CN106182774B - 一种利用3d打印技术打印肝癌模型的方法及其肝癌模型 - Google Patents

Abstract

本发明涉及医疗模型制造领域，具体涉及一种利用3D打印技术打印肝癌模型的方法，其步骤为：1)利用3D打印机打印出肝脏管道系统模型；2)根据诊断结果，在所述肝脏管道系统模型的相应的位置固定肿瘤组织模型。这种方法可准确地打印出肝脏脉管系统，利用工业化翻模技术制备出质软的模型，在所述模型表面灵活地模拟肿瘤组织的形态，所形成的肝脏脉管系统可重复使用，降低了使用成本，消除了3D打印制品易折、价格昂贵的缺陷。

Description

一种利用3D打印技术打印肝癌模型的方法及其肝癌模型

技术领域

本发明涉及医疗模型制造领域，具体涉及一种肝癌模型的制备方法。

背景技术

原发性肝癌是世界最常见的恶性肝癌之一,大部分肝癌发生在发展中国家,我国是肝癌高发地区,约占全球的55％。其发病率与死亡率呈稳中有上升的趋势，目前对肝癌唯一有效的治疗为手术切除，但是对肝癌的切除，手术存在一定盲目性，造成对肝脏过多的损伤，故手术风险大，术后并发症多，恢复时间长，预后差。

肝脏是人体内脏最大的器官，也是新陈代谢的重要器官。现代人生活压力大，不良生活的习惯直接导致肝脏的负担越来越重，各种肝病发病率逐年上升。在解剖学上以Glisson系统为基础将肝脏分为5叶和6段。期间穿行多条肝固有动脉，肝门静脉，肝静脉。肝外胆道及其分支纵横交错。穿行路径，空间毗邻等都极其复杂。

从临床医疗角度来看，据《2015中国卫生统计年鉴》显示我国医生人力资本质量在整体上还处于相对较低的水平。这就意味着在出现问题的时候很多一线临床医生并不能找出较好的解决方法。尤其对于其中的一些肝胆外科医生来说，由于学习条件，实验设备，科研水平所限，他们对于肝脏复杂的脉管系统了解是极其有限的，他们现有的知识无法支撑他们完成一台复杂的肝脏手术，甚至连看懂都有困难。

从医学教学角度来看，临床教育是医学人才培养的关键环节，如何提高临床教育的效果成为医学教育的重要课题。然而随着我国医学教育规模的快速发展以及医患关系的恶化，传统的医疗实践环节已经不能满足临床教育的要求。然而目前大部分的医学院校仍然使用老旧的医学挂图与木质、PVC、石膏模型。根据我们对湘雅医学院学生的前期调查，对现使用的医学模型的满意程度不足两成，大多数学生对肝脏结构的认识仅仅停留在简单阶段，尤其在肝脏学习过程中，大部分学生都难以理解清楚以Glisson系统为基础分成的5叶和6段中穿行多条肝固有动脉，肝门静脉，肝静脉。而现有的供医学生或住院医师进行学习、培训和研究肝脏模型及脉管走形的医用器材十分缺乏，一流医学院及大部分医院使用的都是较为落后的实心模型，给医学学习和临床医疗造成了较大的困难。

现有的3D打印技术的优点在于对于物体的打印十分精确，且无局限性。运用在肝脏模型打印上时，可以将肝脏肿瘤与血管的位置毗邻关系，包含关系，肿瘤的生长特点在实体的基础上表现的十分清楚。基本流程是通过CT扫描技术，获取病人肝脏的平片。将CT数据建模重建，CT扫描技术即电子计算机断层扫描，其原理可简单理解为，将人体自上而下分成无数个薄片，再通过相邻薄片间部分组织密度的变化来观察疾病。那么既然是分成薄片，每一片之间一定会有间距，目前医学常用的间距主要是2mm。但是血管的粗细并不是均一的，也不是完全直立的，因此在将肝癌CT转化成可供3D打印机识别的数据后，大量的复杂脉管系统由于CT的局限性，变成了很多散在的点状模块，且由于肝脏的3套主要血管交错并行，重建难度极大。导致每一个传统3D打印出的肝癌模型，价格均极其昂贵，一般在一万元以上。

除了原始数据产生的技术限制外，传统3D打印肝癌模型还有很多缺陷。

首先，由肿瘤生长的不确定性，给原本个体差异性并不大的肝脏管道系统模型的多次运用带来了限制。即虽然个体之间肝脏脉管系统在实际运用上可以统一化，但由于肿瘤会生长在肝脏的各个血管分支，而传统3D打印较难拆分，导致原本可以利用同一脉管模型，却因为肿瘤的阻滞而具有一次性，用完该患者后在其他患者身上便不再适用，而每一次模型的打印由于数据的分析需要耗费大量人力物力成本，从经济实用的角度上看并不划算。

其次，出于成本考虑，现阶段3D打印往往不会打印出肝脏的全部脉管系统，而只会打印肿瘤及一部分与肿瘤有联系的脉管。但即使3D打印相对于电脑软件的肝脏模型已经有了极大的突破。但对于基本没有医学知识，对于肝脏结构也完全不了解的病人及家属而言。只有一部分肝脏血管，既没有整体肝脏外形又含有各种因技术原因无法轻易去除的不明凸起的肝癌模型亦是他们完全无法理解的，甚至普通医学学生乍一看也很难理解。这对医患之间的沟通仍然造成阻碍。

发明内容

针对现有利用3D打印技术打印肝癌肿瘤组织中存在的难拆分、一次性使用；仅部分打印，不够清楚的缺陷，本发明提供一种新的利用3D打印技术打印肝癌模型的方法，包括如下步骤：

1)利用3D打印机打印出肝脏管道系统模型；

2)根据诊断结果，在所述肝脏管道系统模型表面的相应的位置固定肿瘤组织模型。

本发明所述的方法，一次性打印出肝脏管道系统模型后，可根据不同的病患的情况，在不同的位置灵活设置肿瘤组织模型，肝脏管道系统模型模型可重复使用，大大降低生产成本。

优选的，所述步骤1)还包括将所述肝脏管道系统模型翻模后制备出软质材料的肝脏管道系统模型的操作。由于传统3D打印材料及打印机器的限制，3D打印机打印出的管道系统质硬且脆，在设置肿瘤组织模型的过程中易发生损坏。通过翻模的方法制备出软质材料的肝脏管道系统模型，既方便在其表面设置肿瘤组织模型，还可在3D打印出一套肝脏管道系统模型的情况下，根据需要翻模制备出多套软质材料的肝脏管道系统模型，可大大地降低生产成本。

优选的，所述软质材料为软质环氧树脂。用环氧树脂制备肝脏管道系统模型既具有良好的成形能力，还具有一定的弹性和韧性，在使用的过程中不易损坏，方便在其表面固定肝脏肿瘤组织。

优选的，利用3D打印机分段打印肝脏管道系统模型，分段翻模后制备出软质材料的管道，拼装得到软质材料的肝脏管道系统模型。若一次性打印出整套的肝脏管道系统模型，打印操作过程不方便，且以此制作模具的过程中难度也较大；分段打印可大大地简化操作。

优选的，所述分段方法为：将肝脏管道系统按下腔静脉、肝左静脉、肝中静脉、肝右静脉、肝右后叶上段支、肝右后叶下段支、肝右前叶上段支、肝右前叶下段支、肝左外叶上段支、肝左外叶下段支、成整体的尾状叶血管支和肝左内叶血管支分成十二个部分。肝脏的管道系统包括血管系统和胆管系统，且其结构极其复杂，在分段的过程中，一方面要便于模具的制作和翻模，应尽量打印高度变化不大，尽量位于统一平面的物体，另一方面还要结合肝脏脉管系统的特点和手术原理，整体打印脉管系统因过于复杂和交织的部分。将管道系统分成上述十二个部分，可满足上述两个要求，这也是分段打印中的重点和难点。

优选的，分段后的肝脏管道系统模型通过十字形批嘴和十字形凹槽进行拼装。采用这种连接方式具有如下优点：一是十字形接口相比圆形及其他形状接口产生更大的静摩擦力，即使在材料有一定限制的情况下仍可紧密链接。二是十字形接口不会有旋转限制，模型在连接之后不会被轻易变换位置影响其准确性。三是模型上部分的肝静脉系统与下部分的肝固有动脉，肝门静脉和胆管组成的Glison系统在肝内本身存在毗邻交叉关系，如在手术中发现有标注物作用的腔静脉右支后，即提示附近存在右前叶支。通过十字形结构固定了其空间关系后，可以较好且稳定地表示出其位置毗邻。

优选的，对所述利用3D打印机打印出肝脏管道系统模型进行表面光滑处理。一是在传统3D打印肝癌模型中，由于CT，MRI扫描数据及在转化过程中的技术限制，血管的表面往往凹凸不平，甚至有较大的凸起，虽然肝脏管道自身会存在一定的凸起，打印出凸起会更加准确写实，但对于实际应用上并无确切帮助，甚至在交流和传达过程中造成一定困难。因此将血管表面光滑处理，并以表现血管的位置和毗邻关系为主要目的进行打印设计。

优选的，所述肿瘤组织模型为与肿瘤组织形状和大小相似的可变形材料。

优选的，所述可变形材料为弹性泡棉。肿瘤组织多“依附”主要血管分支进行生长，因此将具有“弹性大”“重量轻”“快速压敏固定”等特性的EVA泡棉材料，制作出多种直径大小不同的十二面立方体，使用时，由于泡棉质量轻，只需要轻微粘合力即可依附在3D打印的血管支上，可形象地表示不同肿瘤组织的形态。肿瘤组织依据其大小的不同可分为大、小和微小3种，大型肝癌的特点主要是直径在5厘米以上，通常囊括Glison系统分类法的主要血管分支。对于大型肝癌，由于其体积相对较大，生长方式多样，以两种形式来表达。当肿瘤组织包绕主要血管生长时，可选择将多个泡棉材料组合使用，既可表示出肿瘤组织的形状，还可清楚地表示其位置。当单个巨块型肝癌组织依附血管生长时，制作一个十二面立方体模型即满足表示需求。

优选的，还包括肝脏的透明外壳的打印，其步骤为，分部分打印肝脏透明外壳，拼装得到完整的肝脏透明外壳。

将肝脏外壳做成透明的，并在后期将其与肝脏管道系统模型结合，可清楚地观察其内部管道系统和肿瘤组织的分布情况，分部分打印便于其与肝脏管道系统模型的组合。

优选的，本发明所述的方法包括如下步骤：

1)结合肝脏CT扫描数据和大数据医学资料，利用3D打印机分段打印出肝脏管道，并将所述肝脏管道表面进行光滑处理。；

2)制备所述光滑处理后肝脏管道的模具，利用所述模具，以软质环氧树脂为材料，制备出软质环氧树脂的肝脏管道，拼接后得软质环氧树脂的肝脏管道系统模型；

3)分部分制备肝脏透明外壳；

4)将EVA泡棉材料制备成肿瘤组织模型，通过粘胶将其粘附在所述软质环氧树脂的肝脏管道系统模型的肿瘤组织的表面相应位置，制得带有肿瘤组织模型的肝脏管道系统模型；

5)将带有肿瘤组织模型的肝脏管道系统模型与肝脏透明外壳组合，得肝癌模型；

所述分段方法为：将肝脏管道系统按下腔静脉、肝左静脉、肝中静脉、肝右静脉、肝右后叶上段支、肝右后叶下段支、肝右前叶上段支、肝右前叶下段支、肝左外叶上段支、肝左外叶下段支、成整体的尾状叶血管支和肝左内叶血管支分成十二个部分。

现有技术利用3D打印技术制备肝癌模型的过程中，通常根据单个患者的CT扫描数据来构建模型。在肿瘤组织生长的过程中，其周围的血供结构也会发生相应的变化，增生血管以供肿瘤组织的营养需求。因此在CT扫描的过程中也会将这些变化的小血管扫描出来，这就增加了数据分析和打印的工作量，提高了打印成本。打印出来后由于这些增生的血管多且复杂，通常还会影响人们对其的正确判断。但若是想在单个CT数据建模和打印的过程中，剔除这些血管相关的数据，也是一件量大且复杂的工作。而在实际的手术操作中，这些增生的血管结构不会对手术的操作和手术的效果带来影响。实际上，肝脏的结构个体差异性并不大，即个体之间肝脏脉管系统在实际运用上可以统一化，本发明提出，在3D打印的过程中，将CT扫描数据与肝脏结构大数据相结合，可制备出普适性高的肝脏管道模型，可表示大多数人的肝脏管道系统结构；进一步的，将其翻模后制备成多个软质材料的肝脏管道系统模型，可实现一次3D打印制备多个肝脏管道系统模型，进一步降低成本并且更方便于实际地应用。另一方面，通过分部分制备透明的肝脏外壳，有助于理解肿瘤的位置。

优选的，为方便后期辨识，脉管系统的颜色沿用传统医学解剖图谱上的色彩划分，以便于理解和接受。即腔静脉系统和肝门静脉均用蓝色涂料，胆管系统用深绿色涂料，肝固有动脉用红色涂料。在肿瘤的两种表达方式中，“包含型”用半透明材料打印后不进行上色，从而可在表面隐约看见内部血管走行的目的。

本发明的另一目的是保护利用本发明所述方法制备得到的新型肝癌模型。

本发明所述的肝癌模型具有如下有益效果：

这种方法可准确地打印出肝脏脉管系统，利用工业化翻模技术制备出质软的模型，在所述模型表面灵活地模拟肿瘤组织的形态，在一次性制成的肝脏脉管系统后，通过翻模可重复多次制备出软质材料的脉管系统使用，降低了制备成本，消除了3D打印制品易折、价格昂贵的缺陷。

环氧树脂翻膜出的血管具有一定的弹性，可弯曲后复原，且可以进行一定程度的弯曲使能满足部分血管异构需求可以满足各种变异的肝脏血管需求具有易保存，易学习，造价低，可重复，损坏小的优点。

3D打印技术的基本原理是用过高温融化打印材料，材料冷却凝固成型。因此成品与设计数据之间会产生一定的热力形变，且会受到多种难以控制的因素影响，使得拼接嵌套等连接方式难以实现。而环氧树脂材料血管因可轻微形变，因此血管接口处可直接使用“十字型嵌套法”，延长使用寿命，降低损坏的可能。硬度好，不易损坏折断。可挤压变形，可承力形变后恢复，因此可在更多的部位放置肿瘤模型。

这种方法还有较大的应用价值，现阶段我国的临床医生培养需经历一个漫长的过程，一个新进入科室的医生到能上台主刀手术往往需要近十年的时间，而真正面对极其复杂的肝癌手术，且需要利用3D打印技术打印个性化肝癌模型以实现精准医疗目的的医生多是在肝癌手术上已经绝对堪称专家的资深教授。就目前的文献资料并没有切实的数据能佐证3D模型对于手术的帮助。而从主观感受而言，实体的3D打印的肝癌模型对于这类高级医生的帮助已经较小，稍显鸡肋。而3D模型真正能将手术水平大大提升的初级或中级医生，在有条件提出3D打印模型要求的大型医院往往无法真正主刀从而达到提升的目的。因此，本发明所述的模型成本低，制备方法简易，可大大帮助到年轻医生，缩短培养周期。

本发明所述的模具可应用于以下多个领域：

①根据影像结果重建实体模型——辅助诊断

②术前医生与病人家属进行沟通交流——医患沟通

③术前规划手术入路和方案——术前模拟

④术前主刀医生与助手进行沟通——优化手术

⑤基层医院医生用于病例讨论及学习——平衡资源

⑥医学生进行学科辅助学习——教具优化

附图说明

图1、图2为传统肝脏模型；

图3、图4为现有3D打印技术打印的肝癌模型；

图5为将CT扫描数据转化而成的可供打印的数据模型；

图6为CT扫描结果与大数据医学资料结合人工重建的具有普适性肝脏管道系统模型的数据模型；

图7为肝脏外壳模型；

图8为3D打印的肝脏管道系统模型。

图9为管道间的十字绞接结构；

图10为用于固定弹性泡棉的粘贴胶。

具体实施方式

以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

实施例中所使用的打印肝脏透明外壳所使用的材料为聚乙烯.

实施例1

本实施例涉及一种利用本发明所述的方法打印肝癌组织模型的方法，包括如下步骤：

1)根据肝脏CT扫描数据和大数据医学资料(其数据模型如图5和图6)，分段打印出肝脏管道(如图8)，并将所述肝脏管道表面进行光滑处理；

肝脏管道系统的分段方法为：将肝脏管道系统按下腔静脉、肝左静脉、肝中静脉、肝右静脉、肝右后叶上段支、肝右后叶下段支、肝右前叶上段支、肝右前叶下段支、肝左外叶上段支、肝左外叶下段支和成整体的尾状叶血管支和肝左内叶血管支分成十一个部分。

2)翻模制备所述光滑处理后肝脏管道的硅胶模具，利用所述模具，以软质环氧树脂为材料，制备出软质环氧树脂的肝脏管道，拼接后得软质环氧树脂的肝脏管道系统模型，所述拼接处理采用十字绞接的方式进行拼接(如图9)；

1)分两部分打印肝脏透明外壳(如图7)，

4)将EVA泡棉材料制备成直径1～3cm不等的十二面立方体，通过粘胶(如图10)将其粘附在所述软质环氧树脂的肝脏管道系统模型表面相应位置，制得带有肿瘤组织的肝脏管道系统模型；

5)将带有肿瘤组织的肝脏管道系统模型与肝脏透明外壳组合，得肝癌模型。

对比例1

传统肝脏模型，其结构如图1和图2，该种模型虽然在横断面上体现出部分脉管系统的切面，但其内部走形与其他组织的空间毗邻无法完全体现出来。

对比例2

现有3D打印机打印出，如图3和图4，现有技术只能部分打印肝脏组织，肝癌组织与血管系统一起打印，一次打印只针对一个病患，不可重复使用。

虽然，上文中已经用一般性说明、具体实施方式及试验，对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (5)

1.一种利用3D打印技术打印肝癌模型的方法，其特征在于，包括如下步骤：

1）将肝脏CT扫描数据与肝脏结构大数据相结合，根据以上数据资料，利用3D打印机分段打印肝脏管道系统模型，分段翻模后制备出软质环氧树脂材料的管道，拼装得到软质环氧树脂材料的肝脏管道系统模型；

2）根据检测结果，在所述软质环氧树脂材料的肝脏管道系统模型的相应的位置固定肿瘤组织模型；所述肿瘤组织模型为与肿瘤组织形状和大小相似的弹性泡棉材料；

所述分段方法为：将肝脏管道系统按下腔静脉、肝左静脉、肝中静脉、肝右静脉、肝右后叶上段支、肝右后叶下段支、肝右前叶上段支、肝右前叶下段支、肝左外叶上段支、肝左外叶下段支、成整体的尾状叶血管支和肝左内叶血管支分成十二个部分;

分段后的肝脏管道系统模型通过十字形批嘴和十字形凹槽进行拼装。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，对所述利用3D打印机打印出肝脏管道系统模型进行表面光滑处理。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，还包括肝脏的透明外壳的打印，其步骤为，分部分打印肝脏透明外壳，拼装得到完整的肝脏透明外壳。

4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，包括如下步骤：

1）根据肝脏CT扫描数据和大数据医学资料，利用3D打印机分段打印出肝脏管道，并将所述肝脏管道表面进行光滑处理；

2）制备所述光滑处理后肝脏管道的模具，利用所述模具，以软质环氧树脂为材料，制备出软质环氧树脂的肝脏管道，拼接后得软质环氧树脂的肝脏管道系统模型；

3）分部分制备肝脏透明外壳；

4）将EVA泡棉材料制备成肿瘤组织模型，通过粘胶将其粘附在所述软质环氧树脂的肝脏管道系统模型的肿瘤组织的表面相应位置，制得带有肿瘤组织模型的肝脏管道系统模型；

5）将带有肿瘤组织模型的肝脏管道系统模型与肝脏透明外壳组合，得肝癌模型；

所述分段方法为：将肝脏管道系统模型按下腔静脉、肝左静脉、肝中静脉、肝右静脉、肝右后叶上段支、肝右后叶下段支、肝右前叶上段支、肝右前叶下段支、肝左外叶上段支、肝左外叶下段支、成整体的尾状叶血管支和肝左内叶血管支分成十二个部分。

5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，包括如下步骤：

1）根据肝脏CT扫描数据和大数据医学资料，利用3D打印机分段打印出肝脏管道，并将所述肝脏管道表面进行光滑处理；

2）制备所述光滑处理后肝脏管道的模具，利用所述模具，以软质环氧树脂为材料，制备出软质环氧树脂的肝脏管道，拼接后得软质环氧树脂的肝脏管道系统模型；

3）分部分制备肝脏透明外壳；

4）将EVA泡棉材料制备成肿瘤组织模型，通过粘胶将其粘附在所述软质环氧树脂的肝脏管道系统模型的肿瘤组织的表面相应位置，制得带有肿瘤组织模型的肝脏管道系统模型；

5）将带有肿瘤组织模型的肝脏管道系统模型与肝脏透明外壳组合，得肝癌模型；

所述分段方法为：将肝脏管道系统模型按下腔静脉、肝左静脉、肝中静脉、肝右静脉、肝右后叶上段支、肝右后叶下段支、肝右前叶上段支、肝右前叶下段支、肝左外叶上段支、肝左外叶下段支、成整体的尾状叶血管支和肝左内叶血管支分成十二个部分。