能获得清晰的图片，给教学实验和科研工作带来很多的便利，而且制作简单，同时大大降低了成本。
本实施例的流体控制系统130包括液体控制系统132和气体控制系统134。液体控制系统132用于模拟控制血液循环。气体控制系统134用于模拟控制呼吸运动。
如图4所示，液体控制系统132包括心脏跳动控制单元322、蠕动泵324及液体流量测量装置326。心脏跳动控制单元322、蠕动泵324、仿血管及心脏体模构成闭环的血液循环系统。心脏跳动控制单元322通过控制心脏体模的跳动来控制血液的流动从而模拟控制血液循环。液体流量测量装置326包括两个分别用于检测仿主动脉和仿主静脉中血液流量信息的流量计。
如图5所示，气体控制系统134包括气泵342、电磁阀344及频率控制单元346。气泵342、电磁阀344及频率控制单元346与肺部体模相连用于模拟控制呼吸运动。
此外，为便于流体控制系统130的连接，相应的体模单元上设有长度约5cm的接头部分。为便于体模单元的固定及拆卸，本实施例的固定底座120为仿人体解剖学形状的可拆卸式结构，从而相应体模单元的摆放更直观，拆卸更方便。为避免在设备成像过程中产生噪音影响成像结果，本实施例的固定底座120内进一步设有用于消声的吸声内衬140。吸声内衬140由室温硫化硅橡胶、固化剂、蛭石粉及石英砂等混合而成。
该多模态仿生体模100集合了仿人体躯干部位多个主要组织器官的体模单元，结构简单，各体模单元采用解剖学上的位置关系固定在固定底座120上，便于观察检测。同时，多模态仿生体模100中设有流体控制系统130，可以模拟控制多模态仿生体模100的血液循环或呼吸运动，还能灵活的通过流体控制系统130向体模单元中注入液体，观察体模单元的模拟生理反应，并结合相应的检测成像设备进行扫描成像，目的性、对比性更强。
上述多模态仿生体模100的具体构建过程包括如下步骤：
步骤S1：采用上述相应的材料制作不同的仿组织器官的体模单元及仿人体结构的固定底座120，其形状符合人体解剖结构。
其中，制作仿脂肪肌肉组织114，可以根据表1中相应的物质及份数，首先将作为有机溶胶胀性基质用的碳酸丙烯酯、催化剂用的月桂酸二丁基锡与多元醇混合，得到液体混合物；然后将液体混合物与聚异氰酸酯混合，并注入模具中，在45-60℃下反应6-12小时。
表1
步骤S2：将不同的体模单元按照人体解剖结构要求固定在固定底座120内。
其中，相应的体模单元上设有长度为5cm左右的接头部分用于流体控制系统的连接。
步骤S3：安装连接流体控制系统130。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (12)
1.一种应用于超声波或核磁共振检测的多模态仿生体模，其特征在于，包括组织器官体模、固定底座及流体控制系统，所述组织器官体模包括多个仿人体组织器官的体模单元，所述多个体模单元按照人体解剖结构的组织器官位置固定在符合人体解剖结构的所述固定底座上，所述组织器官体模及所述固定底座为非金属材料制作，所述组织器官体模由超声及核磁仿生材料构成，所述流体控制系统用于模拟控制人体的血液循环及呼吸运动。
2.如权利要求1所述的多模态仿生体模，其特征在于，所述多个体模单元包括由不同材料构成的肺部体模、心脏体模、肝脏体模、胃部体模、肾脏体模、膀胱体模、仿肠道、仿血管及位于所述仿血管内的仿血液液体，所述仿血管贯穿所述肺部体模、心脏体模、肝脏体模、胃部体模、肾脏体模及膀胱体模。
3.如权利要求2所述的多模态仿生体模，其特征在于，所述肺部体模为采用硅胶仿生材料的满足肺部解剖学结构的气囊；所述心脏体模为硅胶仿生材料与硫化剂制成的符合心脏解剖学的腔体结构，包括左心房空腔、右心房空腔、左心室空腔及右心室空腔。
4.如权利要求2所述的多模态仿生体模，其特征在于，构成所述肝脏体模、胃部体模、肾脏体模及膀胱体模的材料为80％～90％蒸馏水、3％～5％琼脂糖、3％～5％甘油、2％～7％碳化硅金属颗粒及3％～5％活性炭所组成的混合物，所述胃部体模、肾脏体模及膀胱体模中设有空腔。
5.如权利要求2所述的多模态仿生体模，其特征在于，所述仿血液液体为水、尼龙粉、右旋糖酐及表面活性剂的混合物；所述仿血管及所述仿肠道为具有不同内径的仿生硅胶软管，所述仿血管包括贯穿所述肺部体模、心脏体模、肝脏体模、胃部体模、肾脏体模及膀胱体模的仿主动脉和仿主静脉。
6.如权利要求2所述的多模态仿生体模，其特征在于，所述流体控制系统包括液体控制系统和气体控制系统，所述液体控制系统用于模拟控制血液循环，所述气体控制系统用于模拟控制呼吸运动。
7.如权利要求6所述的多模态仿生体模，其特征在于，所述液体控制系统包括心脏跳动控制单元、蠕动泵及液体流量测量装置，所述心脏跳动控制单元、所述蠕动泵、所述仿血管及所述心脏体模构成闭环的血液循环系统，所述心脏跳动控制单元通过控制心脏体模的跳动控制血液的流动来模拟控制血液循环；所述液体流量测量装置包括两个分别用于检测仿主动脉和仿主静脉中血液流量信息的流量计。
8.如权利要求6所述的多模态仿生体模，其特征在于，所述气体控制系统包括气泵、电磁阀及频率控制单元，所述气泵、电磁阀及所述频率控制单元与所述肺部体模相连用于模拟控制人体呼吸运动。
9.如权利要求2所述的多模态仿生体模，其特征在于，多个所述体模单元还包括骨骼体模及仿脂肪肌肉组织；所述骨骼体模为羟基磷灰石材质或羟基磷灰石胶原复合材质；所述仿脂肪肌肉组织为多元醇、聚异氰酸酯及有机溶胶胀性基质按摩尔比120～150∶40～60∶160～200的混合反应物。
10.如权利要求1所述的多模态仿生体模，其特征在于，所述组织器官体模上设有用于连接所述流体控制系统的接头。
11.如权利要求1所述的多模态仿生体模，其特征在于，所述固定底座为可拆卸式结构。
12.如权利要求1所述的多模态仿生体模，其特征在于，所述固定底座内设有用于消声的吸声内衬，所述的吸声内衬为室温硫化硅橡胶、固化剂、蛭石粉及石英砂的混合物。
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