CN109118921B - 基于可溶材料的个性化透明硅胶模型的制作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了基于可溶材料的个性化透明硅胶模型的制作方法是一种基于人体器官的透明硅胶模型，以医疗影像为基础，通过模型清理与面向3D打印技术的修模工艺，制作可溶性模型内腔。本发明的个性化硅胶模型，改善了传统腔体模型制作中，需要多次倒模的制作工艺。可以很好的以真实尺寸制作目标器官的外模型，显著地提高了模型的临床应用价值，通过调配硅胶制得的透明心脑动脉硅胶管，可在临床培训和医疗教育等诸多方面开展更具实际应用价值的医工结合新应用。因此，本发明结合医学图像处理、人体血管模型修复、3D打印和硅胶模型烘烤等多个交叉学科，为临床提供了一套新的血管等腔体组织的透明外模型制作方案。

Description

基于可溶材料的个性化透明硅胶模型的制作方法
技术领域
本发明属于医疗训练器材技术领域，涉及一种基于真实尺寸下的心脑血管的透明软管腔体模型的制作方法。
背景技术
脑动脉瘤是一类严重的脑血管疾病，通过运用导管从人体大血管穿导管直至发病位置进行栓塞手术是一种创伤小，恢复快的介入方法，但手术操作对技术要求很高，临床经验积累困难，如何使医生快速积累相关临床经验变得十分必要，所以，本发明开发一种模拟训练手术的实施载体——基于真实病患CT影像的脑动脉瘤栓塞模拟训练系统，使初学者能通过反复练习，快速提高导管穿导管手术的技术水平。
介入性血管内治疗技术是在20世纪50年代导管技术的基础上发展起来的一项新的诊断治疗技术。随着X线影像技术的发展，特别是70年代出现了计算机数字减影造影技术，医生在荧光屏下可以将特制导管放入几乎是任何病变区的小动脉内，因而使造影区血管显像更清晰，创伤相对更小，治疗目的性更强，更有效。介入性血管内治疗也存在一定的局限性，因为介入位置一般选在大血管，尤其是脑动脉瘤的介入手术，需要从股动脉进行穿刺并放入金属导管，从体外驱使导管经髂动脉、主动脉弓直至颅内动脉瘤处实施血管内支架或动脉瘤栓塞手术。
主动脉的直径尺寸约为26到30mm，是人体内直径最大的几根供血动脉之一，从主动脉弓向上的分支血管管径逐渐缩小，至颈内动脉只有约6mm。而发生颅内动脉瘤的血管管径可能只有接近2mm。这间接决定了用于穿管的金属管的尖端需要较小尺寸。然而，这也决定了在穿管过程中，金属管尖端首先经过腹主动脉穿行至主动脉的过程容易使血管受损。而在主动脉弓处穿入对应的分支血管的过程也存在刮伤、刺破主动脉弓的风险。同时颈内动脉至大脑前交通动脉处存在多处扭转程度极大地血管偏折区，金属导管穿过该区域难度大，对手术操作者的手术技巧要求较高。同时，栓塞手术的难点也在于对栓塞程度的把控，而由于临床实际操作时只能通过显示屏观察瘤内的血流充盈程度来间接判断栓塞的实施情况，这给临床医生实施栓塞手术带来了额外的挑战。
如果能通过病患的医学影像直接还原真实比例的心脑血管模型，并将其安装在仿真的人体载具内，采用类正弦波的脉动输入装置为整套血管模型提供血流，在病灶上流放置失踪剂入口来实时对病灶位置进行有色溶液灌注。实习临床医生则可以通过该系统进行体外模拟的颅内动脉瘤模拟栓塞手术，在练习栓塞手术的同时，实际观察不同栓塞程度对动脉瘤及载瘤血管的影响，通过此类训练仪器配合临床医生的现场指导来加快提高实习医生的熟练度，提高实习医生的学习效率，使其可以更快的参与到临床施救中。
专利申请：介入治疗导管操作透明血管模型，申请号201120488681.2。其主要问题存在于：血管固化在人体模型内部，这会导致使用者对导管手术操作的控制感偏离临床实际情况，临床试图通过硅胶模型训练医生的目的之一，就是增加实际操作中，导管在血管组织中进行转角处如何转进的操作经验，而实体官腔则缺乏必要的受力形变，不利于积累对导管操作初始的操作经验。
专利申请：脑动脉瘤栓塞模拟训练仪，申请号201020211005.6。其主要存在两个问题：一是由于主要模型基于硅胶和橡胶，其透明度较差，难以给使用者建立起导管操作端真实的穿管反馈；二是模型基础与真实临床问题脱节，患有脑动脉瘤需要进行栓塞手术的病患的血管形态学特征在整个心脑血管层面较正常模型都有较大的差异，心血管各个分支的迂曲程度或许不会造成导管穿管困难，但不同病患脑血管个性化程度较高，故更推荐的模型基础是采用真实病患的脑部模型。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提出一种基于真实尺寸下的心脑血管的透明软管腔体模型的制作方法，克服现有腔体模型等方法难以制作真实大小、难以保证模型精度等技术难题。
基于3D打印可溶材料的个性化透明硅胶模型，需要保证从医学影像中提取的血管组织可以较好的应用于3D打印、制作的可溶性模型的涂胶方式及烘烤应较好的保证透明度和均匀性。
本发明的技术方案：
基于医学影像的模型重建，对目标区域进行裁剪并提取血管内腔结构，对脑动脉瘤及载瘤血管到颈内动脉部分进行血管提取。对模型进行进一步的表面处理。通过调节模型的空间位置，对1:1比例下的脑血管载瘤模型进行基于可溶材料的打印制作。
通过调节打印支撑的角度和密度，并在初始层建立辅助打印面，使初始层血管的支撑和模型底层打印可以成功与底板粘合。将打印后的模型进行表面处理并配置透明的硅胶溶液，通过铺层和涂层混合的方式，对可溶模型进行硅胶涂层制作。借助研发的双轴转动装置，使硅胶涂层在烘干过程中保持均匀。
硅胶涂层控制是通过控制初始层厚度和涂初始层时模型的转速实现的，因为硅胶具有一定的流动性，在开始涂胶后应使硅胶以单轴旋转的方式慢速转动，使硅胶在模型表面均匀浸湿。在慢速转动使模型表面硅胶浸湿均匀后，开始双轴转动烘干，并在厚度达到设计需求后，溶解内部的可溶材料，使透明硅胶管具有真实血管的形态学结构和受力变形的特性。
一种基于可溶材料的个性化透明硅胶模型的制作方法，步骤如下：
(1)在医学影像上获得所需目标位置的初步三维几何模型；
(2)在初步三维几何模型基础上，对其表面进行修正处理，得到表面光滑的所需目标位置的三维几何模型；
(3)基于3D打印技术，采用可溶材料打印步骤(2)得到的三维几何模型对应的实体骨架；
(4)在步骤(3)获得的实体骨架表面均匀旋涂硅胶层，硅胶层的厚度根据目标位置确定，硅胶层包含的组分为硅胶AB胶混合溶液，二者的体积比为10：1；
(5)将步骤(4)旋涂有硅胶层的实体骨架至于水中，实体骨架溶解，即形成所需目标位置的三维透明硅胶模型。
步骤(5)在60℃的水中溶解。
步骤(5)在超声条件下溶解。
本发明的有益效果：基于3D打印的可溶脑动脉模瘤型和特殊的烘干旋转装置以及硅胶的涂层控制方法，3D打印辅助提高了模型的制作精度，旋转烘干帮助模型的硅胶涂层在局部位置保持厚度均匀，硅胶涂层的控制则保证了硅胶成膜总体厚度的均匀性。基于该方法制得的透明硅胶空腔的模具，可以用于手术教学等多种领域。
附图说明
图1A是表面清理前的血管结构，其材质是可溶材料PVA。
图1B是表面清理后的血管结构，其材质是可溶材料PVA。
图2是涂抹硅胶后的可溶模型。
图3是溶解血管模型骨架后获得的透明硅胶模型。
图4是透明硅胶弹性管模型。
具体实施方式
以下结合技术和附图详细叙述实施例。
从医学影像中提取目标区域并进行预处理图1，使之具有便于空间定位、便于提高3D打印层间粘结质量(图2)、模型厚度变为中空架构和添加便于后期夹持的额外特征的优点，再通过软件切片软件将优化后的模型进行切片并应用3D打印将模型使用可溶性材料PVC进行打印制作，对模型进行多次水化溶解和表面清理。将硅胶以10：1进行调配后以涂在的可溶模型上，如图3，其技术特征包含：
根据模型的表面积估算出的基础用量的至少3倍计量配置硅胶胶液，将模型固定在双轴旋转装置上，并以底面打印一侧朝上开始涂满胶液，待硅胶沿模型体流下后使用细长状器物将硅胶浸湿全部模型体，2次加入过量硅胶于模型上并打开双轴旋转装置至约每8到15秒模型绕固定齿轮旋转1周的转速，待模型上硅胶形成具有一定厚度的薄膜胶层时，关闭双轴旋转装置使多余胶液滴下，待整体模型剩余硅胶的滴落速度小于2滴每分钟时，将模型较刚才位置倒置并等待30秒后，打开双轴旋转装置并以5秒一周的速度开始2次硅胶摇匀10分钟，开启辅助加热装置至模型完全烘干定型后，开始下一次涂层操作，直至模型厚度满足使用要求。将载有透明硅胶膜的模型放入载有超声清洗装置的温水池中，进行内核溶解并获得如图三的透明硅胶弹性管模型如图4。
与现有个性化透明硅胶模型的制作方法相比，本发明所述的制作方法成本更低，技术上更易实现，更符合实体模型，表面更加光滑，而且能制作最小直径大于1mm的小血管，能为复杂手术提供更多重要的参考。
上述实施例和图式并非限定本发明的产品形态和式样，任何所属技术领域的普通技术人员对其所做的适当变化或修饰，皆应视为不脱离本发明的专利范畴。

Claims (3)

1.一种基于可溶材料的个性化透明硅胶模型的制作方法，其特征在于，步骤如下：
(1)在医学影像上获得所需目标位置的初步三维几何模型；
(2)在初步三维几何模型基础上，对其表面进行修正处理，得到表面光滑的所需目标位置的三维几何模型；
(3)基于3D打印技术，采用可溶材料打印步骤(2)得到的三维几何模型对应的实体骨架；
(4)在步骤(3)获得的实体骨架表面均匀旋涂硅胶层，硅胶层的厚度根据目标位置确定，硅胶层包含的组分为硅胶AB胶混合溶液，二者的体积比为10：1；其中，
将实体骨架固定在双轴旋转装置上，根据实体骨架的表面积估算出的基础用量的至少3倍计量配置硅胶AB胶混合溶液，并以底面打印一侧朝上开始涂满胶液，待硅胶AB胶混合溶液沿实体骨架流下后使用细长状器物将硅胶AB胶混合溶液浸湿全部实体骨架，2次加入硅胶AB胶混合溶液于实体骨架上并打开双轴旋转装置至每8到15秒，实体骨架绕固定齿轮旋转1周的转速，待实体骨架上硅胶AB胶混合溶液形成硅胶层时，关闭双轴旋转装置使多余硅胶AB胶混合溶液滴下,待整体实体骨架剩余硅胶的滴落速度小于2滴每分钟时，将实体骨架倒置并等待30秒后，打开双轴旋转装置并以5秒一周的速度开始2次硅胶摇匀10分钟，开启辅助加热装置至模型完全烘干定型后，开始下一次涂层操作，直至模型厚度满足使用要求；
(5)将步骤(4)旋涂有硅胶层的实体骨架至于水中，实体骨架溶解，即形成所需目标位置的三维透明硅胶模型。
2.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于，步骤(5)在60℃的水中溶解。
3.根据权利要求1或2所述的制作方法，其特征在于，步骤(5)在超声条件下溶解。
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