CN107049485A - 一种具有空腔结构的组织模型的制备方法及组织模型 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具有空腔结构的组织模型的制备方法及组织模型，该方法包括：针对具有空腔结构的目标组织，获得与组织的轮廓形状和尺寸相同的第一三维几何模型；根据组织的壁厚，在径向上对第一三维几何模型进行缩小，得到第二三维几何模型；按照第二三维几何模型制作支架；按照组织的壁厚，将用于制作组织模型的材料涂覆于支架的表面；待材料固化后除去支架，得到具有空腔结构的组织模型。本发明针对具有空腔结构的组织，通过尺寸设计可得到精确度高、尺寸接近于真实组织的组织模型，由于组织模型是通过涂覆方式获得，所以组织模型的材质不会受到传统3D打印机耗材的限制，实现了可选用任意合适材料来制备组织模型的目的。

Description

一种具有空腔结构的组织模型的制备方法及组织模型

技术领域

本发明涉及医疗器具领域，尤其涉及一种具有空腔结构的组织模型的制备方法及组织模型。

背景技术

显微外科手术是近年来针对体内组织病变的主要治疗方法之一，尤其对于肿瘤(例如动脉瘤)的治疗。动脉瘤是由于动脉壁的病变或损伤，形成动脉壁局限性或弥漫性扩张或膨出的表现，以膨胀性、搏动性肿块为主要表现，可以发生在动脉系统的任何部位。临床上对于动脉瘤病症多采用动脉瘤夹闭术，目前的动脉瘤夹闭术中使用的动脉瘤夹存在各种规格以满足临床需要，医生在手术过程中，可以针对瘤体的大小和形态对动脉瘤夹进行选择，但是这一选择过程不仅耗时，而且大大增加了手术感染的风险。为改善这一问题，可在手术前预先制作个性化动脉瘤(包括血管)模型，以便于医生在手术前了解病人动脉瘤的情况，包括大小、位置、以及与载瘤动脉的关系等，为动脉瘤夹的选择提供更多依据，进而提高手术的成功率。

现有技术中，制作动脉瘤等组织模型的方法是，基于病人的三维血管影像学数据，提取动脉瘤及载瘤动脉的大小和形状，并根据临床提供的动脉瘤和载瘤动脉的壁厚，利用3D打印技术，获得符合临床实际情况的个性化的空腔动脉瘤模型。3D打印具有良好的精确度，但是由于制备材料受3D打印机耗材的限制，使得实际打印出来的组织模型质地偏硬，在触感上和动脉瘤夹闭演练效果上与真实动脉瘤之间存在较大的差异。为了解决这一问题，发明人想到采用先制备组织模型支架，然后在组织模型支架上进行涂覆，去除支架后即可获得目标组织模型的方法。但是在制备过程中，如果按照现有技术对组织进行三维重建之后直接进行打印，会导致最终得到的组织模型在尺寸上与真实组织存在较大误差，以至于影响医生在临床上关于动脉瘤的判断以及对动脉瘤夹的选择，进而增加了手术的风险。

发明内容

技术问题

有鉴于此，本发明要解决的技术问题是，针对具有空腔结构的组织，如何提高组织模型的制作精度，同时拓宽组织模型材料的可选范围，使组织模型的制备材料不受到传统3D打印机耗材的限制。

解决方案

一方面，提出了一种具有空腔结构的组织模型的制备方法，所述方法包括：针对具有空腔结构的目标组织，获得与组织的轮廓形状和尺寸相同的第一三维几何模型；根据所述组织的壁厚，在径向上对所述第一三维几何模型进行缩小，得到第二三维几何模型；按照所述第二三维几何模型制作支架；按照所述组织的壁厚，将用于制作所述组织模型的材料涂覆于所述支架的表面；待所述材料固化后除去所述支架，得到所述具有空腔结构的组织模型。

在一种可能的实现方式中，针对具有空腔结构的目标组织，获得与组织的轮廓形状和尺寸相同的第一三维几何模型，包括：获取所述组织的三维组织影像学数据，对所述三维组织影像学数据进行三维重建，获得与组织的轮廓形状和尺寸相同的第一三维几何模型。

在一种可能的实现方式中，根据所述组织的壁厚，在径向上对所述第一三维几何模型进行缩小，得到第二三维几何模型，包括：针对所述第一三维几何模型的各个位置，将所述第一三维几何模型的径向尺寸缩小，缩小的幅度与该位置处所述组织的壁厚相等。

在一种可能的实现方式中，所述组织模型的材料包括：硅橡胶。硅橡胶可以使制得的组织模型在物理性能(例如柔软程度、弹性、韧性等)和触感上都更接近真实组织，有利于医生更精确地进行手术模拟、术前演练等。

在一种可能的实现方式中，按照所述第二三维几何模型制作支架，包括：采用3D打印技术打印所述第二三维几何模型，以得到所述支架。

在一种可能的实现方式中，按照所述组织的壁厚，将用于制作所述组织模型的材料涂覆于所述支架的表面，包括：将用于制作所述组织模型的材料逐层涂覆于所述支架的表面。

在一种可能的实现方式中，按照所述组织的壁厚，将用于制作所述组织模型的材料涂覆于所述支架的表面，包括：将所述支架旋转，使得用于制作所述组织模型的材料均匀涂覆于所述支架的表面。

在一种可能的实现方式中，待所述材料固化后除去所述支架，得到所述具有空腔结构的组织模型，包括：待所述材料固化后，将涂覆有所述材料的支架置于能够溶解所述支架的有机溶剂中，待支架溶解于有机溶剂后，得到所述组织模型。

在一种可能的实现方式中，所述具有空腔结构的目标组织包括以下中的一种或多种：血管、肿瘤、内脏和载瘤血管。

在一种可能的实现方式中，所述支架的材料包括树脂或ABS塑料。

另一方面，提出了一种根据上述方法所获得的组织模型。

又一方面，提出了一种根据上述的组织模型在手术模拟、手术评估、手术规划、手术入路设计、临床教学中的应用。

有益效果

本发明针对具有空腔结构的组织，通过尺寸设计可得到精确度更高、在尺寸更接近于真实组织的组织模型，以供医生作为手术前的参考及模拟实验，从而有助于医生更直观地进行术前规划、手术方案设计、手术入路设计和手术模拟等，以利于精准手术，降低手术风险，具有很好的临床应用价值。

另外，本发明的方法是先制作支架，再将用于制作组织模型的材料涂覆于支架上，最后将支架除去以获得组织模型。由于组织模型是通过涂覆方式获得，所以组织模型的材质不会受到传统3D打印机耗材的限制，实现了可选用任意合适材料来制备组织模型的目的。

进一步地，通过对涂覆材料的选择，可使得制备出的组织模型在材质触感反馈等方面更接近于真实组织。

根据下面参考附图对示例性实施例的详细说明，本发明的其它特征及方面将变得清楚。

附图说明

包含在说明书中并且构成说明书的一部分的附图与说明书一起示出了本发明的示例性实施例、特征和方面，并且用于解释本发明的原理。

图1示出根据本发明一实施例的具有空腔结构的组织模型的制备方法的流程图。

图2示出根据本发明一实施例的具有空腔结构的组织模型的制备方法的另一流程图。

图3示出根据本发明一实施例的根据具有空腔结构的组织模型的制备方法所获得的组织模型示意图。

具体实施方式

以下将参考附图详细说明本发明的各种示例性实施例、特征和方面。附图中相同的附图标记表示功能相同或相似的元件。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。

在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。

另外，为了更好的说明本发明，在下文的具体实施方式中给出了众多的具体细节。本领域技术人员应当理解，没有某些具体细节，本发明同样可以实施。在一些实例中，对于本领域技术人员熟知的方法、手段、元件和电路未作详细描述，以便于凸显本发明的主旨。

实施例1

图1示出根据本发明一实施例的具有空腔结构的组织模型的制备方法流程图。如图1所示，该方法主要可以包括：

步骤101，针对具有空腔结构的目标组织，获得与组织的轮廓形状和尺寸相同的第一三维几何模型；

步骤102，根据所述组织的壁厚，在径向上对所述第一三维几何模型进行缩小，得到第二三维几何模型；

步骤103，按照所述第二三维几何模型制作支架；

步骤104，按照所述组织的壁厚，将用于制作所述组织模型的材料涂覆于所述支架的表面；

步骤105，待所述材料固化后除去所述支架，得到所述具有空腔结构的组织模型。

本发明首先根据组织的壁厚，制作小于组织的尺寸的支架，再按照组织的壁厚，将用于制作组织模型的材料涂覆于所述支架的表面，待该材料固化后除去所述支架，得到精确度更高、在尺寸上更接近于真实组织的组织模型，以供医生作为手术前的参考及模拟实验，从而有助于医生更直观地进行术前规划、手术方案设计、手术入路设计和手术模拟等，以利于精准手术，降低手术风险，具有很好的临床应用价值。

在步骤101中，针对具有空腔结构的目标组织，可通过本领域技术人员已知的方法获得与组织的轮廓形状和尺寸相同的第一三维几何模型。在一种可能的实现方式中，如图2所示，步骤101可以包括：

步骤201，获取所述组织的三维组织影像学数据；

例如，可对患者做影像学检查，可以采用三维血管造影(3D-CTA)薄层扫描，获得关于组织的3D-CTA数据。

步骤202，对所述三维组织影像学数据进行三维重建，获得与组织的轮廓形状和尺寸相同的第一三维几何模型。

例如，可以将获得的关于组织的3D-CTA数据输出为DICOM格式的文件，再将该DICOM格式的文件导入医学影像控制系统中，例如MIMICS等，以便于对其进行三维重建。具体的重建过程可以包括：对导入的DICOM格式的文件的影像进行定位，包括上下左右四个方位；分别基于不同的方位对影像中的组织信息进行提取，再根据提取的组织信息经3D计算获得与组织的轮廓形状和尺寸相同的第一三维几何模型。换言之，该第一三维几何模型与影像中的组织，在轮廓形状和尺寸上的比例为1:1。

在一个示例中，对影像中的组织信息进行提取可以包括：采用基于阈值的灰度图像分割方法，由于不同组织的灰度值不同，通过设定阈值，可以使希望获得的组织与其他组织(例如骨组织、软组织等)分离，再对分离后的图像进行处理，该处理可以包括通过剪裁和/或擦除的方式将除希望获得的组织之外的其他组织去除，仅保留希望得到的组织。

通过上述方法对组织信息进行提取，可以去除无关的冗余信息，排除其他组织的干扰，得到针对性强且直观的第一三维几何模型。

在一个具体的应用示例中，以提取动脉瘤信息为例，可设定阈值约为1100HU-1200HU(CT值)，可以将动脉瘤和载瘤动脉与其他软组织(例如肌肉等)分离，通过擦除和/或裁剪的方式将其他软组织去除，仅保留动脉瘤和载瘤动脉。

在一种可能的实现方式中，步骤102可以包括：

针对所述第一三维几何模型的各个位置，将所述第一三维几何模型的径向尺寸缩小，缩小的幅度与该位置处所述组织的壁厚相等。

具体地，可以将步骤101中获得的第一三维几何模型转换为STL格式的文件，再将该STL格式的文件导入正向工程软件中，例如3-MATIC等，根据组织的壁厚，可以利用该软件使第一三维几何模型的各个位置的径向尺寸缩小，缩小幅度等于相应位置处组织的壁厚，也就是说，可以在第一三维几何模型的表面向内径方向除去组织的壁厚的部分。换言之，经缩小后的第一三维几何模型的各个位置的径向尺寸可与所述组织的相应位置的腔内的径向尺寸相同。经缩小后的第一三维几何模型可作为第二三维几何模型。

通过上述方法得到的第二三维几何模型，相比于与组织的轮廓形状和尺寸相同的第一三维几何模型有所缩小，且缩小的幅度与所述组织相等或接近，也就是说，假设将所述组织贴覆于第二三维几何模型表面的话，贴覆后的整体的轮廓形状和尺寸可以与第一三维几何模型相同或接近，由于第二三维几何模型的各个位置处的径向尺寸等于或接近于所述组织的相应位置处的腔内的径向尺寸，可以使后续制作出的组织模型的精确度更高，更接近于真实组织的轮廓形状和尺寸。

在一种可能的实现方式中，所述组织可以包括以下中的一种或多种：血管(例如动脉瘤血管)、内脏(例如胃、膀胱和直肠等)和肿瘤(例如动脉瘤，优选为载瘤血管，包括但不限于：脑动脉瘤，腹主动脉瘤，胸主动脉瘤，内脏动脉瘤(如：肠系膜上动脉瘤、肝动脉瘤、脾动脉瘤、肾动脉瘤等)，周围动脉瘤(如锁骨下动脉瘤、肱动脉瘤、股动脉瘤、腘动脉瘤)等)等。组织的壁厚可根据本领域技术人员已知的方法来获得，举例来说，血管的壁厚可以通过高分辨率的核磁共振技术来获得；内脏等的壁厚可以通过3D-CTA的显影来获得，本发明对此不作限制。以组织为颅内的动脉瘤为例，载瘤动脉的直径和壁厚根据颅内的动脉分段不同而有所不同，例如男性颈动脉的直径约为5.11±0.87mm；女性颈动脉的直径约为4.66±0.78mm；男性颈总动脉的直径约为6.52±0.98mm；女性颈总动脉的直径约为6.10±0.80mm；右侧大脑前动脉的直径约为2.8mm；左侧大脑前动脉的直径约为2.9mm；大脑中动脉的直径约为3-5mm；右侧大脑后动脉的直径约为2.1-2.75mm；左侧大脑后动脉的直径约为1-2.5mm；基底动脉的直径约为3-7mm(平均约为4.3mm)。颅内动脉瘤主要好发于大脑动脉环(威利斯环、Willis环)位置，包括前交通动脉、双侧大脑前动脉近侧段、颈内动脉分叉部、双侧后交通动脉、基底动脉顶端和双侧大脑后动脉近侧段，这些动脉血管的直径约为2.8-5mm，壁厚约为0.5mm-0.7mm。动脉瘤的壁厚也可通过高分辨率的核磁共振结合临床经验分析得到。通常情况，动脉瘤按照直径分为：小动脉瘤(直径小于0.5cm)、一般动脉瘤(直径约为0.5cm-1.5cm)、大动脉瘤(直径约为1.5cm-2.5cm)和巨大动脉瘤(直径大于2.5cm)。

在一种可能的实现方式中，步骤103可以包括：

采用3D打印技术打印所述第二三维几何模型，以得到所述支架。

具体地，3D打印技术是快速成型技术的一种，它是以数字模型文件为基础，运用粉末状金属、树脂等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。在一个示例中，利用3D打印技术以第二三维几何模型为基础，打印出第二三维几何模型的实体模型，以作为用于制作组织模型的支架。在一个示例中，所述支架的材料包括树脂例如ABS树脂等，换言之，3D打印的材料可以为树脂例如ABS树脂等。对于选择ABS树脂作为打印材料，可以选择工艺熔融沉积制造(FDM)3D打印机进行打印。

通过采用3D打印技术可以将虚拟的第二三维几何模型打印成实体的支架，基于该支架，可以将用于制作组织模型的材料涂覆于该支架的表面，进而得到组织模型。

在一种可能的实现方式中，步骤104可以包括：

按照所述组织的壁厚，将用于制作所述组织模型的材料涂覆于所述支架的表面。

具体地，可以将可用于制作组织模型的材料涂覆于支架的表面，并且使支架表面的各个位置处涂覆的厚度等于所述组织相应位置处的壁厚。在一个示例中，可以将用于制作所述组织模型的材料逐层涂覆于所述支架的表面，例如可以采用逐层涂覆的方式根据所述支架的位置来确定涂覆的层数优选地，可以使所述支架的病灶位置的涂覆层数与其他位置(除病灶位置以外的位置)的涂覆层数不同，通过控制涂覆的层数可以控制涂覆于所述支架表面上的厚度。在另一个示例中，可以将所述支架旋转，使得用于制作所述组织模型的材料均匀涂覆于所述支架的表面。例如可以采用自动化涂抹的机器来对所述支架的表面进行涂覆，具体地，可以使所述支架旋转，调节自动化涂抹的机器的流速和流量，以使得所述材料均匀涂覆于支架的表面。本领域技术人员可根据实际需要对所述支架进行涂覆，以便于后续制作组织模型。本发明对采用何种方式(例如机器或人工等)进行涂覆，以及如何控制涂覆的厚度均不做限制。

在一种可能的实现方式中，用于制作组织模型的材料可以包括：硅橡胶。以所述组织为血管瘤为例，可以选择韧性、弹性和柔软度等特性均与实际的血管材料较为相近的材料，例如硅胶(M8012)等。通过对涂覆于支架的表面上的材料的厚度进行控制，可以使涂覆的厚度等于或接近于真实组织的壁厚，以便于除去所述支架后，可以得到精度更高、更接近于真实组织尺寸的组织模型。通过选择韧性、弹性和柔软度等特性均与真实的组织较为相近的材料，可以使制作出的组织模型与真实组织的特性(例如材质触感反馈等)更为相近。根据该实施例制作出的组织模型无论从轮廓形状和尺寸方面以及特性方面(例如材质触感反馈等)都更接近于真实的组织(例如人体组织等)。

在一种可能的实现方式中，步骤105可以包括：

待涂覆于支架表面的材料固化后，将涂覆有该材料的支架置于能够将支架溶解的有机溶剂中，待支架溶解于有机溶剂后，得到具有空腔结构的组织模型。

具体地，可以根据所述支架的材料选择可以将所述支架溶解的有机溶剂，同时确保组织模型材料不能溶解于该有机溶剂中。在步骤104之后，待涂覆于支架表面的用于制作组织模型的材料固化后，将涂覆有所述材料的支架置于前述选择好的有机溶剂中，待支架完全溶解于有机溶剂后，可以得到具有空腔结构的组织模型，该模型的轮廓形状和尺寸，以及韧性、弹性和柔软度等特性(例如材质触感反馈等)均与真实的组织更为相近。在一个示例中，有机溶剂可以是二甲苯等。

通过上述示例性方法制作得到的组织模型，根据组织的壁厚，制作小于组织的尺寸的组织模型的支架，再按照组织的壁厚，将用于制作组织模型的材料涂覆于支架的表面，待所述材料固化后，利用可将支架溶解的溶剂将支架溶解，待除去支架后，得到精确度更高、更接近于真实组织尺寸的组织模型。其中涂覆于支架表面的用于制作组织模型的材料还可以选择韧性、弹性和柔软度等特性均与真实的组织较为相近的材料，以便于制作出的组织模型的特性更接近真实组织(例如人体组织等)的特性(例如材质触感反馈等)，以供给医生作为手术前的参考及模拟实验，从而有助于医生更直观地进行术前规划、手术方案设计、手术入路设计和手术模拟等，以利于精准手术，降低手术风险，具有很好的临床应用价值。

实施例2

本发明的另一实施例还提出了一种具有空腔结构的组织模型的示意图，该组织模型是根据实施例1中所述的方法制作得到的。

图3示出了根据本发明一示例制作得到的组织模型，该示例中选择光敏树脂作为支架的材料，以二甲苯和氢氧化钠作为溶剂，选择硅胶(M8012)作为组织模型的材料，采用实施例1中的方法制作出的组织模型，包括它的轮廓形状和尺寸以及例如材质触感反馈等特性均与真实的组织较为接近，便于供给医生作为手术前的参考和模拟实验，从而有助于医生更直观地进行术前规划、手术方案设计、手术入路设计和手术模拟等，以利于精准手术，降低手术风险。该组织模型可以是包括血管和血管瘤的动脉瘤模型。

本发明还提出了一种根据上述的组织模型在手术模拟、手术评估、手术规划、手术入路设计、临床教学中的应用。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (11)

1.一种具有空腔结构的组织模型的制备方法，其特征在于，所述方法包括：

针对具有空腔结构的目标组织，获得与组织的轮廓形状和尺寸相同的第一三维几何模型；

根据所述组织的壁厚，在径向上对所述第一三维几何模型进行缩小，得到第二三维几何模型；

按照所述第二三维几何模型制作支架；

按照所述组织的壁厚，将用于制作所述组织模型的材料涂覆于所述支架的表面；

待所述材料固化后除去所述支架，得到所述具有空腔结构的组织模型。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，针对具有空腔结构的目标组织，获得与组织的轮廓形状和尺寸相同的第一三维几何模型，包括：

获取所述组织的三维组织影像学数据；

对所述三维组织影像学数据进行三维重建，获得与组织的轮廓形状和尺寸相同的第一三维几何模型。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据所述组织的壁厚，在径向上对所述第一三维几何模型进行缩小，得到第二三维几何模型，包括：

针对所述第一三维几何模型的各个位置，将所述第一三维几何模型的径向尺寸缩小，缩小的幅度与该位置处所述组织的壁厚相等。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述组织模型的材料包括：硅橡胶。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，按照所述第二三维几何模型制作支架，包括：

采用3D打印技术打印所述第二三维几何模型，以得到所述支架。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，按照所述组织的壁厚，将用于制作所述组织模型的材料涂覆于所述支架的表面，包括：

将用于制作所述组织模型的材料逐层涂覆于所述支架的表面。

7.根据权利要求要求1所述的方法，其特征在于，按照所述组织的壁厚，将用于制作所述组织模型的材料涂覆于所述支架的表面，包括：

将所述支架旋转，使得用于制作所述组织模型的材料均匀涂覆于所述支架的表面。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，待所述材料固化后除去所述支架，得到所述具有空腔结构的组织模型，包括：

待所述材料固化后，将涂覆有所述材料的支架置于能够溶解所述支架的有机溶剂中，待支架溶解于有机溶剂后，得到所述组织模型。

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述具有空腔结构的目标组织包括以下中的一种或多种：血管、肿瘤、内脏和载瘤血管。

10.一种根据权利要求1-9中任意一项所述的方法所获得的组织模型。

11.一种根据权利要求10所述的组织模型在手术模拟、手术评估、手术规划、手术入路设计、临床教学中的应用。