CN105096715A - 一种基于3d打印技术的功能型人体器官模型及制造方法 - Google Patents

Abstract

一种基于3D打印技术的功能型人体器官模型及制造方法。首先收集人体器官数据，建立3D打印人体器官模型的数据模型；然后根据采用适宜的打印材料，按照建立的数据模型打印出人体器官模型，并在模型的组织内部打印出可流通流体的管道网络；最后，在人体器官模型管道连接相应流体循环调节装置，通过该装置可调节流体的种类、温度、压力，模拟人体器官简单功能。本发明能够制造出真实反映人体器官解剖特点、内部管道结构和模拟人体器官内各种流体流通情况的人体器官模型。

Description

一种基于3D打印技术的功能型人体器官模型及制造方法

技术领域

本发明属于人体器官模型及其制造方法技术领域，特别涉及一种基于3D打印技术的功能型人体器官模型及制造方法。

背景技术

人体器官模型是用于医学教学、临床医疗辅助的主要手段。目前通过模具工艺制造的的人体模型不能模拟器官内部血液流动、血压变化、体温变化，即目前的人体模型只是观察型的，而非功能型的。由于现有技术这一固有特性，使用者只能观察人体器官的解剖结构，很难使用目前观察型的人体模型进行解剖操作，解剖操作性和真实度大打折扣，；而且，临床医生遇到疑难病例时需要在手术前做好充分的手术方案和预案，而目前观察型的人体模型不能完美体现出器官内部管道间的解剖位置关系、不能模拟脉搏、血压和体温变化，无法用来进行模拟手术，现有的模具式人体模型制造工艺的缺陷限制了人体模型的功能和应用。

3D打印技术是近年来迅猛发展起来的一种打印技术。其主要优点在于可以将以往很难实现的特异形态物体轻松打印出来，无需原胚和模型就能直接根据计算机图形数据，通过叠加材料的方式制造出各种形状的物体，简化了产品的制造程序，实现了技术突破，缩短了产品开发周期，提高效率并降低成本。

发明内容

本发明提出了一种基于3D打印技术的功能型人体器官模型及制造方法，解决了现有的人体器官模型只是观察型的，模型内部无血液流动、无血压变化、无体温变化，也无法根据每个病人不同的情况制造出个体化的人体模型进行如模拟手术、修补组织缺损的问题，制造出了一种基于3D打印技术的功能型人体器官模型。

为实现上述发明目的，本发明提出了以下技术方案：一种基于3D打印技术的功能型人体器官模型，其特征在于：所述人体器官模型中的管道为中空结构，所述管道连接有循环调节装置。

所述循环调节装置由存储器、动力装置、温度控制器、压力控制器通过管道依次连接构成回路。

一种基于3D打印技术的功能型人体器官模型制造方法，由下述步骤组成：首先收集人体器官数据，建立3D打印人体器官模型的数据模型；然后采用打印材料按照建立的数据模型打印出人体器官模型；最后，在人体器官模型管道连接循环调节装置。

一种基于3D打印技术的功能型人体器官模型制造方法，所述的打印材料为打印软组织用人体硅胶，打印骨头用聚氨酯材料，组织缺损部位的修补块用钛粉。

一种基于3D打印技术的功能型人体器官模型制造方法，所述循环调节装置循环调节人体模拟流体。

本发明的有益效果在于：提出了一种基于3D打印技术的功能型人体器官模型及制造方法，开辟了3D打印技术新的应用领域。本发明应用3D打印技术制造出的人体器官模型，是在医学教学和临床研究的一项重要突破，不仅可以真实再现人体器官大体解剖、更能够真实模拟每个器官、每个病人个体化的内部结构和基本功能。解决了由于我国文化观念影响的原因，少有捐献尸体供医学解剖用的困境。

3D打印技术制造出的功能型人体器官模型的优势和用途在于：

（1）模型的组织层次清晰，可以取代真实人体尸体，完美、真实再现人体各个组织层次的解剖关系、血管网络、神经分布，从而进行解剖操作；还可在动脉搏动处触及脉搏、测量血压的，可模拟人体简单的生理功能。

（2）可用于手术技能训练，学习某一疾病如阑尾炎的经典术式、并熟悉同一部位的解剖变异的问题；并在模拟手术中可出现动脉喷血、组织广泛渗血、血压和体温变化等真实临床事件。

（3）可打印出每个病人个体化的器官如肝脏模拟、以及其内部动脉系统、门脉系统、胆管系统等不同的管道系统相互间的解剖关系，为医生提供详实的、直观的模型，并且可于正式手术前用此功能模型开展模拟手术，制定出最佳手术方案，挽救患者生命。

（4）对组织缺损如颅骨缺失的患者，可打印出患者个体化的、体现缺损部位原本解剖结构的组织缺损修补产品，用于临床组织缺损修补。

附图说明

图1为本发明的工艺流程图。

图2为本发明的结构示意图。

图3为人体手食指横断面结构示意图。

图4为人体气管结构示意图。

图5为人体眼球结构示意图。

图6为人体股骨结构示意图。

图7为本发明图6局部放大图。

图8为人体切开缝合练习用腹壁示意图。

具体实施方式

实施例1

一种基于3D打印技术的功能型人体器官模型及制造方法在制造人体手食指模型的应用。

建模。如图3所示人体手指横断面，手指表面皮肤包裹的内部含有脂肪2、筋膜3、骨头4、肌腱5、血管6、神经7等不同的组织结构，人手食指长短、粗细、各个组织结构的位置等一系列数据采用目前已经公开的、或公认的医学解剖数据、或根据个体化需要采集个体化数据。将上述各种组织数据结合起来，建立制作出手指的数字模型。

3D打印。以横断面式打印，即打印完成后手指是竖直的为例。3D打印是分层打印、每层积累成形。在打印手指第一层时，按照组织结构的不同而建立的数字模型已经确定了每个组织结构的位置，按照这种数字化控制，打印机用目前已经公知的、质感适宜的打印皮肤的人体硅胶打印最外层的皮肤1，然后换用其他目前已经公知的、质感适宜的打印脂肪组织的人体硅胶材料打印脂肪组织2，再换用其他目前已经公知的、质感适宜的人体硅胶打印材料打印血管6，打印神经7、肌腱5、聚氨酯材料打印骨头4的过程以此类推。打印材料质感的差别营造了组织结构层次分明的逼真效果。同时，打印血管6时只打印血管壁，血管腔留空腔，则随着打印的进行，手指模型逐渐加长，中空的血管也逐渐加长，最终在手指模型内部形成内部中空、可流通液体的血管网络。打印出的人体器官模型中的管道为中空结构，管道连接有人体模拟流体的循环调节装置。如图2所示，模拟人体管道内流体的模拟血液从存储器a流出，流体经电动机b、泵c后由温度控制器d调节需要的温度再由压力控制器e调节需要的压力后进入人体器官模型f，以上各部分通过管道依次连接构成回路，人体器官模型f的流体经模型内中空管道最后流回存储器a，开始下一个循环，循环调节装置设置在人体器官模型外部实施例作为本发明的优选方案。循环调节装置还可以按照需要设置在人体器官模型内部，循环调节装置设置在人体器官模型内部的工作过程和设置在外部相同。

实施例2

一种基于3D打印技术的功能型人体器官模型及制造方法在制造人体气管模型的应用。

建模。如图4所示人体气管结构特点，人体气管是由环形软骨8逐层连接形成管道，如同将很多圆形手镯一个个摞起来形成中空的管道一样，各个环形软骨质感相同、根据环形软骨8位于主干或分支的位置不同其大小有别；环形软骨8间隙小、连接组织质感9软韧。人体气管长短、粗细、分支级别数据可采用目前已经公开的或公认的医学解剖数据，或根据个体化需要采集个体化数据。根据数据及需要的气管分支级别如主干、I/II/III级分支、毛细管，建立数字模型。

3D打印。以横断面式打印，即打印完成后气管是竖直的为例。打印第一层时，按照数字模型设定的环形软骨8的位置、根据软骨的质感选用目前已经公知的、质感适宜的人体硅胶打印环形软骨8的材料实施打印。在打印环形软骨8的连接组织9时换用目前已经公知的、质感适宜的打印环形软骨8的连接组织9的人体硅胶材料实施打印。打印时只打印环形软骨8及其间的连接组织9，则环形软骨8中间形成的中空部位随着打印的进行逐渐加长，最终形成中空的高真实度质感的人气管模型。如图2所示，模拟人体管道内流体的模拟气体从存储器a流出，流体经电动机b、泵c后由温度控制器d调节需要的温度再由压力控制器e调节需要的压力后进入人体器官模型f，以上各部分通过管道依次连接构成回路，人体器官模型f的流体经模型内中空管道最后流回存储器a，开始下一个循环，循环调节装置设置在人体器官模型外部为本实施例作为本发明的优选方案。循环调节装置还可以按照需要设置在人体器官模型内部，循环调节装置设置在人体器官模型内部的工作过程和设置在外部相同。

实施例3

一种基于3D打印技术的功能型人体器官模型及制造方法在制造人体眼球模型的应用。

建模。如图5所示人体眼球横断面结构示意图。人体眼球是圆形中空、有内容物。眼球壁、尤其是前部有很多不同的组织结构层。人体眼球体积、直径、玻璃体18、虹膜15、前房16、晶状体17、视网膜12、血管11数据可采用目前已经公开的或公认的医学解剖数据，或根据个体化需要采集个体化数据。根据这些数据建立眼球数字模型。

3D打印。以水平式打印，即打印完成后眼球是水平放置的为例：打印的第一层是眼球最下部的外壁，随着打印的外壁不断增厚，出现了内壁的最下部，接着依次出现血管11、玻璃体18、晶状体10、虹膜15等。不同的组织分别依次换用目前已经公知的、质感适宜的人体硅胶打印材料进行打印，营造组织层次。前房16空间只打印房壁，中间腔留空腔，随着周围组织打印成功，前房16空间形成。打印完眼球最上部后眼球模型打印完成，内部存在高仿真度内容物及组织层次、必要的房水在前房空间显现后可人工添加模拟液体，模型打印完成后空间自然封闭，液体不会外漏。如图2所示，模拟人体管道内流体的模拟血液从存储器a流出，流体经电动机b、泵c后由温度控制器d调节需要的温度再由压力控制器e调节需要的压力后进入人体器官模型f，以上各部分通过管道依次连接构成回路，人体器官模型f的流体经模型内中空管道最后流回存储器a，开始下一个循环，循环调节装置设置在人体器官模型外部本实施例作为本发明的优选方案。循环调节装置还可以按照需要设置在人体器官模型内部，循环调节装置设置在人体器官模型内部的工作过程和设置在外部相同。

实施例4

一种基于3D打印技术的功能型人体器官模型及制造方法在制造人体股骨模型的应用。

建模。如图6、图7所示人体股骨结构示意图。人体股骨是股骨干呈长圆形、外层骨皮质密度高、硬度高、内部骨髓疏松、两个骨端外形不同。采用目前已经公开的或公认的医学解剖数据，或根据个体化需要采集个体化数据建模。

3D打印。以横断面式打印，即打印完成后股骨是竖直的为例。按照数字模型确定的外形开始打印。打印的第一层是股骨最下端的膝关节部分，随着打印进行，依次出现骨膜18、骨密质19、骨松质20、骨髓21，分别选用目前已经公知的、质感适宜的打印材料聚氨酯材料打印出质感仿真的骨膜18、骨密质19、骨松质20、骨髓21。最后打印股骨头，模型制作完成。对组织缺损如颅骨缺失的患者，可打印出患者个体化的、体现缺损部位原本解剖结构的组织缺损修补产品，用于临床组织缺损修补。组织缺损部位的修补块用钛粉打印。

实施例5

一种基于3D打印技术的功能型人体器官模型及制造方法在制造切开缝合练习用腹壁正前部模型的应用。

建模。如图8所示切开缝合练习用腹壁结构示意图。从外到内的组织顺序依次是皮肤22、皮下脂肪23、腹直肌前鞘24、腹直肌25、腹直肌后鞘26、腹膜27。切开缝合练习用腹壁解剖要求腹壁全层组织结构清晰，每层之间可剥离分开。按照这样的解剖要求，采用目前已经公开的或公认的医学解剖数据，或根据个体化需要采集个体化数据建模。

3D打印。以横断面式打印，即打印完成后腹壁是横切面形式为例。按照组织层次由内向外逐层打印，每层组织选用目前已经公知的、质感适宜的不同的打印材料人体硅胶进行打印以体现组织层次。腹直肌内血管只打印数字化定位的血管壁，待血管壁打印合拢后，则呈现中空管腔。在人体器官模型血管外部连接液体循环和调节装置，通过该装置可改变液体温度、压力。打印出的血管网络内部可以流动液体来模拟血液流动，切开管道可模拟组织出血；液体压力加大后可模拟动脉喷血等临床真实状况；给流动的液体加温，可使术者感受到高仿真度的腹壁温度；变化液体压力可模拟患者血压变化。

Claims (5)

1.一种基于3D打印技术的功能型人体器官模型，其特征在于：所述人体器官模型中的管道为中空结构，所述管道连接有循环调节装置。

2.如权利要求1所述的一种基于3D打印技术的功能型人体器官模型，其特征在于：所述循环调节装置由存储器、动力装置、温度控制器、压力控制器通过管道依次连接构成回路。

3.一种基于3D打印技术的功能型人体器官模型制造方法，其特征在于由下述步骤组成：首先收集人体器官数据，建立3D打印人体器官模型的数据模型；然后采用打印材料按照建立的数据模型打印出人体器官模型；最后，在人体器官模型管道连接循环调节装置。

4.如权利要求3所述的一种基于3D打印技术的功能型人体器官模型制造方法：其特征在于：所述的打印材料为打印软组织用人体硅胶，打印骨头用聚氨酯材料，组织缺损部位的修补块用钛粉。

5.如权利要求3和4所述的一种基于3D打印技术的功能型人体器官模型制造方法，其特征在于：所述循环调节装置循环调节人体模拟流体。