男性盆腔器官群实体模型的制作方法与流程

本发明涉及解剖学、计算机科学与技术和仿生物组织材料等领域。具体是以前列腺穿刺手术为基础，设计并制作尽可能符合盆腔内外环境，可以应用于穿刺力学实验和穿刺手术训练的男性盆腔器官群实体模型。

背景技术：

经皮穿刺手术是前列腺短距离放射治疗最常用的微创疗法之一。在穿刺手术中作为目标器官的前列腺体由于受到周围器官的柔性约束，其位置并非固定，具有复杂的边界条件和变形机理。因此，前列腺体所在的盆腔器官群环境是影响手术精度的关键。术前训练、计量规划以及穿刺针与组织交互力学的实验研究对于提高手术的成功率及疗效亦是非常有必要的。但因涉及伦理学等问题，使得相关实验研究的进行受到很大限制。为了进一步提高穿刺手术的可靠性和安全性，设计和制作可应用于穿刺力学实验和穿刺训练的男性盆腔器官群实体模型具有非常重要的意义。

对此，国内外学者对于男性盆腔器官群建模进行了大量的研究。目前主要的研究工作集中在单体器官或器官群的三维重建，仿生材料研究等方面。但由于人体结构及内环境的复杂性，各组织器官的仿生材料选择与制备、仿生材料力学性能、各器官间约束结构设计、盆腔环境模拟等一系列问题尚无完善的技术方案，高仿真的男性盆腔器官群实体模型目前并没有成熟的制作方法。本发明以医学影像三维重建技术为基础，选用课题组自主研发的一种新型的仿生材料PVA水凝胶作为单体浇铸材料，根据组织不同的力学参数，通过改变水凝胶的成分配比来实现不同的仿生力学性能，使得模型能够真实的模拟生物组织力学特点。提出了包括盆腔器官群三维重建、单体器官模具设计与制作、单体器官制备、盆腔器官群实体模型搭建以及盆腔内环境模拟等技术方法的一套完备的男性盆腔器官群实体模型制作方法。经实验验证，模型具有与人体高度相似的力学特性，并且具有清晰的超声成像效果，能够满足实验及手术训练的需求。

技术实现要素：

本发明需要解决的技术问题是，以三维重建技术为基础，通过仿生材料的选择与制备，得到与真实生物组织力学性能相似的男性盆腔内单体器官模型，依据人体解剖结构将其装配后并进行盆腔内环境模拟。最终得到与人体真实结构和力学性能高度仿真并具有良好实验性能的男性盆腔器官群实体模型，为穿刺手术训练及实验研究提供一个集科学性与实用性为一体的男性仿生盆腔器官群模型。

单体器官的材料选择和制备是器官群模型研制中的关键技术。仿生材料的选择需要着重考虑材料的力学属性和实验中的可视效果，直接关系到模型在手术训练中的有效性和实验研究中数据的可靠性。本发明的技术方案如下：

一种男性盆腔器官群实体模型的制作方法,其步骤如下：

1)基于医学图像的男性盆腔器官群三维重建；

2)单体器官浇铸模具的设计与制作；

3)单体器官材料的选择与制备以及单体器官的浇铸；

4)以人体真实解剖结构为依据，将各单体器官逐一装配在骨盆模型内；

5)人体盆腔内环境模拟；

6)盆腔器官群实体模型力学性能的实验验证。

所述步骤1)采用核磁共振(MR)图像进行盆腔器官群三维重建。

所述步骤1)采用MIMICS^TM 10.01对MR图像进行手动分割，得到器官的三维点云后，再将其导入Geomagic Studio 2012中进行表面处理，调整各项模型参数得到NURBS曲面形式的器官群三维模型。

所述步骤2)将三维重建图在CAD软件中进行优化处理，设计各器官浇铸模具，并采用激光烧结方式进行膀胱及前列腺模具的制作，采用3D打印技术进行壁孔内肌、肛提肌直肠模具的加工制作。

所述步骤3)单体器官的材料选择采用仿生组织材料PVA透明水凝胶；根据不同生物组织的力学性能参数，实现不同组织性能的仿生材料的配制，并使用相应特定配比的水凝胶分别制作膀胱、前列腺、直肠、壁孔内肌以及肛提肌等主要单体器官，使得各个单体器官的力学特性能够分别与真实生物组织器官具有高度相似性。

所述膀胱及前列腺每100mlPVA水凝胶溶液配方为：NaCl 2.5～3.5(g)、H₂O(15ml)、PVA4.5～5.5(g)、DMSO85(ml)、NaOH3～3.5(g)、ECH5～5.5(ml)、冷冻时间10(h)、冷冻循环次数5～7次。

所述直肠每100mlPVA水凝胶溶液配方为：NaCl 3～3.5(g)、H₂O(20ml)、PVA5.5～6.5(g)、DMSO80(ml)、NaOH3～4(g)、ECH4.5～5(ml)、冷冻时间11(h)、冷冻循环次数6～10次。

所述肌肉每100mlPVA水凝胶溶液配方为：NaCl 3～3.5(g)、H₂O(30ml)、PVA4～5(g)、DMSO(70ml)、NaOH3～4(g)、ECH4～4.5(ml)、冷冻时间12(h)、冷冻循环次数8～12次。

所述步骤5)将器官群与骨盆整体模型放置在有机玻璃箱体中；箱体内填充琼脂糖用以模拟人体内环境，并在箱体前端开口以硅橡胶薄膜进行密封，模拟人体皮肤。

所述步骤6)基于搭建完成的实体模型进行穿刺力实验，采用ATI公司的Nano-17六维力传感器来采集实验过程中穿刺针的受力数据，采用DP-50全数字便携式超声诊断系统来观测盆腔器官群在穿刺实验中的变形情况。

详细说明如下：

采用辨识精度高的核磁共振(MR)图像进行盆腔器官群三维重建。医学图像处理软件MIMICS^TM 10.01能够实现简单的三维重建和模型表面处理，为得到与真实器官组织尽可能相符的三维模型，在采用MIMICS^TM 10.01对MR图像进行手动分割，得到器官的三维点云后，再将其导入Geomagic Studio 2012中进行表面处理，调整各项模型参数得到NURBS曲面形式的器官群三维模型。以前列腺体为例，三维重建与模型优化过程如图2。除前列腺体以外，这里仅选择，膀胱，直肠，壁孔内肌，肛提肌这些在穿刺手术中对前列腺位置及形变产生较大影响的器官作为三维重建和优化处理的对象，如图3。单体器官的浇铸模具采用3D打印结合激光烧结快速成型技术制作完成。模具设计中用尽可能少的曲面片对其他单体器官的三维重建模型表面均进行了适当简化，以便模具加工和后续开模工作，如图4、图5。

仿生材料的选择直接决定了器官群模型的力学特性和实验效果。为了在实验室条件下尽可能实现人体不同组织的力学特异性，并且考虑到实验中的可视效果，课题组研制了一种新型仿生材料PVA透明水凝胶，如图6。

单体器官的材料选择采用的是本课题组自主研发的仿生组织材料：PVA透明水凝胶(专利号：CN201010616735.9)。该水凝胶可以在实验室条件下通过改变化学成分的配比和制作工艺来得到与不同生物组织相近的力学特性和微观结构。经过大量配比研究，通过扫描电镜图像和拉伸及压痕实验，证实了在不同特定的成分配比下，PVA水凝胶材料在内部结构上能够实现与特定的生物组织的高度相似，并且其相应的力学性能也能够与真实生物组织很好地吻合，因而具有出色的仿生性能。另外，由于水凝胶的透明外观，使得用其制作的器官模型在实验中能够很好的观测到穿刺状态，并且在超声或核磁图像导航下也能够具有良好的成像效果。采用这种PVA水凝胶，根据不同生物组织的力学性能参数，经过实验调整配比，实现不同组织性能的仿生材料的配制，并使用相应特定配比的水凝胶分别制作膀胱、前列腺、直肠、壁孔内肌以及肛提肌等主要单体器官，使得各个单体器官的力学特性能够分别与真实生物组织器官具有高度相似性。

首先将二甲基亚砜和氯化钠的去离子水溶液混合，将混合液在磁力搅拌器中水浴加热至90℃后，放入PVA粉末同时保持加热至其完全溶解，之后将混合液静置至室温，然后将少量氢氧化钠饱和水溶液与环氧氯丙烷混合后缓慢倒入PVA混合液，最后将沉淀物过滤，得到水凝胶溶液，静置溶液至没有气泡即可进行单体器官浇铸，浇铸完成后根据不同的力学特性需要进行冷冻循环工艺，最终得到单体器官实体模型。

该水凝胶是由聚乙烯醇(PVA)、去离子水、环氧氯丙烷、氢氧化钠、氯化钠和二甲基亚砜按一定比例和次序进行溶解，经数次冷冻、解冻后得到的透明的富含水分的固体仿生材料。以改变材料的冷冻循环工艺为例，通过电镜扫描图像，可以看到不同工艺下的水凝胶的内部结构具有明显的差异，如图7。再以猪肾脏与特定配比水凝胶的截面电镜扫描图为例进行对比，如图8，发现两者内部结构非常相似。进而对比猪肾脏与特定成分水凝胶在穿刺过程中的力学特性，如图9，可以看出两组穿刺力的大小及变化规律很接近，说明这种成分配比下的PVA水凝胶与猪肾脏的生物力学特性十分吻合，可以代替猪肾脏进行实验研究。经过多次实验分析，这种新型PVA水凝胶不仅能够在实验室条件下通过控制成分配比得到满足不同力学特性的仿生材料，并且具有很好的超声及核磁成像效果，在实验中亦能够很好的观察进针过程，满足盆腔内各单体器官模型的制作要求。

通过调整PVA水凝胶的成分配比及制作工艺，得到满足盆腔内不同组织器官力学特性的水凝胶，分别进行盆腔内单体器官的制作。图10为制作完成的前列腺和膀胱单体模型。以人体真实解剖结构为依据，将各单体器官逐一装配在骨盆模型内，如图11。

为了模拟真实人体内环境，同时便于进行实验研究，将器官群模型放在有机玻璃箱体中，并在箱体内填充琼脂糖。箱体前端面留有开口，并在开口处粘附一层硅胶薄膜以模拟人体皮肤，达到模拟会阴经皮穿刺手术的效果。完整的男性盆腔器官群实体模型如图12所示。

最后基于搭建完成的实体模型进行穿刺力实验，采用ATI公司的Nano-17六维力传感器来采集实验过程中穿刺针的受力数据，如图13。可以看出，该实验得到的穿刺力变化曲线复合手术过程中的穿刺力变化规律，证明模型能够反映不同穿刺阶段的力学特性。

采用DP-50全数字便携式超声诊断系统来观测盆腔器官群在穿刺实验中的变形情况。穿刺过程中的超声影像如图14所示。从图14中可以清晰明显的观察到穿刺针的进针深度、前列腺变形情况以及针体变形。实验证明，盆腔器官群实体模型在超声导航穿刺实验中能够获得较好的图像反馈效果。

制作技术过程：首先根据解剖学知识，确定前列腺、膀胱、直肠、壁孔内肌以及肛提肌等对手术过程中前列腺变形有重要影响的组织器官的空间位置与连接关系，以人体核磁扫描图像为基础进行各器官的三维重建以及整体盆腔结构的三维重建；然后将三维重建图在CAD软件中进行处理，完成各器官浇铸模具的设计，采用3D打印结合快速成型技术进行模具的制作；再根据盆腔内各个器官的生物力学特性，分别采用特定配比及制作工艺的PVA水凝胶进行单体器官制作；进而将制作完成的单体器官依据人体解剖结构装配在骨盆模型中，并将模型整体放入有机玻璃箱体中，填充琼脂糖以模拟人体内环境；最后在箱体开口处以硅胶薄膜密封，模拟人体皮肤，使器官群整体达到模拟人体经皮穿刺的效果。制作过程技术路线如图1所示。

本发明的效果是：男性盆腔器官群实体模型在盆腔组织器官结构及力学性能上与人体实际情况高度吻合，能够应用于盆腔整体穿刺受力和变形理论研究以及模拟手术训练等，克服了活体组织实验受伦理、法律等约束的问题，填补了盆腔器官群实体模型研制技术的空白，在临床医学和实验研究中有非常广泛的应用前景。

附图说明图

图1男性盆腔器官群实体模型制作技术路线图；

图2前列腺三维重建与优化过程；

图3前列腺及其周围结构重建与简化模型；

图4膀胱与前列腺模具；

图5肌肉及其他器官三维模型及模具；

图6新型PVA透明水凝胶；

图7不同冷冻循环工艺的PVA水凝胶截面电镜扫描图；

a)以每100mlPVA水凝胶溶液4gNCl配制并冷冻循环4次得到的水凝胶内部结构；

b)以每100mlPVA水凝胶溶液4gNCl配制并冷冻循环7次得到的水凝胶内部结构；

图8猪肾脏与特定配比PVA水凝胶截面电镜扫描图；

a)猪肾脏截面电镜扫描图；b)PVA水凝胶截面电镜扫描图；

图9猪肾脏与特定配比PVA水凝胶穿刺力对比图；

图10膀胱和前列腺实体模型；

图11装配完成的盆腔器官群实体模型；

图12男性盆腔器官群实体模型；

图13穿刺力实验照片；

图14穿刺力数据图；

图15超声探测下柔性针穿刺过程与前列腺变形。

具体实施方式

选择前列腺，膀胱，直肠，闭孔内肌，肛提肌这些对前列腺定位影响较大的结构作为三维重建和优化处理的对象。结合盆腔解剖学知识，将T2WI成像方式获得的MR图像在医学图像处理软件MIMICS^TM10.01中进行手动分割和三维重建。再将获取的器官群三维点云导入Geomagic Studio 2012中进行表面处理，通过调节光滑度阈值、应力阈值等一系列参数，导出NURBS曲面形式的器官群三维模型。

依据解剖学知识确定模型里各器官之间的约束连接方式，将三维重建图在CAD软件中进行优化处理，设计各器官浇铸模具。采用激光烧结的快速成型技术完成膀胱及前列腺模具的初步制作，制作完成后采用适当机加工工艺对模具表面进行处理，并在模具上开出固定槽体，螺钉孔和开模边角等结构，以满足加工需求。壁孔内肌、肛提肌以及直肠的模型同样对表面复杂曲面进行了一定程度的简化，模具采用3D打印方法制作完成。

使用课题组自主研发的聚乙烯醇(PVA)复合水凝胶作为主要器官的仿生材料进行模型浇铸。根据不同离体生物组织的力学性能参数，调整PVA水凝胶的成分配比和制作工艺，经过大量实验，确定分别与前列腺，膀胱，直肠及肌肉组织生物力学性能相仿的特定PVA水凝胶配方，并制作单体器官模型。制作过程：首先将二甲基亚砜和氯化钠的去离子水溶液混合，将混合液在磁力搅拌器中水浴加热至90℃后，放入PVA粉末同时保持加热至其完全溶解，之后将混合液静置至室温，然后将少量氢氧化钠饱和水溶液与环氧氯丙烷混合后缓慢倒入PVA混合液，最后将沉淀物过滤，得到水凝胶溶液，静置溶液至没有气泡即可进行单体器官浇铸，浇铸完成后根据不同的力学特性需要进行冷冻循环工艺，最终得到单体器官实体模型。各单体器官材料最佳配比及制作工艺如表1。

装配过程首先将各肌肉和直肠固定到盆骨模型上，然后再将膀胱和前列腺的整体与盆骨和肌肉相连。使用粘结的方式模拟韧带或者肌纤维的连结；肛提肌与前列腺尖端则使用挤压的方式来模拟肛提肌内壁对前列腺两侧的夹持。膀胱与周围结构的韧带连结则使用弹性硅橡胶薄膜模拟。将器官群与骨盆整体模型放置在有机玻璃箱体中。箱体中填充琼脂糖来模拟人体内环境，并在箱体前端开口以硅橡胶薄膜进行密封，模拟人体皮肤。

最后基于搭建完成的实体模型进行穿刺力实验，采用ATI公司的Nano-17六维力传感器来采集实验过程中穿刺针的受力数据，采用DP-50全数字便携式超声诊断系统来观测盆腔器官群在穿刺实验中的变形情况。实验结果证明该模型具有良好的实验性能，能够在实验室条件下满足对于穿刺手术训练及穿刺实验研究的需求，具有很高的科学性和实用价值。

表1单体器官材料最佳配比及制作工艺(每100mlPVA水凝胶溶液)