CN114248435B - 一种用于维持标本皮支链形态的3d打印支架的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明申请公开了一种用于维持标本皮支链形态的3D打印支架的制备方法，对标本进行多次扫描，获取多个数据集；利用MIMICS软件将各数据集进行处理并得到蒙版；将带有分割线的蒙版导入3D打印软件；使用3D打印设备，打印出支架。本方法，基于数字化解剖与3D打印技术，制成与标本软组织形态完全匹配的皮肤支架，支撑承托维持标本皮肤原有形态，避免产生高密度组织与异质材料伪影，以便于实施对红色氧化铅乳胶灌注的新鲜标本有序分离、切割的皮肤及浅筋膜进行支撑与microCT扫描，使得外科医生与解剖研究人员可以有序地对皮支链造影扫描数据进行分析与图像融合，对大范围的皮瓣穿支与皮支链结构、不同解剖部位皮支链之间的差异与关系获得更全面的了解。
Description
技术领域
本发明涉及数字化人体解剖教学领域，具体涉及一种用于维持标本皮支链形态的3D打印支架的制备方法。
背景技术
皮瓣的选取与应用在修复整形外科是一种常用的手术技能。供区损伤小，受区术后功能恢复良好，外形美观是外科医生不断的追求，虽然皮瓣切取手术技术日趋完善，但是随着三维可视化数字解剖学技术及微创外科的发展，外科医生与解剖研究人员对皮瓣设计的要求也日趋严谨，希望更直观地呈现皮瓣的血管形态，更精确地剖析穿支区域及血管分布规律，帮助学生更好地理解各部位穿支与皮支链的解剖特征，更重要是最终可帮助医生更好地进行皮瓣移植的手术规划、模拟手术、术中快速精准操作。1988年，美国Kroll等首先使用了“穿支蒂皮瓣”(perforator-based flap)的名称。在其后几年内Koshima等紧跟英文医学文献连续发表了多篇“穿支蒂皮瓣”的论文，1989年，Koshim和Soeda的无腹直肌的腹壁下动脉皮瓣标志着皮瓣研究的逐步受到重视，1994年，Allen和Treece提出“穿支皮瓣”这一术语，2003年穿支皮瓣命名共识的发表，引起世界学者的广泛重视。2014年第十六届国际穿支皮瓣大会于在我国宁波市召开，标志着我国的穿支皮瓣研究工作进入了世界前列。供区损伤小，受区术后功能恢复良好，外形美观的要求使超薄皮瓣受到了关注，特别是适用于面部、颏部、颈部和手这些十分强调外观的解剖部位，超薄皮瓣是穿支皮瓣领域的另外一项新进展。超薄皮瓣非常薄以至于通过保留的非常薄的脂肪层可以看到真皮下血管网，与典型的穿支皮瓣相比超薄皮瓣可以切取得更长、更大并非常方便实施皮瓣超灌注。现已证实，一个比较薄的随意型皮瓣的成活面积会大于一个比较厚的随意型皮瓣，通过对皮瓣进行显微解剖，揭示出脂肪层内穿支血管分支情况的准确细节，脂肪组织对于真皮下血管网上方皮肤的成活来说并不是必须的，甚至有盗血作用，对于整个皮瓣的成活甚至是有害的。皮瓣显微修薄要求外科医生熟知穿支血管的分支分布和走行规律，过多显露、剥离穿支血管及其分支会造成血管痉挛，甚至管腔内血栓形成造成皮瓣坏死。因此，为外科医生提供详细的穿支血管影像学信息极大地方便了皮瓣的显微修薄技术，提高手术成功率。并且通过穿支、皮支链血管的图像融合，在清楚显示皮肤穿支情况的基础上，也可以展示出血管体区穿支的来源及走形。研究表明，血管体区之间的沟通方式有，血管口径逐渐变小的choke吻合，或血管口径不发生改变的真性血管吻合，无瓣膜的静脉血管(血液可双向流动的静脉或血液可以摆动流动的静脉)的位置界定了静脉血管的边界。相邻血管体区之间相互联系的理论具有重要的临床意义，是设计皮瓣的重要理论基础，有关皮瓣延迟手术的研究显示，皮瓣延迟切取可造成choke血管扩张，从而使相邻的血管体区以真性血管吻合的形式相连接。对血管体区理论的掌握和理解，将有助于外科医生更加深入地理解皮瓣的分类方法和成活机制，灵活地设计不同类型的组织瓣。随着三维可视化的发展，解剖学走向了新的高度，数字解剖学可用于展示人体体表及内部组织结构与功能特征，穿支皮瓣的三维数据采集方法主要有三维扫描(X线、激光、超声、CT、MRI等)、连续(断层)切片等形式为了清晰地显示皮肤的细小血管血管标识是关键连续(断层)切片可采用“中国数字人”血管标识技术对局部细小动脉的标识可精确到0.2mm。CT血管造影(CTA)或应用微泡增强多普勒超声均可检测到管径0.3mm的穿支血管。杨大平,唐茂林等曾采用改良氧化铅-明胶灌注技术进行动脉灌注后，将每个口径大于0.5mm的穿支血管进行解剖并记录，拍摄X线片以显示皮肤内血管的形态和分布。将X线片扫描制成数字化血管造影图进行定量数据分析包括全身各部位的穿支血管的数量、口径、类型及其供应区域的面积，但此实验方法铺平皮肤过程中使皮肤与穿支血管结构失去了原有的三维形态。CT扫描可以维持皮肤三维形态，但若采用对解剖标本直接扫描，由于检测对象含有骨骼、深部大血管等高密度对象而使得重建图像中出现伪影，降低了断层图像中周围组织的清晰度，影响穿支血管造影图像的质量，对穿支血管结构的判断带来很大的困难。伪影主要表现为由大投影数据引起的从高密度区域发出的条状伪影，由x射线能谱硬化引起的杯状伪影和多个金属之间的暗带区域。人们提出许多方法来校正伪影，其中最常提到的是对引起伪影的投影值进行插值。Lewitt和Bates提出了用一种特殊的函数进行插值的方法，后来又提出了Chebyahev多项式的差值法。Kalender等人只采用线性插值，Lonn和Crawford在线性插值的基础上添加了一些辅助处理。ZHAO Shiying等人提出了对投影数据的小波系数线性插值的方法。林宙辰等采用多项式插值。此外，也有采用迭代算法进行图像重构，比如Medoff等提出迭代滤波反投影法和WANG G等人提出的迭代代数重建法。XIA Dan还提出了一种局部迭代的混合算法。但各种减伪影方法仍难以满足穿支、皮支链血管造影图像的高质量要求。
综上所述，目前的穿支、皮支链血管数字化造影技术，经常会发生伪影干扰、存在形态改变等问题，如果要精准分析穿支、皮支链血管的吻合特征则需解决这些问题。
发明内容
医学与计算机技术是跨专业科目，本发明通过跨专业技术的结合，提供一种用于维持标本皮支链形态的3D打印支架的制备方法，用解剖技术进行血管灌注标本制作、单独分离出皮肤及浅筋膜，避免CT扫描时穿支、皮支链图像受到骨骼、深部大血管等其它组织信号干扰，用计算机技术制作与深层软组织形态相匹配的3D打印支架，已分离的皮肤及浅筋膜层组织可紧密贴合于支架上，保持皮肤原有形态，也便于切取小皮片进行更精细的microCT扫描，皮片皮支链图像可随时匹配于原位置，图像融合操作更简单快捷，更有利于医学人员对皮肤穿支、皮支链解剖获得从整体到局部细处的全面认识。
为达到以上目的，提供如下方案：
一种用于维持标本皮支链形态的3D打印支架的制备方法，包括以下步骤：
S1.对新鲜标本进行灌注后进行第一次螺旋CT扫描，获得数据集1；
S2.剥离标本皮肤及浅筋膜后进行第二次螺旋CT扫描，获得数据集2；
S3.利用MIMICS软件将数据集2连续二维断层图像进行三维重建，选择整体蒙版三维重建后为蒙版1；
S4.批量等比例缩放二维断层图像后选择整体蒙版进行三维重建保存为蒙版2；
S5.配准蒙版1和蒙版2的长轴中线后，去除重叠部分，得到中空的蒙版3；
S6.根据microCT检查标本大小限制要求对蒙版3进行分割，带有分割线的蒙版3导出为STL格式文件导入3D打印软件；
S7.使用3D打印设备，利用ABS材料进行3D打印，打印出标本3D打印支架。
进一步，在步骤S2中，分离标本组织为皮肤层及浅筋膜层，沿标本背侧长轴入刀，到达深筋膜后，轴向分离开深筋膜与浅筋膜。
本发明的工作原理及优点在于：本用于维持标本皮支链形态的3D打印支架的制备方法，基于数字化解剖与3D打印技术，制成与标本软组织形态完全匹配的皮肤支架，支撑承托维持标本皮肤原有形态，又避免产生高密度组织与异质材料伪影，以便于实施对红色氧化铅乳胶灌注后新鲜标本的皮肤及浅筋膜进行有序的分离、切割与microCT扫描，使得外科医生与解剖研究人员可以有序地对皮支链造影扫描数据进行分析与图像融合，对大范围的皮瓣穿支与皮支链结构、不同解剖部位皮支链之间的差异与关系获得更全面的了解。
附图说明
图1是本发明用于小腿标本皮肤的3D打印支架整体；
图2是本发明用于小腿标本皮肤的3D打印支架的俯视图；
图3是本发明用于小腿标本皮肤的3D打印支架的仰视图；
图4是本发明用于小腿标本皮肤的3D打印支架内侧结构视图；
图5是本发明用于小腿标本皮肤的3D打印支架外侧结构视图；
图6是本发明用于小腿标本皮肤的3D打印支架主视图；
图7是本发明用于小腿标本皮肤的3D打印支架后视图。
说明书附图中的附图标记包括：
图1至图7中的101、102、103、104、105、106、107、108均为3D打印支架切割标线，用于引导进行皮肤标本切割。
具体实施方式
下面通过具体实施方式进一步详细的说明：
一种用于维持标本皮支链形态的3D打印支架的制备方法，包括以下步骤：
S1.对新鲜标本进行灌注后进行第一次螺旋CT扫描，获得数据集1；
S2.剥离标本皮肤及浅筋膜后进行第二次螺旋CT扫描，获得数据集2；
S3.利用MIMICS软件将数据集2连续二维断层图像进行三维重建，选择整体蒙版三维重建后为蒙版1；
S4.批量等比例缩放二维断层图像后选择整体蒙版进行三维重建保存为蒙版2；
S5.配准蒙版1和蒙版2的长轴中线后，去除重叠部分，得到中空的蒙版3；
S6.根据microCT检查标本大小限制要求对蒙版3进行分割，带有分割线的蒙版3导出为STL格式文件导入3D打印软件；
S7.使用3D打印设备，利用ABS材料进行3D打印，打印出标本3D打印支架。
在步骤S2中，分离标本组织为皮肤层及浅筋膜层，沿标本背侧长轴入刀，到达深筋膜后，轴向分离开深筋膜与浅筋膜。
游离皮肤减少了在重建过程中高密度组织的伪影干扰，因此能够更清晰更精确地呈现出三级血管。
通过皮肤支架的应用保持了标本皮肤原有的三维形态及三级血管的原始毗邻关系。
本制备方法适用于各种型号的影像仪器，尤其适用于CT与microCT扫描。
本方法在提升数据质量的同时有序地维持三维数据与实物位置地匹配关系，更易于进行拼接及图像融合还原原有穿支的位置，方便更全面的定性和定量分析。
本发明是在明胶氧化铅灌注标本模型的基础上，轴向剥离标本的皮肤及浅筋膜层，利用CT造影扫描得到无皮肤及浅筋膜标本的断层图像，然后通过三维图像设计软件进行三维重建及图像处理，设计出可替代深部组织支撑、并满足引导下一步切割操作需求的皮肤支架。皮肤标本可按支架标线的引导进行有必要的切割，比如以小面积皮片获得microCT扫描图像，小皮片皮支链图像可通过支架的匹配关系，通过图像融合连结成片，从而完整展示出大片皮肤穿支与皮支链形态，完整展示出不同层级血管图像之间的关系，为进一步分析优势穿支，设计手术方案等提供可靠的数字化信息。本发明操作简便，解决了穿支、皮支链解剖结构研究中需解决的几大关键问题。采用尸体标本进行研究，是因为临床实验造影的风险高，成本贵，收集大面积穿支数据较困难，使用尸体标本血管造影即明胶氧化铅血管造影术，穿支显影清晰，可重复扫描，分层次扫描。CT扫描图像断面上显影密度由高至低依次为血管、骨骼和软组织，进行三维重建时骨骼及深部大血管位置会对浅层图像造成伪影干扰，以至于重建的血管不清晰，图像数据不规则，而剥离的皮肤及浅筋膜单独显影时，则减少了其他高密度组织的伪影干扰，能够更清晰准确的显示出皮肤皮支链造影细节。既往剥离的皮肤及浅筋膜皮肤穿支的定量分析局限于二维层面，铺平进行X线摄影，破坏了原有的三维形态，不利于我们对于穿支的横向、纵向的走形及规律进行分析，CT与micor CT连续断层扫描图像可用于三维重建，在获得高分辨率的血管造影影像的同时，断层摄影图像可以通过3D图像处理软件，重建出直观的三维结构模型。micor CT可显现两级在几十微米的毛细血管，但由于micor CT仪器体积小巧，对扫描的标本体积有限制，故我们通过重建时将皮肤支架分割成小片，皮肤支架上有预设计的分割线，可以根据分割线对标本皮肤进行有序的分割，且随时匹配原位。microCT扫描前，切下的标本小皮片可整齐贴附于皮肤支架上，用保鲜膜缠绕包裹固定后可送microCT扫描。
具体实施过程如下：
以人体下肢为例，新鲜的下肢标本经股动脉插管(自制的玻璃管)，应用注射器连续加压注射含有红色氧化铅(pb3o4，M＝685.60,Execution Standard:Q/GHKJ285，广东省化学试剂工程技术研究开发中心中国)和红色染料的天然乳胶进行灌注(40g氧化铅/100ml天然乳胶，红色染料适量并搅拌均匀)，观察趾甲出现红色斑点或趾端表皮切口出现红色渗出时，停止灌注。灌注好后置于10％的福尔马林溶液中固定。
将固定好的下肢标本的小腿部皮肤及浅筋膜于深筋膜浅面进行剥离。切取界限：于胫骨前缘作纵形切口深度达深筋膜上方；上界，胫骨粗隆下缘做环形切口；下界：内外踝上缘做环形切口。轴向分离分离深筋膜及浅筋膜，深筋膜及浅筋膜之间存在非紧密连接，故较容易进行分离，分离后的标本。
应用CT扫描剥离小腿部皮肤及浅筋膜的剩余标本，输出连续二维断层图像保存为DICOM图像形式，利用MIMICS软件三维重建，选择整体为蒙版进行重建，形成实心的皮肤支架，接着进行中空处理，再根据micro CT的要求，将中空处理后的支架自胫骨前缘向两边预切割成约8cm×30cm的数个小支架。整体导出为STL格式，导入3D打印软件进行打印，得到带有切割标线的3D打印皮肤支架。
将小腿部皮肤沿3D打印皮肤支架切割标线进行分割并按匹配关系逐条对应编号与标记，采用保鲜膜缠绕固定标本及支架，然后对标本逐条进行microCT扫描(bruker，SkyScan比利时)，设置分瓣率为21.2um，电压85kv，电流200uA。
将所得的数据按编号储存后输入MIMICS软件进行重建，重建后的获得皮肤穿支、皮支链三维影响，按编号保存为STL格式后，对支架图像进行配准对齐，即可拼接得到小腿部全周径皮肤的穿支、皮支链血管图像。
CT扫描的大血管CT图像，也可通过支架设计位置对应关系，与小腿部皮肤穿支、皮支链血管microCT图像进行拼接。
本用于维持标本皮支链形态的3D打印支架的制备方法，基于数字化解剖与3D打印技术，制成与标本软组织形态完全匹配的皮肤支架，支撑承托维持标本皮肤原有形态，又避免产生高密度组织与异质材料伪影，以便于实施对红色氧化铅乳胶灌注后新鲜标本的皮肤及浅筋膜进行有序的分离、切割与microCT扫描，使得外科医生与解剖研究人员可以有序地对皮支链造影扫描数据进行分析与图像融合，对大范围的皮瓣穿支与皮支链结构、不同解剖部位皮支链之间的差异与关系获得更全面的了解。
以上所述仅是本实用新型的实施例，方案中公知的具体结构及特性等常识在此未作过多描述，所属领域普通技术人员知晓申请日或者优先权日之前实用新型所属技术领域所有的普通技术知识，能够获知该领域中所有的现有技术，并且具有应用该日期之前常规实验手段的能力，所属领域普通技术人员可以在本申请给出的启示下，结合自身能力完善并实施本方案，一些典型的公知结构或者公知方法不应当成为所属领域普通技术人员实施本申请的障碍。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本实用新型结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本实用新型的保护范围，这些都不会影响本实用新型实施的效果和专利的适用性。本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。
Claims (2)
1.一种用于维持标本皮支链形态的3D打印支架的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1.对新鲜标本进行灌注后进行第一次螺旋CT扫描，获得数据集1；
S2.剥离标本皮肤及浅筋膜后进行第二次螺旋CT扫描，获得数据集2；
S3.利用MIMICS软件将数据集2连续二维断层图像进行三维重建，选择整体蒙版三维重建后为蒙版1；
S4.批量等比例缩放二维断层图像后选择整体蒙版进行三维重建保存为蒙版2；
S5.配准蒙版1和蒙版2的长轴中线后，去除重叠部分，得到中空的蒙版3；
S6.根据microCT检查标本大小限制要求对蒙版3进行分割，带有分割线的蒙版3导出为STL格式文件导入3D打印软件；
S7.使用3D打印设备，利用ABS材料进行3D打印，打印出标本3D打印支架。
2.根据权利要求1所述的用于维持标本皮支链形态的3D打印支架的制备方法，其特征在于：在步骤S2中，分离标本组织为皮肤层及浅筋膜层，沿标本背侧长轴入刀，到达深筋膜后，轴向分离开深筋膜与浅筋膜。
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