CN104658396B - 一种基于辐射检测的仿真人体骨架的制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于辐射检测的仿真人体骨架的制作方法，用尸体标本获得人体的骨组织、骨架和外部整体形态的尺寸，得标本或等效材料的实体模型；用新鲜尸体获得人体三维虚拟化数字模型；将实体模型和虚拟化的数字模型相互补充优化后，实现3D打印，打印成组织等效的物理实体模型，或者用反转成型的阴模制作实体物理模型；骨材料包括热塑性/热固性树脂和高磷高钙复配粉末，所述高磷高钙复配粉末通过磷灰石和碳酸钙复配而得；制得的骨组织采用软骨等效材料的胶浆进行粘接，形成局部部件；局部部件进行活动连接或固定化连接，形成整体人体骨架。本发明能满足高磷高钙的辐射吸收特性，实现了骨皮质、骨松质和红骨髓的非均匀结构和镶嵌结构。
Description
技术领域
本发明属于医学、材料学、制造学和控制技术相结合的理工医交叉领域，涉及仿真人体骨架的制作方法，具体涉及一种基于辐射检测的仿真人体骨架的制作方法。
背景技术
骨骼具有整体支撑功能、对脏器的保护功能和体模肢带的连接功能，骨骼的重量为机体全身总重量的14.2%。人体骨架模型是仿真人体骨骼结构大小的、关节相连的模型，是基础解剖教学的直观教具；人们可以通过模型，正确地认识骨骼结构，并进行病理学和康复学的研究。
然而传统的人体骨架模型在制备工艺上存在着一些不足之处，限制了人体骨架模型的实际应用面；其不足之处具体说来，有以下几点：
1、传统的医用骨架模型多采用石膏加尿醛树脂为原料进行制作，采用这种原料制备出的骨架模型虽具有一定的机械强度，但不能满足辐射模型材料高磷高钙含量的组成要求，因此不能满足高磷高钙微观的辐射吸收特性；
2、传统的骨架模型不能解决骨皮质、骨松质和红骨髓的非均匀结构及镶嵌结构，不能实现质量密度和电子密度的差异；
3、传统的骨架模型不能解决骨组织的相互连接和各支架的相互连接；
4、无完整方法对传统骨架模型进行骨形态检查、质量密度检查、电子密度检查和内部结构的检查；
5、传统的骨架模型技术路线和制作方法都不能实现标准化、系列化和商品化生产，无法进行产业化连续生产。
发明内容
针对现有技术存在的上述不足，本发明的目的是提供一种采用高磷高钙材料、根据人体不同骨组织中钙含量和质量密度的差异进行骨材料的设计、实现非均匀结构和镶嵌结构的基于辐射检测的仿真人体骨架的制作方法。
实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种基于辐射检测的仿真人体骨架的制作方法，包括如下步骤：用尸体标本获得人体的骨组织、骨架和外部整体形态的尺寸，得到标本或等效材料的实体模型；用新鲜尸体获得人体三维虚拟化数字模型；将实体模型和虚拟化的数字模型相互补充优化后，实现3D打印，进行三维的微粒堆积，打印成组织等效的物理实体模型，或者用反转成型的阴模制作实体物理模型；
其中，所述骨架的骨材料包括热塑性/热固性树脂和高磷高钙复配粉末；所述高磷高钙复配粉末通过磷灰石和碳酸钙以3:1的质量比复配而得；所述高磷高钙复配粉末占骨材料总质量的10~50%，其他为热塑性/热固性树脂；将上述骨材料制成骨组织原浆，加压注塑，中温交联，固化开模，制得骨组织；所述骨组织的骨皮质和骨松质采用包裹固化成型法制备，红骨髓采用双组份注塑成型法制备；
制得的骨组织采用软骨等效材料的胶浆，进行粘接，形成局部部件；局部部件进行活动连接或固定化连接，形成整体人体骨架；所述胶浆包括异氰酸酯与交联剂部分聚合成的未固化液体材料。
相比现有技术，本发明具有如下有益效果：
1、本发明应用“准元素等效法”（材料的C、H、O、N、S、P与人体组织百分含量相近）和“元素替代法”（按轻元素的原子参数，进行有机元素之间等效替换）进行骨材料设计，设计了不同百分含量的高磷高钙骨组织原浆，进而实现了不同的骨组织部分质量密度和电子密度不同的技术问题，形成了骨皮质、骨松质和红骨髓的非均匀结构和镶嵌结构。
2、本发明骨架采用软骨等效材料的胶浆进行局部粘结，再进行活动连接或固定化连接，形成骨架整体，可实现活动关节的限位、阻尼和锁紧功能。
3、本发明仿真人体骨架经过AM电光子能谱试验、X射线双光子能谱试验和影像检查试验，证明本发明仿真人体骨架与人体相似，上下连续，左右对称，在局部区域可显示骨皮质、骨松质和红骨髓的非均匀镶嵌结构。
本发明模型可以作为人体的替身、作为危险实验的模拟工具、作为研究人体、机器和环境之间的桥梁，广泛应用于医学工程，安全工程和军事工程。采用以上的辐射等效骨组织设计制造方法，完成了30余种辐射等效类型，300余件辐射等效模型的制作。可利用本发明方法制作多种辐射等效模型，如：头颈部体模、胸部体模、盆腔体模、肢体体模、武器装备性能模型、评价的力学等效体模和医学复苏训练体模，作为人体模型的支撑骨架，实现对内部脏器的包裹与活动关节的连接，保证了人体模型整体的完整性和内部脏器镶嵌结构的可靠和稳定性。
附图说明
图1是仿真人体骨架示意图；
图2是仿真人体骨架活动连接部位示意图；
图3是仿真人体骨架髋部的非均匀镶嵌结构图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。
图1为本发明仿真人体骨架示意图；图2是本发明仿真人体骨架活动连接部位示意图，采用人造仿生关节、球形关节或铰链关节实现活动连接，或采用限位器、摩擦片或锁紧塑料螺丝进行固定化连接；图3是本发明仿真人体骨架髋部的非均匀镶嵌结构图。
一、本发明的基本原理：
1、人体骨架外形尺寸获取的方法：
用尸体标本获得人体的骨组织、骨架和外部整体形态尺寸，得实体模型；用新鲜尸体获得人体三维虚拟化数字模型；将实体模型和虚拟化数字模型相互补充优化，实现3D打印，打印成组织等效的物理实体模型，或者用反转成型的阴模制作实体物理模型。
2、非均匀镶嵌结构的骨组织制作方法：
在材料设计中，设计了不同百分含量的高磷高钙骨组织原浆（不同的Ca和P含量，不同的质量密度和电子密度），采用包裹成形，形成骨皮质，骨松质，红骨髓的非均匀结构与镶嵌结构。
3、骨组织材料的设计与加工方法：
骨材料的制作采用热塑性/热固性的液体树脂，加高磷高钙的复配超细粉末，为了保证它微小的粒度，采用高速气流粉碎装置，粒度是1000目，并采用等离子活化，使其表面形成有机活性基团，便于有机基团和高分子材料的紧密结合。制作的骨组织原浆，加压注塑，中温交联，固化开模。
4、骨组织的局部和整体连接方法：
局部的连接采用软骨等效材料的胶浆进行粘接，形成局部的部件；并对局部部件，进行活动连接或固定化连接，形成整体人体骨架；其中，活动连接通过人造仿生关节、球形关节或铰链关节来实现；固定化连接通过限位器、摩擦片或锁紧塑料螺丝来实现。
5、关于骨组织和骨架的检查方法：
本发明原材料采用AM单光子能谱法测量其吸收参数、采用X射线双光子能量法估算其电子密度；本发明制得的仿真人体骨架采用影像检查，检查包括上下连接的密和性，左右的对称性，内部骨组织的骨皮质，骨松子和骨髓腔的灰度级显示的分布结构。
结果显示，本发明原材料能满足高磷高钙微观的辐射吸收特性，不同骨组织部位的材料质量密度和电子密度具有差异；本发明仿真人体骨架与人体相似，上下连续，左右对称，在局部区域可显示骨皮质，骨松质，红骨髓的非均匀镶嵌结构。
二、基本理论：
1）应用“准元素等效法”（材料的C、H、O、N、S、P与人体组织百分含量相近）和“轻元素替代法”（按轻元素的原子参数，有机元素之间等效替换）进行骨材料的设计。
2）采用微粉的超细加工（高速气流粉碎装置）和等离子表面活化（在等离子状态下形成表面有机活性基团），提高其耦合能力和机械强度。加压注塑，中温交联，固化开模。
3）采用3D打印成型（用不同密度的组织等效材料进行三维的微粒堆积，形成一个完整的骨架部件），也可用反转成型的阴模加压成型或分层包裹成型（形成骨皮质、骨松质、红骨髓的梯度分布）。
4）采用金属塑料和弹性体的镶合模具，实现多曲面复杂骨骼部件的加工成型。
三、实施例：一种基于辐射检测的仿真人体骨架的制作方法，包括如下步骤：
用尸体标本获得人体的骨组织、骨架和外部整体形态的尺寸，得到标本或等效材料的实体模型；用新鲜尸体获得人体三维虚拟化数字模型；将实体模型和虚拟化的数字模型相互补充优化后，实现3D打印，进行三维的微粒堆积，打印成组织等效的物理实体模型，或者用反转成型的阴模制作实体物理模型；
其中，所述骨架的骨材料包括热塑性/热固性树脂和高磷高钙复配粉末；所述高磷高钙复配粉末通过磷灰石和碳酸钙以3:1的质量比复配而得；所述高磷高钙复配粉末占骨材料总质量的10~50%，其他为热塑性/热固性树脂；将上述骨材料制成骨组织原浆，加压注塑，中温交联，固化开模，制得骨组织；所述骨组织的骨皮质和骨松质采用包裹固化成型法制备，红骨髓采用双组份注塑成型法制备；
所述高磷高钙复配粉末经过高速气流粉碎和等离子表面活化处理，提高耦合能力和机械强度，粒度为1000目；
制得的骨组织采用软骨等效材料的胶浆，进行粘接，形成局部部件；局部部件进行活动连接或固定化连接，形成整体人体骨架；所述胶浆包括异氰酸酯与交联剂部分聚合成的未固化液体材料；
所述活动连接通过人造仿生关节、球形关节或铰链关节来实现；所述固定化连接通过限位器、摩擦片或锁紧塑料螺丝来实现；
本实施例采用金属塑料和弹性体的镶合模具，实现多曲面复杂骨骼部件的加工成型。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (4)
1.一种基于辐射检测的仿真人体骨架的制作方法，其特征在于，包括如下步骤：用尸体标本获得人体的骨组织、骨架和外部整体形态的尺寸，得到标本或等效材料的实体模型；用新鲜尸体获得人体三维虚拟化数字模型；将实体模型和虚拟化的数字模型相互补充优化后，实现3D打印，进行三维的微粒堆积，打印成组织等效的物理实体模型，或者用反转成型的阴模制作实体物理模型；
其中，所述用反转成型的阴模制作实体物理模型中，所述骨架的骨材料包括热塑性/热固性树脂和高磷高钙复配粉末；所述高磷高钙复配粉末通过磷灰石和碳酸钙以3:1的质量比复配而得；所述高磷高钙复配粉末占骨材料总质量的10~50%，其他为热塑性/热固性树脂；根据人体骨骼钙的含量和人体骨骼的质量密度区分，所述高磷高钙复配粉末在不同骨组织中质量含量分布如下：脊柱和牙齿50%、头骨30%、肋骨20%、其他骨组织10%；将上述骨材料制成骨组织原浆，加压注塑，中温交联，固化开模，制得骨组织；所述骨组织的骨皮质和骨松质采用包裹固化成型法制备，红骨髓采用双组份注塑成型法制备；
制得的骨组织采用软骨等效材料的胶浆，进行粘接，形成局部部件；局部部件进行活动连接或固定化连接，形成整体人体骨架；所述胶浆包括异氰酸酯与交联剂部分聚合成的未固化液体材料。
2.根据权利要求1所述基于辐射检测的仿真人体骨架的制作方法，其特征在于，所述高磷高钙复配粉末经过高速气流粉碎和等离子表面活化处理，提高耦合能力和机械强度，粒度为1000目。
3.根据权利要求1所述基于辐射检测的仿真人体骨架的制作方法，其特征在于，所述活动连接通过人造仿生关节、球形关节或铰链关节来实现；所述固定化连接通过限位器、摩擦片或锁紧塑料螺丝来实现。
4.根据权利要求1所述基于辐射检测的仿真人体骨架的制作方法，其特征在于，采用金属塑料和弹性体的镶合模具，实现多曲面复杂骨骼部件的加工成型。
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