一种基于辐射检测的仿真人体模型的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于医学、材料学、制造学、控制技术相结合的理工医交叉学科的综合应用 领域，涉及一种仿真人体模型的制作方法，具体涉及一种基于辐射检测的仿真人体模型的 制作方法。
[0002]
【背景技术】
[0003] 现有的医学人体模型仅仅是人体模型的一部分，如单一的头部模型、手部模型或 胸部模型等，而不是整体合一的人体模型，其不能完整地反应人体的真实状况，因而缺乏系 统性、科学性和完整性。不仅如此，现有的人体模型缺少一个完整的、系统的人体模型设计 理论，传统方法设计出来的人体模型大多是支离破碎、凌乱的，没有内在联系，存在着一定 的缺陷。
[0004] 此外，在材料方面，现有的人体模型大多采用单一材料，相似性和等效性的偏差都 远远大于5%，甚至高达15%_35% ;由于缺乏等效材料，制备出来的仿生结构、仿生外形与仿 生材料与真实的人体存在巨大差异；且由于采用的材料单一，如天然橡胶、聚乙烯、硅橡胶 等，导致制备出来的人体模型缺乏非均匀性结构和镶嵌结构，严重影响了医学影像的质量， 导致辐射能量在人体模型内分布与沉积；另一方面，常用的人体模型是在高温高压，特定条 件下进行制作的，其能耗大，制作加工复杂，成品率低，且没有系统的、科学的半成品和成品 的检查方法，容易导致产品质量参差不齐；不仅如此，传统的人体模型制备方法还会产生大 量污染物质，严重污染了环境。
[0005]
【发明内容】
[0006] 针对现有技术存在的上述不足，本发明的目的是提供一种基于辐射检测的仿真人 体模型的制作方法，该人体模型具有完整系统的设计理论、成品率高，所采用的材料与人体 相似度高、具有等效性，且制作过程简单、无污染。
[0007] 实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种基于辐射检测的仿真人体模型的 制作方法，包括仿真人体骨架的制作、仿真人体皮肤肌肉的制作和仿真人体肺及内脏镶嵌 和联结的制作；建立人体三维坐标体系，确立肺及内脏在人体模型中的具体位置；通过建 立人体外形与脏器的双曲面方程，获得肺及脏器的体积及外形；所述肺及内脏采用镶嵌结 构与仿真人体骨架和仿真人体皮肤肌肉连接； 所述建立人体三维坐标体系，以人体骨盆为中心，断面后部1/3处为坐标原点，左为+X轴，右为-X轴,前为+y轴,后为-y轴,上为+z轴,下为-Z轴；采用此人体三维坐标体系来 确定肺及内脏的坐标位置，进而确定肺及内脏在人体模型中的具体位置； 所述建立人体外形与脏器的双曲面方程，得到的双曲面方程为：(X/a)2+(Y/b)2+(Z/c)2=l;X，Y和Z分别为脏器质量的中心点距离X、Y和Z轴的距离，根据双曲面方程，计算 出脏器的体积，获得脏器的外形，X、Y和Z及偏离位置，并根据脏器的质量，用数学中三点称 量法和电子技术使用上扭摆光电测试法，计算获得脏器的平均质量密度、质量中心、转动半 径和转动惯量； 1) 仿真人体骨架的制作方法：用尸体标本获得人体的骨组织、骨架和外部整体形态的 尺寸，得到标本或等效材料的实体模型；用新鲜尸体获得人体三维虚拟化数字模型；将实 体模型和虚拟化的数字模型相互补充优化后，实现3D打印，进行三维的微粒堆积，打印成 组织等效的物理实体模型，或者用反转成型的阴模制作实体物理模型； 其中，所述骨架的骨材料包括热塑性/热固性树脂和高磷高钙复配粉末；所述高磷高 钙复配粉末通过磷灰石和碳酸钙以3:1的质量比复配而得；所述高磷高钙复配粉末占骨材 料总质量的1〇~50%，其他为热塑性/热固性树脂；将上述骨材料制成骨组织原浆，加压注 塑，中温交连，固化开模，制得骨组织；所述骨组织的骨皮质和骨松质采用包裹固化成型法 制备，红骨髓采用双组份注塑成型法制备； 制得的骨组织采用软骨等效材料的胶浆，进行粘接，形成局部部件；局部部件进行活动 连接或固定化连接，形成整体人体骨架；所述胶浆包括异氰酸酯与交联剂部分聚合成的未 固化液体材料； 2)仿真人体皮肤肌肉的制作方法，包括：（1)聚合体的生成：在真空或惰性气体环境 下，将高分子材料和多元醇反应形成预聚体，采用部分交联反应，扩大了分子量；再将预聚 体与辅料在常温常压下反应12-24小时，缓慢扩链聚合，形成生长型的态势，实现材质的均 匀性，同时减少内应力引起的裂纹； 所述高分子材料包括多亚甲基多苯基多异氰酸酯；所述高分子材料与多元醇的质量比 为1:3~1:5 ;所述辅料包括分散剂、耦联剂、扩链剂、表面活化剂和催化剂；其中，按所需要 的质量密度、电子密度、材质硬度和机械性能不同，所述辅料的质量总和占预聚体材料质量 百分数< 5%，根据所需基体软硬主要控制耦联剂质量占预聚体材料质量百分数0. 5%-1%， 其余各辅料组分质量各占预聚体材料质量百分数1% ; (2)采用二次硫化的方法，第一次硫化过程采用远红外硫化方法，在60~100°C下保持 2~6h，进行初步定型；第二次硫化过程采用高频旋转硫化方法，在60~10(TC下保持2~6h， 以期提高热能穿透能力和提高材质受热的均匀性，细化内部分子结构和改善表面状态；第 二次硫化后，以20°C/10min的速度进行阶梯度降温，直到常温为止； 3) 仿真人体肺及内脏的制作方法，包括：（1)采用双组分液相快速反应成形，将双组份 原料在混合腔内通过物理搅拌和化学反应，经扩链、发泡和聚合，形成聚合材料； 所述双组份原料包括聚氨酯液体基材和辅料；所述辅料包括交联剂、催化剂和泡沫稳 定剂；所述辅料的质量总和占聚氨酯液体基材质量百分数< 5%，其中，交联剂质量占聚氨 酯液体基材质量百分数1%，催化剂质量占聚氨酯液体基材质量百分数2%，泡沫稳定剂质量 占聚氨酯液体基材质量百分数1% ; (2) 采用高压的方法将步骤（1)形成的聚合材料注入密合的模具中； (3) 对注满聚合材料的模具进行加压和减压二次成型，在变压下成型；所述加压为将充 溢了聚合材料的模具置于红外真空加热炉中在50~70°C进行加压，加压至不低于2个大气 压，保压保持一个小时；所述减压为从一个大气压减压至接近真空，时间为2小时，以保持 体积及成品的收缩稳定性； 将上述制得的骨架、皮肤肌肉和肺及内脏按照严格的顺序进行组装，用三维激光定位 仪与标志点、线的空间定位，形成整体的人体模型。
[0008] 相比现有技术，本发明具有如下有益效果： 1、本发明提出了人体模型设计的相似理论、人体模型仿生成型工艺的新方法和人体模 型等效性检查的方法，实现了人体模型产品设计的标准化和系列化，易于实现工业化的大 规模生产。
[0009] 2、本发明建立了人体三维坐标体系，方便确立人体肺及内脏的具体位置；并且建 立了人体外形与脏器的双曲面方程，获得了人体脏器的外形和体积，其形态参数来源于真 实人体的数据、虚拟数字化的人体数据和X射线CT扫描的三维重建数据三方相互补充和优 化处理后的数据，具有高度等效性。
[0010] 3、本发明采用常温常压下的液相反应，使得生产达到0排放，节约能源率达50%， 成品率高达98%。真正实现了高效、节能和绿色无污染。
[0011] 4、本发明采用辐射、微波、超声波或热力学敏感的等效材料，方便进行医学影像处 理，重显辐射能量在人体模型内分布与沉积规律，并无有损人体健康和安全的有害物质形 成。
[0012] 5、本发明采用不同密度的多种材料，通过这些材料的协同配合作用，实现非均匀 结构和镶嵌结构。
[0013] 6、本发明制得的人体模型，与现在的高辐射等效程度可达到误差2%~3% ;且皮肤 具有弹性和透明性，实现了医学上的可视化。
[0014] 7、本发明制备的人体模型可广泛应用于医学工程、安全工程、环境工程及军事工 程，可以进行医学上的损伤评估，作为X射线CT检查模型、医用加速器治疗模型、，图像引导 放射治疗模型、急性放射事故剂量模型和伽马刀/X刀剂量模型)。
[0015]
【附图说明】
[0016] 图1是本发明仿真人体皮肤肌肉的制备工艺流程； 图2是本发明辐射等效材料的等效性判断与分级流程图； 图3是本发明人体模型整体外观示意图； 图4是本发明人体模型内部断面； 图5是本发明人体模型实测和理论计算； 图6是本发明人体模型在医学实验的应用。
[0017]
【具体实施方式】
[0018] 下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明，下述实施例中，如无特 殊说明，所用原料即为普通市售产品。
[0019] 图1是本发明仿真人体皮肤肌肉的制备工艺流程；图2是本发明辐射等效材料的 等效性判断与分级流程图；图3为本发明人体模型整体外观示意图；图4为本发明人体模 型内部断面；图5为人体模型实测和理论计算图；图6为本发明人体模型在医学实验中的 应用，可以看出本发明人体模型可以用于医学影像研究，影像图与人体相似度很高，具有良 好的等效性。
[0020] 本发明基于以下设计原理进行设计： 一、建立数学模型达到几何形态的相似性(设计原则） 1、建立人体三维坐标体系：以人体骨盆为中心，断面后部1/3处为坐标原点，左为+X,右为-X,前为+y,后为-y,上为+z,下为-z。
[0021] 2、从解剖学角度分析：将人体分为"人体15刚体模型"包括头颈部，上躯干，下躯 干，上肢(上臂，前臂，手掌)，下肢(大腿，小腿，脚掌)。
[0022] 3、建立人体外型与脏器的双曲面方程：(X/a)2+(Y/b)2+(Z/c)2=l(X、Y、Z分别是X 轴轴长的函数，Y轴轴长的函数，Z轴轴长的函数)。用三点称量法测定质量和质心，用光电 扭摆法确定转动半径和转动质量。可以计算出其体积，并根据其质量，获得相应的平均质量 密度、质量中心、转动半径和转动惯量。
[0023] 二、人体模型组织辐射等效性及等效性误差控制 1、仿真人体模型应该对某种特殊物理量表现出与正常人体组织损伤等效的反应，如对 辐射、微波、超声波、热力学等的反应。
[0024] 2、在设计上采用"准元素等效"，"有机元素替代"的方法来实现材料的等效性，使 制得的仿真人体模型从20kv到20M的能谱范围内，误差在3%左右，能谱依赖性小，其中辐 射特征组成的表征方程为：E=每个元素百分含量X线性吸收系数。
[0025] 3、本发明仿真人体模型因无任何金属添加剂的加入，避免了金属特征谱线和高能 再生同位素的谱线干扰，其等效性与人体误差可达到±5%，可以达到国际推荐A级标准要 求。
[0026] 三、内部结构仿真性 1、非均匀性（CT值）：通过具有不同电子密