CN113724562B - 一种用于经颅超声扫查的仿体颅脑模型及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于经颅超声扫查的仿体颅脑模型及其制备方法，仿体颅脑模型包括颅骨仿体、颅内血管仿体、血管病灶仿体、颅内组织仿体以及头皮仿体；头皮仿体覆盖设置在颅骨仿体的外表面；颅内组织仿体包括脑膜仿体和皮层脑组织仿体，脑膜仿体覆盖设置在颅骨仿体的内表面，皮层脑组织仿体填充满颅骨仿体的颅骨腔；颅内血管仿体分布于皮层脑组织仿体当中，颅内血管仿体中以一定速度通入一定浓度的液体模拟血液流动；血管病灶仿体包括设置在颅内血管仿体上的血管瘤部和血管狭窄部。本发明使用超声换能器在该颅脑模型的声学窗口附近进行扫描，可以得到完整的颅内血管信息、脑组织信息和病灶区域信息，进而可以进行三维重建并可视化。

Description

一种用于经颅超声扫查的仿体颅脑模型及其制备方法
技术领域
本发明属于超声领域，具体涉及一种用于经颅超声扫查的仿体颅脑模型及其制备方法。
背景技术
二维经颅超声成像技术作为一种安全、实时和便携的脑血管和脑组织检查手段，能够提供颅内脑动脉的实时血流动力学参数、脑组织黏弹性和生理结构信息。然而由于颅骨对于超声信号的严重衰减，经颅超声成像一般从特定的声学窗口比如颞窗、枕骨大孔等部位进行。因此，在临床实验之前，要检验二维经颅超声成像技术的可靠性和准确性，对成像方式进行优化和改进，校正颅骨对超声信号的影响，设计一种与真实颅脑在结构和声学特性上高度接近的颅脑模型具有很重要的科研价值。同时，二维图像具有一定的局限性，即只能获得颅内空间结构的一个切面图像，需要操作者想象其对应的实际空间位置关系，降低了诊断结果的可靠性。三维重建技术可以克服操作者的偏见，减少对操作者经验知识的依赖性，得到相对真实的诊断结果。因此，将二维经颅超声成像技术与三维重建技术相结合，能完整可视化颅内血管的结构和颅内脑组织结构，便于操作者从任意方向进行查看，在三个维度上测量定量属性，减少对操作者的依赖性，扩展对脑血管和脑组织结构的理解。
但目前三维扫描一般也是从特定的声学窗口进行，由于颅骨结构的不规则性和特异性，并且三维扫描过程中需要考虑超声探头与颅骨之间的贴合问题，因此，在临床实验之前，仍需要与真实颅脑特性接近的颅脑模型仿体进行预实验研究与测试。
目前临床上和市场上有用于医学解剖和尸体解剖辅助医生进行手术训练或解剖教学演练的颅脑模型、用于磁共振弥散张量成像的颅脑模型等，但由于超声成像有特定的环境要求，现有模型所用材料的声学特性与真实组织的声学特性有一定差距，并不能满足超声成像的需求。因此需要开发一种与真实颅骨在结构和声学特性方面高度接近的颅脑模型仿体。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有技术中的颅脑解剖模型不能应用于经颅超声成像，尤其是颅骨、颅内血管和皮层脑组织等结构，与真实人体颅脑组织的结构以及声学特性偏差较大，不能满足经颅超声扫查需求的问题，提供一种用于经颅超声扫查的仿体颅脑模型及其制备方法，满足不同超声成像方式的需求，也可以进行颅内超声三维扫描与重建的操作或教学演练。
为了实现上述目的，本发明有如下的技术方案：
一种用于经颅超声扫查的仿体颅脑模型，包括颅骨仿体、颅内血管仿体、血管病灶仿体、颅内组织仿体以及头皮仿体；所述的头皮仿体覆盖设置在颅骨仿体的外表面；所述的颅内组织仿体包括脑膜仿体和皮层脑组织仿体，所述的脑膜仿体覆盖设置在颅骨仿体的内表面，皮层脑组织仿体填充满颅骨仿体的颅骨腔；所述的颅内血管仿体分布于皮层脑组织仿体当中，颅内血管仿体中以一定速度通入一定浓度的液体模拟血液流动；所述的血管病灶仿体包括设置在颅内血管仿体上的血管瘤部和血管狭窄部。
作为本发明仿体颅脑模型的一种优选方案，所述的颅骨仿体是基于真实的人体颅骨形状采用PloyPlus PLA材料通过3D打印制造而成；所述的颅骨仿体为完整的人体颅骨模型或者分割后的局部颅骨模型。
作为本发明仿体颅脑模型的一种优选方案，所述的颅内血管仿体包括第一血管仿体和第二血管仿体，第一血管仿体在矢状面上呈环状结构固定，与血管瘤部和血管狭窄部相连，第二血管仿体在横截面上呈环状结构固定，模拟人体颅内正常的血管进行对照；所述的颅内血管仿体连接蠕动泵来通入液体；所述的血管瘤部当中分布设置有第三血管仿体。
作为本发明仿体颅脑模型的一种优选方案，第一血管仿体的内径为1.5mm～4mm，第二血管仿体的内径为0.8mm～1.5mm，第一血管仿体和第二血管仿体能够模拟颅内大动脉血管或模拟颅内中等动脉血管；所述的第三血管仿体的内径为0.3mm～0.8mm，能够模拟脑小血管。
作为本发明仿体颅脑模型的一种优选方案，所述的第一血管仿体和第二血管仿体按照人体颅内wills环的形状和位置摆放。
作为本发明仿体颅脑模型的一种优选方案，所述的头皮仿体密封覆盖设置在颅骨仿体的外表面，所述的脑膜仿体密封覆盖设置在颅骨仿体的内表面，脑膜仿体包括硬脑膜仿体、蛛网膜仿体和软脑膜仿体；所述的头皮仿体和脑膜仿体均由硅胶弹性体制得，所述的硅胶弹性体是由硅胶和固化剂按照质量比为(0.6：1)～(1：4)的配比制备得到。
作为本发明仿体颅脑模型的一种优选方案，所述的皮层脑组织仿体由仿体溶液灌注成型，所述的仿体溶液采用除气水、40％丙烯酰胺、Tris缓冲液、过硫酸铵、TEMEP按照质量比为(1400～1600)：(250～400)：(100～300)：(15～18)：(1～3)制备得到。
作为本发明仿体颅脑模型的一种优选方案，所述的头皮仿体上标记有颅内血管仿体以及血管病灶仿体的投影形状和位置。
本发明还提出一种用于经颅超声扫查的仿体颅脑模型的制备方法，包括以下步骤：
按照真实的人体颅骨形状制备颅骨仿体；
将硅胶与固化剂配制成的溶液涂到颅骨仿体的内表面形成脑膜仿体；
制作颅内血管仿体，所述的颅内血管仿体包括第一血管仿体和第二血管仿体；按照实际血管瘤的形状和大小设计血管瘤部内部的第三血管仿体模具，采用倒模的方式在第三血管仿体模具上制得第三血管仿体，将第三血管仿体固定在第一血管仿体上；以及，采用模具灌注的方式在第一血管仿体上制作出血管狭窄部；
在颅骨仿体的颅骨腔当中，按照wills环的形状和位置摆放并且固定包含血管瘤部和血管狭窄部的第一血管仿体以及第二血管仿体；
将制备皮层脑组织仿体的仿体溶液灌注到颅骨腔中，凝固得到皮层脑组织仿体；
将硅胶与固化剂配制成的溶液涂到颅骨仿体的外表面形成头皮仿体。
作为本发明制备方法的一种优选方案，所述的颅骨仿体采用PloyPlus PLA材料按照真实的人体颅骨形状通过3D打印制造而成；所述制备皮层脑组织仿体的仿体溶液采用除气水、40％丙烯酰胺、Tris缓冲液、过硫酸铵、TEMEP按照质量比为(1400～1600)：(250～400)：(100～300)：(15～18)：(1～3)制备得到，灌注时首先将颅骨腔抽真空，然后在负压环境下灌注到已固定好第一血管仿体以及第二血管仿体的颅骨腔中；所述的脑膜仿体与头皮仿体也均在负压的环境下将硅胶与固化剂配制成的溶液均匀在颅骨仿体的表面旋涂成型。
相较于现有技术，本发明有如下的有益效果：该仿体颅脑模型能够实现在物理结构和声学特性上与真实的颅脑相似，使用超声换能器在该颅脑模型的声学窗口附近进行扫描，可以得到完整的颅内血管信息、脑组织信息和病灶区域信息，进而可以进行三维重建并可视化。本发明仿体颅脑模型的制备方法简单易行、可操作性和可重复性强，血管的形状、尺寸和位置以及病灶的类型和位置都可以根据实际需求增减，具有实用性强、经济成本低以及使用范围广的特点；能够产品化推广到科研、教学和临床应用中，具有较大的社会经济效益。
进一步的，本发明的颅骨仿体基于真实的人体颅骨形状采用PloyPlus PLA材料通过3D打印制造而成，与真实颅骨具有相同结构和尺寸，并且具有与真实颅骨相近的声学特性。
进一步的，本发明颅内血管仿体包括第一血管仿体和第二血管仿体，第一血管仿体在矢状面上呈环状结构固定，与血管瘤部和血管狭窄部相连，第二血管仿体在横截面上呈环状结构固定，模拟人体颅内正常的血管进行对照，血管瘤部当中分布设置有第三血管仿体，设置不同内径的血管仿体能够用于模拟正常血管、脑动脉狭窄、脑动脉瘤和脑小血管疾病。
进一步的，本发明的头皮仿体和脑膜仿体由硅胶弹性体制得，皮层脑组织仿体由仿体溶液灌注成型，制得的仿体在声学特性以及弹性、硬度等力学性能方面均与真实的人体颅脑皮层脑组织相似，因此能够用于弹性成像，能够用于诊断脑组织病变。
附图说明
图1本发明仿体颅脑模型整体结构示意图；
图2本发明颅内血管仿体以及血管病灶仿体的结构示意图；
附图中：1-头皮仿体；2-颅骨仿体；3-脑膜仿体；4-皮层脑组织仿体；5-颅内血管仿体；6-血管瘤部；7-血管狭窄部；8-第一血管仿体；9-第二血管仿体。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。
参见图1，图2，本发明提出一种用于经颅超声扫查的仿体颅脑模型，包括颅骨仿体2、颅内血管仿体5、血管病灶仿体、颅内组织仿体以及头皮仿体1；颅骨仿体2是基于真实的人体颅骨形状采用PloyPlus PLA材料通过3D打印制造而成；颅骨仿体2可以为完整的人体颅骨模型或者分割后的局部颅骨模型。头皮仿体1覆盖设置在颅骨仿体2的外表面；颅内组织仿体包括脑膜仿体3和皮层脑组织仿体4，脑膜仿体3覆盖设置在颅骨仿体2的内表面，皮层脑组织仿体4填充满颅骨仿体2的颅骨腔；颅内血管仿体5分布于皮层脑组织仿体4当中，颅内血管仿体5连接蠕动泵以一定速度通入一定浓度的液体模拟血液流动；血管病灶仿体包括设置在颅内血管仿体5上的血管瘤部6和血管狭窄部7。使用超声换能器通过在该颅脑模型的声学窗口附近进行扫描成像，可以得到完整的颅内血管信息和病灶区域信息。
在本发明的实施例中，制备颅骨仿体2的材料为PloyPlus PLA，在2MHZ的频率下其颞骨区域的平均声衰减系数为6.98dB/mm，平均超声波速度为2114.72m/s，与2MHZ频率下平均声衰减系数为7.06dB/mm、平均超声波速度为2168.71m/s的真实颅骨相近。
在本发明的实施例中，颅内血管仿体5包括第一血管仿体8和第二血管仿体9，第一血管仿体8和第二血管仿体9按照人体颅内wills环的形状和位置摆放，与真实颅内血管的位置和形状相近，当然这里也可按照需求自定义摆放。第一血管仿体8在矢状面上呈环状结构固定，与血管瘤部6和血管狭窄部7相连，第二血管仿体9在横截面上呈环状结构固定，模拟人体颅内正常的血管进行对照；血管瘤部6当中分布设置有第三血管仿体。
具体的，第一血管仿体8的内径为1.5mm～4mm，第二血管仿体9的内径为0.8mm～1.5mm，第一血管仿体8和第二血管仿体9能够模拟颅内大动脉血管或模拟颅内中等动脉血管；第三血管仿体的内径为0.3mm～0.8mm，能够模拟脑小血管。
本发明血管瘤部6的制备方法如下：按照实际血管瘤的形状和大小设计第三血管仿体模具，第三血管仿体内径优选0.5mm，通过3D打印技术将模具打印出来，在模具上均匀涂覆一层硅胶材料，该硅胶材料按照硅胶与固化剂的质量比为(0.25：1)～(4：1)，优选1：1的配比得到，待硅胶凝固之后，去除血管模具，将得到的硅胶血管网固定到第一血管仿体8的对应位置，血管瘤部6中分布有第三血管仿体。血管狭窄部7的制备方法如下：按照血管阻塞的形状和大小设计模具，通过3D打印技术将模具打印出来固定在第一血管仿体8的对应位置。之后在模具中灌入硅胶溶液，该硅胶溶液按照硅胶与固化剂的质量比为(0.25：1)～(4：1)，优选1：1的配比制得。待硅胶凝固后，去除模具后得到对应位置的血管阻塞。
在本发明的实施例中，头皮仿体1密封覆盖设置在颅骨仿体2的外表面，脑膜仿体3密封覆盖设置在颅骨仿体2的内表面，脑膜仿体3包括硬脑膜仿体、蛛网膜仿体和软脑膜仿体；头皮仿体1和脑膜仿体3均由硅胶弹性体制得，硅胶弹性体是由硅胶和固化剂按照质量比为(0.6：1)～(1：4)的配比制备得到，其中，制备脑膜仿体3的硅胶弹性体优选硅胶和固化剂按照质量比为1：2的配比制备得到，使用该材料和该配方制得的脑膜在声学特性和弹性、硬度等力学性能上与真实人体脑膜相似。而制备头皮仿体1的硅胶弹性体优选硅胶和固化剂按照质量比为1：1的配比制备得到，使用该材料和该配方制得的头皮在声学特性和弹性、柔软性等力学性能上与真实人体头皮相似。皮层脑组织仿体4由仿体溶液灌注成型，仿体溶液采用除气水、40％丙烯酰胺、Tris缓冲液、过硫酸铵、TEMEP按照质量比为1560：360：200：16：1制备得到，使用该材料和该配方得到的皮层脑组织在声学特性、弹性等力学性能等方面与真实的人体皮层脑组织相似。皮层脑组织仿体4的平均密度为1.06g/cm3，声阻抗为1.62MRayls，声速为1477±5m/s，超声频率为1MHz时的声衰减系数为0.42±0.01dB/cm，剪切弹性模量范围为2～3kPa，剪切粘性范围为0.2～0.45Pa·s，与平均密度为1.04g/cm3，声阻抗为1.63MRayls，平均声速为1561m/s，平均声衰减系数为0.54dB/cm的人体颅内软组织相似。
在本发明的实施例中，头皮仿体1上标记有颅内血管仿体5以及血管病灶仿体的投影形状和位置，类似实验室的多普勒体模，血管对应的外表面有两根粗细不同的红线，代表不同的血管管径和位置，便于操作者观察和理解颅内血管及病灶区域的分布情况。
一种用于经颅超声扫查的仿体颅脑模型的制备方法，包括以下步骤：
S1:获取成年男性(或女性)的颅脑CT切片图像，然后通过数字图像处理的方式将颅骨分割出来，之后应用3D打印技术制得完整或者分割后的局部颅骨，得到颅骨仿体2。3D打印的材料选用PloyPlus PLA，保证颅骨模型的声学特性与真实颅骨的声学特性最为相近。
S2：按照硅胶与固化剂的质量比为1：2的配比制备硅胶溶液，将刚制备好的硅胶溶液在负压的环境下均匀旋涂到颅骨仿体2的内表面，厚度0.5～3mm，优选1mm，得到脑膜仿体3。
S3：颅内血管仿体5的大血管由内径为1.5mm～4mm，优选3mm，壁厚1mm的硅胶管得到；中血管内径为0.8mm～1.5mm，优选1mm，壁厚0.5mm的硅胶管得到；制作血管瘤部6：按照实际血管瘤的形状和大小设计内部血管模具，血管瘤部6中的血管内径优选0.5mm，通过3D打印技术将模具打印出来，在模具上均匀涂覆一层硅胶材料，该硅胶材料按照硅胶与固化剂的质量比为(0.25：1)～(4：1)，优选1：1的配比得到，待硅胶凝固之后，去除血管模具，将得到的硅胶血管网固定到颅内血管仿体5的对应位置。制作血管狭窄部7：按照血管阻塞的形状和大小设计模具，通过3D打印技术将模具打印出来固定在其中一条血管的对应位置。之后在模具中灌入硅胶溶液，该硅胶溶液按照硅胶与固化剂的质量比为(0.8：1)～(4：1)，优选1：1的配比制得。待硅胶凝固后，去除模具，得到对应位置的血管阻塞。
采用上述方法制得的颅内血管仿体5的血管直径与真实颅内血管直径相近，其中，大血管能够模拟颅内大动脉血管，可用于多普勒或造影成像；中血管能够模拟颅内中等动脉血管，可用于多普勒或造影成像；小血管能够模拟脑小血管，可用于超分辨成像。
S4：按照除气水、40％丙烯酰胺、Tris缓冲液、过硫酸铵、TEMEP质量比为(1400～1600)：(250～400)：(100～300)：(15～18)：(1～3)的配比制得仿体溶液，优选的，除气水、40％丙烯酰胺、Tris缓冲液、过硫酸铵、TEMEP质量比为1560：360：200：16：1，抽真空后，将刚刚制备的仿体溶液在负压的环境下灌注到固定好颅内血管仿体5、血管病灶仿体的颅骨仿体2的内腔当中。
S5：按照硅胶和固化剂按照质量比为1：1的配比制得硅胶溶液，将其均匀涂覆在颅骨仿体2的外表面，固化之后制得头皮仿体1。可以在头皮仿体1上标记颅内血管及病灶区域的投影形状和位置，便于操作者观察和理解颅内血管及病灶区域的分布情况。
使用超声换能器在所述颅脑模型的声学窗口附近进行扫描，可以得到完整的颅内血管信息、脑组织信息和病灶区域信息，进而可以进行三维重建并可视化。
本发明的仿体颅脑模型在物理结构和声学特性上与真实的颅脑相似，其中通过仿体实现的颅骨的声衰减系数与真实颅骨相近，颅内大动脉血管的结构以及血液流动特性与真实颅内血管相近，皮层脑组织具有与真实脑组织相似的结构、硬度、弹性和声衰减系数。使用超声换能器在本发明颅脑模型的声学窗口进行扫描，可以得到完整的颅内血管信息、脑组织信息和病灶区域信息，既可以满足不同超声成像方式的需求，又可以进行颅内超声三维扫描与重建的操作或教学演练，因此在教学和研究领域都具有十分重要的意义。
以上所述的仅仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解，在不脱离本发明基本原理的前提下，还可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改和补充，或者对其中部分技术特征进行等同替换，但这些补充和改进也应视为属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种用于经颅超声扫查的仿体颅脑模型，其特征在于：包括颅骨仿体(2)、颅内血管仿体(5)、血管病灶仿体、颅内组织仿体以及头皮仿体(1)；所述的头皮仿体(1)密封覆盖设置在颅骨仿体(2)的外表面；所述的颅内组织仿体包括脑膜仿体(3)和皮层脑组织仿体(4)，所述的脑膜仿体(3)密封覆盖设置在颅骨仿体(2)的内表面，脑膜仿体(3)包括硬脑膜仿体、蛛网膜仿体和软脑膜仿体，皮层脑组织仿体(4)在负压环境下填充满颅骨仿体(2)的颅骨腔；所述的颅内血管仿体(5)无隙分布于皮层脑组织仿体(4)当中，颅内血管仿体(5)中以一定速度通入一定浓度的液体模拟血液流动；所述的血管病灶仿体包括设置在颅内血管仿体(5)上的血管瘤部(6)和血管狭窄部(7)；所述的颅骨仿体(2)是基于真实的人体颅骨形状采用PloyPlus PLA材料通过3D打印制造而成，所述的PloyPlus PLA材料在2MHZ的频率下其颞骨区域的平均声衰减系数为6.98dB/mm，平均超声波速度为2114.72m/s；所述的皮层脑组织仿体(4)由仿体溶液灌注成型，皮层脑组织仿体(4)的平均密度为1.06g/cm3，声阻抗为1.62MRayls，声速为1477±5m/s，超声频率为1MHz时的声衰减系数为0.42±0.01dB/cm，剪切弹性模量范围为2～3kPa，剪切粘性范围为0.2～0.45Pa·s，所述的仿体溶液采用除气水、40％丙烯酰胺、Tris缓冲液、过硫酸铵、TEMEP按照质量比为1560：360：200：16：1制备得到；所述的头皮仿体(1)和脑膜仿体(3)均由硅胶弹性体制得，所述的硅胶弹性体是由硅胶和固化剂按照质量比为(0.6：1)～(1：4)的配比制备得到；所述的颅内血管仿体(5)包括第一血管仿体(8)和第二血管仿体(9)，所述的第一血管仿体(8)和第二血管仿体(9)按照人体颅内wills环的形状和位置摆放，第一血管仿体(8)在矢状面上呈环状结构固定，与血管瘤部(6)和血管狭窄部(7)相连，第二血管仿体(9)在横截面上呈环状结构固定，模拟人体颅内正常的血管进行对照；所述的血管瘤部(6)当中分布设置有第三血管仿体；所述的颅内血管仿体(5)连接蠕动泵来通入液体；所述的第一血管仿体(8)的内径为1.5mm～4mm，第二血管仿体(9)的内径为0.8mm～1.5mm，第一血管仿体(8)和第二血管仿体(9)能够模拟颅内大动脉血管或模拟颅内中等动脉血管；所述的第三血管仿体的内径为0.3mm～0.8mm，能够模拟脑小血管。
2.根据权利要求1所述用于经颅超声扫查的仿体颅脑模型，其特征在于：所述的颅骨仿体(2)为完整的人体颅骨模型或者分割后的局部颅骨模型。
3.根据权利要求1所述用于经颅超声扫查的仿体颅脑模型，其特征在于：所述的头皮仿体(1)上标记有颅内血管仿体(5)以及血管病灶仿体的投影形状和位置。
4.一种如权利要求1-3中任意一种所述用于经颅超声扫查的仿体颅脑模型的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
采用PloyPlus PLA材料按照真实的人体颅骨形状通过3D打印制造颅骨仿体(2)；
在负压的环境下，将硅胶与固化剂配制成的溶液均匀旋涂到颅骨仿体(2)的外表面形成头皮仿体(1)；
在负压的环境下，将硅胶与固化剂配制成的溶液均匀旋涂到颅骨仿体(2)的内表面形成脑膜仿体(3)；
制作颅内血管仿体(5)，所述的颅内血管仿体(5)包括第一血管仿体(8)和第二血管仿体(9)；按照实际血管瘤的形状和大小设计血管瘤部(6)内部的第三血管仿体模具，采用倒模的方式在第三血管仿体模具上制得第三血管仿体，将第三血管仿体固定在第一血管仿体(8)上；以及，采用模具灌注的方式在第一血管仿体(8)上制作出血管狭窄部(7)；
在颅骨仿体(2)的颅骨腔当中，按照wills环的形状和位置摆放并且固定包含血管瘤部(6)和血管狭窄部(7)的第一血管仿体(8)以及第二血管仿体(9)；
将制备皮层脑组织仿体(4)的仿体溶液灌注到颅骨腔中，灌注时首先将颅骨腔抽真空，然后在负压环境下灌注到已固定好第一血管仿体(8)以及第二血管仿体(9)的颅骨腔中，凝固得到皮层脑组织仿体(4)。
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