CN114078354A - 3d打印软体器官模型在医疗手术模拟中的用途 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了3D打印软体器官模型在医疗手术模拟中的用途，该3D打印软体器官模型由类泡沫材料通过3D打印获得，并且表面具有不可逆热致变色涂层。由此，采用该3D打印软体器官模型，在医疗手术模拟中，可以留下和真实手术一样的病灶斑点，进而可有效地用于辅助医生进行术前模拟以及教学使用。
Description
技术领域
本发明属于医学实验领域，具体而言，本发明涉及3D打印软体器官模型在医疗手术模拟中的用途。
背景技术
射频消融(RFA)是一种现在医疗系统中常用的治疗功能缺陷组织的医疗手段，通常在门诊使用局部麻醉或清醒镇静麻醉进行，通过导管介入治疗时被称为射频导管消融，应用广泛创伤性小，比如，左心房射频消融(LAA)来除颤，治疗心律不齐。3D打印作为一项可以提供定制化模型生产的技术，在医疗术前模拟，特定关节置换，器官移植等方面具有不可比拟的优势。热致变色材料通常用作具有颜色变化的温度指示器，与打印出的器官模型相结合从而可以完成消融手术仿真。因此，该模型可以被生理学家医学家用于训练如何正确操纵导管以消融正确的位置。
热变色材料由于其应用而受到了广泛的关注，在生命科学，流量感测以及它们作为温度传感器的潜在应用中在各种设备中，可分为可逆的和不可逆类型。第一个在温度变化后呈现可逆的颜色变化。颜色的变化可以通过加热-冷却循环来逆转，其中材料重新获得其冷却后的原始颜色。相反，不可逆的热致变色材料显示出不可逆的材料颜色会根据周围环境的峰值温度而变化，颜色变化冷却后不能逆转，因此提供了可以降温后显示的永久标记。
就变色机理来说，可逆的颜色变化现象称为色差。它基于物质的电子密度变化，或者超分子物质的排列变化，整个变色过程是诱导的分子或超分子结构的可逆变化，受热并与一个吸收光谱内的变化密切相关。热变色分子，通常在可见光范围内。热致变色物质可以是无机或有机来源。在大多数情况下，热致变色有机颜料由三部分组成。第一个成分是染料，它对环境中pH的变化敏感(原色)。另一个成分是显色剂，它具有质子供体的功能。通常这个功能由弱酸释放，例如酚的衍生物。第三部分是助溶剂，用作疏水性，非挥发性介质，其中染料和彩色显色剂已分开，在低温下组件以固态形式出现。在这种状态下，染料与可能会出现显色剂，从而导致形成颜色。在更高温度下，系统开始熔化，染料与颜色之间的相互作用显影剂不再可用，颜色消失。
而针对不可逆热致变色材料的作用机理，则是通过有效成分的分解或者氧化还原反应，在很宽的温度范围内获得不可逆的颜色变化。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的一个目的在于提出一种3D打印软体器官模型在医疗手术模拟中的用途，该3D打印软体器官模型可有效地用于辅助医生进行术前模拟以及教学。
根据本发明的一个方面，本发明提出了一种3D打印软体器官模型在医疗手术模拟中的用途，其特征在于，3D打印软体器官模型由类泡沫材料通过3D打印获得，并且表面具有不可逆热致变色涂层。
由此，采用该3D打印软体器官模型，在医疗手术模拟中，可以留下和真实手术一样的病灶斑点，进而可有效地用于辅助医生进行术前模拟以及教学。
另外，根据本发明上述实施例的3D打印软体器官模型在医疗手术模拟中的用途还可以具有如下附加的技术特征：
在本发明的一些实施例中，所述医疗手术模拟为心脏射频消融手术的模拟，所述3D打印软体器官模型为3D打印软体心脏模型。由此可以利用3D打印软体心脏模型进行心脏射频消融手术的模拟，可以留下和真实手术一样的病灶斑点，进而可有效地用于辅助医生进行术前模拟以及教学。
在本发明的一些实施例中，所述3D打印软体心脏模型通过下列步骤制备得到：
(1)通过医学CT建立分割的心脏模型，获得3维可被打印的stl文件；
(2)采用类泡沫材料通过3D分别打印分割的心脏模型；
(3)使用不可逆热致变色材料对分割的器官模型进行上色并在表面形成所述不可逆热致变色涂层；
(4)将所述上色后的分割的心脏模型进行粘合后在盐水中进行浸泡处理，以便获得所述3D打印软体心脏模型。
由此，首先通过分别打印部分心脏模型，可以便于打印结束后支撑材料的移除，并最终通过粘合获得完整3D打印软体心脏模型；其次，在粘合后的心脏模型表面形成不可逆热致变色涂层，可以在心脏射频消融仿真手术过后，留下对应的病灶斑点，辅助医生判断导管的插入和治疗。
在本发明的一些实施例中，所述类泡沫材料为选自Layfomm40、Layfomm60或者Gel-lay。
在本发明的一些实施例中，所述Layfomm40线材预先经过盐水浸泡。由此，经过盐水浸泡过的Layfomm40线材具有一定的导电性，从而满足整个射频消融手术模拟的要求。
在本发明的一些实施例中，所述3D打印软体心脏模型的阻抗为110-125欧姆，变色温度44摄氏度。
在本发明的一些实施例中，所述心脏射频消融手术模拟的环境水温为37-39摄氏度。
在本发明的一些实施例中，在所述心脏射频消融手术模拟中，射频消融温度为70-85摄氏度，射频消融功率为70-90瓦特，射频消融时间为60s。由此在该条件下可重复获得大小一致的消融斑点。
附图说明
图1显示了现有的可逆3D打印变色材料以及采用可逆3D打印变色材料打印的心房模型。
图2中(a)-(c)显示了是心房模型建立(a)-(c)x,y,z平面图；
图2(d)显示了本发明实施例的3D打印软体心脏模型的3维立体图。
图3(a)显示了本发明实施例的心房模型打印切割结果；
图3(b)本发明实施例的打印后粘合及涂层结果
图4(a)显示了本发明实施例的模拟实验的射频消融平台；
图4(b)显示了本发明实施例的导管消融。
图5(a)显示了本发明实施例的射频操作系统；
图5(b)显示了本发明实施例的射频操作系统中的导管固定装置。
图6(a)显示了本发明实施例1中射频消融手术后在真实鸡胸肉上产生的病灶斑点。
图6(b)显示了本发明实施例1中射频消融手术后在涂有变色涂层的Layfomm40材料上产生的病灶斑点。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
本发明是居于下列现有技术完成的：目前基于保密印刷，防火安全服等市场需求，传统的对于变色材料的研究与应用集中在可逆变色材料上。如图1所示的3D打印软体心脏模型为现有市售心脏模型，其采用可逆变色PLA线材打印而成。由于其对应的变色温度为33摄氏度，低于射频消融手术实验环境水温37摄氏度，并且可逆变色PLA线材不具有导电性和柔软度，导致直接打印的变色心房模型在射频消融手术的应用有限。
为此，根据本发明的一个方面，本发明提出了一种3D打印软体器官模型在医疗手术模拟中的用途，其特征在于，3D打印软体器官模型由类泡沫材料通过3D打印获得，并且表面具有不可逆热致变色涂层。
由此，本发明上述实施例的3D打印软体器官模型由类泡沫材料通过3D打印的，并且表面具有不可逆热致变色涂层。首先，该不可逆热致变色材料的变色温度与医疗手术模拟操作环境的温度相同，进而可以保证病灶斑点的有效形成；其次，类泡沫材料有导电性和良好的柔软度，从而满足医疗手术模拟的要求。因此，采用本发明上述实施例的3D打印软体器官模型，可以在医疗手术模拟中留下和真实手术一样的病灶斑点，进而可有效地用于辅助医生进行术前模拟以及教学。
下面对本发明上述实施例的3D打印软体器官模型在医疗手术模拟中的用途进行详细描述：
根据本发明的具体实施例，上述医疗手术模拟为心脏射频消融手术的模拟，3D打印软体器官模型为3D打印软体心脏模型。由此可以利用3D打印软体心脏模型进行心脏射频消融手术的模拟，可以留下和真实手术一样的病灶斑点，进而可有效地用于辅助医生进行射频消融术前模拟以及射频消融手术的教学。
根据本发明的具体实施例，上述3D打印软体心脏模型可以通过下列步骤制备得到：
(1)通过医学CT建立分割的心脏模型，获得可3维打印的stl文件；
(2)采用Layfomm40线材通过3D分别打印分割的心脏模型；
(3)使用不可逆热致变色材料对分割的器官模型进行上色并在表面形成所述不可逆热致变色涂层；
(4)将所述上色后的分割的心脏模型进行粘合，以便获得所述3D打印软体心脏模型。
由此，首先通过分别打印部分心脏模型，可以便于打印结束后支撑材料的移除，并最终通过粘合获得完整3D打印软体心脏模型。最初的分割的心脏模型由人工使用ITK-SNAP软件完成，然后使用Seg3D进行平滑和修复处理，最后导出可3维打印的stl文件，模型先在Netfabb中切割成两部分，如图3(a)所示。同时图2(a)-(c)显示了心房模型建立的x,y,z平面图，图2(d)为心房模型建立的3维立体图。其次，在粘合后的心脏模型表面形成不可逆热致变色涂层，如图3(b)所示，可以在心脏射频消融仿真手术过后，留下对应的病灶斑点，辅助医生判断导管的插入和治疗。
根据本发明的具体实施例，通过采用不可逆热致变色材料可以有效保证加热过后，变色效果可以长久保留。
根据本发明的具体实施例，类泡沫材料可以为选自Layfomm40、Layfomm60或者Gel-lay。利用该类材料制备得到的器官模型具有良好的柔软度和导电性，进而可以满足整个射频消融系统工作的要求。
根据本发明的具体实施例，优选地，3D打印使用新型Layfomm40线材，由该Layfomm40线材打印获得的心脏模型经过盐水浸泡后具有一定的导电性，从而满足整个射频消融系统工作的要求。射频消融手术模拟后不可逆热致变色涂层的永久性的颜色变化可立即识别实际消融中的射频消融点。
根据本发明的具体实施例，所述3D打印软体心脏模型的阻抗为110-125欧姆，变色温度44摄氏度。发明人发现，当阻抗过大时，会导致消融点过小甚至无法肉眼可见，而阻抗过小时则会导致消融点过大，超出实际手术中病人心脏会产生的病灶点。另外，变色温度过低不符合射频消融手术的加热实际，变色温度过高射频信号发射器无法达到，系统最高可到85摄氏度，但实际应用当中出于安全考虑不会高于80摄氏度，所以44摄氏度的变色温度非常适合现有的射频消融系统。
根据本发明的具体实施例，所述心脏射频消融手术模拟的环境水温为37-39摄氏度。由此3D打印软体心脏模型的变色温度44摄氏度高于模拟手术环境水温的最高温度，进而3D打印软体心脏模型的变色形成病灶点不会受到环境水温的影响，进而提高获得病灶点可靠性。
根据本发明的具体实施例，在所述心脏射频消融手术模拟中，射频消融温度为70-85摄氏度，射频消融功率为70-90瓦特，射频消融时间为60s。由此可以提高在3D打印软体心脏模型上获得的病灶斑点的准确性。
根据本发明的具体实施例，图4(a)展示了射频消融手术模拟实验平台的示意图，射频信号通过发射器发出，导管传导，作用于病灶点，消融温度最高可达85摄氏度。图4(b)为导管消融。图5(a)显示了真实的射频系统，为了保证产生病灶点的大小不受人工操作不稳定的影响，图5(b)中使用了导管固定装置，保证每次实验导管尖端和测试模型的接触面和受力一致，待测模型阻抗稳定在110-125Ω，水温稳定在37-39摄氏度，消融时间为60s。测试实验环境在测试过程中，为了使病灶斑点可重复稳定的产生，基于一系列操作系统的不同设置在结果中给出了参考，设置为变量的参数是射频功率和消融温度。
实施例1
分别对真实鸡胸肉和涂有变色涂层的Layfomm40材料进行射频消融，射频消融的条件均为：阻抗110欧姆左右，水温38摄氏度，消融温度70度，功率70瓦特，采用了导管固定装置。
结果与结论：术后病灶斑点分别如图6(a)真实鸡胸肉和图6(b)涂有变色涂层的Layfomm40材料上的白色斑点所示。对比可见，涂有变色涂层的Layfomm40材料上的白色斑点与真实鸡胸肉上的白色斑点是直径相近的圆形。由此可说明所使用的涂层结合Layfomm40是合适的材料，可以用于射频消融手术的模拟。
实施例2
利用涂有变色涂层的Layfomm40材料对射频消融手术模拟的条件进行筛选，以筛选出可重复稳定产生直径3-3.5mm的病灶斑点的射频消融参数(功率和温度)。
如表1所示，分别在射频消融温度和对应的功率下进行射频消融，并记录产生的病灶斑点的大小。结果可见，可重复稳定产生直径3-3.5mm的病灶斑点的射频消融参数为功率为70-90瓦特和温度为70-80摄氏度。进而优化获得射频消融手术模拟的条件即为射频消融功率为70-90瓦特和射频消融温度为70-80摄氏度。
表1射频消融手术后病灶消融斑点直径(毫米)(实验水温37摄氏度)
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (7)
1.一种3D打印软体器官模型在医疗手术模拟中的用途，其特征在于，3D打印软体器官模型由类泡沫材料通过3D打印获得，并且表面具有不可逆热致变色涂层。
2.根据权利要求1所述的用途，其特征在于，所述医疗手术模拟为心脏射频消融手术的模拟，所述3D打印软体器官模型为心脏模型。
3.根据权利要求2所述的用途，其特征在于，所述心脏模型通过下列步骤制备得到：
(1)通过医学CT建立分割的心脏模型，获得3维可被打印的stl文件；
(2)采用类泡沫材料通过3D分别打印分割的心脏模型；
(3)使用不可逆热致变色材料对分割的器官模型进行上色并在表面形成所述不可逆热致变色涂层；
(4)将所述上色后的分割的心脏模型进行粘合后在盐水中进行浸泡处理，以便获得所述心脏模型。
4.根据权利要3所述的用途，其特征在于，所述类泡沫材料为选自Layfomm40、Layfomm60或者Gel-lay。
5.根据权利要求4所述的用途，其特征在于，所述心脏模型的阻抗为110-125欧姆，变色温度44摄氏度。
6.根据权利要求5所述的用途，其特征在于，所述心脏射频消融手术模拟的环境水温为37-39摄氏度。
7.根据权利要求6所述的用途，其特征在于，在所述心脏射频消融手术模拟中，射频消融温度为70-85摄氏度，射频消融功率为70-90瓦特，射频消融时间为60s。
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