CN106847040A - 人体实质器官模型制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种人体实质器官模型制备方法，步骤包括：获取包括器官实质以及若干组件的人体实质器官的图像数据；建立人体实质器官的组件三维数字模型以及器官实质的外膜的三维数字模型；使用3D打印机打印出器官实质的外膜的实体模型以及各组件的实体模型；将人体实质器官的各组件的实体模型安装在外膜的实体模型上；向外膜的实体模型内灌入水凝胶溶液；待水凝胶溶液冷却凝胶后移除外膜的实体模型，从而得到带有各组件的人体实质器官的实体模型。通过本方法能够得到人体实质器官模型的基质为水凝胶溶液，且其内包含各种不同颜色的器官组件的实体模型，本发明制成的人体实质器官模型透明度高、切割性好、具有一定的弹性，非常适合手术预演和教学演示。
Description
技术领域
本发明属于医疗领域，特别地涉及一种人体实质器官模型制备方法。
背景技术
人体实质器官是指具有弹性且富含管道的器官，主要包括肝脏、胰腺、肺、肾脏、心脏等。其中肝脏包括肝实质、胆管、肝动脉、门静脉和肝静脉；胰腺包括胰腺组织和胰管；脾脏包括脾实质、脾动脉和脾静脉；肺包括肺泡组织、支气管、肺动脉和肺静脉；肾脏包括肾实质、肾盏、肾动脉和深静脉；心脏包括心肌、瓣膜、冠状动脉等。由于种种原因，上述的人体实质器官可能会出现各种疾病，需要对其进行手术。由于这些人体实质器官是非透明的，无法观察到其内部的管道与病灶处于人体内部，因此手术切除存在较大的难度，对于某些手术而言难度较大，为了尽可能保证患者手术安全，需要在外科手术前进行手术规划。目前这些器官的外科手术规划主要是医生在术前根据二维的影像学图片在脑中还原成三维图像，其还原效果严重依赖医生的解剖学和影像学阅片水平。因此，在术前能有病人的三维器官模型用于手术预演就非常有必要。
当前手术预演主要是基于计算操作的，医生在术前利用病人医学影像学数据进行三维重建，然后再在软件环境中对三维模型进行虚拟手术操作，该方法的局限性是医生在虚拟操作时不能全局多角度的观察操作过程，直观性不够，并且在模拟过程中医生的手没有实际手术过程中的力反馈，无法感受力度。
有人用3D打印技术对器官的三维模型进行直接打印，但是由于实质器官包含的组件多，以肝脏为例，要同时打印肝实质、肝动脉、门静脉，肝静脉、胆管和肿瘤肝实质、血管、肿瘤等，这些必须是具有不同颜色的材料，并且打印肝实质的材料要求是透明的，满足这样要求的多材料、多喷头3D打印机价格惊人、打印耗材贵、打印速度慢，因此缺乏推广价值，并且打印的耗材都是功能性材料、强度高、刚度大、切割性差，只能用于观察，很难在模型上进行实际的手术切割操作。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供了一种人体实质器官模型制备方法，通过本方法能够得到人体实质器官模型的基质为水凝胶溶液，且其内包含各种不同颜色的器官组件的实体模型，本发明制成的人体实质器官模型透明度高、切割性好、具有一定的弹性，非常适用于医生在上面进行手术预演，制定手术方案，从而缩短手术时间，降低手术风险；同时也非常适用于医疗教学领域进行演示。
为解决上述技术问题，本发明采用如下的技术方案。
一种人体实质器官模型制备方法，包括如下步骤：
S1.获取人体实质器官的图像数据，其中，人体实质器官包括器官实质以及若干组件。
S2.根据人体实质器官的图像数据，通过计算机建立其三维数字模型。
S3.根据人体实质器官的三维数字模型，制作器官实质的外膜的三维数字模型。
S4.根据器官实质的外膜的三维数字模型以及人体实质器官的各组件的三维数字模型，使用3D打印机打印出器官实质的外膜的实体模型以及人体实质器官的各组件的实体模型。
S5.将人体实质器官的各组件的实体模型安装在器官实质的外膜的实体模型上。
S6.向器官实质的外膜的实体模型内灌入水凝胶溶液。
S7.待水凝胶溶液冷却凝胶后，移除外膜的实体模型，从而得到带有各组件的人体实质器官的实体模型。
一优选实施例中，步骤S1包括，采用医用的CT或MRI医学图像采集设备扫描实体的人体的实质器官，以获取人体实质器官的图像数据。
一优选实施例中，器官实质的外膜的三维数字模型与实体模型相对应，且均采用模块化设置。
一优选实施例中，器官实质的外膜的三维数字模型与实体模型上均设有安装孔和浇灌口。
一优选实施例中，打印出器官实质的外膜的实体模型后，在外膜的模块化实体模型内表面涂抹凡士林，并将外膜的实体模型的各模块粘接在一起，从而形成中空的外膜的实体模型。
一优选实施例中，按照人体实质器官的结构，利用所述安装孔将人体实质器官的各组件的实体模型安装在器官实质的外膜的实体模型上。
一优选实施例中，所述方法还包括：使用3D打印机打印出器官实质的外膜的实体模型以及人体实质器官的各组件的实体模型后，将各实体模型放入清洗溶液中进行超声清洗。
一优选实施例中，所述方法还包括：将各实体模型放入清洗溶液中进行超声清洗后，对人体实质器官的各组件使用不同颜色的油性漆进行着色以实现区分。
一优选实施例中，若干所述组件包括管道和肿瘤。
一优选实施例中，水凝胶溶液冷却至50℃以凝胶。
采用本发明具有如下的有益效果：
1、本发明得到的人体实质器官模型的基质为水凝胶溶液，透明度高、切割性好、具有一定的弹性，非常适用于医生在上面进行手术预演，制定手术方案，从而缩短手术时间，降低手术风险，同时也非常适用于医疗教学领域，方便学生直观了解人体实质器官的组成结构；
2、本发明需要3D打印的材料体积小，并且各个部件可以多机同时打印，因此打印时间短，从而整体模型制备快，缩短病人手术等待时间；
3、本发明在实质器官的外科手术预演上应用价值大，存在海量的潜在客户，市场应用前景广阔。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明及其特征、外形和优点将会变得更明显。在全部附图中相同的标记指示相同的部分。并未刻意按照比例绘制附图，重点在于示出本发明的主旨。
图1为本发明提供的一种人体实质器官模型制备方法的流程图；
图2为采用一实施例中制备出的部分器官实质的外膜的实体模型组装图；
图3为本发明在一实施例中将人体实质器官的各组件安装在器官实质的外膜的实体模型内的示意图；
图4为本发明在一实施例中制备出的包含各组件的人体实质器官的模型示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提供了一种人体实质器官模型制备方法，参照图1所示，包括如下步骤：
步骤S1，获取人体实质器官的CT(Computed Tomography，电子计算机断层扫描)或MRI(Megnectic Resonance Imaging，磁共振造影)图像数据，其中，人体实质器官包括器官实质以及若干组件(包括管道和肿瘤)。其中，所述的器官实质可包括肝脏、胰腺、肺、肾脏、心脏等实质器官。下文以制备肝脏的人体实质器官模型为例进行进一步的说明，那么该人体实质器官模型包括肝实质以及位于肝实质内外的胆管、肝动脉、门静脉、肝静脉和肿瘤等组件。在本发明一可选的实施例中，采用医用的CT或MRI医学图像采集设备扫描实体的人体实质器官，以获取人体实质器官的图像数据(包括形状和位置参数数据)。
步骤S2，根据人体实质器官的CT或MRI图像数据，建立人体实质器官的三维数字模型。本发明一可选的实施例中，在通过医学图像采集设备对人体实质器官进行扫描后，可将获取的数据直接导入到医学三维处理软件中进行三维重建，以建立人体实质器官的三维数字模型。
步骤S3，根据建立的人体实质器官的三维数字模型，制作器官实质的外膜的三维数字模型。完成步骤S2后，可选地将医学三维处理软件建立的人体实质器官的三维数字模型导入到三维建模软件中，生成器官实质的外膜的三维数字模型。需要说明的是，在三维建模软件中建立的器官实质的外膜的三维数字模型与实体模型相对应，且均采用模块化设置，在具体的实施例中，该器官实质的外膜的三维数字模型可以由2个或2个以上的模块组合而成，且将这些模块组合完成之后，其内部构成了一空腔，该空腔的形状大小与人体实质器官(例如肝实质)的形状大小相对应，换而言之，该人体实质器官正好能够填充该空腔。参照图2所示，示出了采用3D打印技术的打印出的器官实质的外膜的三维数字模型的局部图，为图示方便，图2仅示出了位于右半侧的模块1.6和模块1.7的组装图，在图中，模块1.6和模块1.7模块的内表面有对应肝脏轮廓的凹陷，在将全部模块完全组装在一起后，中部构成的空腔正好与需要制备的实质器官相对应。此外，在器官实质的外膜的三维数字模型时，需要在外表面设预留浇灌口10，且在其内表面设置有安装孔(未示出)，其中，浇灌口10用于后续浇灌填充材料(即水凝胶溶液)，安装孔用于后续将器官实质内各组件的实体模型固定在器官实质的外膜的实体模型上。
步骤S4，根据器官实质的外膜的三维数字模型以及人体实质器官的各组件的三维数字模型，使用3D打印机打印出器官实质的外膜的实体模型以及人体实质器官的各组件的实体模型。可选的，将三维建模软件建立的器官实质的外膜的三维数字模型，以及医学三维处理软件建立的人体实质器官的各组件的三维数字模型，以STL格式导入到3D打印机，以PLA(聚乳酸)或ABS(Acrylonitrile Butadiene Styrene，丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物)为原料，按照1∶1比例进行3D打印，制备形成器官实质的外膜的实体模型以及人体实质器官的各组件的实体模型。本发明采用3D打印外模再灌注的方法，器官外模和器官的相应组件可以使用普通的PLA或ABS材料，打印机和耗材成本低，从而大大降低模型制作成本。本发明需要3D打印的材料体积小，并且各个部件可以多机同时打印，例如肝脏外膜的三维模型和胆管、肝动脉、门静脉、肝静脉和肿瘤的三维数字模型可以同时打印，因此打印时间短，从而整体模型制备快，缩短病人手术等待时间。
此外，在打印完成后，将打印完的各个部件放入清洗溶液中进行超声清洗，去除支撑材料，进而最终得到器官实质的外膜的实体模型以及人体实质器官的各组件的实体模型。由于在三维建模软件中建立的器官实质的外膜的三维模型是由2个或2个以上的模块组合而成，因此打印出的器官实质的外膜的实体模型也具有2个或2个以上独立的模块，通过将这些模块拼装在一起，即为器官实质的外膜的三维模型。
可选的，在打印出肝脏内各组件的三维模型后，分别对不同的组件进行着色，并保证各组件的颜色不相同。在一可选的实施例中，可以对胆管、肝动脉、门静脉、肝静脉和肿瘤用不同颜色的不褪色油性漆进行上漆，以区分各个组件，使得人眼能够更加直观的观察到实质器官内的不同的组件位置，为手术模拟和医疗教学提供便利。
步骤S5，将人体实质器官的各组件的实体模型安装在器官实质的外膜的实体模型上。在一可选的实施例中，首先在器官实质的外膜的实体模型内壁表面涂上凡士林，之后按照人体实质器官的内部结构和位置，利用安装孔将人体实质器官的各组件的实体模型安装在器官实质的外膜的实体模型上，并通过加玻璃胶进行粘接固定，最后将器官实质的外膜的实体模型的各模块用玻璃胶拼装在一起。在一可选的实施例中，如图3所示，例如将步骤S4中得到的胆管、肝动脉4、门静脉3、肝静脉2和肿瘤5安装在肝脏实质外膜的实体模型上后，将器官实质的外膜的实体模型的5个模块(包括模块1.1、模块1.2、模块1.3、模块1.4和模块1.5)拼装在一起后，形成一个完整、中空、内部包含胆管、肝动脉4、门静脉3、肝静脉2和肿瘤5的肝脏模型。
步骤S6，向器官实质的外膜的实体模型内灌入水凝胶溶液。具体的，首先配置一定温度的水凝胶溶液，待水凝胶溶液冷却一点温度后从浇灌口倒入肝脏模型中，直至将器官实质的外膜的实体模型内的空间完全充满。其中可选的，配置的水凝胶溶液温度在80～100℃内较佳，并等到其降温到40～60℃进行浇灌；进一步优选的，配置的水凝胶溶液温度为90℃，以及待水凝胶溶液温度降到50℃时，从浇灌口灌入至器官实质的外膜的实体模型内。
步骤S7，待水凝胶溶液冷却凝胶后，移除外膜的实体模型，从而得到人体实质器官的实体模型。在一可选的实施例中，用刀沿着外膜的实体模型的连接缝进行切割，去除各个外模的模块，最终得到肝实质1为透明的，里面包含各个颜色的胆管、肝动脉4、门静脉3、肝静脉2和肿瘤5的肝脏模型，如图4所示。其中，由于在灌入水凝胶溶液之前，先在外膜的实体模型内壁涂覆了一层凡士林材料，而凡士林是一种烷系烃或饱和烃类半液态的混合物，俗称矿脂，在水凝胶溶液冷却凝胶并移除外膜的实体模型时，外膜的实体模型与水凝胶溶液中间的凡士林可以使得外膜的实体模型与水凝胶溶液之间能够很容易分离开来，进而避免在拆卸外膜的实体模型的过程中，水凝胶溶液容易粘附在外膜的实体模型上，进而影响实质器官的完整性。
综上所述，由于本发明采用了上述的技术方案，通过3D打印技术打印出具有空腔的外膜的实体模型，该外膜的实体模型的空腔轮廓与人体器官实质轮廓相同，在将同样采用3D打印技术打印出的器官组件安装在人体实质器官的外膜的实体模型上后，灌入水凝胶溶液并冷却后，拆除外膜的实体模型，最终得到基质为水凝胶溶液，里面包含各个颜色的器官组件的肝脏模型，该肝脏模型透明度高、切割性好、具有一定的弹性，非常适用于进行手术模拟和教学。本发明提供的制备方法简单可行，成本较低，适合在医疗和教学领域推广使用。
应当理解，本文所述的示例性实施例是说明性的而非限制性的。尽管结合附图描述了本发明的一个或多个实施例，本领域普通技术人员应当理解，在不脱离通过所附权利要求所限定的本发明的精神和范围的情况下，可以做出各种形式和细节的改变。
Claims (10)
1.一种人体实质器官模型制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1.获取人体实质器官的图像数据，其中，人体实质器官包括器官实质以及若干组件；
S2.根据人体实质器官的图像数据，通过计算机建立其三维数字模型；
S3.根据所述人体实质器官的三维数字模型，制作器官实质的外膜的三维数字模型；
S4.根据器官实质的外膜的三维数字模型以及人体实质器官的各组件的三维数字模型，使用3D打印机打印出器官实质的外膜的实体模型以及人体实质器官的各组件的实体模型；
S5.将人体实质器官的各组件的实体模型安装在器官实质的外膜的实体模型上；
S6.向器官实质的外膜的实体模型内灌入水凝胶溶液；
S7.待水凝胶溶液冷却凝胶后，移除外膜的实体模型，从而得到带有各组件的人体实质器官的实体模型。
2.按照权利要求1所述的人体实质器官模型制备方法，其特征在于，步骤S1包括，采用医用的CT或MRI医学图像采集设备扫描实体的人体的实质器官，以获取人体实质器官的图像数据。
3.按照权利要求1所述的人体实质器官模型制备方法，其特征在于，器官实质的外膜的三维数字模型与实体模型相对应，且均采用模块化设置。
4.按照权利要求1或3所述的人体实质器官模型制备方法，其特征在于，器官实质的外膜的三维数字模型与实体模型上均设有安装孔和浇灌口。
5.按照权利要求3所述的人体实质器官模型制备方法，其特征在于，打印出器官实质的外膜的实体模型后，在外膜的模块化实体模型内表面涂抹凡士林，并将外膜的实体模型的各模块粘接在一起，从而形成中空的外膜的实体模型。
6.按照权利要求4所述的人体实质器官模型制备方法，其特征在于，按照人体实质器官的结构，利用所述安装孔将人体实质器官的各组件的实体模型安装在器官实质的外膜的实体模型上。
7.按照权利要求1所述的人体实质器官模型制备方法，其特征在于，所述方法还包括：使用3D打印机打印出器官实质的外膜的实体模型以及人体实质器官的各组件的实体模型后，将各实体模型放入清洗溶液中进行超声清洗。
8.按照权利要求7所述的人体实质器官模型制备方法，其特征在于，所述方法还包括：将各实体模型放入清洗溶液中进行超声清洗后，对人体实质器官的各组件使用不同颜色的油性漆进行着色以实现区分。
9.按照权利要求1所述的人体实质器官模型制备方法，其特征在于，若干所述组件包括管道和肿瘤。
10.按照权利要求1所述的人体实质器官模型制备方法，其特征在于，水凝胶溶液冷却至50℃以凝胶。
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