CN103871305B - 人体解剖学管道模型及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种人体解剖学管道模型及其制作方法，制作方法包括：采集动物体或人体组织或器官的原始图像数据；分析原始图像数据，获得管道结构与相关组织的三维模型；利用模具软件设计外部结构阴模及与管道结构的连接结构；将管道结构、外部结构阴模以及连接结构的三维模型三维打印实体模型，装配模具；透明材料铸模；待凝固后，去除阴模及连接结构，对模型进行除气泡处理；即可。本发明所述制作方法准确快速、成本低，不受人体标本原料匮乏的影响，避免了对尸体进行处理的伦理道德问题，也解决了快速成型模型易退色，易折断等难于保存的问题，还直观地显示了内部管道与外部结构的相对位置，大大扩展了管道模型的广泛传播及教学实验的应用。
Description
技术领域
本发明涉及医疗模型的制作领域，尤其涉及一种供解剖分析的内部管道与外周组织兼备的新型管道模型及其制作方法。
背景技术
动物体（包括人体）内有各种不同的管道，具有不同的功能。比如人体的动脉、静脉、消化管、气管等结构，它们交错分布、十分复杂。为更好地研究器官内管道分支的分布范围和吻合情况，人们发展了解剖学铸型标本技术。它是将高分子化合物填充剂用注射器灌注到管道(血管，消化管或气管等)内，待灌注剂硬化后，再用强酸或强碱将动物组织腐蚀，从而制作管道铸型标本。管道铸型标本能够全面、真实地反映器官内管道立体构筑形式，有助于人们了解动物体（包括人体）各种复杂的解剖学结构。但上述铸型标本技术有很多局限性，特别是在制作人体解剖学标本时限制就更多。首先，每制作一具铸型标本就需要一个真实的人体标本，此技术对标本的需求很大。其次，这些铸型标本由于各种管道交错，结构复杂，无法利用工业上常用的翻模技术来复制此标本，导致制造成本大。另外，由于每一具铸型标本都是由真实人体标本获得的，基于伦理学考虑，这些铸型标本不能作为商品交流和高校普及教学之用。同时，由于技术限制，所有的铸型标本的管道外都没有外周组织包裹，无法显示管道与外周组织的相对位置关系。以上局限限制了铸型标本的广泛传播及应用。
2011年2月2日国知局公开了“一种人体解剖学铸型标本模型的制作方法”（公开号为：CN101964155A）发明专利，该专利所披露的技术方案利用医学图像三维重建技术，提取分析各种人体管道结构，并利用快速成型设备三维打印出铸型标本模型。此方案制作的铸型标本存在一些不足之处，一是应用该技术获得的铸型标本易退色，细支结构易发生断裂，使该铸型标本难于完好保存。二是该铸型标本同样也没有外周组织包裹，无法显示管道结构与外周组织的解剖位置关系。
发明内容
基于此，本发明的目的在于提供一种人体解剖学管道模型及其制作方法。
解决上述技术问题的具体技术方案如下：
一种人体解剖学管道模型的制作方法，包括如下步骤：
(1)采集动物体或人体的不同组织或器官的原始图像数据；
(2)分析步骤(1)所获得的原始图像数据，提取组织或器官的外部结构数据和内部管道的结构数据，进行图像处理，获得组织或器官外部结构和内部管道结构的三维模型；
(3)将步骤(2)获得组织或器官的外部结构的三维结构导入模具设计软件中，设计组织或器官的外部结构的阴模三维模型，及阴模与内部管道结构的连接结构三维模型；
(4)将步骤(2)所获得的内部管道结构、步骤(3)所获得的阴模、及阴模与内部管道结构间的连接结构的三维模型导入快速成型设备中，三维打印出内部管道结构、阴模、及阴模与内部管道结构间的连接结构实体模型；
(5)根据动物体或人体的不同组织或器官的实际形态，将步骤(3)所获得的实体模型组装起来，形成模具；确保管道结构及外部结构的相对位置的准确性；
(6)将纯净果冻蜡以7-8℃/min加热至90-100℃，待其完全融化后，以9-11℃/min冷却至43-50℃，沿玻璃杆以6-7ml/s的速度注入步骤(5)所制得的模具中；
(7)除去模具中的阴模、及阴模与内部管道结构间的连接结构，随后将模型置于32-34℃的密闭容器内以抽真空6-7h，即可。
在其中一些实施例中，步骤(6)中所述速度为6.5ml/s。
在其中一些实施例中，步骤(7)中所述抽真空的压强为0.15-0.2MPa。
在其中一些实施例中，步骤(1)具体为：通过CT机扫描、MRI设备、X射线机或三维激光扫描设备采集动物体或人体不同组织或器官的形状、大小、外部结构、内部管道结构的数字图像数据。
在其中一些实施例中，步骤(2)具体包括：将原始图像数据导入三维重建软件进行三维重建，对采集的原始图像数据进行图像分割，提取动物或人体的组织或器官的内管道结构及外部结构图像，并对所述的管道结构及外部结构进行三维重建，获得所述管道结构和外部结构的三维模型；
将所述组织或器官的外部结构和内部结构的三维模型导入图像处理软件中进行相应图像处理，具体的，对采集的图像数据进行图像配准、分割、标记，比如对采集到的器官图像，通过图像配准、分割及标记等，提取管道结构及外部结构的图像，并进行三维重建，获得所述管道结构与外部结构的三维模型；将所述人体铸型标本的三维模型导入图像处理软件3-Matic中进行相应图像处理，处理过程包括表面平滑、减少三角面片、缺损修补、明暗对比处理，并设计好各种管道结构的颜色及缩放比例，使所述人体铸型标本的三维模型更加逼真。
在其中一些实施例中，步骤(3)中具体为：将组织或器官的外部结构的三维模型导入模具设计软件Unigraphics中，利用倒模技术制作组织或器官的外部结构的阴模，为便于分模，依据外部结构的形状将阴模分为多个分阴模，设计注模的流入口和流出口、及所述多个分阴模之间的连接结构、外部结构与管道结构的连接结构。
在其中一些实施例中，所述内部管道包括动脉、静脉、气管、支气管、淋巴管、肝管或胰管中的一种或多种；所述外部结构为组织或器官的外周组织。
根据上述制作方法制得的人体解剖学管道模型。
本发明所述人体解剖学管道模型的制作原理：
在试验中，我们发现如果果冻蜡的加热温度超过100℃，或加热速度过快，果冻蜡在融熔时会产生白烟，这是由于果冻蜡局部温度超过其熔点而产生局部燃烧现象，这样不仅影响果冻蜡的品相，也带来一定的安全隐患。我们还发现，如果熔融后的果冻蜡冷却温度低于43℃时，或冷却速度过快，会发生局部凝结，而影响后续的灌注效果。
另外，由于在灌注过程中不可避免地会产生气泡，试验中发现：若在灌注前进行预抽真空处理，则易破坏模型的内部管道；若抽真空的温度高于34℃，则果冻蜡铸模会变软，且在抽真空的环境下，果冻蜡铸模易于变形；若抽真空的压力过大，也易造成模型内部管道的破坏；压力过小，则难以有效的去除气泡；而这些因素都会影响铸模的准确度和精确度。基于此，在确保模型的准确性和精确性的前提下，为完全消除模型中的气泡，经发明人大量的实验和研究，得出铸模条件：将模型置于32-34℃的密闭容器内，在0.15-0.2MPa条件下抽真空6-7h，即可。
本发明所述人体解剖学管道模型及其制作方法具有以下优点和有益效果：
（1）本发明经发明人大量的实验和研究，得出人体解剖学管道模型的制作方法，并确定了灌注的最优材料及其灌注过程的最优参数，该方法快速准确、成本低，可进行大规模批量生产，不受人体标本原料匮乏的影响，并避免了对尸体进行处理的伦理道德问题，极大拓展了管道模型的广泛传播及教学实验的应用；同时也解决了快速成型模型易退色，细支易折断等难于保存的问题。
（2）本发明所制得的管道模型直观地显示了内部管道与外部结构相对位置，且其结构完整、位置准确、内部无泡、可视性好。
附图说明
图1为实施例1中人体解剖学管道模型的制作方法流程图；
图2为实施例1步骤（2）中的三维模型；
图3为实施例1步骤（4）中的管道结构和分阴模的实体模型；
图4为实施例1步骤（5）的模具；
图5为实施例1制得的模型。
具体实施方式
本发明所述管道包括动脉、静脉、气管、支气管、淋巴管、肝管、胰管结构中一种或多种管道。
本发明是提供一种人体解剖学新型管道铸型标本模型的制作方法，利用医学图像三维重建技术，提取分析标本中的各种管道结构及外周组织结构，利用模具设计软件设计标本的外周组织结构的阴模，并利用快速成型设备三维打印管道结构、外周组织结构的阴模以及两者之间的连接结构，并利用模具技术，采用透明材料注模，脱模后即形成新型管道模型，此新型管道模型不仅具有内部管道结构，同时还具有外部软组织结构。
以下将结合具体实施例对本发明做进一步说明。
实施例1肝管道模型及其的制作方法
一种肝管道模型的制作方法，包括如下步骤（具体工艺流程图参见图1）：
（1）对管道灌注的人体肝脏进行CT扫描，采集肝脏结构的断层图像数据；
（2）将步骤（1）所得的肝脏管道铸型标本的连续断层图像数据导入三维重建软件Mimics中，进行图像配准、分割及标记，提取肝实质（即肝的外部结构）、肝动脉、肝静脉、门静脉及胆道系统等的图像，并进行三维重建，获得三维模型（参见图2）；
（3）将上述所获得肝实质的三维模型导入模具设计软件Unigraphics中，利用倒模技术制作肝实质的阴模，并根据肝实质的外周结构（即外形）将阴模分为多个分阴模以便于分模；设计注模用的流入口及流出口；设计多个分阴模之间、以及阴模与管道结构的连接结构；所述连接结构主要用于固定管道结构，及确保外部结构和管道结构相对位置的准确度；
（4）将上述获得的肝静脉、门静脉等管道结构、肝实质的分阴模及连接结构的三维模型导入快速成型设备中，三维打印出上述管道结构（参见图3左图枝状结构）、分阴模（参见图3白色部分）及连接结构的实体模型；
（5）根据肝脏实际的形态，将上述肝动脉、肝静脉、门静脉及胆道系统等管道结构、肝实质的分阴模及相关连接结构的实体模型组装起来，形成模具（参见图4），确保管道结构与肝实质相对位置的准确性，并在模具内表面均匀涂上脱模剂；
（6）将果冻蜡以7-8℃/min加热至90-100℃，待其完全融化后，以9-11℃/min冷却至43-50℃，沿玻璃杆以6-7ml/s的速度注入步骤（5）所制得的模具中；
（7）待果冻蜡凝固后，去除肝实质的阴模及连接结构，然后将模型置于32-34℃的密闭容器内抽真空6-7h以去除气泡；抽真空的压力为0.15-0.2MPa。即制作成外部肝组织与内部管道兼备的新型肝铸模（参见图5）。
该模型分别红色表示肝动脉，浅蓝色代表门静脉结构，深蓝色代表肝静脉结构，黄色代表胆道系统，外面包裹的透明的果冻蜡代表肝实质。这样模型既具有内部管道组织，又具有外部软组织，可更清楚直观地了解肝内管道的立体结构，方便医学教学、科研及临床应用。
实施例2肝管道模型的制作方法
一种肝管道模型的制作方法，其具体操作方法与实施例1基本相同，区别在于：步骤（6）中：将果冻蜡以7℃/min加热至90℃缓慢融化，待完全融化后，置于容器中，以9-10℃/min冷却至43℃，沿玻璃杆以6.5ml/s的速度缓慢注入模具的组织或器官的外部结构和内部管道结构间的空腔内，后置于32℃密闭容器内，于压力为0.15MPa抽真空4.5h除去气泡。
实施例3肺管道模型的制作方法
一种肺管道模型的制作方法，其具体操作方法与实施例1基本相同，区别在于：步骤（6）中：将果冻蜡以7-8℃/min加热至100℃缓慢融化，待完全融化后，置于容器中，以10-11℃/min冷却至50℃，沿玻璃杆以6.5ml/s的速度缓慢注入模具的组织或器官的外部结构和内部管道结构间的空腔内，后置于34℃密闭容器内，于压力为0.2MPa抽真空5.5h除去气泡。
实施例4肺管道模型的制作方法
肺管道模型的制作方法，包括如下步骤：
（1）对管道灌注的肺标本进行CT扫描或三维激光扫描，获得肺部铸型标本的断层图像数据；
（2）将步骤（1）所得的肺部铸型标本的连续断层数据导入三维重建软件Mimics中，综合三维重建软件自带的“阈值分割”、“区域增长”等功能项，对断层图像数据进行图像分割，人工判断调整提取肺动脉、肺静脉及气管等结构的二维图像，并对此进行三维重建，获得肺部各种管道结构及肺组织（即肺的外部结构）的三维计算机模型；
（3）将上述所获得肺组织的三维模型导入模具设计软件设计Unigraphics中，利用倒模技术制作肺组织的阴模，设计注模用的流入口及流出口，并设计与多种管道结构的连接结构；
（4）将上述肺动脉、肺静脉、及气管支气管等管道结构、肺组织阴模及相关连接结构的三维模型导入快速成型设备中，三维打印出上述结构的实体模型；
（5）将肺动脉、肺静脉、及气管支气管等管道结构、肺组织阴模及相关连接结构的实体模型组装起来，形成模具，确保管道结构与肺组织相对位置的准确性，在模具内表面均匀涂上脱模剂；
（6）将果冻蜡以7-8℃/min加热至90-100℃，待其完全融化后，以9-11℃/min冷却至43-50℃，沿玻璃杆以约6.5ml/s的速度注入步骤（5）所制得的模具中；
（7）待果冻蜡凝固后，去除肝实质的阴模及连接结构，然后将模型置于32-34℃的密闭容器内，于压力为0.18MPa抽真空6-7h以去除气泡。即制作成外部肺组织与内部管道兼备的新型肺铸模。
制作成的新型管道模型，分别用红色表示肺静脉、蓝色肺动脉，白色代表气管支气管结构，这样模型既具有内部管道组织，又具有外部肺组织，可更清楚直观地了解肺的立体结构，方便医学教学、科研及临床应用。
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 (7)
1.一种人体解剖学管道模型的制作方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)获取动物体或人体不同的组织或器官管道的原始图像数据；
(2)分析步骤(1)所获得的原始图像数据，提取组织或器官的外部结构数据和内部管道的结构数据，进行图像处理，获得组织或器官的外部结构和内部管道结构的三维模型；
(3)将步骤(2)获得组织或器官的外部结构的三维模型导入模具设计软件中，设计组织或器官的外部结构的阴模三维模型，及阴模与内部管道结构间的连接结构的三维模型；
(4)将步骤(2)所获得的内部管道结构、步骤(3)所获得的阴模、及阴模与内部管道结构间的连接结构的三维模型导入快速成型设备中，三维打印出内部管道结构、阴模、及阴模与内部管道结构间的连接结构实体模型；
(5)根据动物体或人体的不同组织或器官的实际形态，将步骤(4)所获得的实体模型组装起来，形成模具；
(6)将果冻蜡以7-8℃/min加热至90-100℃，待其完全融化后，以9-11℃/min冷却至43-50℃，沿玻璃杆以6-7ml/s的速度注入步骤(5)所制得的模具中；
(7)待果冻蜡凝固后，除去模具中的阴模、及阴模与内部管道结构间的连接结构，随后将模型置于32-34℃的密闭容器内抽真空6-7h，即可。
2.根据权利要求1所述的人体解剖学管道模型的制作方法，其特征在于，步骤(6)中所述速度为6.5ml/s。
3.根据权利要求1所述的人体解剖学管道模型的制作方法，其特征在于，步骤(7)中所述抽真空的压强为0.15-0.2MPa。
4.根据权利要求1-3任一项所述的人体解剖学管道模型的制作方法，其特征在于，步骤(1)具体为：通过CT机扫描、MRI设备、X射线机或三维激光扫描设备采集动物体或人体不同组织或器官的形状、大小、外部结构、内部管道的数字图像数据。
5.根据权利要求1-3任一项所述的人体解剖学管道模型的制作方法，其特征在于，步骤(3)具体为：将组织或器官的外部结构的三维模型导入模具设计软件中，利用倒模技术制作组织或器官的外部结构的阴模，并分为多个分阴模，设计注模的流入口和流出口、及所述多个分阴模之间的连接结构、外部结构与管道结构的连接结构。
6.根据权利要求1-3任一项所述的人体解剖学管道模型的制作方法，其特征在于，所述内部管道包括动脉、静脉、气管、支气管、淋巴管、肝管或胰管中的一种或多种。
7.一种如权利要求1-6任一项所述方法制得的人体解剖学管道模型。
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