CN114677895A - 心脏超声标化人体模型的制作方法、人体模型系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可搏动心脏超声标化人体模型的制作方法、人体模型系统，本发明的制作方法，包括：采集真实的人体外形及骨骼、血管分布数据，心脏数据；根据数据进行三维建模，采用热挤出成型工艺一次成型工艺制作人体上半身模型以及心脏及大血管模型；将心脏及大血管模型置入人体上半身模型，且血管位置对接；采用热塑性弹性材料填充所述心脏及大血管模型与人体上半身模型之间的空隙空间；采用真空负压吸引方式抽吸空隙空间中的空气；采用硬质树脂材料制作成底板封住人体上半身模型的背部。本发明可以模拟血流情况，从而使得在临床教学培训及科学研究过程中可以进行逼真的心脏超声的实践活动。

Description

心脏超声标化人体模型的制作方法、人体模型系统

技术领域

本发明涉及心脏超声及血流动力学培训教学及科学研究的技术领域，尤其涉及一种可搏动心脏超声标化人体模型的制作方法、人体模型系统。

背景技术

心脏彩超是目前唯一能动态显示心腔内结构、心脏的搏动和血液流动的仪器，且对人体没有任何损伤。急性胸痛是最常见的心脏急症，同时也最为凶险，但若能及时进行内科介入或者外科手术，多能挽救生命。但及时和准确的病因学诊断是决定患者临床疗效的关键。作为无创检查方式，超声心动图具有快速、便捷、可移动至床旁等优点，可以在第一时间对心脏结构、血流动力学、心脏功能进行全面评估，确定有无器质性疾病。目前大多数CCU均已配备心脏超声检查设备，在急症的床旁诊断中发挥了至关重要的作用，床旁心脏超声既可实现心脏急症快速诊断，更可大幅提高医院和科室的医疗技术水平，创造极大的经济和社会效益。然而床旁超声和急危重症心脏超声的探查及评估患者病情，通常是由临床医师进行操作，临床医师的超声水平有限，亟需进行标准化培训。培训教学及科学研究过程中要求的模型必须是支持使用真实超声探头，同时呈现逼真精准的心脏解剖结构，包含心尖四腔心切面、心脏长轴切面等，可进行反复多次的模拟操作训练，以掌握心脏超声检查的技能。

目前市面上已有主要是单纯的心脏解剖结构的模型（仅有解剖结构，无血流情况），在临床上应用来进行心脏超声的基本教学。而目前应用于心脏超声训练的体模具有心脏的解剖结构，但无血液循环，未能模拟心脏搏动及心动周期等，满足不了培训教学及科学研究过程中对心脏超声检查进行动态观察的情况。

发明内容

为了解决现有技术中人体模型没有血流情况的技术问题，本发明提出了心脏超声标化人体模型的制作方法、人体模型系统。

本发明提出的可搏动心脏超声标化人体模型的制作方法，包括：

采集真实的人体外形及骨骼、血管分布数据，心脏数据；

根据所述人体外形及骨骼、血管分布数据进行三维建模，采用热挤出成型工艺一次成型工艺制作人体上半身模型；

根据心脏数据进行三维建模，对与人体组织密度及声学特性接近的热塑性弹性体材料采用热挤出成型工艺一次成型工艺，制作心脏及大血管模型；

在人体上半身模型背部将对应位置挖空，将心脏及大血管模型置入，且心脏及大血管模型的上腔静脉与人体上半身模型的头臂静脉对接，心脏及大血管模型的主动脉弓上的头臂干与人体上半身模型的对应位置进行对接；

采用热塑性弹性材料填充所述心脏及大血管模型与人体上半身模型之间的空隙空间；

采用真空负压吸引方式抽吸空隙空间中的空气；

采用硬质树脂材料制作成底板封住人体上半身模型的背部。

本发明提出的人体模型系统，包括采用上述技术方案的制作方法制成的人体模型。

人体模型系统还包括：储液罐，所述储液罐的进液口通过回流管路分别与所述人体模型的左心房和右心房连接；

流体力学自动泵装置，所述流体力学自动泵装置的进液口与储液罐的出液口连接，所述流体力学自动泵的出液口分别与人体模型的左心室和右心室连接；

控制装置，根据心脏的收缩舒张规律，对所述流体力学自动泵进行控制，以实现所述人体模型的心脏的收缩舒张运动以及在收缩舒张运动过程中与储液罐之间的液体循环过程。

进一步，所述流体力学自动泵装置包括：

液体推送机构，所述液体推送机构设有两个；

活塞杆，所述活塞杆的两端分别与两个液体推送机构的活塞连接；

驱动机构，所述驱动机构根据所述控制装置的指令，驱动所述活塞杆在两个液体推送机构之间进行往复运动。

进一步，所述驱动机构包括：

伺服电机；

丝杠，所述丝杠的一端与所述伺服电机的动力输出端连接；

丝杆轴承座，用于支撑所述丝杠，且所述丝杠可相对所述丝杠轴承座转动；

丝杠螺母座，所述丝杠螺母座的一端可沿着所述丝杆进行往复运动，另一端与所述活塞杆固定连接，带动所述活塞杆在两个液体推送机构之间进行往复运动。

进一步，所述控制装置包括：驱动器，控制器，开关电源及继电器。

进一步，所述储液罐的出液口与所述流体力学自动泵装置的进液口之间的管路上设有止回阀。

进一步，所述流体力学自动泵装置的出液口与所述人体模型之间的管路上设有止回阀。

进一步，与所述储液罐的进液口连接的管路上设有流量电磁阀。

进一步，与所述储液罐的出液口连接的管路上设有流量显示阀。

进一步，所述人体模型的肺动脉与肺静脉之间设有一个模拟肺装置，用于模拟肺循环氧合后交换。

进一步，所述人体模型为人体上半身模型。

本发明通过流体力学自动泵装置以及控制控制实现人体模型心血管系统的逼真血流循环，本发明具体可以实施为含有计算机控制·液压系统·电器系统·机械结构为一体的产品，且产品包含了伺服电机的时间·线性距离·节奏快慢，精准控制的优点。本发明可以在超声下实现模拟人体心脏跳动血液流动状态的影像，从而使得培训人员可以在非常仿真的环境中进行培训，不仅如此，还可以将本发明的人体模型系统用于相关科学研究领域，解决相应的科研问题。

附图说明

下面结合实施例和附图对本发明进行详细说明，其中：

图1为本发明的人体模型的心脏剖面结构示意图。

图2为本发明的人体模型的血管示意图。

图3为本发明人体模型系统的结构框图。

具体实施方式

为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

由此，本说明书中所指出的一个特征将用于说明本发明的一个实施方式的其中一个特征，而不是暗示本发明的每个实施方式必须具有所说明的特征。此外，应当注意的是本说明书描述了许多特征。尽管某些特征可以组合在一起以示出可能的系统设计，但是这些特征也可用于其他的未明确说明的组合。由此，除非另有说明，所说明的组合并非旨在限制。

本发明的心脏可搏动的人体模型系统，包括人体模型。该人体模型可以是人体上半身模型。

如图1、图2所示，在一个具体实施例中，本发明根据真实中国成年男性人体解剖数据进行设计及制作人体上半身模型。该人体上半身模型包含头部、颈部、胸部，且头部向左偏，摆成可经颈内静脉进行中心静脉穿刺置管术的体位。

同时，该人体上半身模型具有口腔、咽喉、气管、食管、胃、心脏等气管，具有锁骨、胸骨柄、胸骨、肋骨、剑突下、肋弓等骨性结构，具有右侧颈内静脉、颈总动脉、锁骨下静脉、锁骨下动脉、头臂静脉、头臂干、主动脉弓、上腔静脉、下腔静脉、肺动脉、肺静脉、心脏等精准的解剖结构。

人体半身模型的制作步骤：

1、人体半身模型是根据真实中国成年男性的上半身外形、颈部血管及心脏大血管高清CT影像资料数据进行三维重建模型，采用机加工开模制作成热塑成型模具，采用热挤出成型工艺一次成型。

根据真实中国成年男性的上半身的高清CT影像资料数据进行三维重建模型，采用机加工开模制作成人体上半身、头部向左偏90°的热塑成模具，具有人体胸廓的骨骼结构，包括锁骨、胸骨柄、胸骨、肋骨等。

2、上半身热塑成模具基于标准的人体口腔、咽喉、食管、胃等中空器官的解剖结构、位置及尺寸制作相应人体口腔、咽喉、食管、胃等中空脏器结构。

3、上半身热塑成模具基于标准的人体右侧颈总动脉、颈内静脉、锁骨下静脉、锁骨下动脉、腋静脉、腋动脉、头臂静脉、头臂干等血管的解剖结构、位置及尺寸制作上述的血管空腔结构。

4、基于1、2、3步骤制作出的完整热塑成模具，应用与人体组织密度及声学特性接近的热塑性弹性体材料，采用热挤出成型工艺一次成型，制作成人体上半身模型。

5、根据心脏及大血管的高清CT影像数据进行心脏及大血管三维重建，包括左心室、左心室、右心室、左心房、右心房、左心耳、主动脉瓣、肺动脉瓣、二尖瓣、三尖瓣、主动脉弓、升主动脉、肺动脉、肺静脉、上腔静脉、下腔静脉解剖结构，包括利用机加工开模制作，应用与人体组织密度及声学特性接近的热塑性弹性体材料，采用热挤出成型工艺一次成型，制作成心脏及大血管模型。

6、在人体上半身模型背部将对人体心脏及大血管对应的位置材料挖空，同时将心脏及大血管模型置入，心脏及大血管模型的位置根据真实人体的解剖位置进行摆放，其上腔静脉与人体上半身模型的头臂静脉精准对接，其主动脉弓上的头臂干与人体上半身模型进行精准对接。

7、人体上半身模型中下腔静脉及肺静脉处设有外延长管道及螺纹接头，连接有专用液体注射器，将模拟血液注入下腔静脉和肺静脉，模拟血液则顺着人体上半身模型心脏左心房、左心室、右心房、右心室、主动脉、肺动脉、肺静脉、头臂干、头臂静脉、锁骨下静脉、锁骨下动脉、腋静脉、腋动脉、颈总动脉、颈内静脉等心血管系统流入并填充满。

8、在心脏及大血管模型嵌入人体上半身模型后的空隙空间应用热塑性弹性体材料填充，同时应用真空负压吸引方式抽吸空隙中的空气，避免空气干扰影响模型超声成像。

9、应用硬质树脂材料制作成底板封住人体上半身模型背部。

如图3所示，本发明的人体模型系统除了人体模型以外，还包括储液罐、流体力学自动泵装置以及控制装置。

储液罐用于回收及输送液体，使液体不断的循环。储液罐的进液口通过回流管路分别与人体模型的左心房和右心房连接。流体力学自动泵装置的进液口与储液罐的出液口连接，流体力学自动泵的出液口分别与人体模型的左心室和右心室连接。控制装置根据心脏的收缩舒张规律，对流体力学自动泵进行控制，以实现人体模型的心脏的收缩舒张运动以及在收缩舒张运动过程中与储液罐之间的液体循环过程。储液罐的出液口与流体力学自动泵装置的进液口之间的管路上设有止回阀。流体力学自动泵装置的出液口与人体模型之间的管路上设有止回阀。储液罐的进液口连接的管路上设有流量电磁阀。与储液罐的出液口连接的管路上设有流量显示阀。

在一个具体实施例中，流体力学自动泵装置包括：两个液体推送机构、活塞杆以及驱动机构。活塞杆的两端分别与两个液体推送机构的活塞连接，驱动机构根据控制装置的指令，驱动活塞杆在两个液体推送机构之间进行往复运动。

在进一步的一个实施例中，驱动机构包括：伺服电机、丝杠、丝杠轴承座以及丝杠螺母座。丝杠的一端与伺服电机的动力输出端连接，丝杆轴承座用于支撑丝杠，且丝杠可相对丝杠轴承座转动。丝杠螺母座的一端可沿着丝杆进行往复运动，另一端与活塞杆固定连接，带动活塞杆在两个液体推送机构之间进行往复运动。

在一个具体实施例中，控制装置包括：驱动器，控制器，开关电源及继电器。

控制装置对流体力学自动泵装置进行控制时，静脉系统内填充有血液，包括右腋静脉、右锁骨下静脉及右颈内静脉、头臂静脉、上腔静脉，上腔静脉处连接伺服电机驱动，上腔静脉血液回流到右心房，右心房收缩后液体形成压力，驱动三尖瓣向右心室打开，血液流向右心室，右心室变大，随后右心室收缩后液体形成压力，右心室变小，三尖瓣复位关闭，液体推动肺动脉瓣向肺动脉端打开，血液流向肺动脉进入储液罐。肺静脉左心房入口处连接伺服电机驱动，储液罐的液体经肺静脉流入到左心房，左心房收缩，液体压力及泵驱动二尖瓣向左心室打开，血液流向左心室，左心室腔变大，随后左心室收缩，左心室腔变小，二尖瓣复位关闭，液体推动主动脉瓣向主动脉端打开，可流入储液罐中，另模型的主动脉、主动脉弓、头臂干、右颈总动脉和右锁骨下动脉和右腋动脉，右侧颈总动脉内填充有模拟血液，形成动脉系统。

从进一步的相对微观的角度来说，伺服电机通过丝杠驱动丝杠螺母座往复位移驱动液体推送机构，使液体推送机构完成泵送工作并不断循环。液体输送至心脏后，液体经上腔静脉回流到右心房，右心房舒张膨胀，随后心房加压收缩，推动三尖瓣打开，液体流入右心室，右心室加压收缩，三尖瓣复位关闭，推动肺动脉瓣，液体流出肺动脉进入到储液罐。另一液路经肺静脉回流到左心房，左心房舒张膨胀，随后左心房加压收缩，二尖瓣复位关闭，推动二尖瓣打开，液体流入左心室，左心室加压收缩，推动主动脉瓣，液体流出主动脉进入到储液罐。当两条液路通过泵送一次既模拟完成一次心脏跳动，同时模拟体循环和肺循环一次。

本发明的人体上半身模型支持通过经右颈内静脉、锁骨下静脉穿刺及置入中心静脉导管或心排出量监测装置探头到心脏的右心房、肺动脉瓣位置等进行心排出量、肺动脉压等血流动力学测量及评估。血液循环周期频率与真实临床人体的生理和病理状态情况，频率范围设置为50-120次/分。

本发明的模型材质主要采用热塑性弹性体制作，根据人体组织的声学特性包括密度、声速、声阻抗、界面等真实数据来做模型材质的原材料进行特殊调制加工，并根据真实解剖结构进行热挤压工艺成型。制作出来的模型与真实人体模型具有一致的心血管解剖结构和超声图像。

本发明支持应用相控阵探头（2.0-5.0MHz）在模型心脏对应位置的胸廓上进行经胸廓超声心动图检查，可以对应心脏位置的超声图像，如常用的胸骨旁区、心尖区、剑突下区等，可获得标准的切面包括胸骨旁左室长轴切面、胸骨旁主动脉瓣水平短轴切面、胸骨旁二尖瓣水平短轴切面、心尖四腔心切面、剑突下四腔心切面等。可以观察到心脏的位置、解剖结构是否存在异常、观察到主动脉、肺动脉、肺静脉以及上、下腔静脉等血管和心脏的连续关系、血管形态和走行，评价血流动力学的情况包括心腔和大血管内的血流方向、心脏瓣膜开闭情况、心动周期时相和速度。

本发明的人体上半身模型具有口腔、咽喉、食管、胃等中空结构，支持应用专用的经食道超声探头经口置入人体上本身模型的食管及胃底部，进行经食道超声心动图（TransEsophageal Echocardiography, TEE）检查训练。进行操作时，经食道超声探头前曲约150°涂上润滑剂，操作者将探头快速的经口插入至食管，从人体上半身模型的心脏模型的后方向前扫查，近距离探查模型的心脏结构，支持应用多平面探头通过探头手把上的按钮可自动从0-180°进行连续扫查，均可获得对应心脏解剖结构的超声切面图像，包括但不限于如下切面， (1) 心底部横切面：探头距门齿约25-30cm处查及心底部，据探头角度变换的程度，可显示主动脉根部短轴、升主动脉、主动脉瓣、肺动脉长轴(主肺动脉、肺动脉分叉、左、右肺动脉)、肺动脉瓣、肺静脉、右室等。(2) 四腔心横切面：增大食管探头插入深度，可显示类似胸骨旁的四心腔断面图，以及冠状窦、下腔静脉、左室流出道至主动脉瓣口等。(3)左室短轴切面：探头继续插入至胃底部水平高度，可显示左室短轴断面图，观察到左室二尖瓣乳头肌，右室斜断面，胸主动脉等。

本发明中右侧颈内静脉与锁骨下静脉、腋静脉、头静脉、上腔静脉、右心房等灌注有模拟血液，模拟血液在真实超声设备下呈现液性暗区，与血管走行及形态一致，支持应用真实线阵超声探头在模型上进行扫查后获得颈部血管的位置、走行及管径等超声图像，可进行标准化测量训练。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种可搏动心脏超声标化人体模型的制作方法，其特征在于，包括：

采集真实的人体外形及骨骼、血管分布数据，心脏数据；

根据所述人体外形及骨骼、血管分布数据进行三维建模，采用热挤出成型工艺一次成型工艺，制作具有对应器官及动静脉的人体上半身模型；

根据心脏数据进行三维建模，对与人体组织密度及声学特性接近的热塑性弹性体材料采用热挤出成型工艺一次成型工艺，制作心脏及大血管模型；

在人体上半身模型背部将对应位置挖空，将心脏及大血管模型置入，且心脏及大血管模型的上腔静脉与人体上半身模型的头臂静脉对接，心脏及大血管模型的主动脉弓上的头臂干与人体上半身模型的对应位置进行对接；

采用热塑性弹性材料填充所述心脏及大血管模型与人体上半身模型之间的空隙空间；

采用真空负压吸引方式抽吸空隙空间中的空气；

采用硬质树脂材料制作成底板封住人体上半身模型的背部。

2.一种人体模型系统，其特征在于，包括采用如权利要求1所述的可搏动心脏超声标化人体模型的制作方法制作的人体模型。

3.如权利要求2所述的人体模型系统，其特征在于，还包括：

储液罐，所述储液罐的进液口通过回流管路分别与所述人体模型的左心房和右心房连接；

流体力学自动泵装置，所述流体力学自动泵装置的进液口与储液罐的出液口连接，所述流体力学自动泵的出液口分别与人体模型的左心室和右心室连接；

控制装置，根据心脏的收缩舒张规律，对所述流体力学自动泵进行控制，以实现所述人体模型的心脏的收缩舒张运动以及在收缩舒张运动过程中与储液罐之间的液体循环过程。

4.如权利要求3所述的人体模型系统，其特征在于，所述流体力学自动泵装置包括：

液体推送机构，所述液体推送机构设有两个；

活塞杆，所述活塞杆的两端分别与两个液体推送机构的活塞连接；

驱动机构，所述驱动机构根据所述控制装置的指令，驱动所述活塞杆在两个液体推送机构之间进行往复运动。

5.如权利要求4所述的人体模型系统，其特征在于，所述驱动机构包括：

伺服电机；

丝杠，所述丝杠的一端与所述伺服电机的动力输出端连接

丝杆轴承座，用于支撑所述丝杠，且所述丝杠可相对所述丝杠轴承座转动；

丝杠螺母座，所述丝杠螺母座的一端可沿着所述丝杆进行往复运动，另一端与所述活塞杆固定连接，带动所述活塞杆在两个液体推送机构之间进行往复运动。

6.如权利要求3所述的人体模型系统，其特征在于，所述控制装置包括：驱动器，控制器，开关电源及继电器。

7.如权利要求3所述的人体模型系统，其特征在于，所述储液罐的出液口与所述流体力学自动泵装置的进液口之间的管路上设有止回阀；所述流体力学自动泵装置的出液口与所述人体模型之间的管路上设有止回阀。

8.如权利要求3所述的人体模型系统，其特征在于，与所述储液罐的进液口连接的管路上设有流量电磁阀。

9.如权利要求3所述的人体模型系统，其特征在于，与所述储液罐的出液口连接的管路上设有流量显示阀。

10.如权利要求3所述的人体模型系统，其特征在于，所述人体模型的肺动脉与肺静脉之间设有一个模拟肺装置，用于模拟肺循环氧合后交换。

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