CN114191144A - 一种心脏结构的3d物理副本及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

公开了一种心脏结构或血管结构的3D物理副本及其制造方法。根据实施方式，一种用于制造心脏结构的3D物理副本的方法包括：根据心脏结构的3D模型打印内模；在内模的外表面上浇铸仿生材料；以及固化所浇铸的材料以形成心脏结构的3D物理副本，其中所固化的材料是可拉伸的。

Description

一种心脏结构的3D物理副本及其制造方法
技术领域
本公开涉及一种心脏结构的3D物理副本及其制造方法。
背景技术
在全球范围内，心脏疾病是死亡的主要原因。结构性心脏病是指引起心脏或血管结构异常的一组疾病进程。结构性心脏疾病可通过使用经皮设备(支架、闭塞器等)的心脏外科手术和基于导管的疗法来进行治疗。对于外科手术和基于导管的介入，流程成功需要仔细计划和了解目标心脏结构的解剖结构。目前通过使用诸如CT、MRI和超声心动图的成像技术来实现这种目的。然而，心脏结构的形态可能非常复杂并且因人而异。即使使用先进的成像技术，设备和解剖结构之间的机械相互作用也难以量化。
尽管存在一些基于医学成像的3D打印的商业技术(例如，材料公司(MaterialsInc.)，比利时)，但其不会使用生物学上精确的材料创建物理模型，也不会提供关于机械设备-解剖结构相互作用的定量信息。这两个特征对于精确计划介入流程是强制性的，原因在于执行这些流程的临床医生期望知道特定设备是否适合特定患者的心血管结构以实现其治疗目的，以及植入的设备是否会引起并发症，例如使重要的心血管结构变形甚至破裂。因此，现有方法的局限性包括：1)心脏结构分割在很大程度上是人工操作的；2)分割主要适用于CT/MRI数据，但由于3D超声心动图的心脏壁的低信噪比，因而限制了对3D超声心动图数据的应用；3)不具有可量化的设备/模型相互作用的物理信息。所提出的方法可允许在3D超声心动图(例如，二尖瓣、主动脉瓣、左心房附件、主动脉等)的图像上准确且半自动地勾勒出目标解剖结构的轮廓。
发明内容
本公开旨在解决上述限制中的至少一个。
根据本公开，公开了一种心脏结构或血管结构的3D物理副本及其制造方法。根据实施方式，一种用于制造心脏结构的3D物理副本的方法包括：根据心脏结构的3D模型打印内模；在内模的外表面上浇铸仿生材料；以及固化所浇铸的材料以形成心脏结构的3D物理副本，其中所固化的材料是可拉伸的。
附图说明
图1示出了根据本公开的实施方式的用于制造心脏结构的3D物理副本的方法的流程图；
图2示出了根据本公开的另一实施方式的用于制造心脏结构的3D物理副本的方法的流程图；以及
图3A至图3D示出了根据本公开的实施方式的患者特定心房的内模和外模的前视图和等轴视图。
具体实施方式
在下文中，现在将参考附图详细说明某些示例性实施方式。参考下面结合附图详细描述的实施方式，本公开以及用于实现本公开的方法的优点和特征将是显而易见的。然而，本公开不限于以下公开的实施方式，而是可以以各种不同的形式来实现，并且这些实施方式可仅使本公开完整并且被提供以将本申请的范围充分地传达给本公开所属技术领域的技术人员，并且本公开仅由权利要求的范围来限定。在整个说明书中，相同的附图标记表示相同的元件。
如果没有另行定义，则本说明书中使用的所有术语(包括技术和科学术语)可以以本领域技术人员通常理解的意义来使用。此外，除非具体清楚地定义，否则常用词典中定义的术语不应被理想化或过度解释。本文使用的术语是为了描述实施方式，而不是为了限制本说明书。在本说明书中，除非在短语中具体说明，单数形式也包括复数形式。在下文中，将参考附图描述本说明书的一些实施方式。
图1示出了根据本公开的实施方式的用于制造心脏结构的3D物理副本的方法的流程图。如图所示，在步骤S101中，根据心脏结构的3D模型打印内模。心脏结构的3D模型可从使用包括3D超声心动图、CT和/或MRI的3D成像技术获得的3D图像中提取。在步骤S103中，在内模的外表面上浇铸仿生材料。然后，在步骤S105，固化浇铸材料以形成心脏结构的3D物理副本。所固化的材料是可拉伸的，使得其可容易地从内模中取出。
图2示出了根据本公开的另一实施方式的用于制造心脏结构的3D物理副本的方法的流程图。如图所示，在步骤S201中，根据心脏结构的3D模型打印内模。心脏结构的3D模型可从使用包括3D超声心动图、CT和/或MRI的3D成像技术获得的3D图像中提取。在步骤S202中，打印由内模的体素膨胀确定的外模。在步骤S203中，在外模的内表面与内模的外表面之间浇铸仿生材料。然后，在步骤S205，固化浇铸材料以形成心脏结构的3D物理副本。固化的材料是可拉伸的，使得其可容易地从内模中取出。
根据实施方案，仿生材料具有与人类软组织相当的刚度和拉伸强度。例如，仿生材料可以是硅胶材料或聚乙烯醇(PVA)冷冻凝胶。根据实施方式，硅胶材料可与导电材料混合。
特别是，作为现有医院协议的一部分，心脏病患者将接收心脏的超声(超声心动图)作为围期计划的一部分。患者解剖结构的医学数字成像和通信(DICOM)图像是通过超声获得的。可对所获得的图像应用体绘制以分割感兴趣的解剖结构。例如，图像去噪和滤波通过使用用于图像处理的自由(例如开源)软件
Figure BDA0003245239780000031
来执行，通过该软件可自动设置局部强度阈值以定义形成体模模型的每个体素的不透明度和颜色。通过导航3D体模模型，可例如通过使用
Figure BDA0003245239780000032
的图形用户界面(GUI)直观地修剪与外科手术计划/训练无关的解剖特征(诸如血管、脊柱和肋骨组织)。因此，研究人员可专注于处理对手术计划至关重要的细微解剖结构。图像处理和3D打印参数被优化以确保交付给临床研究人员的每个解剖模型的质量。
一旦定义了感兴趣的心血管结构，即可提取其内表面并输出到网格表面模型，该网格表面模型包括其所有顶点坐标、形成三角形面的顶点组合以及面法线坐标。这种信息可以以由许多3D快速原型机和打印机兼容地读取的常用网格文件格式(诸如立体光刻(STL)和对象(OBJ))保存。
根据实施方式，模具将由高端熔融沉积建模(FDM)3D打印机进行3D打印。然后，将通过将内模浸入将在10-15℃的真空室中脱气的RTV硅胶中来制造体模模型。因此，硅胶薄层将保留在内模表面上，然后在50℃下固化。聚乙烯醇(PVA)冷冻凝胶是一种可用于使用反复冻融方法模拟心血管组织的机械特性的替代材料，该反复冻融方法将用于将溶解的PVA转化成用于患者特异性模型制造的柔软、有弹性的冷冻剂。
根据实施方式，模具可包括内模和外模。图3A至图3D示出了患者特定心房的内模和外模的前视图和等距视图的示例。
为了构造向外科医生提供操纵手术器械(诸如导管)的细节感的患者特定解剖模型，该模型的血管结构可由额外的部件支撑以易于手术计划/训练。这些部件是人工添加的，不仅用于固定血管结构，而且还用于引导介质(例如，盐水流体)以进行脉动流的模拟。将基于图像的解剖模型与支撑部件集成的内模的CAD/CAM设计在图3A和图3B中示出。这种CAD/CAM设计用于使用硅胶材料浇铸血管结构。需要两个实心模具(即外模和内模)以形成具有一定厚度的铸件。CAD/CAM设计用作内模以保持内部脉管结构的形态细节。由于内血管表面是唯一与用于血管内介入的手术设备接触的组织，因此内表面在模拟用于心血管介入的触觉方面尤为重要；因此，外模是施加在内模上的体素膨胀的结果。图3C和图3D示出了在用于硅胶浇铸的实心矩形块内形成的外模。内模和外模都由快速成型机打印。
在模制期间，需要支撑/固定件以确保内模与外模之间的适当腔隙以及模制的可重复性。如图3B所示，提供了在硅胶模制工艺期间支撑该结构的附加部件。该部件还用作内模与外模之间的固定件。然后可通过固定件注入液体硅胶，并均匀地分布在两个模具之间的空腔内。硅胶材料
Figure BDA0003245239780000041
0030具有适当的弹性以模拟导管与实际心血管组织之间的适当相互作用，因此用于实验中。粉末状导电材料(诸如石墨)可与液态硅胶混合，以在壁上保持一定水平的电导率(在约300Ω至500Ω)。因此，心房电图信号随后将通过EP导管的电极模拟和检测。一旦硅胶被完全填充到模腔内部，则整个设备在室温下自然干燥。注意，外模模型可被分成几个部分进行3D打印；因此，硅胶产品可容易地从这些可分离部件中取出，并且由于硅胶本身的“可拉伸”特性，其也可从内模中倒出和取出。
根据实施方式，该方法还可包括在仿生材料中集成压力传感器的步骤。例如，在模制或固化过程中，体模模型可与微型压力传感器集成，允许以高分辨率进行低延迟压力测量。这些传感器将被无缝集成在体模模型的薄壁内，以监测通过在体模模型内植入医疗设备所施加的区域表面压力。压阻式电阻传感器可由三个主要部件构成：(i)在硅胶上图案化的微驼峰结构，(ii)层压到微驼峰上的碳纳米管(CNT)或PEDOT:PSS导电薄膜，以及(iii)热蒸发金属薄膜。当设备受到外部应力时，微驼峰将被压缩并且微驼峰与导电膜之间的接触面积增加，因此接触电阻下降。因此，通过连续监测两个电极之间的接触电阻，可测量压力传感器上的实时压力负载。由于该设备超薄(小于5μm)，因此其是高度保形的并能够连接到模具的不同部分。□
根据实施方式，该方法还可包括从使用包括3D超声心动图、CT和/或MRI的3D成像技术获得的3D图像中提取心脏结构的3D模型的步骤。例如，可通过使用机器学习从3D图像中识别出心脏结构来提取心脏结构的3D模型；并建立所识别的心脏结构的3D模型。
通过应用机器学习算法来“识别”心脏结构，该过程可加快。这便于以非常精准的方式快速建立患者特定模型的原型。然后，心血管模型可通过3D打印结构来制造或浇铸。浇铸材料也可与真实心血管组织机械地相似。在实际流程之前，这种模型将为手术计划提供非常有用的参考，最终提高心血管介入的安全性、准确性和有效性。所提出的方法将帮助心脏病专家和研究人员更好地了解患者特定的心脏和血管病理学的3D解剖结构，允许他们执行真实的流程计划以优化治疗愈后，创建患者特定的有形模型以帮助患者和医学生教育。
应理解，根据本申请的方法利用3D打印技术，使用嵌入有先进高分辨率柔性压力传感器的仿生材料来创建患者特定的3D心血管模型，以实现真实的流程模拟。在这些模型中，介入者可在术前切实排练并准确计划结构介入措施，以提高患者的治疗成功率、缩短流程时间并增加流程安全性。通过使用3D打印技术，将向心血管外科医生提供：(i)常规的2D/3D图像可视化；(ii)从患者的DICOM图像重建的3D硅胶解剖模型。(i)和(ii)的组合可为心脏病患者提供更好的手术计划和治疗管理。根据本申请的患者特定心血管模型使用具有与柔软、有弹性的心脏组织相当的物理特性并配备有力感测功能的材料由3D医学图像创建，以促进真实的流程模拟和设备测试。根据本公开，对具有较高信噪比的心腔内部血池而非对具有低信噪比的心壁进行分割。然后，打印内模和外模并在两者之间浇铸仿生材料。换句话说，根据本公开的方法不依赖于心脏壁的分割，因此适用于3D超声心动图。
虽然本公开包括特定实施方式，但是对于本领域普通技术人员显而易见的是，在不脱离权利要求及其等同形式的精神和范围的情况下，可在这些实施方式中进行形式和细节上的各种改变。本文所述的示例仅被认为是描述性的，而不是出于限制的目的。每个实施方式中的特征或方面的描述被认为适用于其它实施方式中的类似特征或方面。如果所描述的技术被以具有不同的顺序执行，和/或如果所描述的系统、架构、设备或电路中的部件以不同的方式组合，和/或由其它部件或其等同形式替换或补充，也可获得适当的结果。因此，本公开的范围并非由说明书来限定，而是由权利要求及其等同形式来限定，并且在权利要求及其等同形式范围内的所有变化将被解释为包括在本公开中。

Claims (10)

1.一种用于制造心脏结构或血管结构的3D物理副本的方法，包括：
根据所述心脏结构的3D模型打印内模；
在所述内模的外表面上浇铸仿生材料；以及
固化所浇铸的材料以形成所述心脏结构的所述3D物理副本，其中所固化的材料是能拉伸的。
2.根据权利要求1所述的方法，还包括：
打印由所述内模的体素膨胀确定的外模；
其中，在所述内模的外表面上浇铸所述仿生材料包括在所述外模的内表面与所述内模的外表面之间浇铸所述仿生材料。
3.根据权利要求2所述的方法，还包括：
在所述内模与所述外模之间设置用于限定所述内模与所述外模之间的通道的附加部件。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述仿生材料具有与人类软组织相当的刚度和拉伸强度。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述仿生材料包括硅胶材料或聚乙烯醇(PVA)冷冻凝胶。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，所述硅胶材料与导电材料混合。
7.根据权利要求1所述的方法，还包括：
在所述仿生材料中集成压力传感器。
8.根据权利要求1所述的方法，还包括：
从使用包括3D超声心动图、CT和/或MRI的3D成像技术获得的3D图像中提取所述心脏结构的所述3D模型。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，提取所述心脏结构的所述3D模型包括：
通过使用机器学习从所述3D图像中识别所述心脏结构；以及
建立所识别的心脏结构的所述3D模型。
10.一种心脏结构或血管结构的3D物理副本，由根据权利要求2至9中任一项所述的方法制造。
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