CN114013030B - 基于旋转-喷涂-温控机构的大尺度硅胶血管模型的制作方法 - Google Patents

基于旋转-喷涂-温控机构的大尺度硅胶血管模型的制作方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于外科医疗训练器材技术领域，提供了一种基于旋转‑喷涂‑温控机构的大尺度硅胶血管模型的制作方法，以真实医疗影像为基础，通过模型清理与面向3D打印技术的修模工艺，制作可溶性模型内部骨架，并通过采用喷枪逐层喷涂、加热器烘烤、水箱溶解等制得大尺度透明硅胶血管模型，改善了传统腔体制作中无法保证操作的可重复性，过于依赖经验等人为因素的影响，以及操作的繁琐冗杂等问题。可以很好地按照真实血管尺寸制作出不同尺度目标血管的体外模型，较好地实现了血管厚度的均匀性和可控性。

Description

基于旋转-喷涂-温控机构的大尺度硅胶血管模型的制作方法
技术领域
本发明属于外科医疗训练器材技术领域，涉及一种基于旋转-喷涂-温控机构的大尺度硅胶血管模型的制作方法。更具体的，涉及一种基于真实CT影像数据及血管几何尺寸的透明软管腔体生物模型的制作方法。
背景技术
心脑血管疾病是一类严重威胁人类健康的非传染性疾病，常见的疾病主要包括：冠状动脉粥样硬化、颈动脉狭窄、颅内动脉瘤、主动脉夹层等。临床统计数据显示：在颅内动脉狭窄患者中，动脉瘤的发生比例为12.3％，明显高于颅内动脉瘤的一般发生率。冠状动脉粥样硬化性心脏病，是指冠状动脉发生粥样硬化而引起管腔狭窄或闭塞，导致心肌缺血缺氧或坏死而引起的心脏病。而主动脉夹层，主要是当主动脉中层发生退行性病变或主动脉内膜破裂时导致主动脉内膜撕裂，血液经裂口进入主动脉壁，破坏中层并沿主动脉走行将内膜和部分中膜与外层剥离。主动脉产生夹层后如不进行恰当且及时的治疗，其破裂风险非常大，死亡率也极高。文献显示，主动脉夹层1周内的死亡率高达50％，一个月内的死亡率达60-70％。
伴随着现代微创医学理念的迅速普及，血管内治疗的方式成为解决心脑血管病的有力手段。同时随着腔内技术和器械的发展，使得年轻医生掌握血管内治疗方式的技巧所需要的时间相较于以往大大缩短，但这并不意味着可以放松或减轻对神经介入科医师的技能培训。基于支架的介入治疗是心血管疾病重要的治疗手段之一，具有手术创伤小、操作简单、恢复快等诸多优点，在临床有着广泛应用。无论是颅内动脉瘤，血管狭窄，或是主动脉夹层等的介入治疗，介入手术策略对术后的效果的影响很大。如：动脉瘤夹闭位置的选择，动脉瘤介入弹簧线圈密度的确定，支架网格形状的选择，支架初始放置位置以及打开程度的确定等。
介入手术的成功和长期有效性(介入手术的实施和成效)高度依赖于术后的血流动力学，所以在心血管的手术规划中也必须考虑血流动力学因素，以避免因血流动力学参数的改变而引起的动脉粥样硬化的危险，如低壁面切应力、高壁面切应力梯度、回流等。异常的力学环境将引起血管内皮细胞的炎性因子的释放和聚积，从而导致血管内膜受损，进一步引起退行性血管重构。而动脉血管狭窄、动脉瘤以及介入支架的植入等都将导致血管结构改变，进而改变了血管内原有的血流动力学环境。但是目前介入手术策略的选择很大程度上依赖临床医生的经验，无法实现个性化。同时介入手术相关的病因病理复杂，对于刚开始血管外科专业培训的住院医师来说，只通过影像学以及自身的三维空间认知能力来学习和理解主动脉夹层血管腔等复杂解剖结构是较为困难的。通过高度拟真化的介入模拟训练设备，将会成为神经介入医生培训发展的新方向。
因此，如能从实验流体力学的角度出发，利用患者的CT影像数据制作出具有真实尺寸的大尺度透明硅胶血管模型，进而搭建体外循环系统，可以为血管介入手术模拟提供接近真实的环境，为主治医生提供病患的手术流程演练机会，掌握术中难点，辅助手术的顺利进行。同时，该系统让操作者更直观地从三维角度熟悉血管解剖，掌握介入手术手法和技巧，进而可以高效培训年轻手术医师、辅助AI进行手术操作，将传统上倍受伦理争议的以患者作为操作练习对象的培训方式，改变成一种医疗安全系数更高且容错率更高的新型培训方式。此外，利用该模型系统能够综合考虑脉动血流、弹性血管以及支架之间流固耦合的作用，定量分析不同动脉血管支架手术前后所处的血流动力学特性变化，不仅有助于客观评价血管支架手术的治疗效果，而且可以为手术策略的制定和优化提供着重要依据。
专利申请：一种心血管模型用的高透明高强度硅胶及其制备方法，申请号CN201810099741.8。其主要问题在于：该专利给出了用于制作心血管透明软体模型的硅胶材料的成分配比和制作方法，并没有给出之后用这种硅胶材料制作个性化心脑血管模型的方法。
专利申请：一种用于流体力学观测实验的高透明仿生血管模型的制备方法，申请号CN201811633861.8。该专利提出了一种基于3D打印技术来制作硅胶血管模型的方法。其主要问题在于：首先，该专利中采用多次浇筑来涂覆硅胶，无法保证每一层的硅胶同等厚度，对于制作的硅胶血管厚度也就无法可控，更不能保证同一血管模型可以重复制作。其次，该专利的方法只是对人体局部血管进行了尝试，操作流程和步骤不一定适用于于基于真实尺寸的大尺度全身血管模型的制作，无法保证操作简单和模型厚度可控。
专利申请：基于可溶材料的个性化透明硅胶模型的制作方法，申请号201811194119.1。该专利主要存在两个问题：一是采用人工多次手动涂覆硅胶，人为因素对于硅胶层厚度的控制影响较大，无法保证制作硅胶血管的操作的可重复性，且并未给出实现指定厚度硅胶层的制作方法；二是只给出局部血管组织的透明腔体模型的制作方法，对于较大尺度的真实血管模型比如从人体髂动脉到主动脉弓分支处，该专利无法保证整个血管模型不同部位和不同分支处的透明度和均匀性。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提出一种基于真实病患大尺度动脉血管的透明硅胶模型的制作方法，该方法可以制作出从人体主动脉弓到髂总动脉之间包括部分分支的整体血管模型，克服现有腔体血管模型制作方法中人为因素影响较大，难以制作比较完整的较大尺度模型、难以保证模型厚度精度，无法保证可重复等技术问题。
本发明的技术方案：
基于真实病患的医学影像进行三维血管模型重建，对主动脉弓到髂总动脉部分进行血管提取。对提取的模型表面进行进一步的光滑处理，并对模型上左右胃动脉等分支血管进行拉伸处理等。在软件中对模型进行分割，调整分割后每部分模型空间位置，利用3D打印机在1:1比例下对各段模型分别进行基于可溶性材料的打印制作。
3D打印机采用的是熔融沉积制造法，通过逐层打印，将支撑和模型分层打印出来。因此打印出来的血管模型避免不了表面会有分层造成的纹理以及模型和支撑接触处的痕迹存在。将打印出来的分段模型重新拼接为一个整体，并对其进行一定的表面光滑处理。配置一定比例的透明硅胶溶液，并利用喷枪，将硅胶溶液在高压下以液滴颗粒状喷涂于整体血管模型表面，对整体血管可溶模型分层多次进行硅胶涂覆。采用自主研发的单轴旋转-烘干机构，对喷涂结束的模型进行烘干。
对可溶血管模型硅胶的喷涂是在半封闭透明柜中进行，通过控制喷枪的枪嘴尺寸和压力可以对每次模型表面硅胶厚度进行控制。利用单轴旋转机构，控制转速，进而控制硅胶在模型表面分布的均匀性，当喷涂结束后，打开烘干装置，继续利用单轴旋转对模型表面硅胶进行烘干。
一种基于旋转-喷涂-温控机构的大尺度硅胶血管模型的制作方法，步骤如下：
步骤1、从医学影像中提取出整体血管的三维几何模型；
步骤2、对步骤1得到的血管三维几何模型进行表面光滑和分割，获得多个不同位置的血管三维几何模型；
步骤3、利用3D打印机，使用可溶解打印耗材，分别对步骤2中的多个血管三维模型进行打印，得到各自对应的内芯模型；
步骤4、将步骤3中的不同分段血管内芯模型进行拼接，重新得到整体血管的三维内芯模型，并使用PVA水溶液对其进行表面处理；
步骤5、配置透明硅胶溶液，将双组份硅胶AB混合溶液和固化剂按照一定比例混合，得到硅胶溶液；将步骤(4)中获得的整体血管的三维内芯模型固定于单轴旋转机构的旋转轴上，并利用喷枪将配好的硅胶溶液采用喷涂的方式，均匀涂覆于随旋转轴周期转动的三维内芯模型表面；手持喷枪在三维内芯模型顶部位置，喷嘴垂直于三维内芯模型表面并与三维内芯模型表面保持一定距离，从上至下竖直进行移动，从三维内芯模型顶部位置喷涂到底部为一次喷涂，单次喷涂时间取决于三维内芯模型转速和所需要的单层厚度；结束一层喷涂使用加热器烘干三维内芯模型表面，重复喷涂-烘干操作；
步骤6、将步骤5中喷涂有硅胶层的硅胶血管模型继续均匀旋转烘干，整体烘干之后将整个硅胶血管模型浸没在水中，待血管内芯完全溶解后，得到大尺度硅胶血管模型。
步骤4中，对三维内芯模型表面处理采用的是PVA与水按照质量比为1:10混合而成的PVA水溶液进行表面处理。
步骤5中，所述的单轴旋转机构由电机、齿轮组、螺杆和型材固定架组成，电机固定于型材固定架上，电机转轴与小齿轮相连，小齿轮通过与大齿轮正交啮合形成齿轮组，作为旋转轴的螺杆固定在大齿轮轴心并通过型材固定架作为支撑，三维内芯模型固定在螺杆上。
步骤5中，三维内芯模型固定于旋转轴上，随旋转轴以72rad/s的速度旋转；喷涂时采用的是手持喷枪，喷嘴直径为2.5mm，在压力为6bar下将硅胶液体雾状喷出，按照三维内芯模型旋转两周喷枪下移50mm的标准进行喷涂。
步骤5中，采用直流稳压电源控制的加热器对硅胶血管模型进行烘干，烘干过程中，硅胶血管模型保持72rad/s的速度周期旋转，硅胶液膜层在温度60℃条件下经过一个小时完全烘干；调整电压和电流保持硅胶血管模型周围温度为60℃。
所述的硅胶AB混合液是按照A:B＝1：1的质量比进行混合，固化剂与硅胶AB混合液的质量比为0.006:1。
本发明的有益效果：
(1)基于病患真实影像数据，利用影像处理软件可以获得更接近于真实尺寸的三维血管几何模型；
(2)采用喷枪喷涂硅胶溶液的方法，硅胶以雾状喷覆于模型表面，减少了一部分流体流动特性带来的影响；通过控制转轴转速和喷枪压力的大小，可以较好地控制每一层硅胶的厚度，进而可以保证每一层可以达到相同厚度，最终实现同一个模型的重复制作和不同尺度血管模型的厚度个性化；
(3)采用自主研发的单轴旋转-烘干机构，通过轴的旋转和液滴的延展性，可以使得硅胶溶液均匀地涂覆在模型内芯表面并得到良好的烘干；
(4)通过本方法制作的透明硅胶大尺度血管模型，可以用于实验来模拟观察整个人体部分血管系统内的血液流动情况；可以用来构建模块化的介入手术模拟系统，进而用于正式手术前医生模拟演练介入手术方案；也为后续模型制作自动化提前做了一部分准备。
附图说明
图1是在医学影像软件提取的血管几何模型示意图。
图2是经过表面处理后的血管结构。
图3是利用3D打印机，打印耗材采用的是可溶性材料PVA，分段打印并拼接，经过表面涂覆PVA水溶液光滑处理后的血管内芯模型。
图4是整体机构示意图。
图5是加热器几何尺寸示意图。
图6是经过旋转-喷涂-烘干后的涂覆有一定厚度硅胶膜的血管内芯模型。
图7是溶解血管内芯后得到的大尺度透明硅胶血管模型。
图中：1单轴旋转机构；2透明保温操作柜；3血管内芯模型；41#加热器；5手持喷枪；6直流稳压电源；72#加热器；83#加热器；9型材固定架；10电机；11齿轮组。
具体实施方式
以下结合附图，通过实施例进一步说明本发明，但不作为对本发明的限制。以下提供了本发明实施方案中所使用的具体材料及其来源。但是，应当理解的是，这些仅仅是示例性的，并不意图限制本发明，与如下试剂和仪器的类型、型号、品质、性质或功能相同或相似的材料均可以用于实施本发明。下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法。下述实施例中所用的材料、试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。
首先将获得真实病患的影像数据导入医学影像软件SIMPLEWARE中，选择出从人体主动脉弓到髂总动脉处的动脉血管区域，并进行提取，得到具有接近真实尺寸的大尺度血管三维几何模型，并进行初步的表面光滑处理，如图1所示。将简单处理后的模型保存为STL文件并在ANSYS的SpaceClaim模块中，对三维模型再次进行表面光滑和修复处理，切去左右肾动脉和肠系膜上动脉等分支上的细小分支，保留主干，并将主干末端分别拉伸3cm。为了便于后续操作，将模型主动脉弓的头臂干、左锁骨下动脉、左颈总动脉三根分支做了一定的拉伸并添加了用于固定的圆盘结构，得到如图2所示的血管结构模型。
使用3D打印机打印模型，由于打印机操作空间尺寸的限制，需要将整体模型进行合理分段处理，利用SpceClaim进行分割并保存。利用打印机自带的切片软件对各个分段分别进行切片，采用可溶性耗材PVA作为打印材料，通过3D打印机将各段分别打印出来。对打印好的分段模型分别进行表面处理，对表面进行挫磨，之后放在37℃水浴中浸泡30秒，重复10次进行水化溶解，去除表面的阶梯状螺纹等。使用胶水，将分段模型重新粘接为一个整体，就得到了包括小段分支的从人体主动脉弓到髂总动脉的血管可溶内芯模型。按照一定浓度配置出适量的PVA水溶液，将整个模型固定于自主研发的单轴旋转机构上，将PVA水溶液均匀地涂敷在模型表面，经过四次涂覆并烘干，使得整体模型表面更为光滑，得到的模型如图3所示。
其中，本发明中自主研发的旋转-喷涂-温控机构如图4所示，采用截面为20×20mm的铝合金型材作为旋转结构的固支架9，利用固定于型材上的电机10控制啮合好的齿轮组11进行旋转，并将模型与旋转轴固定在一起，即为电机带动齿轮，齿轮带动旋转轴和模型一起旋转的单轴旋转机构。
将使用PVA水溶液光滑表面处理过的模型固定于旋转轴上，打开低速电机电源，使得模型以72rad/s的速度旋转，操作人员手持喷枪，喷枪在压力为6bar下，将硅胶液体以硅胶液滴的状态持续喷出，喷嘴垂直于旋转轴并保持垂直距离为70mm，喷幅尺寸为长半轴25mm短半轴15mm的椭圆，按照模型旋转两周喷枪下移50mm的标准进行喷涂，从上到下结束一次喷涂。打开直流稳压电源，通过控制电源电压来控制加热器(图4中的4、7、8)的温度，使得模型附近温度稳定在60℃左右。其中，加热器的尺寸如图5所示，直流稳压电源通过旋钮控制电压为44V，电流为0.7A。结束一次喷涂后，覆有硅胶液滴的模型表面在60℃下一个小时可以达到完全烘干。单次喷涂后，硅胶层厚度可达到0.08mm，重复喷涂烘干操作二十五次左右，可以得到厚度均匀为2mm的硅胶模型。去除模型顶部圆盘结构，并将各个分支末端剪开一个缺口以便后续溶解操作，如图6所示。
将表面为一定厚度并处理过分支结构的硅胶膜大尺度血管模型放入水箱中，水箱内注入热水，每三小时换一次热水，使用恒温烘箱控制水温为60℃，进行溶解操作，经过48小时，16次换水操作，可溶性内部血管模型完全溶解，即可得到大尺度透明硅胶血管模型，如图7所示。
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技术上更易实现硅胶血管的多次成型以及血管的厚度可控，更符合真实血管结构模型，可以用来模拟真实血管内血液流动的流场和压力速度分布，能为介入手术评价、医学教学、医师培训等多种用途提供更多重要的参考。
以上示例性实施方式所呈现的描述仅用以说明本发明的技术方案，并不想要成为毫无遗漏的，也不想要把本发明限制为所描述的精确形式。显然，本领域的普通技术人员根据上述示例做出很多改变和变化都是可能的。选择示例性实施方式并进行描述是为了解释本发明的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的其它技术人员便于理解、实现并利用本发明的各种示例性实施方式及其各种选择形式和修改形式。本发明的保护范围意在由所附权利要求书及其等效形式所限定。

Claims (7)

1.一种基于旋转-喷涂-温控机构的大尺度硅胶血管模型的制作方法，其特征在于，步骤如下：
步骤1、从医学影像中提取出整体血管的三维几何模型；
步骤2、对步骤1得到的血管三维几何模型进行表面光滑和分割，获得多个不同位置的血管三维几何模型；
步骤3、利用3D打印机，使用可溶解打印耗材，分别对步骤2中的多个血管三维模型进行打印，得到各自对应的内芯模型；
步骤4、将步骤3中的不同分段血管内芯模型进行拼接，重新得到整体血管的三维内芯模型，并使用PVA水溶液对其进行表面处理；
步骤5、配置透明硅胶溶液，将硅胶AB混合溶液和固化剂按照一定比例混合，得到硅胶溶液；将步骤(4)中获得的整体血管的三维内芯模型固定于单轴旋转机构的旋转轴上，并利用喷枪将配好的硅胶溶液采用喷涂的方式，均匀涂覆于随旋转轴周期转动的三维内芯模型表面；手持喷枪在三维内芯模型顶部位置，喷嘴垂直于三维内芯模型表面并与三维内芯模型表面保持一定距离，从上至下竖直进行移动，从三维内芯模型顶部位置喷涂到底部为一次喷涂，单次喷涂时间取决于三维内芯模型转速和所需要的单层厚度；结束一层喷涂使用加热器烘干三维内芯模型表面，重复喷涂-烘干操作；
步骤6、将步骤5中喷涂有硅胶层的硅胶血管模型继续均匀旋转烘干，整体烘干之后将整个硅胶血管模型浸没在水中，待血管内芯完全溶解后，得到大尺度硅胶血管模型；
其中，步骤5中，三维内芯模型固定于旋转轴上，随旋转轴以72rad/s的速度旋转；喷涂时采用的是手持喷枪，喷嘴直径为2.5mm，在压力为6bar下将硅胶液体雾状喷出，按照三维内芯模型旋转两周喷枪下移50mm的标准进行喷涂。
2.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于，步骤4中，对三维内芯模型表面处理采用的是PVA与水按照质量比为1:10混合而成的PVA水溶液进行表面处理。
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中，所述的单轴旋转机构由电机、齿轮组、螺杆和型材固定架组成，电机固定于型材固定架上，电机转轴与小齿轮相连，小齿轮通过与大齿轮正交啮合形成齿轮组，作为旋转轴的螺杆固定在大齿轮轴心并通过型材固定架作为支撑，三维内芯模型固定在螺杆上。
4.根据权利要求1或2所述的制作方法，其特征在于，步骤5中，采用直流稳压电源控制的加热器对硅胶血管模型进行烘干，烘干过程中，硅胶血管模型保持72rad/s的速度周期旋转，硅胶液膜层在温度60℃条件下经过一个小时完全烘干；调整电压和电流保持硅胶血管模型周围温度为60℃。
5.根据权利要求3所述的制作方法，其特征在于，步骤5中，采用直流稳压电源控制的加热器对硅胶血管模型进行烘干，烘干过程中，硅胶血管模型保持72rad/s的速度周期旋转，硅胶液膜层在温度60℃条件下经过一个小时完全烘干；调整电压和电流保持硅胶血管模型周围温度为60℃。
6.根据权利要求1、2或5所述的制作方法，其特征在于，所述的硅胶AB混合液是按照A:B＝1：1的质量比进行混合，固化剂与硅胶AB混合液的质量比为0.006:1。
7.根据权利要求3所述的制作方法，其特征在于，所述的硅胶AB混合液是按照A:B＝1：1的质量比进行混合，固化剂与硅胶AB混合液的质量比为0.006:1。
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