CN107993547B - 一种手术训练用颞骨模型及其成型方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种手术训练用颞骨模型及其成型方法，属于耳科手术教具技术领域；其中，一种手术训练用颞骨模型，包括皮质骨、松质骨、半规管、听骨和面神经管，所述松质骨呈多孔结构，所述半规管和面神经管均呈空腔结构，所述听骨为实心结构；所述半规管、听骨和面神经管均采用氧化铝陶瓷经3D打印一体成型；所述松质骨包含混合粉末、水和石墨粉三种原料，所述混合粉末由重量百分比为85%的黏土和15%的长石粉混合而成；所述皮质骨包含混合粉末和水两种原料。本发明提供了仿真度极高、制造成本较低，并能极大提高手术训练效果、缩短医生培训周期、降低医生培训成本、造福患者的一种手术训练用颞骨模型及其成型方法。

Description

一种手术训练用颞骨模型及其成型方法

技术领域

本发明涉及一种手术训练用颞骨模型及其成型方法，属于耳科手术教具技术领域。

背景技术

颞骨是人体中结构和功能最精细、最复杂的骨骼，内涵重要额神经、血管以及位听觉结构，手术稍有不慎则会导致严重并发症。颞骨相关的耳科手术要求医生对颞骨解剖有着全面、透彻的认识，同时拥有丰富的经验和手术技巧，以免手术中损伤面听神经、颈内动脉、耳蜗等精细结构。

长久以来，通过反复解剖人体尸头的颞骨来获取和提高相关的手术技能，培育了一代又一代的耳科医生。但是，由于人体尸头来源有限，价格日益昂贵，宗教、文化和相关法规等因素也为尸体颞骨解剖训练的推广增加了难度。考虑到上述因素，近年来研究人员开始探寻可用于耳科教学和手术技能训练的替代模型；但是，由于模型的仿真度通常有限，不仅难以较为准确地呈现出解剖结构，也难以模拟出真是的钻磨触感，极大影响颞骨相关耳科手术技能的训练效果。

发明内容

本发明的第一技术目的是提供一种手术训练用颞骨模型，利用多孔结构的松质骨，配合半规管、面神经管及听骨，提高颞骨模型的仿真度，进而极大提高颞骨相关耳科手术技能的训练效果。

本发明的上述第一技术目的是通过以下技术方案得以实现的：一种手术训练用颞骨模型，包括皮质骨、松质骨、半规管、听骨和面神经管，所述松质骨呈多孔结构；所述半规管、听骨和面神经管均嵌设于松质骨内，所述半规管和面神经管均呈空腔结构，所述听骨为实心结构。

通过采用上述技术方案，将松质骨设置成多孔结构，真实模拟的人体颞骨中的松质骨；同时，将半规管和面神经管设置成空腔结构，而将听骨设置成实心结构，进一步模拟了人体颞骨中半规管、面神经管和听骨的真实情况。通过采用这种形式，能够在手术训练中较为准确的呈现出颞骨解剖结构，从而有效提高该颞骨模型的仿真度，极大提高颞骨相关耳科手术技能的训练效果。

本发明进一步设置为：所述半规管、听骨和面神经管均采用氧化铝陶瓷经3D打印一体成型。

通过采用上述技术方案，利用3D打印技术能够极大提高半规管、听骨及面神经管与真实人体颞骨中半规管、听骨和面神经管的仿真度；同时，利用氧化铝陶瓷粉末制成半规管、听骨及面神经管，能够保证该颞骨模型中半规管、听骨及面神经管与真实人体半规管、听骨及面神经管的硬度相当，进而模拟出真实人体手术时的钻磨触感。

本发明进一步设置为：所述松质骨包含混合粉末、水和石墨粉三种原料，所述混合粉末、水和石墨粉的重量比为8:2:1；所述混合粉末由重量百分比为85%的黏土和15%的长石粉混合而成。

通过采用上述技术方案，混合粉末、水及石墨粉制成的松质骨与真实人体松质骨的结构和硬度均相当，有助于提高该颞骨模型的仿真度；在原料中，石墨粉起到了造孔剂的作用，能够模拟出人体颞骨中松质骨的多孔结构，进一步提高仿真度。

本发明进一步设置为：所述皮质骨包含混合粉末和水两种原料，且所述混合粉末与水的重量比为8:2。

通过采用上述技术方案，利用混合粉末及水两种原料制成皮质骨，保证了皮质骨与真实人体皮质骨结构和硬度的相似程度，有助于进一步提高该颞骨模型的仿真度。

本发明的第二技术目的是提供一种颞骨模型的成型方法，利用3D打印技术，配合烧结的方式成型出颞骨模型，极大提高该颞骨模型的仿真度，极大提高颞骨相关耳科手术技能的训练效果。

本发明的上述第二技术目的是通过以下技术方案得以实现的：一种用于制造上述颞骨模型的成型方法，包含以下步骤：

S1、利用CT获取人体颞骨结构的多个断面扫描影像，并分别对所述多个断面扫描影像进行重建，得到对应的多个重建断面图像，并根据所述多个重建断面图像建立颞骨结构的三维几何模型；

S2、利用所述三维几何模型数据，采用3D打印的方式分别制作出半成品的半规管、听骨和面神经管，半成品的半规管、听骨和面神经管经烧结后，获得成品的半规管、听骨和面神经管；

S3、利用所述三维几何模型数据，采用3D打印的方式制作出松质骨硅胶模具和皮质骨硅胶模具；

S4、将重量百分比为85%的黏土和15%的长石粉在球磨机中混合均匀，获得混合粉末；

S5、将步骤S4中所获得的混合粉末、水及石墨粉以重量比8:2:1混合，并在充分搅拌均匀后灌入松质骨硅胶模具中，放置96h充分干燥后脱模，获得半成品松质骨；

S6、将步骤S5中所获得的半成品松质骨放置在皮质骨硅胶模具中，将S4中所述混合粉末与水以8:2的重量比混合，并在充分搅拌均匀后灌入皮质骨硅胶模具中，放置96h充分干燥后脱模，获得半成品颞骨模型；

S7、对步骤S6中所述半成品颞骨模型进行烧结作业，整个烧结作业过程依次包括一段升温过程、一段恒温过程、二段升温过程、二段恒温过程以及冷却过程，最终成型出成品的颞骨模型。

通过采用上述技术方案，借助CT获取人体颞骨结构的断面扫描图像，并借助该断面扫描图像建立三维几何模型，能够有效保证颞骨各部分具体结构的真实程度，确保该颞骨模型具有较高的仿真度；同时，利用3D打印技术成型出半规管、听骨和面神经管，在保证半规管、听骨和面神经管仿真度的同时，避免整体3D打印该颞骨模型所造成的高昂成本，有助于降低制造成本；利用混合粉末、水及石墨粉制成松质骨，利用混合粉末与水制成皮质骨，结合烧结成型技术，使得该颞骨模型层次较为分明，能够较为准确的呈现人体真实解剖结构，保证颞骨模型结构和硬度的仿真度，提高手术训练效果。

本发明进一步设置为：所述步骤S2中半成品的半规管、听骨和面神经管的烧结温度为1250-1350℃。

通过采用上述技术方案，将半规管、听骨和面神经管的烧结温度控制在1250-1350℃，在保证半规管、听骨和面神经管烧结质量的同时，避免了温度过高而造成半规管、听骨及面神经管出现过烧现象。

本发明进一步设置为：所述步骤S7中一段升温过程和二段升温过程的升温速率均为5℃/min；所述一段升温过程的升温时间为2h，所述二段升温过程的升温时间为1.5h。

通过采用上述技术方案，将一段升温过程和二段升温过程的升温速率控制在5℃/min，同时将一段升温过程和二段升温过程的时长分别控制在2h和1.5h，有效避免该颞骨模型在烧结过程中发生过烧，有效保证了该颞骨模型的成型质量。

本发明进一步设置为：所述一段恒温过程和二段恒温过程的烧结温度分别为600℃和1050℃；所述一段恒温过程的时长至少为2h，所述二段恒温过程的时长至少为6.5h。

通过采用上述技术方案，将一段恒温过程和二段恒温过程的烧结温度分别控制在600℃和1050℃，在保证颞骨模型所需烧结温度的同时，避免了颞骨模型发生过烧；同时，确保一段恒温过程和二段恒温过程的时间分别不少于2h和6.5h，保证了颞骨模型中的粉末颗粒能够充分黏结，从而极大提高烧结质量。

综上所述，本发明具有以下有益效果：

1、利用来自人体的真实CT数据，结合3D打印技术以及烧结成型工艺，分层次依次制作出半规管、听骨、面神经管、松质骨及皮质骨，有效保证了该颞骨模型的仿真度，确保该颞骨模型能够较为准确的呈现出人体真实解剖结构，并模拟出较为真实的颞骨手术钻磨触感，从而极大提高颞骨相关耳科手术技能的训练效果；

2、通过提高颞骨模型的仿真度，在保证手术训练效果的同时，不仅有效降低了培训成本，而且极大缩短了相关耳科医生的培训周期，真正造福患者；

3、在利用3D打印技术制作半规管、听骨和面神经管的同时，利用烧结工艺制成松质骨和皮质骨，避免整体3D打印该颞骨模型；在保证颞骨模型仿真度的同时，极大降低了制造成本。

附图说明

图1是实施例1主要用于体现颞骨模型内部结构的剖面图；

图2是实施例1主要用于体现半规管、听骨和面神经管的结构示意图；

图3是实施例2主要用于体现烧结过程的烧结曲线。

附图标记：1、松质骨；2、皮质骨；3、半规管；4、听骨；5、面神经管。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步详细说明。

实施例1：

参见附图1，一种手术训练用颞骨模型，主要用于颞骨相关手术训练，它由内至外依次包括松质骨1和皮质骨2。

其中，松质骨1呈多孔结构，并包含混合粉末、水和石墨粉三种原料；混合粉末由重量百分比为85%的黏土和15%的长石粉均匀混合而成，且混合粉末、水及石墨粉的重量比为8:2:1；石墨粉在松质骨1中主要起造孔剂的作用，能够辅助松质骨1在烧结过程中成型出多孔结构。

皮质骨2包含混合粉末和水两种原料，该混合粉末与上述用于松质骨1的混合粉末的成分完全相同；在该皮质骨2中，混合粉末与水的重量比为8:2。

采用上述原料分别制成松质骨1和皮质骨2，能够较为真实的模拟人体颞骨中松质骨1和皮质骨2的结构和硬度，极大提高该颞骨模型的仿真度。

结合附图2，上述松质骨1内分别嵌设有半规管3、听骨4和面神经管5，半规管3、听骨4与面神经管5均采用氧化铝陶瓷粉末经3D打印一体成型。其中，半规管3和面神经管5均呈空腔结构，而听骨4呈实心结构，较为准确的模拟了真实人体颞骨中半规管3、面神经管5和听骨4的结构和硬度，有助于进一步提高该颞骨模型的仿真度。

本实施例的工作原理是：将松质骨1设置成多孔结构，真实模拟的人体颞骨中的松质骨1；同时，将半规管3和面神经管5设置成空腔结构，而将听骨4设置成实心结构，进一步模拟了人体颞骨中半规管3、面神经管5和听骨4的真实情况。通过采用这种形式，能够在手术训练中较为准确的呈现出颞骨解剖结构，从而有效提高该颞骨模型的仿真度，极大提高颞骨相关耳科手术技能的训练效果。

实施例2：

参见附图1-2，一种用于制造上述颞骨模型的成型方法，包括以下步骤：

S1、利用CT获取人体颞骨结构的多个断面扫描影像，并分别对所述多个断面扫描影像进行重建，得到对应的多个重建断面图像，并根据所述多个重建断面图像建立颞骨结构的三维几何模型。

为保证所构建的颞骨模型的解剖结构与研究活体解剖结构一致，在构建颞骨结构模型时需要以患者个体化的医学图像为基础，获取颞骨结构的多个断面扫描影像，患者个体化的医学图像的获取途径包括但不限于从患者图像数据库中调取、通过仪器扫描直接获取等。在对所获取到的多个断面扫描影像进行重建时，首先要获取重建参数，根据重建参数对断面扫描影像进行重建，得到重建断面图像，再根据多个重建断面图像，获取颞骨结构的三维几何模型的构造参数，并根据多个重建断面图像以及构建参数，构建颞骨结构的三维几何模型。

通过采用上述方式，基于个体化的医学图像，构建高仿真人体颞骨结构的三维几何模型以及制造颞骨实体模型，解决了目前无法支座高仿真的颞骨模型的问题，构建出的颞骨模型与真实颞骨结构相一致，极大提高颞骨相关手术的训练效果。

S2、利用所述三维几何模型数据，采用3D打印的方式分别制作出半成品的半规管3、听骨4和面神经管5，半成品的半规管3、听骨4和面神经管5经烧结后，获得成品的半规管3、听骨4和面神经管5。

以氧化铝陶瓷粉末为原料，结合上述三维模型数据，可利用3D打印机对重建结构进行粉末堆积打印，并在打印完成后对半成品的半规管3、听骨4和面神经管5在1250-1350℃的温度下进行烧结作业，使得最终成型出的半规管3、听骨4以及面神经管5与真实人体结构相似度极高。

S3、利用所述三维几何模型数据，采用3D打印的方式制作出松质骨1硅胶模具和皮质骨2硅胶模具。

以石膏粉为原料，结合上述三维模型数据，利用3D打印技术制成松质骨1硅胶模具和皮质骨2硅胶模具，便于后续烧结制成松质骨1和皮质骨2

S4、将重量百分比为85%的黏土和15%的长石粉在球磨机中混合均匀，获得混合粉末。

S5、将步骤S4中所获得的混合粉末、水及石墨粉以重量比8:2:1混合，并在充分搅拌均匀后灌入松质骨1硅胶模具中，放置96h充分干燥后脱模，获得半成品松质骨1。

S6、将步骤S5中所获得的半成品松质骨1放置在皮质骨2硅胶模具中，将S4中所述混合粉末与水以8:2的重量比混合，并在充分搅拌均匀后灌入皮质骨2硅胶模具中，放置96h充分干燥后脱模，获得半成品颞骨模型。

由于松质骨1硅胶模具和皮质骨2硅胶模具均采用3D打印技术制成，其原型数据来自于人体真实CT数据，故有效保证了所成型的颞骨模型相对真实人体松质骨1的仿真度。同时，为进一步提高仿真度，在该颞骨模型初步成型后，优选对该颞骨模型进行高精度优化，根据上述三维几何模型，可对该颞骨模型表面进行人工修整。

S7、对步骤S6中所述半成品颞骨模型进行烧结作业，整个烧结作业过程依次包括一段升温过程、一段恒温过程、二段升温过程、二段恒温过程以及冷却过程，最终成型出成品的颞骨模型。

步骤S7按照如图3所示曲线进行烧结，图中a段、b段、c段、d段和e段分别代表一段升温过程、一段恒温过程、二段升温过程、二段恒温过程和冷却过程；其中，一段升温过程和二段升温过程的升温速率均为5℃/min，且一段升温过程和二段升温过程的升温时间分别为2h和1.5h。一段升温过程结束后进入一段恒温过程，一段恒温过程的烧结温度为600℃，其持续时间为2h；二段升温过程结束后进入二段恒温过程，二段恒温过程的烧结温度为1050℃，其持续时间为6.5h。

本具体实施例仅仅是对本发明的解释，其并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。

Claims (5)

1.一种手术训练用颞骨模型的成型方法，包括皮质骨(2)、松质骨(1)、半规管(3)、听骨(4)和面神经管(5)，其特征在于，所述松质骨(1)呈多孔结构；所述半规管(3)、听骨(4)和面神经管(5)均嵌设于松质骨(1)内，所述半规管(3)和面神经管(5)均呈空腔结构，所述听骨(4)为实心结构；所述松质骨(1)包含混合粉末、水和石墨粉三种原料，所述混合粉末、水和石墨粉的重量比为8:2:1；所述混合粉末由重量百分比为85％的黏土和15％的长石粉混合而成；所述皮质骨(2)包含混合粉末和水两种原料，且所述混合粉末与水的重量比为8:2；

颞骨的成型方法具体包含以下步骤：

S1、利用CT获取人体颞骨结构的多个断面扫描影像，并分别对所述多个断面扫描影像进行重建，得到对应的多个重建断面图像，并根据所述多个重建断面图像建立颞骨结构的三维几何模型；

S2、利用所述三维几何模型数据，采用3D打印的方式分别制作出半成品的半规管(3)、听骨(4)和面神经管(5)，半成品的半规管(3)、听骨(4)和面神经管(5)经烧结后，获得成品的半规管(3)、听骨(4)和面神经管(5)；

S3、利用所述三维几何模型数据，采用3D打印的方式制作出松质骨(1)硅胶模具和皮质骨(2)硅胶模具；

S4、将重量百分比为85％的黏土和15％的长石粉在球磨机中混合均匀，获得混合粉末；

S5、将步骤S4中所获得的混合粉末、水及石墨粉以重量比8:2:1混合，并在充分搅拌均匀后灌入松质骨(1)硅胶模具中，放置96h充分干燥后脱模，获得半成品松质骨(1)；

S6、将步骤S5中所获得的半成品松质骨(1)放置在皮质骨(2)硅胶模具中，将S4中所述混合粉末与水以8:2的重量比混合，并在充分搅拌均匀后灌入皮质骨(2)硅胶模具中，放置96h充分干燥后脱模，获得半成品颞骨模型；

S7、对步骤S6中所述半成品颞骨模型进行烧结作业，整个烧结作业过程依次包括一段升温过程、一段恒温过程、二段升温过程、二段恒温过程以及冷却过程，最终成型出成品的颞骨模型。

2.根据权利要求1所述的一种手术训练用颞骨模型的成型方法，其特征在于，所述半规管(3)、听骨(4)和面神经管(5)均采用粉末状氧化铝陶瓷经3D打印一体成型。

3.根据权利要求1所述的一种手术训练用颞骨模型的成型方法，其特征在于，所述步骤S2中半成品的半规管(3)、听骨(4)和面神经管(5)的烧结温度为1250-1350℃。

4.根据权利要求1所述的一种手术训练用颞骨模型的成型方法，其特征在于，所述步骤S7中一段升温过程和二段升温过程的升温速率均为5℃/min；所述一段升温过程的升温时间为2h，所述二段升温过程的升温时间为1.5h。

5.根据权利要求1或4所述的一种手术训练用颞骨模型的成型方法，其特征在于，所述一段恒温过程和二段恒温过程的烧结温度分别为600℃和1050℃；所述一段恒温过程的时长至少为2h，所述二段恒温过程的时长至少为6.5h。

Images