CN107134207B - 一种人体器官三维打印的方法及其模型 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种人体器官三维打印方法及其模型，包括输入人体器官数字化三维模型、对脏器及血管系统处理、拆分脏器外壳、拆分血管及添加连接件、不同血管间连接、添加支撑杆、底座及装配等准备工作后，根据实际需求选择不同的工艺打印脏器外壳、血管系统、外部支撑，最终组装成整体。此方法打印的模型方便拆装、易于观察内部血管系统，脏器采用壳体打印，节省材料及加工时间，提高生产效率，降低产品成本，更有利于人体器官模型在临床上的应用。

Description

一种人体器官三维打印的方法及其模型

技术领域

本发明涉及三维打印领域，特别涉及一种用于手术规划，手术风险分析，手术模拟或练习，教学等用途的人体器官的三维打印的方法及其模型。

背景技术

医生进行外科或介入手术时（比如：器官或肿瘤的切除，或医疗器材的介入或植入人体），需要事先了解血管，器官，肿瘤/占位等的大小、位置及其空间关系，从而评估手术可能的风险，确定能否手术、需要事先采取的措施来阻止或应对潜在的风险。

三维打印的人体器官和模型，已被越来越多地用于教学，医患沟通，风险分析，手术规划等、手术模拟或练习。一些特殊材料打印的模型，甚至可以直接植入人体，作为人体的一部分。

医生和病患对最后模型的基本要求是：能够用不同颜色同时展示器官及其内部组织/血管以便清晰的展示个部分的关系；模型可以任意拆装和测量以便辅助医生找出最佳手续方案；模型打印所要的时间短，模型的费用要尽可能低。

目前的打印技术，主要分为两类，一类是高端打印机，可以同时用不同颜色和物理性质的材料打印同一个器官的不同部分，比如可以将肝脏的肝肝实质用透明色打印，肝内胆管和血管分别用不同颜色和材料打印出来。这样整体打印出来的模型，打印时间长，所用材料多，成本高，同时也只能察看外表，不能拆开观察和测量内部。专利CN 105243945 A介绍了一种肿瘤3D打印网格器官模型的方法，该方法采用的是一体打印，虽然增加了孔洞，但仍然给观察内部带来了不便。也可以将器官整体切成几个部分，再打印，但还是不能满足医生期望的任意切割与检查的要求（多切割，以便找出最好的手术方案）。也有内部器官单个分开打印的，但分开打印之后，要装回去，形成一个整体，将会很困难。另一类打印机是，利用光敏树脂，一次一层地快速打印，价格也非常便宜，但目前只能一次打印一种材料，不太适合有多个材料需要同时打印的情形。

由于目前三维打印的效果还不能很好的满足医生和病患的要求，因此，只是一些复杂的例子，用了三维打印。

发明内容

为了克服现有技术的不足，充分发挥三维打印的潜能，更好地服务医生和病患，本发明提出了一种人体器官三维打印的方法及其模型，以解决上述技术问题。

本发明所提供的一种人体器官三维打印方法及其模型，包括以下步骤：

步骤1：输入人体器官的数字化三维模型，所述三维模型是指利用医学图像处理方法根据原始医学图像信息建立人体器官的数字化三维模型；

步骤2：对脏器及血管系统部分分别处理，脏器部分进行壳拆分处理，血管系统进行分段拆分，脏器外壳与血管系统连接处进行布尔减，得到最终脏器外壳；

步骤3：将脏器外壳分成若干部分；

步骤4：血管拆分部分添加连接件；

步骤5：不同血管间添加连接件；

步骤6：添加外部支撑杆；

步骤7：支撑杆末端添加底座；

步骤8：处理步骤3~步骤7的装配结构；

步骤9：打印脏器壳体、血管系统、支撑杆及底座的模型；

步骤10：依据不同的组织，着上不同的颜色；

步骤11：组装模型；

更进一步，所述脏器外壳拆分将根据以下原则进行：

1）其中的一块或多块，添加2个以上支撑件，用于确定与血管的相对位置，且易于取出及放置；

2）壳的内壁不与血管或管道接触，如果有血管或其他管道经过，所述的壳体被经过部分，需要去除，不予打印；

3）方便拆装，各部分之间可方便拼装成整体、可方便将拼装成的整体拆分成独立的部分。

更进一步，所述血管拆分是指血管可重复拆分与组装，其连接可采用凸轮紧密配合、多边形紧密配合或添加磁铁、不干胶实现粘合的一种或组合方式。

更进一步，所述不同血管间连接用于固定相对位置，可重复拆分与组装，可采用圆柱、凸轮、多边形紧密配合或添加磁铁、不干胶实现粘合的一种或组合方式。

更进一步，所述外部支撑连接部位是血管末端、脏器外壳的一处。

更进一步，所述底座用于连接支撑杆，将整个模型立起来。

更进一步，所述脏器外壳可采用透明、半透明、不透明、孔洞的一种或任意组合的方式打印。

更进一步，所述血管系统可采用不同血管单独打印或完成血管间连接后整体通过实心或空心任一种方式打印。

更进一步，所述着色可采用彩色打印或原色打印后喷涂、颜料染色中的一种或组合。

由于采用了上述技术方案，本发明具有如下有益效果：

本发明提供的一种人体器官三维打印方法及其模型，方便拆装、易于观察内部血管系统，脏器采用壳体打印，节省材料及加工时间，提高生产效率，降低产品成本，更有利于人体器官模型在临床上的应用。以上有益效果使该装置具有更高的使用价值。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例所需使用的附图作简单地介绍，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的方法实现原理流程图；

图2示出了本发明实施例中肝脏与血管系统示意图；

图3示出了本发明实施例中肝脏最终外壳示意图；

图4示出了本发明实施例中肝脏前盖模型示意图；

图5示出了本发明实施例中肝脏后盖整体拆分示意图；

图6 示出了本发明实施例中肝静脉整体模型示意图；

图7 示出了本发明实施例中肝静脉拆分模型示意图；

图8示出了本发明实施例中血管增加连接件模型示意图；

图9示出了本发明实施例中血管完成装配模型示意图；

图10示出了本发明实施例中不同血管间连接模型示意图；

图11示出了本发明实施例中外部支撑与血管末端连接模型示意图；

图12示出了本发明实施例中外部支撑与底座模型示意图；

图13 示出了本发明实施例中组装步骤1安装底座及支撑；

图14 示出了本发明实施例中组装步骤2在支撑上安装血管；

图15 示出了本发明实施例中组装步骤3安装血管分支；

图16 示出了本发明实施例中组装步骤4安装其它血管；

图17 示出了本发明实施例中组装步骤5安装肝脏外壳前盖；

图18 示出了本发明实施例中组装步骤6安装肝脏外壳后盖。

具体实施方式

为了使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面以肝脏为例，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地描述。

如图1所示的流程图为本发明的方法实现原理流程图。

如图2所示，利用现有的三维重建软件，根据 CT图像建立肝脏的数字化三维模型；

将肝脏进行抽壳，厚度设置为2mm，并与血管系统进行布尔减，得到如图3所示肝脏外壳模型；

外壳拆分：外壳分为四部分，分别为如图4所示的前盖、如图5所示的后左盖、后右盖及去除部分，其中前盖添加两个支撑，用于固定与血管的相对位置；前盖与后盖通过孔隙的方式来实现装配配合；后盖有血管经过的部分，需要去除，如图5中间模型图所示。

血管拆分：血管按主干及分支，拆分成多个部分，如图6所示是肝静脉的整体模型图，图7分别是拆分肝静脉一个分支、拆分肝静脉两个分支的示意图，其余各血管均采用此方法拆分；

添加血管连接件：如图8所示，本案例采用凸轮紧密配合连接，凸轮凸出部分用于固定血管分支与主干间的位置关系，不产生旋转；其中血管一端增加凸轮结构，另一端则减去相应血管凸出凸轮部分，二者则可产生紧密配合；图9则展示了血管的装配。

血管间连接：如图10所示，肝动脉与肝静脉间，通过凸轮方式连接，其原理与血管连接一致，不同血管之间需要通过添加连接件来固定它们之间的位置关系，以保持模型的准确性。

外部支撑杆：如图11所示，本实施例中，在血管末端增加外部支撑杆，血管做沉孔结构，沉孔尺寸与支撑杆盈余配合，方便取出与放置。

添加底座：如图12所示，支撑杆一端连接血管，另一端连接底座。

将以上各部分打印出来，其中肝脏外壳采用透明材料打印，血管采用本色材料打印，打印好后按不同血管类型，着上不同颜色，以便区分；外部支撑杆及底座则采用本色，可不着色。

组装模型：

如图13所示，先安装底座及支撑杆；如图14所示，安装与支撑杆相连接的血管主干；如图15所示，把血管分支装上；如图16所示，把其它血管按实际位置安装；如图17所示，肝脏前盖通过两个支撑柱安装在血管上，并固定好二者的位置关系；如图18所示，安装肝脏后盖，至此已完成整个肝脏模型的组装。

本发明的优点在于，本发明提供的人体器官三维打印方法及其模型方便拆装、易于观察内部血管系统，脏器采用壳体打印，节省材料及加工时间，提高生产效率，降低产品成本，更有利于人体器官模型在临床上的应用。

虽然结合附图描述了本发明的实施方式，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下做出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。

Claims (8)

1.一种人体器官三维打印方法，所述人体器官为数字化人体器官三维模型，所述三维模型是指利用医学图像处理方法根据原始医学图像信息建立人体器官的数字化三维模型，其特征在于包括以下步骤：

步骤1：输入人体器官的数字化三维模型；

步骤2：对脏器及血管系统部分分别处理，脏器部分进行抽壳处理，将实体脏器转换为壳体，然后再对壳体拆分处理，血管系统进行切割及分段拆分，脏器外壳与血管系统连接处进行布尔减，得到最终脏器外壳；

步骤3：将脏器外壳分成若干部分，所述脏器外壳拆分将根据以下原则进行：

1)其中每块至少添加2个支撑件，用于确定与血管的相对位置，且易于取出及放置；

2)壳的内壁不与血管或管道接触，如果有血管或其他管道经过，所述的壳体被经过部分，需要去除，不予打印；

3)方便拆装，各部分之间可方便拼装成整体、可方便将拼装成的整体拆分成独立的部分；

步骤4：血管拆分部分添加连接件；

步骤5：不同血管间添加连接件；

步骤6：添加外部支撑杆，所述外部支撑杆一端连接血管末端；

步骤7：所述外部支撑杆末端添加底座，所述外部支撑杆另一端连接底座；

步骤8：处理步骤3～步骤7的装配结构；

步骤9：打印脏器外壳、血管系统、支撑杆及底座的模型；

步骤10：依据不同的组织，着上不同的颜色；

步骤11：组装模型；

根据实际需要，可选择若干或全部步骤以实现本方法。

2.根据权利要求1所述的一种人体器官三维打印方法，所述数字化三维模型包括脏器及血管系统。

3.根据权利要求1所述的一种人体器官三维打印方法，所述血管拆分是指血管可重复拆分与组装，其连接可采用凸轮紧密配合、多边形紧密配合或添加磁铁、不干胶实现粘合的一种或组合方式。

4.根据权利要求1所述的一种人体器官三维打印方法，所述不同血管间连接用于固定相对位置，可重复拆分与组装，可采用圆柱、凸轮、多边形紧密配合或添加磁铁、不干胶实现粘合的一种或组合方式。

5.根据权利要求1所述的一种人体器官三维打印方法，所述底座用于连接外部支撑杆，将整个模型立起来。

6.根据权利要求1所述的一种人体器官三维打印方法，所述脏器外壳可采用透明、半透明、不透明、孔洞的一种或任意组合的方式打印。

7.根据权利要求1所述的一种人体器官三维打印方法，所述血管系统可采用不同血管单独打印或完成血管间连接后整体通过实心或空心任一种方式打印。

8.根据权利要求1所述的一种人体器官三维打印方法，着色可采用彩色打印或原色打印后喷涂、颜料染色中的一种或组合。

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