CN107452266B - 制造模型的方法和模型 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种制造模型的方法和相应的模型，该模型类似于人或动物的器官或组织，该模型包括至少一个具有至少一个类组织特性的第一区域和至少一个具有连接到其上的多个中空分支的空腔，多个中空分支中的至少一些形成为使得其突出到所述具有类组织特性的第一区域中。本发明还涉及一种制造上述第一结构的制造模型的方法。

Description

制造模型的方法和模型

技术领域

本发明涉及一种制造类似于人类或动物器官或组织的模型(模型)的方法，模型包括至少一个具有至少一个类组织特性的第一区域和至少一个具有连接到其上的多个中空分支的空腔，多个中空分支中的至少一些形成为使得其突出到所述具有类组织特性的第一区域中；以及涉及一种对应的模型。

背景技术

解剖学正确的身体部位如器官或关节的生产是已知的。这些身体部位通常由外科医生和/或教师使用，以便解释所关注的身体部位的功能以及可能存在缺陷，例如破裂的韧带或肿瘤，会存在于身体什么部位，以及为什么需要解决这个缺陷。

然而，这些模型通常由刚性塑料材料制成，因此在对其进行操作时不会感觉到这个身体部位能传到出什么感觉。

此外，当所关注的身体部位具有存在于其中的空腔(例如血管)时，其通常不形成为中空空间，而是由一块材料形成。因此，这种身体部位的解剖学正确模型不能用于外科医生和学生的关于如何实施医疗程序的医学培训，例如，如何使用医疗植入物对所述身体部位进行手术或诊断。

相反，外科手术训练辅助器是已知的可以用于外科医生的训练。这些训练辅助装置通常具有类似于相关身体部位的外形；然而，形成于其中的空腔通常由至少一个气囊形成，因此不会产生高度的解剖学正确性，因此，诸如为了放射学训练的目的，肾脏中的肾盏不容易被识别。

此外，这些培训辅助材料通常不是由外科医生能获得正确的器官感觉的材料制成的，因为用于制造这些模具的材料的弹性模量与真实器官的弹性模量不同。

发明内容

为此，本发明的目的是提供一种解剖学正确的模型，其不仅具有解剖学上正确的外部形状，而且还包括解剖学上正确的内部结构，例如空腔，使得模型可以可靠地用作手术培训辅助工具。本发明的另一个目的是提供一种解剖学上正确的模型，其同时也复制了相关器官的至少一些特性。本发明的又一个目的是提供一种在精力和成本方面要求较低的制造方法。

这些目的通过如本文所述的制造模型的方法和相应的模型来满足。

根据本发明提供的制造类似于人或动物器官或组织的模型的方法，所述模型包括至少一个具有至少一个类组织特性的第一区域和至少一个具有连接到其上的多个中空分支的空腔，多个中空分支中的至少一些形成为使得其突出到所述具有类组织特性的第一区域中，该方法包括以下步骤：

制造具有与所述至少一个空腔的形状和连接到所述至少一个空腔的多个分支的内部形状相似的至少一个第一结构；

将所述第一结构放置在具有与所述模型的外部形状相似的内部形状的模型模具中；

用具有所述至少一个类组织特性的材料填充所述模型模具以形成所述模型；

从所述模型移除所述第一结构，以在所述模体内形成所述具有连接到其的多个中空分支的空腔。

通过在形成解剖学正确的模型外部形状的模具中提供解剖学正确的第一结构，从而可以获得不仅具有解剖学上正确的外部形状而且具有解剖学正确的内部形状的模型。

这样的制造方法实现简单，例如，模型模具可以重复使用多次。

优选地，制造至少一个第一结构的步骤，包括从真实动物或人体器官的医学成像装置，优选CT图像数据，准备图像数据的步骤，并根据所获得的图像数据设计第一结构。优选地，第一结构的分辨率的限制由用于提供与第一结构有关的图像数据的医学成像装置的空间分辨率来定义。在这方面应当注意，医学成像数据可以由MRI装置，CT扫描仪，PET，X射线装置和超声装置中的至少一个来提供。

类似地，也可以参考使用医学成像装置获得的相关真实器官的数据来设计模型模具。

优选的，该方法进一步包括以下步骤：

在所述模型模具中提供至少一个第二结构，该至少一个第二结构选自由至少以下成员之一构成的组中：肿瘤、过渡区、至少一个石块，例如肾结石，形成至少一个血管或互连血管网络的结构，形成另一空腔的结构，神经或互连神经的模型，假体或至少一种医学植入物，且所述至少一个第二结构的材料优选的为非水溶性和水溶性之一。

因此，不仅可以提供解剖学正确的模型，而且可以提供具有肿瘤的模型，外科医生可以在模型上进行肿瘤去除手术。

此外，肿瘤还可以具有不同的材料性质，使得模型也可以用于例如放射科医生的诊断训练。

有利的是，从所述模型去除第一结构的步骤通过施加热、使用溶剂其中至少之一并且由于用于第一结构的材料与所述具有至少一个类组织特性的材料之间的反应性差异而实现。

使用例如蜡材料或低熔点金属(例如镓)以形成第一结构和可选的第二结构，意味着它们可以在施加热量和施加溶剂(仅为可选的)时被除去，使得水基化合物可以用作形成模型的材质。水基化合物通常具有类似于人类器官的性质，因为它们通常包含70％至98％的水。可以使用具有不同熔点的材料分别形成第一结构和第二结构，并且温度差异有助于顺序地去除材料。因此，第一结构和第二结构的空腔被保留并由不同的材料模制。

使用例如碳酸钙作为形成第一结构的材料，使得由于其与酸性溶液的反应性而可以除去第一结构以形成可溶性产物和气体，但是模型和第二结构的材料由于其对酸的反应性低而将被保留。

以这种方式，第一结构和第二结构可以分别以可以从模型移除的蜡插入件的形式提供。或者，仅第一结构由水不溶性(非水溶性)材料制成，第二结构由水溶性材料形成以模仿肿瘤。

如果第二结构的熔化温度不同于第一结构的熔化温度，则也是有益的。通过这种方式，因为被加热到更高或更低的温度，可以在模具内形成具有不同材料性质的腔壁的空腔。如此，举例来说，相对于类似神经或其他类型空腔的区域，具有较高弹性的血管可以在模型内形成。

关于此方面，优选的是，第一结构的材料是非水溶性的，例如，蜡，低熔点金属如镓，并且该具有至少一种类组织特性的材料是水溶性的，例如琼脂糖凝胶、明胶、胶原蛋白、弹性蛋白、PEG(聚乙二醇)。

优选地，可使用3D打印机形成模型模具、第一结构和第二结构中的至少一个。

3D打印机可用于生产小型结构件，因此可用于制造类似于人体或动物体部位的解剖学上正确的结构。然后通过所使用的3D打印机的分辨率来限定形成模型的插入件或外部形状形的插入件或模具的分辨率。这通常优于用于设计相应部分，例如第一结构、第二结构或模型模具的图像数据的分辨率。

有利地，第一结构和第二结构中的至少一个是在模具中形成。在模具中形成嵌入模型的结构意味着可以以非常经济有效且时间有效的方式生产这些结构。这是因为该结构的材料可以例如只需简单的将其倒入模具中固化，然后从模具中取出。此外，使用模具也使得结构件的生产耗时更少且重复性高。

优选地，该第一结构的平均均方根误差小于2mm，优选地小于0.5mm。如此，可以获得解剖学正确的第一结构。并且当第一结构被插入模具中并且随后从模具中移除时，解剖学上正确的空腔可以在模型内形成。

优选地，基于从CT扫描仪获得的数据为基础设计第一结构，并且使用CT扫描仪同样地扫描完成的第一结构和/或模型，将扫描的第一结构的图像数据与用于设计第一结构的图像数据进行比较，以获得平均均方根误差的数据。

应当注意，也可以使用诸如MRI，PET，超声和X射线等其它医学成像装置来设计模型模具的第一结构或第二结构的形状。

有益的是，选择所述具有至少一种类组织特性的材料，使得所述至少一种类组织特性再现器官中发现的相应组织的机械性能、在MRI、CT、X射线或超声成像中的成像对比度、光学性质、视觉外观、组织或器官的电磁辐射吸收、组织或器官的声波吸收、组织或器官的触觉特性以及弹性模量其中至少之一。

对于嵌入模型中的第二结构，如果是肿瘤，也可以选择以上相同的材料属性。因此，用于第二结构的材料具有至少一种特性，可以再现器官中发现的相应组织或者缺陷(例如肿瘤)的机械性能、在MRI、CT、X射线或超声成像中的成像对比度、光学性质、视觉外观、组织或器官的电磁辐射吸收、组织或器官的声波吸收、组织或器官的触觉特性以及弹性模量其中至少之一。

通过包括至少一种具有这些性质中的至少一些的材料或材料的混合物，可以根据模型的具体应用来定制模型的属性。

例如，如果将模型用作诊断训练辅助装置，则将具有特别良好成像特性的材料结合到模型中是有益的。

同样地，如果该训练辅助用作外科手术训练辅助，则可以选择组织的弹性模量以对应于器官中发现的相应组织的器官的弹性模量，且嵌入其中的例如肿瘤之类的弹性模量也可被选择以使得其感觉像一个肿瘤，例如，包括比形成模型的体材料的类组织材料更致密的材料。

优选地，具有至少一种类组织特性的材料和/或形成第二结构的材料包括形成均匀或不均匀混合物的混合物，其可再现器官组织的进一步特征，例如，吸光度，电磁辐射或声波的散射，或其视觉外观。

这些特性可以通过诸如核磁共振(MRI)、CT扫描仪和X线设备或者超声设备之类的成像装置检测到。

有利地，本发明还包括一种制造用于制造至少一个第一结构的第一结构模具，其中所述第一结构具有类似于至少一个用于制造模型的空腔和连接到所述空腔的多个分支的内部的形状的形状。该方法可以有效的与前述方法结合使用。

在任何情况下，制造用于第一结构的模具的方法包括以下步骤：

产生所述第一结构的正插塞，例如，使用3D打印；

用弹性材料，例如

(Smooth-on公司，美国)涂覆所述正插塞以形成一旦固化便保持所述正插塞外缘曲线的第一结构模具；

机械地去除固化的所述第一结构模具，例如通过从第一结构剥离第一结构模具；

用材料，例如蜡材料填充所述第一结构模具以形成所述第一结构(18)；和

从所述第一结构模具移除所述第一结构，例如从第一结构剥离所述第一结构模具。

如此，可以提供解剖学上正确的插入物以产生解剖学上正确的模型。同样可以根据如上所述使用CT扫描器或其他成像数据获得的数据设计正插塞。

在另一方面，本发明涉及一种具有至少一个类组织特性的第一区域和至少一个具有连接到其上的多个中空分支的空腔的模型，所述模型根据本文教导的用于制造模型的方法获得。

前述阐述的关于(制造模型)的方法的优点类似的适用于该模型。

在这方面，应当注意，形成模型的第一区域的组织的材料优选是水溶性的，例如由琼脂糖凝胶制成。

优选地，类似于人或动物器官或组织的模型包括至少一个具有至少一个类组织性质的区域，以及至少一个具有多个连接到其上的中空分支的第一空腔，其中，多个中空分支中的至少一些形成在所述具有类组织特性的第一区域内，其中连接到第一空腔的多个分支的平均均方根误差小于2mm，优选小于1mm，最优选地小于0.6mm。

这样的模型包括以从未见过解剖正确性的内部结构。例如在现有技术中使用的气球具有最小为2mm的区域尺寸，因此不能产生平均均方根误差小于2mm的结构。可以相信，本文公开的结构具有比现有技术好一个数量级的分辨率。

有利地，基于从扫描真实器官的CT扫描仪获得的数据计第一结构，并且完成的第一结构设和/或模型同样使用CT扫描仪扫描，其中扫描的第一结构或模型的图像数据与用于设计第一结构的图像数据进行比较，以获得关于平均均方根误差的数据。按照这种方式，第一结构的分辨率的极限是用于扫描真实器官并随后设计第一结构的CT扫描仪的分辨率的极限。

同时，上述比较表明，用于配置模型的材料具有良好的放射学特性，因为这些材料可以使用CT扫描仪进行识别和分析。

优选的，所述具有至少一种类组织特性的材料被选择以使得所述至少一种类组织特性再现器官中发现的相应组织的机械性能、在MRI、CT、X射线或超声成像中的成像对比度、光学性质、视觉外观、组织或器官的电磁辐射吸收、组织或器官的声波吸收、组织或器官的触觉特性以及弹性模量其中至少之一

优选的是，第一结构的材料是非水溶性的，例如蜡，并且所述具有至少一种类组织特性的材料是水溶性的，比如琼脂糖凝胶。

如此，空腔的形状由蜡定义。在这方面，应当注意，对于肾模型(肾模型)，第一结构的形状可对应于输尿管，肾盂以及与其连接的至少一些主要和次要的肾盏。

还应该注意的是，肾脏模型的第二结构可以设计成形成肾静脉和肾动脉，这些肾静脉和肾动脉随后分别进入小叶间静脉和小叶间动脉。

优选地，第一区域的至少一种材料选自由聚合物，

琼脂糖凝胶，明胶，胶原，弹性蛋白，PEG(聚乙二醇)，PDMS(聚二甲基硅氧烷)及其组合组成的成员组。

优选地，肾脏模型还可以包括第三结构例如肿瘤或肾结石。如果提供的肾脏模型包括输尿管、肾盂和与其连接的主要和次要的肾盏，以及随后分别分支进入小叶间静脉和小叶间动脉肾静脉和肾动脉，手术训练辅助设备可以连接到不同的流体供应源，模拟这些流体传导结构的功能，并且外科医生或医学学生可以在有流体在其中传导的肾脏模型上进行诸如肿瘤去除的手术。如果外科医生或医学学生割断这些结构其中之一，则流体将从肾脏模型中泄漏，则他们在训练期间就会被训止。

在这方面应该指出的是，肿瘤材料掺杂有指示肿瘤存在的试剂，使得在训练结束后，可以分析是否已经从模型中去除了足够的肿瘤物质。

有益的，所述模型自以下模型中选择：动物或者人类心脏、脑、肺、肾、至少一个血管、肝脏、胰腺、胆囊、胃肠道、泌尿道、睾丸、阴茎、女性生殖道、乳房、前列腺和耳朵。

附图说明

本发明更多的实施例将在下面的附图中进行描述。下面将通过实施例并参考附图来详细说明本发明：

图1a-d是详细说明为解剖学正确的肾模型设计模具所需的步骤的流程图；

图2a-f是建立3D肾脏模型的工作流；

图3a-c是分别为用不同材料制作的肾脏模型的图像(正面和背面)；

图4a-c是为了评估模型结构的准确性而进行的步骤；

图5a-d是用不同材料制作的三个模型的超声图像以及与真实人体肾脏的对比；

图6a-c展示了当内窥镜插入其中时肾脏的反应行为的图像；

图7a-c是一个流程图，展示了在肾脏模型中嵌入肿瘤和石块所需的步骤；

图8a-c展示了从软性肾脏模型中去除肾肿瘤的图像；

图9a-e展示手套模方法的流程图像；

图10a-d是手套模方法中各执行步骤的图像；

图11是另一种类型的模型，包括在第一区域和第二区域之间的过渡区域；

图12是又一种类型的模型；

图13是在膀胱模型上进行内窥镜手术的视野；以及

图14是进行外科手术的肾脏模型的进一步视野图。

具体实施方式

在下文中，相同的附图标记将用于具有相同或等同功能的部件。关于部件的方向的任何陈述都是相对于图中所示的位置进行的，并且在实际的应用位置上自然可以变化。

图1示出了详细描述设计解剖学上正确的肾脏模型10(见图2)所需的步骤的流程图。在第一步骤中，获得人肾脏的X射线计算机断层摄影(CT)图像12(参见图1a)。为了做到这一点，将碘化造影剂(碘浓度为400mg/ml；例如Imeron 400，Bracco SpA公司，米兰，意大利)通过连接到输尿管的硅胶管注射到肾脏的收集系统中(全部未示出)。之后，使用CT扫描仪8(见图4a)(Somatom Definition Flash，由西门子医疗提供，福希海姆，德国)扫描死体肾脏，其中空间分辨率为0.3mm。数据从轴向平面重建，矩阵尺寸为512×512，视场为154mm×154mm。扫描获得的数据可以存储在所谓的DICOM文件中。然后可以使用这些文件来分析用CT扫描仪8完成的不同扫描。

随后将CT扫描获得的DICOM文件导入到名称为InVesalius 3.0.0(目前在http://www.cti.gov.br/invesalius/上可获取)的计算机程序中。如图1a所示，肾脏具有两个不同的区域，即收集系统14和周围组织16.由于CT扫描中这两部分的不同材质之间对比度很大，所以这两个区域14、16可以很容易地在CT扫描(图像)中彼此区分。由于浓缩的造影剂的原因，位于中心的收集系统14与肾组织16的颜色不同，其背景显示为黑色。来自肾脏的这两个区域14、16的数据被分离，以分别计算并构建用于肾脏模型10的内模或插入件18(图1c)和外模20a、b(图1d)。每个部分的表面分别导出为所谓的STL文件，如图1b中的绿色和红色所示。

图1c示出了插入件18，其是用于肾脏模型10的收集系统14的解剖学正确的模具。图1d示出了用于肾脏模型10的外形的模具20a、b。这被分成两个在中间分开的负模具20a、b。为了获得解剖学正确的模具20a、b和解剖学正确的插入物18，可以使用软件程序Inventor 2016(Autodesk，US)进行建模。为了生产模具，DICOM文件分别将导出的STL文件用作Inventor 2016的起点。

为了制造解剖学正确的3D肾脏模型10，进行如下图所示的以下步骤。在3D打印机(3Z Pro，

)上使用工程蜡(

构建材料，该材料是混合物，其确切的化学成分是公司的商业秘密)印刷形成收集系统14的插入件18。用55℃的石油，在热板(未示出)上通过连续磁力搅拌除去支撑蜡(

载体材料)。所得到的插入物18可以在图2a中看到。

外模具20a、b在3D打印机(Objet 260Connex，Stratasys，以色列)通过UV固化聚合物

打印。通过加压水流除去支撑材料。外模20a、b各自的印制半部分如图2b所示。之后，将内模具18布置在外模具20a的两个半部(见图2c)中的其中一个之中，然后将外模具20b的另一半放置在模具20a的第一半部上，且垫圈布置在两个模具20a，b的半部分之间，这两个半部分随后会组合并使用螺钉22密封以形成完整的外模具20a、b的，如图2d所示。

为了形成肾脏模型10，将硅橡胶材料(

Smooth-on公司，美国)在数字天平上以重量比1A：1B进行混合，充分混合后，脱气10分钟，倒入组装的模具中，在真空烘箱中再次脱气30分钟。聚合物在室温下固化，然后从模具20a、b中小心地脱模。

图2e显示了从外模具20a、b移除的聚合物肾脏模型10。插入物18仍然存留于肾脏模型10之内。

随后通过在70℃的温度下连续通过磁力搅拌将蜡溶解在乙醇中来除去插入物18，以形成如图1f所示的肾脏模型10。所获得的肾脏模型10可以附着在骨盆上的硅胶管上以模拟输尿管(未示出)。

优选地，用于形成用来通过模具18的方式构造收集系统14的材料，与用于在模具20a、b中形成组织16的材料相比，其具有不同的物理或化学性质或特征。

这些不同的物理或化学特性允许选择性地去除用于形成收集系统14的插入物的材料，同时保留组织16的材料。这些特征可以是溶解度、熔点之间的差异，或材料之间的反应性差异。例如，形成收集系统14的插入物18的材料不是水溶性的(例如蜡)，而组织16的材料是水溶性的(例如琼脂糖)。这意味着诸如琼脂糖之类的水溶性物质可用于形成所提出的模型10的本体组织。这是因为插入物18可以在不使用溶剂的情况下通过加热被去除。这是前所未知的。

特别地，用于形成肾脏模型10的组织16的材料被选择以再现真实器官的组织的性质，例如机械性质，MRI、CT或超声中的成像对比度，光学性质或视觉外观，组织或器官的电磁辐射吸收特性，或组织或器官的声波吸收特性，或组织或器官的触觉特性。

此外，用于形成组织16的材料可以包括形成均匀或不均匀混合物的混合物，其再现组织16的进一步的真实器官特征，例如，吸光度，电磁辐射或声波的散射，或其视觉外观。

为了形成肾脏模型10，各种材料均可以考虑，以下非结论性的列表展示了示例性的材料。

1)水性凝胶：琼脂糖，明胶，胶原蛋白，弹性蛋白，PEG(聚乙二醇)。

这些是最重要的材料，因为它们与人的软组织相比具有许多相似的性质。这些也是不能与现有技术中报道的3D打印的PVA(聚乙烯基醇)材料一起使用的材料。

2)硅氧烷基聚合物：PDMS(聚二甲基硅氧烷)，

3)几种材料的混合物，例如在水基凝胶内混合纳米纤维，纳米颗粒，蛋白质或脂肪颗粒以实现类组织的特性或性质。

如果肾脏模型10被用作手术训练工具，则可以将颜料或着色剂加入到形成组织16的材料中，以模拟肾脏模型10中真实器官的颜色。

为了测试不同的材料，使用三种不同的材料分别制造肾脏模型10。图3a示出了由类组织的硅氧烷弹性体制成的肾脏模型10，图3b示出了由PDMS制成的肾脏模型10，图3c示出了由琼脂糖(4％)制成的肾脏模型10。

图3a-c所示的各个肾脏模型10的外形分别与对应的3D重建模型匹配。为了确认肾脏模型10的内部结构确实复制了真正的肾脏，以与扫描真实肾脏相同的参数在肾脏模型10上进行了第二次CT扫描。为此，图4a示出了在放入CT扫描仪8之前肾脏模型10的照片。从放射学的观点来看，肾盂和所有肾盏对应于死体肾脏的CT图像12的相应结构如图1a所示。此外，CT重建显示，成型工艺成功地将收集系统14的形态细节重现为亚毫米结构。本解决方案受到原始CT扫描的限制。从3D模型的重建可以看出，模型的内外表面与原始器官的内外表面相似。如图4b所示。

图4c显示了原始CT扫描相比，模型中的收集系统的定量误差分析。为了定量评估真实器官和肾脏模型10之间的差异，使用根据真实肾脏和肾脏模型10分别获得的STL文件进行了定量比较。该比较使用软件CloudCompare v2.6.1(目前可以在http://www.danielgm.net/cc/获得)进行。

在STL文件中定义了两个单独的网格，即模型网格和真实器官的网格。然后通过在每个网格中选择三个标记点(通常在肾脏/肾脏模型10的尖端位置)以手动对准这两个网格。在三个标记点中的每一个定义完成之后，软件覆盖真实器官和模型的扫描，使得可以针对具有等于6的八叉树等级的两个涡流计算所谓的云/云距离，在CloudCompare软件中可以定义Octree级别。由此获得的弹性体模型的距离误差分布显示在图4c所示的图例中。

相对于用于构建形成收集系统14的插入物18的医学成像数据的比较，结果显示出2mm的最大误差。在整个收集系统14(具有约7cm[长]×4cm[宽]×3cm[高]的边界尺寸)的平均误差为0.5mm(图4c)。因此，模型的平均误差约为1％，适用于内窥镜训练和测试目的。其他两种材料的重建和比较显示出相似的精度，即平均距离误差约为0.5mm。

类似地，与用于设计模具20a、b的医学成像数据相比，形成在模具20a、b中的组织16的平均均方根误差小于5mm。

测试用于形成肾脏模型10的材料的性能，将三种不同种类的肾脏模型10的超声图像与真实的人肾脏比较(如图5A所示)。图5B所示的与琼脂糖模型相关的超声图像，展示了与由硅氧烷弹性体制成的肾脏模型10(图5C)以及由PDMS制成的肾脏模型10(参见图5D)相比，可以更清楚地辨别收集系统14和肾组织16的结构。令人惊奇的是，琼脂糖肾脏模型10的收集系统14和组织16也可以比真实器官的收集系统14和组织16(图5A)更清楚地被识别出。这种差异可以通过用于各种肾脏模型10的材料的弹性差异来解释，由硅氧烷弹性体和PDMS制成的模型在外表面显示出强信号，然而，只有模型10的白色轮廓可见。

此外，使用常规的柔性输尿管镜进行内窥镜评估。在每个肾脏模型10的内侧，内窥镜观察代表上尿路的典型形态特征的光滑表面(图6a至c)。完整的收集系统14在视觉上与人类肾脏的相似。所有肾盏容易插入10-法式柔性输尿管镜(10-French flexibleureterorenoscope)。任何时候，设备的空间方向都是清晰的。

图6a示出位于透明肾脏模型10内的内窥镜24的视图。图6b示出了人体肾脏中上肾盏的内窥镜视图，6c示出了肾脏模型10中同样(结构)的内窥镜视图。事实上，可以通过眼睛跟踪内窥镜24的位置对于外科医生训练在肾脏模型上进行这样的医疗程序是很有用的，因为一方面他能看到他在开始移动内窥镜24时其如何反应。另一方面，他可以在检查同一个肾脏模型10时直观地比较不同的内窥镜(未显示)的反应。如此，肾脏模型10可作为用于培训医务人员的评估工具的一部分。

与当前泌尿学教学和培训系统以及其他以前报告的3D打印肾脏模型相比，这项成果的主要优点是，目前的制造方法允许使用更多种类的材料。据报告，猪肾的弹性模量为48.56±7.32kPa。为此，表1总结了用于构建本文所讨论的三种不同种类的肾脏模型的三种模塑聚合物的材料性质，并与3D可印刷材料TangoBlackPlus(Stratasys，Eden Prairie，明尼苏达州，美国)进行比较。

由此发现，

的弹性模量比真正的肾组织高出约20倍。此外，这个材料完全不透明。硅橡胶弹性体的弹性模量为60kPa，与真正的肾组织非常接近。PDMS(Sylgard 184，Dow Corning)是流行的显示出优异的光学透明度的聚合物。这有助于从外部看清肾脏内的收集系统14，这对于医学教育和内窥镜训练也是有价值的。然而，PDMS的弹性模量远远大于真正的肾组织的弹性模量。琼脂糖凝胶是易于制备和生物相容的多糖聚合物材料，因此已被广泛用作用于磁共振成像(MRI)和超声成像中模拟软组织的材料。

表1对比显示了用于重现肾组织的三种聚合物以及TangoBlackPlus(可直接3D打印的材料)的机械性能。

因此，根据肾脏模型10的应用，可以采用不同种类的肾脏模型10的材料。例如，如果肾脏模型10是用于成像目的，则由琼脂糖凝胶制成的模型将是一个不错的选择。与此相反，如果要施行肾脏模型10的手术评估，则由弹性体或PDMS制成的肾脏模型10可能是更好的选择，原因是这些材料的拉伸强度。

为了形成一个用于在例如从肾脏中移除或检测肿瘤、石块过程中训练医务人员的肾脏模型10，一个第二特征26可以嵌入到这个肾脏模型10中。

尽管在肾脏中具有中空收集系统14，但其他重要的解剖学结构也可以用相同的成型方法嵌入。图7a至7c示出在肾脏模型10中嵌入肿瘤26和肾结石27的工作流程的示意图。

通过在插入件18的制造过程期间，在由插入件18形成的收集系统14中加入模仿真正的肾结石的材料而将肾结石27结合到模型10中。或者，可以在插入件18中设置空腔，然后可以用模仿真实肾结石的材料填充该空腔。通过这种方式，较大尺寸的石块可以放置在对于收集系统14具有小的开口的肾盏内，然后可以用于去除肾结石相关的外科手术中，例如通过碎石术。

首先，如图7a所示，分别准备了两个特征，即收集系统14和肿瘤26。通过在单独的3D打印模具中模制PDMS材料制成肿瘤26。常见肾肿瘤的重要解剖细节是它既不与肾脏的外表面接触，也不与收集系统14接触。换句话说，肿瘤26应该被正常组织16完全包围。为了再现这种解剖结构，将肿瘤26插入到另外的3D打印的阴模(未示出)中，其与最终外模具20a、b的一部分具有相同的形状。因此，在用于肿瘤插入物28的阴模中形成包括由组织16包裹的肿瘤26的肿瘤插入物28.该肿瘤插入物28具有与最终模具的外形的一部分20a、b适配的外形。

将收集系统14和包括肿瘤26的肿瘤插入物28组装在最终的外模具20a、b(图7b)中之后，用液体聚合物填充模具以形成组织16.当聚合物凝固时，它将连接成为一个整体，其具有与围绕形成在另外的模具28(图7c)中的肿瘤26的组织16相同材料。

通过这种方式，肿瘤26可以插入肾脏模型10内的任何精确的预定义的“悬浮”位置。所构建的具有肿瘤26的肾脏模型10的一个重要应用在图8中示出，即作为使用开放式或腹腔镜手术技术去除肿瘤的训练模型。

此外，预先知道精确的位置意味着具有肿瘤26的肾脏模型10可用于校准诸如MRI、CT扫描仪8，X射线(设备)和超声成像装置和/或评估操作这类成像设备的医务人员。

类似的方法也可以用于嵌入其他重要的解剖结构，例如在肾脏模型10中嵌入血管和神经。

图8a至c示出的图像显示从软性肾脏模型10中去除模拟肾肿瘤26。关于这方面图8a显示切割组织16以便接近模拟的肾肿瘤26.在接近肿瘤26之后，可以暴露和移除该肿瘤，如图8b所示。此后，可以通过缝合来修复肾脏模型10，如图8c所示。

现在，为了评估医务人员是否已经从肾脏模型10中去除了正确数量的肿瘤26，该肿瘤26和/或肾脏模型10可以分别包含指示肿瘤26的存在的某种形式的造影剂。

例如，造影剂可以是在黑暗中发光的磷光类材料，因此通过关闭光来快速比较在肾脏模型10中被遗留的材料，指示是否已经去除了足够的肿瘤材料。

在其他情况下，造影剂可以包括对UV光敏感的材料，因此可以使用黑光来评估模型10中任何肿瘤残留物的存在，并因此评估进行性能测试的医务人员的表现。

在其他情况下，可以将在CT、MRI和超声其中之一进行特别良好地成像的材料嵌入肾脏模型10和/或肿瘤26中，使得这些成像技术之一可以用于分析和评估某人从肾脏模型10中去除肿瘤26的表现。

在另外的实例中，可以嵌入两种造影剂，用于不同的成像方式，例如，CT、MRI、PET、超声、X射线和/或荧光的组合；和/或两种造影剂嵌入相同的成像模式中，但是对应于不同的成像序列，例如，MRI中的强度序列和脉冲序列。

在任何情况下，也可以用造影剂或类似物质掺杂组织16的材料，所述造影剂或类似材料是可视的，以观察是否从肾脏模型10中去除了太多或太少的组织。通过这种方式，利用肾脏模型10去除肿瘤26的医学过程中可以获得是否也去除了肿瘤周围太多或太少的组织的直接反馈。

通过类似的方式，比较还可以看出去除了多少组织以观察是否从肾脏模型10中除去了足够量的肿瘤26。

通过这种方式，还可以通过使用类似人或动物器官或组织的模型来评估进行医学成像程序的人或机器人的表现或性能。在这种情况下，肾脏模型10可以设置有目标区域，以模拟肿瘤、肾结石、骨碎片、子弹、子弹或刀具伤，以预定义的尺寸存在于预定位置。此后，执行诊断程序以确定目标区域的位置和/或范围。然后通过将诊断结果与目标区域的已知大小和位置进行比较来进行评估。关于这方面，应该指出，诊断程序是超声、MRI、CT和/或X射线成像、PET其中之一。

除了在肾脏中包含肿瘤26，还可以将其它结构包含在肾脏模型10中。这可以从以下成员组成的组中选择：空腔、至少一个血管、至少一个神经、肾结石、假体或医疗植入物。

为了制造插入件18，可以使用所谓的手套模制工艺来批量生产诸如肾脏模型10之类的解剖结构。

手套模制工艺可以作为三维蜡材打印方法的替代，以制造收集系统14的正插塞18a(用于插入)。原因在于蜡材3D打印耗时且昂贵。图9说明了该方法的工作流程。首先，通过3D打印UV可固化聚合物(参见图9a和图10a)获得正插塞18a，其是一种硬质塑料材料并且不像上述的蜡材料一样容易溶解在溶剂中或随着温度熔融。然后，将3至5层手套模具材料30施加到正插塞18a上，在当前例子中，是刷到正插塞18a上，如图9b所示。

一旦手套模具材料30被固化，由于柔软且有弹性，手套模具30可以如图9c和图10b所示那样被剥离。然后，该手套模具30可重复地用作用于形成肾脏模型10的收集系统14的插入件18的模具，如图9d所示。该手套模具30可以用于采用诸如石蜡和明胶的材料来模制的收集系统14，分别如图10c和10d所示。通过这种方式，如图9e中通过多个插入件18所示例的多个解剖特征可以被精确、快速和低成本的复制。

手套模制法也可用于制造其它解剖结构，例如上述肿瘤26。然而，对该方法的限制是模制形状不能包含任何闭环，因此它不是诸如血管和神经结构的适宜方法。手套模制方法也可以用于制造模型的一部分(例如收集系统14)，然后可以将其与通过其它技术(例如血管的3D打印)制成的其它部件组装，以便模制具有多个解剖特征(类似于图7所示)的最终肾脏模型10，以便产生更复杂的肾脏模型10。然后，它们可以连接到流体输送装置以模拟血流，并且其他液体也是可能的。在使用这些复杂的肾脏模型10时，外科医生可以获得关于他或她是否切割了肾脏模型10的诸如血管的直接反馈。

上述描述涉及肾脏模型10。然而，应当注意，可以产生各种其他器官的模型并用于训练目的。这些动物或人体器官的模型包括但不限于肝、肠、前列腺、肺、脑和心脏，血管、胰腺、胆囊、胃肠道、泌尿道、睾丸、阴茎、女性生殖道、乳房和耳朵。所有这些器官的手术一般都是由高技能的医务人员进行的，而通过生产比较便宜的模型器官，提供了一个比较低成本的培训和评估工具，可用于培训医务人员。

考虑到例如前列腺、膀胱或心脏等模型，部分模型可以包括泵或形成泵的材料，以在训练期间以改进的方式模拟真实器官的反应。

此外，使用的模型组织的材料具有的弹性模量对应于器官中发现的相应组织的器官弹性模量。

还应该注意的是，传感器(未示出)可被加入本文所述的模型10中。这些传感器可以包括嵌入在模型10之内的生理标记。使用这些传感器，可以从模型10中评估诸如血液流量/压力、流体流量、组织完整性、肿瘤去除率等信号。该评估可以是通过使用传感器实时完成或在CT扫描仪8或MRI等设备中离线进行。

在此应该注意的是，如果液体或流体通过设置在模型10中的一个或多个空腔进行传导，则该流体的存在(泄漏)可以用作实时传感器信号，以指示某物在对模型10的手术中出错了。

同样的，传感器可以嵌入类似神经的部分模型内，并且在切割这些神经时，可以发出可听见的声音以指示神经被切断或穿刺。

图11示出了另一种肾脏模型10，其包括围绕诸如肿瘤的第二区域A的过渡区域B。该过渡区域B将肿瘤A与模型10中存在的正常组织C分离开。通过这种方式，可以将形成肿瘤A的结构引入类组织材料中，其中过渡区B存在于第一区域A和第二区域C。该过渡区域可以包括第一区域A和第二区域C的各自材料的混合物。或者，该过渡区域B也可以包括与区域A和区域C不同的材料性质，从而可以设定规则，例如，只有这个过渡区域包括可视化的材料以表示手术练习的成功完成可以是完全去除该过渡区域B。

图12示出了另一种类型的模型10，即前列腺模型。如图11所示的模型10相似，进一步的结构，例如肿瘤插入标记为A的区域中。该结构被包含材料B的区域包围，并且可以嵌入包含材料C的第一区域中。

图11和图12的两个模型10还可以包括能模拟特定器官的结构的其他区域D。在图11中，区域D对应于肾脏的收集系统14，而在图12中，区域D对应于尿道。

在某些情况下，医疗程序的目标是完全去除区域A，维持区域B的最大体积，并绝对不会去除区域C(根据图11所示的的肾脏肿瘤的移除)。在其他情况下，目标可以是在保留区域C的同时移除区域A和B。

还应该注意的是，如图11和12所示的模型10之一被用于评估医疗程序，则医疗程序可以是为了切片检查目的的去除组织。其目的是仅仅移除少量的材料A。根据评估标准，仅对材料A的移除可以导致积极的评估，而仅移除材料C可能导致负面评估，等等。

应当注意，在前面提及肿瘤的情况下，第二结构26；引入到体模10中的A、B也可以复制存在于器官中的患病组织和/或异常结构，并且因此可以部分地被去除以用于诸如诊断目的活检，或根据医疗程序被完全的去除。

还应该注意的是，模型10被提供以使得医学专业人员或机器人可以在模拟的器官，而不是难以到达并因此昂贵的真实器官上实践切割技术。这些不同的切割技术涵盖针对医学学生的简单切割和缝合技术，在难以到达的区域进行活检，或者在敏感位置进行肿瘤移除。一般来说，这些难以到达的位置不能使用真实的器官进行模拟，因为这些通常是非常具体的应用案例。

图13示出了在膀胱模型10上进行内窥镜手术的视图，其中内窥镜24的放大视野被展示在圆圈中。通过在评估点移动内窥镜24，可以获得所讨论的内窥镜24对于所述评估点大约360°的视野。

医疗程序的评估可以是对医务人员或机器人扫描的视场的测量。为了做到这一点，模型10还可以包括嵌入其中的光学图案，更具体地嵌入在目标区域26中。该光学图案可以传达与目标区域的位置和大小有关的信息。该信息对于内窥镜24是光学上不可见的或者不能由操作者来解释，而是可以使用用于评估医疗程序的软件中的特定滤波器进行分析。在查看此信息时，可以计算任一扫描的表面积，并将其与可由该特定装置获得的表面积进行比较。通过这种方式，可以评估医务人员或机器人是否已经分别检测到完整的目标区域的表面积。

通过这种方式，更进一步的评估参数是诸如成像或者检查执行的完成度(表面积覆盖)。例如在对膀胱的膀胱镜检查(检查)中，重要的一点是，在内窥膀胱镜检查过程中，膀胱的整个内部都被检查到，不能错过任何区域，因为错过可能意味着这个检查错过了肿瘤。

图14示出经受外科手术的肾脏模型10的另一视图。在进行医疗程序时，输尿管在切断点32处被切断。这个切断点32需要被修复以修复肾脏模型10。这种修复是通过使用缝合线34缝合输尿管来进行的。缝合线34的质量也可以被评估作为医疗程序审视的一部分。可以用以下方式实现：通过诸如对缝合线的机械强度的测量以及随后与目标值的比较来完成；可能通过测量干预后的模型压力，尤其可能是比较干预前后的压力及与目标值的比较来测量完成；测量植入物或连接物的弹性；在模拟的神经元连接的情况下测量电连接；以及检查在医疗过程中嵌入的植入物或设备是否正常工作。

Claims (19)

1.一种制造模型（10）的方法，所述模型类似于人或动物的器官或组织，所述模型（10）包括至少一个具有至少一个类组织特性的第一区域和至少一个具有连接到其上的多个中空分支的空腔，多个中空分支中的至少一些形成为使得其突出到所述具有类组织特性的第一区域中，其特征在于，该方法包括以下步骤：

制造具有与所述至少一个空腔的形状和连接到所述至少一个空腔的多个分支的内部形状相似的至少一个第一结构（18）；

将所述第一结构（18）放置在具有与所述模型（10）的外部形状相似的内部形状的模型模具（20a，b）中；

用具有所述至少一个类组织特性的材料填充所述模型模具（20a，b）以形成所述模型（10）；

从所述模型（10）移除所述第一结构（18），以在所述模型（10）内形成所述具有连接到其的多个中空分支的空腔；

其中，所述第一结构（18）在平均均方根误差小于2mm内制造，连接到所述空腔的多个分支在平均均方根误差小于2mm内制造；

从所述模型（10）去除所述第一结构（18）的步骤通过施加热、使用溶剂其中至少之一并且由于用于所述第一结构（18）的材料与所述具有至少一个类组织特性的材料之间的反应性差异而实现；

所述第一结构（18）的材料是非水溶性的，并且所述具有至少一种类组织特性的材料是水溶性的。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括以下步骤：

在所述模型模具（20a，b）中提供至少一个第二结构（26,28），所述至少一个第二结构选自由以下至少一个成员构成的组中：类肿瘤材料（26）、类组织材料（28）、过渡区、至少一块石块，至少一块骨头，形成至少一个血管或互连血管网络的结构，形成另一空腔的结构，神经或互连神经的模型，假体或至少一种医学植入物，且所述至少一个第二结构的材料为非水溶性和水溶性之一。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述至少一块石块为肾结石。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一结构（18）的材料是蜡，并且所述具有至少一种类组织特性的材料是琼脂糖凝胶。

5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述模型模具（20a，b），所述第一结构（18）和所述第二结构（26,28）中的至少一个是使用3D打印机形成。

6.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述第一结构和第二结构（18,26,28）中的至少一个形成在第一结构（18）的模具（30）中。

7.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述第一结构（18）在平均均方根误差小于0.5mm内制造。

8.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，选择所述具有至少一种类组织特性的材料，使得所述至少一种类组织特性再现器官中发现的相应组织的机械性能、在MRI、CT、X射线或超声成像中的成像对比度、光学性质、视觉外观、组织或器官的电磁辐射吸收、组织或器官的声波吸收、组织或器官的触觉特性以及弹性模量其中至少之一。

9.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述具有至少一种类组织特性的材料包括一混合物，其形成为均匀或不均匀的混合物，所述混合物再现器官组织的进一步特征。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述进一步特征为吸光度，电磁辐射或声波的散射，或其视觉外观。

11.一种制造模型的方法，其特征在于，包括根据权利要求1至10中的任一项所述的方法和制造用于至少一第一结构（18）的模具（30）的步骤，所述第一结构（18）具有一形状，其类似于至少一个空腔和连接到所述空腔的多个分支的内部的形状，所述制造用于至少一第一结构（18）的模具（30）的步骤包括：

产生所述第一结构（18）的正插塞（18a）；

用弹性材料涂覆所述正插塞（18a）以形成一旦固化便保持所述正插塞（18a）外缘曲线的第一结构模具（30）；

机械地去除固化的所述第一结构模具（30）；

用材料填充所述第一结构模具（30）以形成所述第一结构（18）；和

从所述第一结构模具（30）移除所述第一结构（18）。

12.一种模型（10），其特征在于，使用权利要求1至11中的任一项所述的方法制造，所述模型类似于人或动物的器官或组织，所述模型（10）包括至少一个具有至少一个类组织特性的第一区域和至少一个具有连接到其上的多个中空分支的第一空腔，其特征在于，多个中空分支中的至少一些形成在所述具有类组织特性的第一区域内，连接到所述第一空腔的多个分支的平均均方根误差小于2mm。

13.根据权利要求12所述的模型（10），其特征在于，所述平均均方根误差小于1mm。

14.根据权利要求13所述的模型（10），其特征在于，所述平均均方根误差小于0.6mm。

15.根据权利要求12所述的模型（10），其特征在于，所述第一结构（18）是基于从扫描真实器官的CT扫描器获得的数据设计的，并且完成的所述第一结构和/或模型同样地使用CT扫描器进行扫描，且将扫描的所述第一结构或模型的图像数据与用于设计所述第一结构的图像数据进行比较以便获得关于平均均方根误差的数据的。

16.根据权利要求12至15任一项所述的模型（10），其特征在于，选择所述具有至少一种类组织特性的材料，使得所述至少一种类组织特性再现器官中发现的相应组织的机械性能、在MRI、CT、X射线或超声成像中的成像对比度、光学性质、视觉外观、组织或器官的电磁辐射吸收、组织或器官的声波吸收、组织或器官的触觉特性以及弹性模量其中至少之一。

17.根据权利要求12至15任一项所述的模型（10），其特征在于，所述第一结构（18）的材料是不溶于水的，并且所述具有至少一种类组织特性的材料是水溶性的，所述模型（10）还包括至少一个第二结构（26,28）。

18.根据权利要求17所述的模型（10），其特征在于，所述第一结构（18）的材料是蜡；所述具有至少一种类组织特性的材料是琼脂糖凝胶。

19.根据权利要求12至15任一项所述的模型（10），其特征在于，所述模型（10）自以下模型中选择：动物或者人类心脏、脑、肺、肾、至少一个血管、肝脏、胰腺、胆囊、胃肠道、泌尿道、睾丸、阴茎、女性生殖道、乳房、前列腺、耳朵、眼睛、鼻子、阑尾、关节、骨骼和心脏。

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