CN109859595A - 一种血管网络超声仿体及制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种血管网络超声仿体及制作方法，其中，血管网络超声仿体包括采用PVA或猪皮粉制作而成的周边组织胶体模型，所述周边组织胶体模型的内部形成有空腔网络状血管模型。本发明的血管网络超声仿体选用PVA或猪皮粉制作，这两种材料具有合适的硬度/边缘完整性，不易变钝，易于制成表面光滑的空腔管道模型；且它们的声衰减值很小，声速接近人体，符合超声成像仿体的参数要求。

Description

一种血管网络超声仿体及制作方法

技术领域

本发明涉及仿身体组织模型技术领域，尤其涉及一种血管网络超声仿体及制作方法。

背景技术

仿组织模型是超声技术学习与实验中关键而常用的工具。目前用于模拟复杂的网络状血管（如肾脏的多级分叉状和肿瘤区的团状微血管）的仿体，可进行模拟血流灌注实验，并可在超声下进行成像。

现有的血管仿体主要是将空腔管道包埋于周边组织胶之内，此时模拟血管内部的空腔管道与周边组织胶之间有一层管道壁，虽然这样的模型比较接近于实际情况( 人体也存在血管壁)，然而，这种方案采用的材料为柔软的硅胶管，所模拟的管道壁会影响超声穿透性，影响管道内的声像图质量。

因此，现有技术还有待于改进和发展。

发明内容

鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种血管网络超声仿体及制作方法，旨在解决现有技术的血管网络超声仿体采用的材料会影响超声穿透性进而影响管道内的声像图质量。

本发明的技术方案如下：

一种血管网络超声仿体，包括采用PVA或猪皮粉制作而成的周边组织胶体模型，所述周边组织胶体模型的内部形成有空腔网络状血管模型。

所述的血管网络超声仿体，其中，所述空腔网络状血管模型中，包含四级以上的分差级数的管道。

一种如上所述的血管网络超声仿体的制作方法，包括如下：

步骤A、将PVA或猪皮粉溶解于水中，得到透明溶液；

步骤B、准备一实心网络状血管模型，将所述透明溶液浇筑在所述实心网络状血管模型的周围，并固化，得到内嵌实心网络状血管模型的仿体半成品；

步骤C、采用溶解剂将所述仿体半成品中的实心网络状血管模型溶解，形成空腔网络状血管模型，得到血管网络超声仿体。

所述的血管网络超声仿体，其中，所述步骤A中，所述PVA与水的质量比为1:（8-12）。

所述的血管网络超声仿体，其中，所述步骤A中，所述猪皮粉与水的质量比为1:（4-6）。

所述的血管网络超声仿体，其中，所述步骤B中，所述实心网络状血管模型采用3D打印机打印而成。

所述的血管网络超声仿体，其中，所述步骤B中，当所述血管网络超声仿体采用PVA制作时，固化的条件为：-20℃冷冻10-15h，然后于室温下解冻10-15h，重复冷冻-解冻操作3次以上。

所述的血管网络超声仿体，其中，所述步骤B中，当所述血管网络超声仿体采用猪皮粉制作时，固化的条件为：1-5℃冷冻1h以上。

所述的血管网络超声仿体，其中，所述步骤B中，所述实心网络状血管模型采用聚乳酸制作而成。

所述的血管网络超声仿体，其中，所述溶解剂为二氯甲烷溶液。

有益效果：本发明提供了一种如上所述的血管网络超声仿体，由PVA或猪皮粉制作而成，这两种材料具有合适的硬度/边缘完整性，不易变钝，易于制成表面光滑的空腔管道模型；且它们的声衰减值很小，声速接近人体，符合超声成像仿体的参数要求。

附图说明

图1a为本发明中用3D建模软件建立的一种网络状血管模型实施例图像。

图1b为本发明中用3D建模软件建立的另一种网络状血管模型实施例图像。

图2为本发明从三维CT影像数据中提取真实的人体血管分布模型的实施例图像。

图3为本发明实施例1中3D打印出的实心的网络状血管模型图像。

图4为本发明实施例1的样品做仿体超声实验的图像。

图5为本发明实施例1的样品做超声造影剂实验的图像。

具体实施方式

本发明提供了一种血管网络超声仿体及制作方法，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明提供的血管网络超声仿体，采用聚乙烯醇(polyvinyl alcohol，PVA)或猪皮粉制作而成，具体包括周边组织胶体模型，周边组织胶体模型的内部形成有空腔网络状血管模型；优选的空腔网络状血管模型包含四级以上的分差级数的管道，可以更准确的模拟人体器官内血管的分布。

PVA或猪皮粉作为原料制作周边组织胶时，效果远远优越于其他材料。其可以有利于制作过程的顺利操作以形成表面光滑的空腔管道，并且空腔管道不变形，边缘不易变钝，空腔网络状血管模型可以直接形成于周边组织胶体模型内部，两者一体化成型，不存在分隔膜或分隔壁。且它们的声衰减值很小，见表一，不会影响超声的穿透性，声速接近人体，符合超声成像仿体的参数要求。

表一 PVA/猪皮粉在不同超声频率下声衰减值（单位：dB/mm）

材料	1.1MHz	1.5MHz	2.1MHz
				猪皮粉	0.000	0.020	0.032
PVA	0.006	0.013	0.026

本发明还提供了一种如上所述的血管网络超声仿体的制作方法的较佳实施例，包括如下：

步骤A、将PVA或猪皮粉溶解于水中，得到透明溶液。溶解时，可以边加热边搅拌加速溶质的溶解，溶解猪皮粉时，可以加入少量的山梨酸钾防腐剂。优选的，PVA与水的质量比为1:（8-12）；猪皮粉与水的质量比为1:（4-6），可以得到澄清的透明粘稠状溶液。

步骤B、准备一实心网络状血管模型，将所述透明溶液浇筑在所述实心网络状血管模型的周围，并固化，得到内嵌实心网络状血管模型的仿体半成品。

具体的，可以根据人体血管的参数结合分形理论，用3D建模软件openscad编程建立网络状的血管模型，如图1a和图1b所示，左侧为人体局部解剖图，右侧为本发明编程建立的模型图，其中血管的分级数量，分叉数量，每级血管的直径、长度、分叉角度、旋转角度，各级血管之间的比例均可控可调节，经调节后可趋向于真实的人体血管。或者直接从三维的CT影像数据中提取出真实的人体血管分布模型，最后导出stl格式的文件，如图2所示。

然后根据3D网络状的血管模型制作实心网络状血管模型，优选的，采用3D打印机打印，相比手工拼接成的树状分叉管道，3D打印精度高，且四级以上的分叉管道与真实血管接近，仿真度极高。打印材料优选聚乳酸（polylactic acid,PLA）。PLA是一种新型的生物基及可再生生物降解材料，绿色环保。打印出的模型表面光滑，并且PLA材质较坚硬，不会因为重力或者挤压而发生形变。为方便后期微泡能够从仿体侧面流出，网状的末端设计成转向90度。

再将实心模型放置在外壳模具中，无需夹具、丝线等其他固定装置。灌入PVA/猪皮粉溶液。去除小气泡，然后固化。优选的，当所述血管网络超声仿体采用PVA制作时，待冷却至室温后于-20℃中冷冻10-15h后，取出于室温下解冻10-15h。冷冻-解冻3次以上；当所述血管网络超声仿体采用猪皮粉制作时，于1-5℃冷冻1h以上即可，得到内嵌实心网络状血管模型、外部包裹PVA/猪皮粉胶体的仿体半成品。

步骤C、采用溶解剂将所述仿体半成品中的实心网络状血管模型溶解，形成空腔网络状血管模型，得到血管网络超声仿体。

具体的，溶解剂的作用在于：能够溶解实心网络状血管模型但不能溶解PVA或猪皮粉。对于不同材料制作的实心网络状血管模型，可选择相应的溶解剂。针对PLA实心网络状血管模型，可以采用二氯甲烷溶液（Methylene chloride，CH₂Cl₂）。二氯甲烷对PVA胶体和猪皮粉胶体的形态没有任何影响，但二氯甲烷把PLA从固态溶化成液态，从而流出仿体。待PLA全部流出后取出仿体，即得到内部为空腔网络状管道的仿体，空腔管道与周边组织胶之间不存在分隔膜或分隔壁。溶解时，可以用磁力搅拌子进行低速搅拌，可加快二氯甲烷溶液的流动，从而加快PLA的流出，越复杂的管道，PLA流出所需的时间越长。

传统的血管网络超声仿体制作过程为：待周边的胶体成型后，再抽出硅胶管，从而形成具有中空管道的仿体。然而受限于后期必须将管道抽出的限制，这样的模型通常只能做到两级分叉，级数再高，靠近中心区的硅胶管就抽不出来了，且在抽出过程中易对仿体造成机械性的损坏。本发明采用溶解剂溶解的方法，克服了该问题，并且管道的分差级数可以做到四级以上。

下面通过实施例对本发明进行详细说明。

实施例1（内嵌有空腔网络状管道的PVA仿体的制备）

（1）用3D建模软件openscad编程建立网络状的血管模型，然后使用聚乳酸（polylacticacid,PLA）材料，用3D打印机打印出实心的网络状血管模型，如图3所示。

（2）将PVA粉末与水按1:10的比例进行溶解，溶解过程中进行加热和搅拌，加速溶解，得到澄澈且无气泡的透明粘稠状溶液。

（3）将PLA实心模型放置在外壳模具中，灌入PVA溶液，去除小气泡，等待冷却至室温后放入-20℃的冰箱中冷冻12小时，再取出放置在室温下解冻12小时。冷冻-解冻4个周期后，得到内嵌PLA实心网络状血管模型，外部包裹PVA胶体的半成品仿体。

（4）将半成品仿体浸没在二氯甲烷溶液中，并用磁力搅拌子进行低速搅拌36h，PLA从半成品仿体内部完全流出，形成空腔网络状血管模型，得到血管网络超声仿体。

实施例2（内嵌有空腔网络状管道的猪皮粉仿体的制备）

（1）同实施例1步骤（1）。

（2）B:将猪皮粉粉末与水按1:5的比例进行溶解，并加入少量的山梨酸钾防腐剂，溶解过程中进行加热和搅拌，加速溶解，得到澄澈且无气泡的浅黄色透明粘稠状溶液。

（3）将PLA实心模型放置在外壳模具中，灌入猪皮粉溶液。去除小气泡，待冷却到室温后放入3℃的冰箱中，2小时后得到内嵌PLA实心网络状血管模型，外部包裹猪皮粉胶体的半成品仿体。

（4）同实施例1步骤（4）。

仿体超声实验

以实施例1的血管网络超声仿体进行超声实验，如图4所示，右图为3D打印的PLA实心网络状血管模型，左图为将内嵌有空腔网络状管道的PVA仿体浸没在去气泡水中，用超声成像设备看到的B模式图像，可以清晰地看到仿体内部管道的空间分布。并与右图PLA实心网络状血管模型对应一致，没有因为周围组织胶的声衰减而造成最终成像上的畸变。

该仿体在空气中和水中均能保持很好的机械特性和稳定性，没有发生形变。该种仿体尽管不存在模仿血管壁的管道壁/膜，但是该仿体在超声下的成像能清晰显示管道内部情况，不会产生管道壁材料所引起的超声衰减现象。

超声造影剂实验

将仿体浸没在去气泡水中，通过蠕动泵和硅胶软管，将超声造影剂微泡输送到仿体的网络状管道中，并以一定的速度流动，以模拟人体内的血流灌注现象。图5的最左侧为其在超声下的B模式成像图，可以看到管道中充满了微泡。图5的右侧为实验装置图，微泡从仿体右侧最大的管道流入，从网络状管道的各个末端转向侧面90度后流出。将PVA材料仿体浸没在水中保存6个月后，形状及内部各结构的回声特性均无明显改变。

猪皮粉材料的仿体超声实验和超声造影剂实验特性同PVA材料的仿体，本发明不再赘述。猪皮粉材料的仿体，经保鲜膜包裹置于4摄氏度冰箱保存3个月后，形状及内部各结构的回声特性均无明显改变。

综上所述，本发明提供了一种血管网络超声仿体及制作方法，本发明的血管网络超声仿体由PVA或猪皮粉制作而成，这两种材料具有合适的硬度/边缘完整性，不易变钝，易于制成表面光滑的空腔管道模型；且它们的声衰减值很小，声速接近人体，符合超声成像仿体的参数要求。同时，本发明的仿体制作方法具有如下有点：（1）现有技术采用的是硅胶管拼接成树状分叉的管道，采用手工拼接，易造成精度不足，且与实际血管的理论参数相差较大。与之相比，本发明采用分形理论编程得到网络状的管道模型，或者直接从三维CT影像数据中提取出真实的血管分布模型。而后经3d打印机打印出实心的PLA管道模型，精度极高，且与真实血管很接近，仿真度极高；（2）现有技术采用的是硅胶管且经过拼接，在埋入胶体前需要进行多方面的夹持加固，以保证形成特定的空间分布形态。与之相比，本发明采用的实心PLA管道一体成型，不需要任何夹持加固，就能保持特定的空间分布状态；（3）现有技术所采用的硅胶管本身材质柔软，在埋入胶体后容易受重力和挤压等多方面的影响而发生形变，导致最后仿体内的管道空间分布与最初设计的空间分布不一致。与之相比，本发明采用的实心PLA管道材质坚硬，不会因受到重力和挤压而变形，保证最后仿体内的管道空间分布与最初设计时相同；（4）现有技术只能得到两级分叉，更多的分叉级数将会造成中心区域的硅胶管道无法抽出。与之相比，本发明可达到更高的分叉级数乃至网络状的管道；（5）现有技术在抽出硅胶管的过程中容易损坏仿体。与之相比，本发明的固态PLA管道被二氯甲烷溶液溶化成液态流出仿体，对仿体不会造成任何损坏。

应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种血管网络超声仿体，其特征在于，包括采用PVA或猪皮粉制作而成的周边组织胶体模型，所述周边组织胶体模型的内部形成有空腔网络状血管模型。

2.根据权利要求1所述的血管网络超声仿体，其特征在于，所述空腔网络状血管模型中，包含四级以上的分差级数的管道。

3.一种如权利要求1或2所述的血管网络超声仿体的制作方法，其特征在于，包括如下：

步骤A、将PVA或猪皮粉溶解于水中，得到透明溶液；

步骤B、准备一实心网络状血管模型，将所述透明溶液浇筑在所述实心网络状血管模型的周围，并固化，得到内嵌实心网络状血管模型的仿体半成品；

步骤C、采用溶解剂将所述仿体半成品中的实心网络状血管模型溶解，形成空腔网络状血管模型，得到血管网络超声仿体。

4.根据权利要求3所述的血管网络超声仿体的制作方法，其特征在于，所述步骤A中，所述PVA与水的质量比为1:（8-12）。

5.根据权利要求3所述的血管网络超声仿体的制作方法，其特征在于，所述步骤A中，所述猪皮粉与水的质量比为1:（4-6）。

6.根据权利要求3所述的血管网络超声仿体的制作方法，其特征在于，所述步骤B中，所述实心网络状血管模型采用3D打印机打印而成。

7.根据权利要求3所述的血管网络超声仿体的制作方法，其特征在于，所述步骤B中，当所述血管网络超声仿体采用PVA制作时，固化的条件为：-20℃冷冻10-15h，然后于室温下解冻10-15h，重复冷冻-解冻操作3次以上。

8.根据权利要求3所述的血管网络超声仿体的制作方法，其特征在于，所述步骤B中，当所述血管网络超声仿体采用猪皮粉制作时，固化的条件为：1-5℃冷冻1h以上。

9.根据权利要求3所述的血管网络超声仿体的制作方法，其特征在于，所述步骤B中，所述实心网络状血管模型采用聚乳酸制作而成。

10.根据权利要求9所述的血管网络超声仿体的制作方法，其特征在于，所述溶解剂为二氯甲烷溶液。