基于3D打印制备透明软体人体内脏模型的方法与流程

本发明涉及一种人体内脏模型的制备方法，特别涉及一种基于3d打印制备透明软体人体内脏模型的方法；属于3d打印及医疗领域。

背景技术

现有技术中，大部分传统手术大多依靠医生的经验和熟练操作，临床病例的数量决定了医生手术能力，在缺乏三维立体模型辅助判断下，术中切割基本靠医生的经验和手感，这使得各类外科手术具备很大的难度和误差可能。

随着3d打印快速成型技术的发展，人体解剖学、现代影像学、计算机三维重建、逆向工程原理及3d打印技术相结合，针对医学手术中如何定位、定向、定深，以及术前手术规划模拟的问题，出现了一种新型的计算机辅个体化模型辅助技术，在虚拟与现实之间搭起一座桥梁。为医学精确手术提供了一种新的方法。而传统的3d打印内脏模型，其血管三级分支易折断，单一色彩的塑料无法区分脏内众多的管道类型，内脏外壳质地脆硬且不透明，只能通过模型开窗的方式观察内部结构，虽然对研究脏内管道解剖结构帮助极大，但难以临床广泛应用。目前市场上流行的透明材料光敏树脂的硬度较高，不能实现软基的仿真手感，价格高昂，且对于sla技术，在同一成型部件上，不能同时打印彩色和透明材料。

中国专利cn104123752a公开了一种能够进行3d打印的人体器官的三维建模方法，可以打印出的模型立体生动，表面光滑，可真实反映人体器官的模样。但是其主要是打印实心人体器官模具，其内部构造无法识别。

中国专利cn105243945a公开了一种通过3d打印制备出镂空的器官外壳，可以直观的观察肿瘤又可测量肿瘤和器官表层的距离，为手术切除提供指导，可直接从模型读出器官内部的肿瘤或血管距离器官表面解剖部位的空间距离。但是这种镂空器官模具难以真实反映人体器官形貌，且内脏外壳只能采用质地脆硬材料，不能实现软基的仿真手感，此外，其单一色彩的塑料无法区分脏内众多的管道类型。

技术实现要素：

针对现有的3d打印技术制备人体器官的技术存在的缺陷，本发明的目的是在于通过3d打印技术制备软基、透明的具有1:1真实比例的内脏模型，该方法简单易行，有利于促进3d打印模型作为医疗手术辅助手段更好的应用。

本发明公开了一种基于3d打印制备透明软体人体内脏模型的方法，该方法包括以下步骤：

1)根据人体脏体ct成像数据，建立脏体内部管道及经过抽壳处理的脏体外壳的三维模型，并生成相应的三维模型文件；

2)将三维模型文件输入sls成型或sla成型3d打印机，进行切片、打印成型，得到脏体外壳模型和脏体内部管道模型；

3)对脏体内部管道模型进行上色后，组装固定至脏体外壳模型内；

4)采用ab型硅胶或ab型环氧树脂灌封胶浇铸至脏体外壳模型内，固化成型后，去除脏体外壳模型，即得透明软体人体内脏模型。

优选的方案，所述脏体外壳模型的壳体厚度为0.1mm～3mm。制备超薄的脏体外壳模型更有利于得到1:1真实脏体模型。

优选的方案，对脏体内部管道模型上色过程中根据管道种类的不同上不同的颜色；所述管道包括动脉、静脉及其他管道。如动脉可以上红色，静脉可以上蓝色。

较优选的方案，所述上色采用的颜料为丙烯颜料、油性墨水或衣服颜料。

优选的方案，所述ab型硅胶为加成型ab硅胶或缩合型ab硅胶。ab型硅胶为市售常规产品。

较优选的方案，所述ab型硅胶中a胶和b胶的质量比例范围为1:1～15:1；最优选为12:1。

较优选的方案，a胶和b胶在室温下搅拌5～20分钟后，浇铸至脏体外壳模型内。搅拌时间优选为10分钟。

优选的方案，所述ab环氧树脂灌封胶中a胶和b胶的质量比例范围为1:1～5:1；最优选为2:1。ab环氧树脂灌封胶为常规市售产品。

较优选的方案，a胶和b胶在室温下搅拌5～20分钟后，浇铸至脏体外壳模型内。搅拌时间优选为10分钟。

较优选的方案，所述固化的过程为：在0℃～80℃空气环境中，静置12～48小时凝固；或者在真空环境中除泡5～30分钟，再在0℃～80℃空气环境中，静置12～48小时凝固。最优选为在30℃空气环境中，静置36小时凝固。

本发明的软基透明内脏模型的设计与制备方法包括以下具体步骤：

1)将人脏体ct成像，生成dicom格式文件，后置于mimics软件后，导出stl文件，再将stl文件导入magics中进行预处理并修复；将定位好的脏体进行抽壳处理，保留外层0.1mm～3mm厚的外壳；处理后合并分离并导出两部分stl文件，第一部分为内部动静脉血管及其他管道，另外一部分为脏体抽壳处理后的外壳；对修复后的两个stl文件输入sls型或sla型3d打印机进行切片打印成型；

2)对打印成型品用毛笔蘸颜料进行上色便于区分，颜色原则为：动脉红色，静脉蓝色，其他管道如胆管为绿色；将干燥后的血管和脏体外壳进行重新组装并固定，以免错位；

3)用加成型或者缩合型硅胶的a胶和b胶按照质量比1:1～15:1范围配比进行混合，在室温下进行5～20分钟磁力搅拌混合均匀；或ab型环氧树脂电子灌封胶的a胶和b胶按照质量比1:1～5:1范围配比，在室温下进行5～20分钟磁力搅拌混合均匀；

4)将合成充分搅拌后的溶液浇铸到脏体外壳中，直接在0℃～80℃空气环境中静置12～48小时凝固；或者先放入真空环境内5～30分钟，去除搅拌产生的微量气泡，再在0℃～80℃空气环境中静置12～48小时凝固。

5)将凝固后的脏体模型去除外壳，清理去除溢出溶液，制备完成。

相对现有技术，本发明的技术方案带来的有益技术效果：

本发明制备的软基透明内脏模型透明度高，透光度达到99％以上，质地柔软，有接近肌肤纹理，内部各种血管及其他管道清晰可见，且可以根据颜色进行区分。

本发明的制备方法可以利用现有的成熟3d打印设备，反应条件温和，环境友好，生产成本低，适合于大规模工业生产。

本发明的技术方案将计算机3d重建技术和可视化仿真手术技术结合，对人体内脏结构进行精确三维重建，可以将内脏器和相应病变部位以1∶1比例的“实物”形式呈现在医生和患者及家属面前，医生可以术前精准评估病变范围与邻近脏器、重要血管的三维空间关系，制定详细的手术规划，设计手术入路，极大提高了手术的精准性，可最大限度降低手术风险和并发症。

本发明制备的软基透明内脏模型跟病患本体病变器官完全一致，且透明可见所有血管肿瘤等各个部位，根据模型可进行详尽的手术规划，并与病人介绍病情。且内脏模型具有软基的仿真手感，主刀医生可在模型上进行手术切割，对真实手术进行一次预演，最大程度降低手术风险。

本发明制备的软基透明内脏模型彻底解决了传统3d打印模型“无法窥视复杂空间构象”的问题，不仅可以应用于手术规划、手术演练、医患沟通，也可以作为教学模具，有极为广阔的市场应用前景。

附图说明

【图1】为dicom格式经mimics转换后的stl肝脏3d成型效果；由图可见真实病例1:1三维建模打印前情况。

【图2】为dicom格式经mimics转换后的stl肝脏3d成型切面效果；由图可见内部血管肿瘤在打印前情况。

【图3】、【图4】【图5】【图6】为本发明实施例1中制备的肝癌患者1:1建模打印的透明软体器官。

具体实施方式

以下结合实施例旨在进一步说明本发明内容，而非限制本发明权利要求的保护范围。

实施例1

将某肝癌患者患处肝脏体ct成像，生成dicom格式文件，后置于mimics软件后，导出stl文件，再将stl文件导入magics中进行预处理并修复。将定位好的肝脏体进行抽壳处理，保留外层1mm厚的外壳。处理后合并分离并导出两部分stl文件，第一部分为内部动静脉血管及胆管，另外一部分为肝脏体抽壳处理后的外壳和肿瘤体。对修复后的两个stl文件进sls或sla的3d打印机进行切片打印成型。

对打印成型品用毛笔蘸油性墨汁进行上色便于区分：动脉红色，静脉蓝色，胆管为绿色。将干燥后的血管和脏体外壳进行重新组装并固定，以免错位。

用ab有机硅灌封胶a和b按照12:1配比进行混合，在室温下进行10分钟磁力搅拌混合均匀。

将合成充分搅拌后的溶液浇铸到肝脏体外壳中，放入真空环境内20分钟，去除搅拌产生的气泡，后取出密封在30°环境中静置36小时凝固。

将凝固后的肝脏体模型去除外壳，清理去除溢出溶液，制备完成。

制备的透明软体器官如【图3】、【图4】【图5】【图6】所示，从图中可以看出，器官模型与真实器官的比例十分接近，且器官模型的透明特别高(接近100％)，可以清楚地看到其内部各种颜色的管道，其器官为软体，具有与人体真实器官接近的软度。

实施例2

将某肾病患者患处肝脏体ct成像，生成dicom格式文件，后置于mimics软件后，导出stl文件，再将stl文件导入magics中进行预处理并修复。将定位好的肾脏体进行抽壳处理，保留外层1mm厚的外壳。处理后合并分离并导出两部分stl文件，第一部分为内部动静脉血管及输尿管，另外一部分为肾脏体抽壳处理后的外壳。对修复后的两个stl文件进sls或sla的3d打印机进行切片打印成型。

对打印成型品用毛笔蘸油性墨汁进行上色便于区分：动脉红色，静脉蓝色，输尿管为绿色。将干燥后的血管和肾脏体外壳进行重新组装并固定，以免错位。

将ab环氧树脂电子灌封胶a和b按照1：3配比，在室温下进行10分钟磁力搅拌混合均匀。

将合成充分搅拌后的溶液浇铸到肝脏体外壳中，放入真空环境内20分钟，去除搅拌产生的气泡，后取出密封在35°环境中静置24小时凝固。

将凝固后的肾脏体模型去除外壳，清理去除溢出溶液，制备完成。

制备的器官模型与真实器官的比例十分接近，且器官模型的透明特别高(接近100％)，可以清楚地看到其内部各种颜色的管道，其器官为软体，具有与人体真实器官接近的软度。