评估执行医疗程序的人或机器人的表现的方法和评估工具与流程
本发明涉及一种通过使用类似于人或动物器官或组织的模型来评估执行医疗程序的人或机器人的表现的方法，还涉及一种用于评估在模型上执行模拟医疗程序的人或机器人的表现的评估工具。
背景技术：
医疗训练辅助装置已知可在医务人员的训练中使用。这些训练辅助装置通常具有类似于相关身体部位的外形。这些训练辅助装置常常不具有高度的解剖学上正确性，使得例如用于放射性训练目的，例如肾脏中的肾盏不能轻易地从中识别出来，因为它们不存在或者训练辅助装置中存在的结构太大而使得人们不能在通常与真实器官中的这些结构相关的量级上进行区分。
此外，这些训练辅助装置通常不是由允许外科医生获得器官的正确感觉的材料制成的，例如用于制造这些模型的材料的弹性模量不同于真实器官的弹性模量，使得它们在手术训练中的使用受限。
还应该注意的是，这些训练辅助装置迄今为止非常昂贵，因此它们的使用目前仅限于医学专家，由于训练辅助装置的分辨率有限，且由于模型与真实器官之间存在差异，通常不使用这种模型进行特定种类的医疗程序。
技术实现要素：
基于这个原因，本发明的目的在于提供一种改进的训练辅助装置，借助于该训练辅助装置使得改进的手术或诊断训练成为可能。本发明的另一目的在于提供一种训练辅助装置，借助于该训练辅助装置，可以对使用该训练辅助装置进行的医疗程序提供更好的反馈。本发明的又一目的在于提供一种低成本外科训练辅助装置，该外科训练辅助装置具有迄今未知的解剖学正确性。本发明的再一目的在于提供一种手术模型，该手术模型与真实器官对应。
这些目的分别通过评估使用类似于人或动物的器官或组织的模型执行医疗程序的人或机器人的表现的方法及通过用于评估在模型上执行模拟医疗程序的人或机器人的表现的评估工具得以满足。
用于评估在模型上执行模拟医疗程序的人或机器人的表现的评估工具，根据本发明具有模型，其中模型包括人造组织，该人造组织具有至少一种类似于人或动物组织的至少一种属性的特征，其中所述人造组织至少包括第一和第二区域，其中所述第二区域具有与第一区域的特征不同的至少一个特征，该工具包括可视化辅助装置，该可视化辅助装置允许模拟医疗程序可视化以进行评估，所述第二区域包括目标区域，特别是模拟肿瘤，肾结石，骨碎片，子弹或子弹伤口或刀伤。
由于模型包括具有类似于人或动物组织的至少一个性质的至少一个性质的人造组织，这可以用于例如诊断目的，然后选择至少一个性质，使得可以在医学成像设备中正确地诊断模型。
在这方面，有利的是，如果选择具有至少一种类组织性质的材料，使得至少一种类组织性质再现机械性质，mri，ct，x射线或超声中的成像对比度，光学特征，视觉外观，组织或器官的电磁辐射吸收率，组织或器官的声波吸收率，组织或器官的触觉特征，以及器官中发现的相应组织的弹性模量中的至少一个。
还可以在模型中嵌入第二结构以便在目标区域复制例如肿瘤。如果这是例如肿瘤，对于嵌入到模型中的第二结构，也可以选择类似的材料性质。因此，用于第二结构的材料具有至少一种性质，该至少一种性质再现机械性质，mri，ct，x射线或超声中的成像对比度，光学性质，视觉外观，组织或器官的电磁辐射吸收率，组织或器官的声波吸收率，组织或器官的触觉性质，以及器官中发现的相应组织或缺陷，例如肿瘤，的弹性模量中的至少一个。
通过包括具有这些性质中的至少一些的材料或材料混合物，可以根据评估工具的具体应用来定制模型的性质。
例如，目标区域和/或模型可以设置有特定的造影剂和/或由可以使用医学成像设备特别好地可视化的材料制成，使得评估工具可以用于评估进行诊断手术的受试者的表现。
或者，评估工具可以包括适合于手术训练目的的模型，在这种情况下，选择类组织性质，使得模型具有类似于真实器官的性质，例如其对手术刀的触感和感觉，例如，其弹性。
为模型设置目标区域，例如，具有与第一区域的特征不同的至少一个特征的第二区域，意味着该差异的可视化，并且该差异也可以用于评估模型的目标区域。
以这种方式，模型中的目标区域例如模拟肿瘤，肾结石，骨碎片，子弹或子弹伤或刀伤可以使用医学成像设备来诊断。或者，执行以移除目标区域的外科手术可以基于可视化，例如通过在目标区域掺杂例如通过使用uv光可视化的材料来评估。
有利地，该方法还包括在模体上设置位于第一和第二区域之间的模拟瞬态区域的第三区域的步骤。然后通过分析从模型中移除和/或留在模型中的组织量，特别是通过测量第一区域内留存的第二和第三区域体积和/或重量的多少；和/或通过测量移除的第二和第三区域的体积和/或重量的多少来进行评估。
或者，通过分析第三区域的大小和/或位置和/或强度来进行评估。
然后，该瞬时区域或第三区域分别复制可能存在于真实器官中的过渡区域，该真实器官部分为肿瘤和部分为正常组织。考虑到理想的外科手术，在手术过程中将这个完整的过渡区域移除。
在这方面，应该注意的是，第二和第一区域通常彼此不接触，而是通过第三区域彼此分开。
此外，可以进行这样的评估步骤以查看外科手术和/或诊断手术是否已经进行到预期水平。
优选地，第二区域与第一区域和第三区域相比具有至少一种不同的材料特征，第二区域的至少一种不同的材料特征可由执行医疗程序，即外科手术的人或机器人检测，这种至少一种不同的材料特征选自由纹理的视觉特征，颜色，弹性，导热性，粗糙度，触觉感觉及其组合组成的元素组，其中第二和第三区域与第一区域相比优选地具有至少一种另外的不同材料特征，使得例如通过至少一种医学成像方法可以在视觉上检查至少一种另外的不同材料特征的这种差异。
这些特征可以由进行医疗程序的人或机器人感知。而且，它们可以例如通过使用黑光或通过磷光材料的应用实现可视化。
有利地，然后可以建立用于手术评估的评分系统，使得其基于第二和第三区域的测量体积和/或重量。
通过使用评分系统，可以通过例如比较各自所得的分数，整体分析一组人或机器人的表现。例如，评分系统可以包括针对第二和第三区域的移除的单独分数。为了做到这一点，可以定义相应的移除或诊断区域，并且基于待诊断或手术接近的目标区域来调整评分规则。
例如，可以获得针对部分移除第二区域的点，用于完全移除第二区域的其他点，用于部分移除第三区域的其他点，用于完全移除第三区域的其他点以及如果没有移除第一区域或者如果尽可能少地移除第一区域的其他点。
在这方面，还可以为模型设置第四区域，第四区域类似于另一个解剖结构。在这方面，第四区域可以是腔体，例如，尿道，流体收集系统，血管，胃肠道和/或气腔体。
一般而言，模型可由柔软的弹性体材料制成，由于它们以理想的方式复制真实器官的特征。
还应注意的是，评估不一定必须是移除完整的肿瘤等，而是机器人或人进行相关器官活检的表现。例如，然后可以评估人或机器人是否已经从第一、第二或第三区域之一去除材料，例如其中从第二区域去除材料是良好的通过，第一区域的材料是明显的失败，并且从第三区域去除材料是边缘失败或边缘通过中的一个。
有利地，评估工具还包括记录装置，用于记录模拟医疗程序或与其相关的参数的可视化，特别是待被可视化和/或成像的第二区域的至少一个特征。
通过这种方式，可以记录使用评估工具进行的过程评估，以确保采用相同的评估标准。记录手术还为外科医生提供了关于他可以如何进行真实手术的反馈。
优选地，评估工具还包括比较装置，用于将可视化的结果与参考标准进行比较。
提供参考标准有助于评估医务人员或机器人。出于诊断目的，参考标准可以是目标区域的确切位置和/或大小，以便对诊断的目标区域与参考标准的一致性的评估提供关于被评估的人提供的诊断质量的反馈。
有利地，评估工具配置成通过分析在执行医疗程序前后模型的变化来评估人或机器人的表现，例如，通过肿瘤切除或例如通过对目标区域与参考标准进行比较的分析。
以这种方式，可以评估在模型上进行的外科手术。
优选地，评估工具还包括围绕目标区域的瞬态区域。
优选地，组织的至少一种特征和/或至少第一和/或第二区域和/或(如果提供的话)瞬态区域的至少一个特征选自由密度，弹性，硬度，刚度，纤维含量，吸收，电磁辐射或声波的散射，其视觉外观或前述的组合组成的元素组。
优选地，如果人或动物模型选自由以下元素组成的元素组：
肾脏模型，心脏模型，脑模型，肺模型，血管模型，肝模型，胰腺模型，胆囊模型，前列腺模型，胃肠道模型，泌尿道模型，睾丸模型，女性生殖道模型，乳房模型，肠模型，耳模型，眼模型。
在这方面，应注意的是，模型类似于人或动物的器官或组织，并包括至少一个第一区域，该第一区域具有至少一个类组织属性和具有与至少一个腔体，该腔体具有多个与其连接的中空分支，其中，多个中空分支中的至少一些形成为使得它们突出到具有类组织特征的第一区域中。
然后，具有与其连接的分支的腔体可以例如模仿模型中存在的血管或其他结构。
更具体地，模型可以通过制作模型的方法获得，该方法包括以下步骤：
制造至少第一结构，该第一结构具有类似于至少一个腔体和连接到至少一个腔体的多个分支的内部的形状；
将所述第一结构放置在具有类似于模型的外形的内部形状的模型模具中；
将具有至少一种类组织特征的材料填充模型模具中以形成模型；
将第一结构从模型中移除，以便在模型中形成腔体，该腔体具有多个与其连接的中空分支。
优选地，类似于人或动物的器官或组织的模型包括至少一个区域，该区域具有至少一种类组织特征和至少一个第一腔体，该第一腔体具有多个与其连接的中空分支，其中多个中空分支中的一些形成在具有类组织特征的至少一个区域中，其中连接到第一腔体的多个分支的平均均方根误差小于2mm，优选小于1mm，最优选小于0.6mm。
这样的模型包括形成有前所未有的解剖学上正确性的内部结构。有利地，模型是基于从扫描真实器官的ct扫描仪获得的数据而设计的，并且使用ct扫描仪同样扫描完成的第一结构和/或模型，其中扫描的第一结构或模型的图像数据与用于设计第一结构的图像数据进行比较，以获得平均均方根误差的数据。以这种方式，第一结构的分辨率的极限为用于扫描真实器官并随后设计第一结构的ct扫描仪的分辨率的极限。
有利地，具有至少一种类组织特征的材料是水溶性的，例如琼脂糖凝胶，这种模型具有与真实器官非常相似的特征。这是因为人或动物的器官主要由水组成。
例如，在肾脏模型的生产中，这可以包括第一腔体，该第一腔体的形状对应于输尿管，肾盂和与其连接的至少一些主要和次要的肾盏的形状。肾脏模型还可以包括设计用于形成肾静脉和肾动脉的腔体，该腔体然后分别分支到小叶间静脉和小叶间动脉。然后在类组织材料的区域中为肾脏模型提供肿瘤。
在评估过程中，类似于血液和水的流体可以通过各种腔体。然后，部分评估还可以基于表现待评估的医务人员是否切断了流体所在的腔体，而不仅仅是关于是否移除了包含肿瘤或过多“健康”组织的足够材料。
然后，部分评估还可以基于在训练期间阻断流体传导血管的这种切断的速度。这可以例如通过分析系统中的流体压力来评估，特别是通过测量检测到的压力的损失与压力损失中的停止之间的时间。
在这方面，应该注意的是，如果例如肿瘤材料掺杂有表明存在肿瘤的试剂，以便在训练之后可以分析是否从模型中移除了足够的肿瘤材料，则这是有利的。
在这方面，应该注意的是，如果第二区域的至少一个特征配置为使用uv光可视化，或者通过使用磷光材料，则这是有利的。这些是相对便宜和简单的材料，其存在可以通过简单地打开黑光或通过去除任何环境照明来发现。
可以将形成肿瘤的结构引入到类组织材料中，该类组织材料具有存在于第一和第二区域之间的界面处的过渡区域，该过渡区域包括至少第一和第二区域的相应材料的混合物。然后由于手术训练的成功完成可以是完全移除这个过渡区域的材料，可以例如规定，只有该过渡区包括可视化的材料。
以这种方式，可以观察到测试对象，例如，人或机器，是否切掉正确数量的材料。
有利地，模型选自由以下元素组成的元素组：人或动物心脏，脑，肺，肾，至少一个血管，肝脏，胰腺，胆囊，胃肠道，泌尿道，睾丸，阴茎，女性生殖道，乳房，前列腺，耳朵和眼睛的模型。
在另一方面，通过使用类似于人或动物的器官或组织的模型来评估执行医疗程序的人或机器人的表现的方法包括以下步骤：
在医疗程序开始时提供模型的第一状态；
执行医疗程序以将模型从第一状态转换为第二状态；和
通过比较第一状态和第二状态来评估人或机器人的表现。
结合评估工具描述的优点同样适用于本文所述的评估方法。
然后可以使用这种方法来分析测试对象的手术技能，例如，基于从模型中移除肿瘤。
这种方法优选地还包括使用医学成像设备(例如内窥镜)在执行模拟医疗程序时辅助人或机器人的步骤。
有利地，通过制备模型来进行比较，使得通过医疗程序移除或修改的材料可视化，并且通过分析移除或修改的材料相对于在模型中留下的材料或参考评估标准来进行比较。
然后，评估标准可以描述为了被认为是合格的外科医生而必须移除的材料量。在这方面，应该注意的是，去除太多的材料也可能导致不合标准的表现，因为从真实器官移除过多的材料会导致器官功能的丧失。
在这方面，应该注意的是，通过医疗程序移除或修改的材料可包括例如：移除肿瘤；白内障手术中晶状体的破坏和移除；破坏结石后移除肾脏，膀胱或胆结石。在适用的情况下，这些步骤要求(i)碎片不损坏周围组织，和(ii)尽可能完全移除待移除的组织或碎片。
以这种方式，模型可用于评估破坏和移除代表例如肿瘤，晶状体或结石的材料的表现和完整性。然后制备待移除的材料，使得与模型的其余部分相比，它提供高的成像对比度。该成像模态理想地与外科医生在干预期间使用的成像模态不同，使得可以在外科医生不知道正在评估什么的情况下进行理想的评估。在干预之后，然后用这种额外的高对比度成像模态检查模型，以显示留在模型内的任何“剩余部分”。成像对比度提供以下评估：
i.是否阻止碎片进入周围组织(在周围组织中它们可能造成损害)和/或
ii.是否将所有碎片或所有材料全部移除(如果留下它们会导致并发症)。
有利地，目标区域还包括光学图案，光学图案包括关于目标区域的位置，尺寸和照射强度中的至少一个的信息。以这种方式，光学图案可以例如将信息发送到评估工具，即在评估工具中实现的软件，其能够基于光学图案和由医疗专业人员或机器人执行的诊断过程的比较来实现诊断过程的表现评估。优选地，该光学图案不向医疗专业人员或机器人传达信息，包括关于取向或与目标区域相关的其他视觉线索。
进一步的评估参数可以是完整性(表面区域覆盖)，例如已经进行成像或检查的完整性。例如，在膀胱膀胱镜检查(检测)中，重要的是，在内窥镜膀胱检查过程中，检查膀胱的整个内部并且没有遗漏任何区域，因为这可能例如意味着检查错过了肿瘤。
在这种情况下以及在其他诊断手术期间，然后可以通过使用合适的光学图案对膀胱内部进行造影来评估这种手术的表现。执行该手术的人或机器人在该过程期间记录图像。图像没有任何意义，并且包括光学图案，使得它们不向操作者提供关于取向的任何视觉提示。然而，可以使用图像分析软件分析记录的图像，并将其与保持膀胱内部视图的数据库进行比较。因此可以测量检查的完整性。其他检查手术和其他器官也可以作为目标。可以通过色差，强度差异和/或表面纹理来生成光学图案。
在进一步优选的方法中，医疗干预的评估可以包括干预的关键方面所花费的总时间，作为表现和/或评估参数。这是因为例如短时间意味着需要较少的麻醉剂。
优选地，可以基于使用测量的物理参数的比较来建立用于手术评估的评分系统。使用测量的物理参数作为比较的基础使得评估更加复杂，评估结果更具可重复性。
以这种方式，物理参数可选自由手术时间，失血量，去除的材料的体积/重量的测量值，机械强度，弹性，电连接，压力，流体流量和/或设备或植入物的适当功能所组成的元素组。
在这方面，应该指出的是，医疗程序的评估可以扩展到包括在手术执行后的一种测量和测试形式，例如，如果干预(医疗程序)涉及移除肠的一部分。在这样的手术中，将检查模型，通过从肠切除一部分或一段来移除部分或材料，然后将该切口缝合或以其他方式修复，而干预的质量不仅需要确保已经移除了正确尺寸的正确部分，而且也修复了组织并将其缝合到所需的质量水平。
因此，为了在医疗程序之后评估修复和/或缝合的质量，执行以下测量中的至少一个：缝合线的机械强度的测量，以及随后与目标值的比较；干预后模型压力的测量，可能是通过前后压力的比较，以及与目标值的比较；植入物或连接的弹性的测量；在模拟神经元连接的情况下电连接的测量；并在医疗程序中嵌入的植入物或设备是否正常运行的测试。
在医疗干预期间，另一个评估参数例如是失血量。这可以通过泵送流体通过合适的材料或管状系统来监测。包含测试流体的腔体结构的切割或破裂导致压力或流体的损失。干预可能需要外科医生缝合血管或阻止液体流失。因此可以量化流体损失量。类似地，流体可以代表神经，因此流体用作确定神经是否已被切断的手段。类似地，无线电波或淋巴系统可以由腔体结构建模，该墙体结构嵌入在模型中，并连接到确定体积，流速或压力的测量装置，且可以用于指示切割，破裂或损坏，和/或用于量化流体和/或气体的损失量。该量可以代表血液量，或者可以指示修复破裂等所花费的时间，因此是可以在干预期间使用的表现参数。
优选地，由医疗程序移除或修改的材料通过以下至少一种可视化：
在模型中加入荧光材料，这种材料例如在黑暗中可见；
在uv光下加入可在应用uv光时可见的材料；和
通过超声，mri，ct和/或x射线成像来研究模型。
这些是可视化医疗程序的可能工具和方法，因此也可用于医务人员的评估。
例如，造影剂可以在模塑过程中聚合物材料固化之前混合到聚合物材料中，例如，碘化造影剂(imeron400；意大利米兰的braccos.p.a.)，金属微米和纳米颗粒，微米和纳米尺寸的气泡或荧光染料可用作造影剂。
优选地，该方法还包括为模型提供模拟肿瘤存在的区域的步骤；并且通过分析从模型中移除的肿瘤的量来进行评估，特别是通过将移除的肿瘤的量与没有移除的肿瘤的组织的量进行比较，和/或通过比较保留在模型中的肿瘤的量，和/或通过分析从模型中移除的非肿瘤组织的量来进行评估。
这些是在测试对象的外科训练期间可以进行的理想评估步骤。
根据本发明的又一方面，提供一种通过使用类似于人或动物的器官或组织的模型来评估执行医疗程序的人或机器人的表现的方法，该方法包括以下步骤：
为模型提供目标区域，该目标区域模拟肿瘤，肾结石，骨碎片，子弹或子弹伤或刀伤；
利用医学成像设备执行诊断程序以确定目标区域的位置和/或程度；和
通过将诊断结果与目标区域的已知大小和位置进行比较，评估人或机器人的表现。
然后可以使用这种方法来分析测试对象的诊断技能。例如，测试对象应该能够区分例如医学图像中的肿瘤和医学植入物。这对于例如放射科医师的训练是至关重要的，因为根据他们的发现，有针对性设计人或动物的治疗计划。
在这方面应该注意，医学成像设备是超声，mri，ct，荧光和/或x射线成像，pet之一，其中存储通过医学成像设备获得的图像数据。
这种装置可以有利地用于各种医学病理的诊断。
有利地，模型包括具有组织，该组织具有至少一种类似于人或动物组织的至少一个性质的性质，其中所述组织包括至少第一和第二区域，其中所述第二区域具有至少一种不同于第一区域的特征的特征，所述至少一个特征配置为可视化或可成像，其中所述第二区域包括目标区域。
优选地，通过评估第二区域的至少一个特征来进行评估，可选地通过将第二区域的至少一个特征的尺寸和/或位置和/或强度与尺寸和/或位置与第一区域的至少一个特征的尺寸和/或位置和/或强度或参照物的尺寸和/或位置和/或强度进行比较来进行评估。
在这方面，应该注意的是，评估可以包括通过基于第二区域的至少一个特征对移除的材料和模型中留下的材料进行比较来分析在第二状态中移除的第二区域的量。
同样地掺杂第一区域以突出显示是否已经移除了过多的这种材料可以是评估的一个步骤，因此可以通过评估第二区域的至少一个特征来评估在第二状态中移除的第一区域的量。
或者，评估包括将第二区域的量和移除的第一区域的量进行比较。如果从例如肾脏移除了过多的组织，则肾脏的过滤功能不再能得到保证。与此相反，如果移除的肿瘤材料太少，则肿瘤将继续生长并且患者将不会被充分地治疗。
附图说明
本发明的其他实施例在以下对附图的描述中进行阐明。下面将通过实施例并参照附图详细地说明本发明，其中：
图1a至d是详细说明设计用于解剖学上正确的肾脏模型的模具所需步骤的流程图。
图2a至f是用于构建3d肾脏模型的工作流程。
图3a至c示出了由不同种类的材料制成的肾脏模型(正面和背面)的各个图像。
图4a至c示出了评估模型结构的准确性的步骤。
图5a至d示出了与真实人肾相比由不同种类材料制成的三种模型的超声图像。
图6a至c示出了当内窥镜插入其中时肾脏的响应行为的图像。
图7a至c示出了在肾脏模型中嵌入肿瘤和肾结石所需步骤的流程图。
图8a至c示出了从软肾脏模型中移除肾脏肿瘤的图像。
图9a至e示出了手套模具法的示意图。
图10a至d示出了在手套模具法中进行的步骤的图像。
图11示出了另一种模型，该模型包括位于第一区域和第二区域之间的过渡区域。
图12示出了另一种模型。
图13是在膀胱模型上进行内窥镜检查的视图。
图14是经外科手术后的肾脏模型的进一步视图。
具体实施方式
在下文中，相同的附图标记将用于具有相同或等同功能的部件。任何关于部件方向的陈述都是相对于图中所示的位置作出的，并且在实际应用位置上可以自然地变化。
图1示出了详细说明设计一个用于解剖学上正确的肾脏模型10(参图2)的模具所需的步骤的流程图。在第一步中，拍摄人肾的x射线计算机断层摄影(ct)图像12(参见图1a)。为了做到这一点，通过连接到输尿管(均未示出)的硅胶管将碘化造影剂(碘浓度400mg/ml；imeron400；意大利米兰的braccospa)注入肾脏的收集系统。此后，使用具有0.3mm空间分辨率的ct扫描仪8(参见图4a)(somatomdefinitionflash；德国福希海姆的西门子医疗)扫描人体肾脏。从轴平面重建数据，矩阵尺寸为512×512，视场为154mm×154mm。扫描获得的数据可以存储在所谓的dicom文件中。然后可以使用这些文件来分析采用ct扫描仪8拍摄的不同扫描。
随后将从ct扫描获得的dicom文件导入名为invesalius3.0.0的计算机程序(目前可在http://www.cti.gov.br/invesalius/上获得)。如图1a所示，肾脏具有两个不同的区域，即收集系统14和周围组织16。由于肾脏的这些部位的不同材料之间的大对比度，这两个区域14，16在ct扫描中可以轻易地彼此区分。由于浓缩的造影剂，中心的收集系统14的颜色与肾脏组织16的颜色不同，背景显示为黑色。分离来自肾脏的这两个区域14，16的数据，以分别计算和构建用于肾脏模型10的内模具或插入物18(图1c)和外模具20a，b(图1d)。每个部件的表面分别作为所谓的stl文件导出，如图1b中的绿色和红色所示。
图1c示出了插入物18，该插入物18是用于肾脏模型10的收集系统14的解剖学上正确的模具。与此相比，图1d示出了用于肾脏模型10的外形的模具20a，b。将该模具分成两个在中间分开的阴模20a，b。为了获得解剖学上正确的模具20a，b和解剖学上正确的插入物18，使用软件程序inventor2016(美国的autodesk)对这些模具进行建模。为了生成模具，dicom文件和导出的stl文件分别用作inventor2016的起点。
为了产生解剖学上正确的3d肾脏模型10，如图2所示，执行以下步骤。形成收集系统14的插入物18在3d打印机(3zpro，
在3d打印机(以色列斯特拉塔斯的objet260connex)上用uv可固化聚合物
为了形成肾脏模型10，将硅橡胶材料(美国smooth-on公司的
图2e示出了从外模20a，b移除的聚合物肾脏模型10。插入物18仍然存在于肾脏模型10内。
随后通过在70℃下连续磁力搅拌将蜡溶解在乙醇中来除去插入物18，以形成如图1f所示的肾脏模型10。获得的肾脏模型10可以附着在骨盆处的硅胶管上以模拟输尿管(未示出)。
优选地，用于形成用于通过模具18形成收集系统14的插入物的材料与用于在模具20a，b中形成组织16的材料相比具有不同的物理或化学性质或特征。
这些不同的物理或化学特征允许选择性地去除用于形成收集系统14的插入物的材料，同时保留组织16的材料。这些特征可以是溶解度，熔点的差异或材料之间的反应性的差异。例如，形成收集系统14的插入物18的材料不是水溶性的(例如蜡)，而组织16的材料是水溶性的(例如琼脂糖)。这意味着可以使用水溶性材料(例如琼脂糖)来形成所提出的模型10的松散组织。这是因为插入物18可以在不使用溶剂的情况下在加热时被移除。这是以前不知道的。
特别地，选择用于形成肾脏模型10的组织16的材料以再现真实器官的组织的特征，例如机械特征，mri，ct或超声中的成像对比度，光学特征或视觉外观，组织或器官对电磁辐射的吸收，或组织或器官对声波的吸收，或组织或器官的触觉特征。
此外，用于形成组织16的材料可包括形成均匀或不均匀混合物的混合物，该混合物再现真实器官的组织16的其他特征，例如，电磁辐射或声波的吸收，散射，或其视觉外观。
为了形成肾脏模型10，可以考虑各种材料，以下非结论性列表示出示例性材料。
1)水基凝胶：琼脂糖，明胶，胶原蛋白，弹性蛋白，peg(聚乙二醇)，这些是最重要的材料，因为与人体软组织相比，它们具有许多相似的特征。这些也是不能与现有技术中报道的3d打印pva(聚乙烯醇)材料一起使用的材料。
2)有机硅基聚合物：pdms(聚二甲基硅氧烷)，
3)几种材料的混合物，例如在水基凝胶内混合纳米纤维，纳米颗粒，蛋白质或脂肪颗粒以实现类组织特征。
如果将肾脏模型10用作手术训练工具，则可以将颜料或着色剂添加到形成组织16的材料中，以在肾脏模型10中模仿真实器官的颜色。
为了测试不同的材料，使用三种不同的材料生产肾脏模型10。图3a示出了由类组织的硅橡胶制成的肾脏模型10，图3b示出了由pdms制成的肾脏模型10，图3c示出了由琼脂糖(4％)制成的肾脏模型10。
图3a至c中所示的肾脏模型10的各个外形与3d重建模型的的外形匹配。为了确认肾脏模型10的内部结构确实复制了真实肾脏，以与真实肾脏相同的参数在肾脏模型10上进行第二次ct扫描。为此，图4a示出了在插入ct扫描仪8之前肾脏模型10的照片。从放射学的观点来看，肾盂和所有肾盏都对应于如图1a所示的人体肾脏的ct图像12的相应结构。此外，ct重建表明，模制过程成功地将收集系统14的形态细节再现到亚毫米结构。所实现的分辨率受限于原始ct扫描分辨率。从3d模型的重建中，很明显模型的内表面和外表面密切地代表着原始器官的内表面和外表面。这在图4b中示出。
图4c示出了与原始ct扫描相比，模型中的收集系统的定量误差分析。为了定量评估真实器官和肾脏模型10之间的差异，使用获得的针对真实肾脏和肾脏模型10stl文件进行定量比较。该比较使用软件cloudcomparev2.6.1(目前可在http://www.danielgm.net/cc/获得)进行。
在stl文件中定义两个单独的网格，即模型的网格和真实器官的网格。然后通过在每个网格中选择三个标记点(通常在肾/肾脏模型10的尖端位置)手动对准这两个网格。在定义三个标记点中的每一个之后，软件将真实器官和模型的扫描重叠，使得可以针对具有等于6的八叉树级别的两个涡流计算所谓的云/云距离，其中可以在cloudcompare软件中定义八叉树级别。由此获得的弹性模型型的距离误差分布在图4c所示的图例中显示。
结果显示，相对于用于构造形成收集系统14的插入物18的医学成像数据的比较，最大误差为2mm。整个收集系统14(具有约为7cm[长度]×4cm[宽度]×3cm[高度]的边界盒尺寸)的平均误差为0.5mm(图4c)。因此，模具的平均误差约为1％，适用于内窥镜训练和测试目的。其他两种材料的重建和比较显示出相似的精度，平均距离误差约为0.5mm。
同样地，与用于设计模具20a，b的医学成像数据相比，在模具20a，b中形成的组织16的平均均方根误差小于5mm。
为了测试用于形成肾脏模型10的材料的性能，将三种不同类型的肾脏模型10的超声图像与真实的人肾进行比较(如图5a所示)。图5b中所示的琼脂糖模型相关的超声图像显示，与由硅橡胶制成的肾脏模型10的收集系统14和肾组织16的结构(图5c)以及由pdms制成的肾脏模型10的收集系统14和肾组织16的结构(参见图5d)相比，能够更清楚地识别收集系统14和肾组织16的结构。令人惊讶的是，琼脂糖肾脏模型10的收集系统14和组织16也可以比真实器官(图5a)更清楚地识别。这种差异可以通过用于各种肾脏模型10的材料的弹性差异来解释，由硅橡胶和pdms制成的模具在外表面上显示出强烈的信号，然而，只有模型10的白色轮廓可被看见。
此外，使用传统的柔性输尿管镜进行内窥镜评估。在每个肾脏模型10的内侧，通过内窥镜观察代表上泌尿道的典型形态特征的光滑表面(图6a至c)。完整的收集系统14在视觉上看起来与人肾相同。所有的肾盏都很容易用10-french柔性输尿管镜插管。仪器的空间定位始终清晰。
图6a示出了位于透明肾脏模型10内部的内窥镜24的视图。图6b示出了人肾中上肾盏的内窥镜视图，且图6c示出了肾脏模型10中的相同内窥镜视图。可以通过眼睛跟踪内窥镜24的位置对于外科医生训练以在肾脏模型上进行这样的医疗程序是有用的，一方面，他可以看到内窥镜24在其开始运动时如何反应。另一方面，当检查同一个肾脏模型10时，他可以直接比较不同内窥镜(未示出)的行为。以这种方式，肾脏模型10可以形成用于医务人员训练的评估工具的一部分。
与当前的泌尿学教学和训练系统以及其他先前报道的3d打印的肾脏模型相比，该工作的主要优点在于，本制造方法允许使用更多种材料。报道的猪肾的弹性模量为48.56±7.32kpa。为此，表1总结了与3d可打印材料
结果发现，
表1显示了用于复制肾组织的三种聚合物的机械性能的比较，以及
因此，取决于肾脏模型10的应用，可以获得肾脏模型10的不同种类的材料。例如，如果将肾脏模型10用于成像目的，则由琼脂糖凝胶制成的模型将是一个不错的选择。与此相反，如果要进行肾脏模型10的手术评估，则由弹性体或pdms制成的肾脏模型10可能由于这些材料的抗拉强度而是更好的选择。
为了形成肾脏模型10，该肾脏模型10可以用于训练医务人员移除或检测例如来自肾脏的肿瘤或结石，可以将第二特征26嵌入肾脏模型10中。
尽管肾脏中的中空收集系统14，其他解剖学上重要的结构也可以用相同的模制方法嵌入。图7a至7c示出了将肿瘤26和肾结石27嵌入肾脏模型10中的工作流程的示意图。
通过在插入物18的制造过程中在插入物18形成的收集系统14中包括模拟真实肾结石的材料，将肾结石27结合在模型10中。或者，可在插入物18的制作过程中在插入物18中设置腔体，随后可以用模拟真实肾结石的材料填充该空腔。以这种方式，较大尺寸的结石可以放置在具有到收集系统14的小开口的肾盏中，然后可以用在与例如通过碎石术移除肾结石相关的外科手术中。
首先，如图7a所示分别制备两个特征，即收集系统14和肿瘤26。通过在单独的3d打印模具中模制pdms材料来制造肿瘤26。关于常见肾脏肿瘤的重要解剖细节是它既不与肾的外表面接触，也不与收集系统14接触。换句话说，肿瘤26应该完全被正常组织16包围。为了再现该解剖结构，将肿瘤26插入另一个3d打印的阴模(未示出)中，该阴模具有与最终外模20a，b的一部分相同的形状。因此，在肿瘤插入物28的阴模中形成包括被组织16包裹的肿瘤26的肿瘤插入物28。该肿瘤插入物28具有与最终模具20a，b的外形的一部分精确配合的外轮廓。
在将收集系统14和包括肿瘤26的肿瘤插入物28组装在最终外模20a，b中之后(图7b)，模具填充有液体聚合物以形成组织16。当聚合物固化时，它将连接作为一个完整的部件，具有与围绕在另一个模具28中形成的肿瘤26的组织16的相同材料(图7c)。
以这种方式，肿瘤26可以插入肾脏模型10内的任何精确的预定义“悬浮”位置。构建的具有肿瘤26的肾脏模型10的一个重要应用在图8中示出，作为使用开放式或腹腔镜手术技术移除肿瘤的训练模型。
此外，事先知道精确位置意味着具有肿瘤26的肾脏模型10可用于校准成像设备，例如mri，ct扫描仪8，x射线和超声，和/或用于评估操作这种成像设备的医务人员。
类似的方法也可用于将其他重要的解剖结构(例如血管和神经)嵌入肾脏模型10中。
图8a至c示出了展示从软肾脏模型10中移除模拟肾脏肿瘤26的图像。图8a在这方面示出切割组织16以便进入模拟肾脏肿瘤26。进入肿瘤后26它可以如图8b所示被曝光和移除。此后，可以如图8c所示通过缝合来修复肾脏模型10。
现在为了评估医务人员是否已经从肾脏模型10移除了正确数量的肿瘤26，肿瘤26和/或肾脏模型10可以分别包括指示肿瘤26存在的某种形式的造影剂。
造影剂可以例如是在黑暗中发光的磷光材料，因而通过关闭光来快速比较所移除的材料与肾脏模型10中留下的材料，指示是否已经移除了足够的肿瘤材料。
在其他情况下，造影剂可以包括对uv光敏感的材料，因而黑光可以用于评估模型10中任何肿瘤残余物的存在，并且因此评估进行性能测试的医务人员的表现。
在其他情况下，可以使用ct，mri和超声之一特别好地成像的材料可以嵌入肾脏模型10和/或肿瘤26中，使得这些成像技术中的一种可以用于分析和评估某人从肾脏模型10中移除肿瘤26的表现。
在其他情况下，可以嵌入两种造影剂用于不同的成像方式，例如，ct，mri，pet，超声，x射线和/或荧光的组合；和/或两种造影剂可以嵌入针对相同的成像方式，但是针对不同的成像序列，例如，针对mri中的强度序列和脉冲序列。
在任何情况下，人们还可以用造影剂或类似材料掺杂组织16的材料，所述造影剂或类似材料可以被观察以查看是否从肾脏模型10中移除了过多或过少的组织。以这种方式，使用肾脏模型10进行医务人员训练可以直接反馈关于移除肿瘤26的医疗程序是否也移除了肿瘤周围的过多或过少的组织。
以类似的方式，比较还可以看到移除了多少组织以便观察是否从肾脏模型10移除了足够量的肿瘤26。
以这种方式，还可以通过使用类似于人或动物的器官或组织的模型来评估执行医学成像过程的人或机器人的表现。在这种情况下，肾脏模型10可以在预定义位置处以预定尺寸设置有目标区域，模拟肿瘤，肾结石，骨碎片，子弹或子弹伤或刀伤。此后，执行诊断程序以确定目标区域的位置和/或程度。然后通过将诊断结果与目标区域的已知大小和位置进行比较来进行评估。在这方面，应该注意，诊断程序是通过超声，mri，ct和/或x射线成像，pet之一进行的。
肾脏模型10中可另外包括其他结构，而不一定是在肾脏模型中包括肿瘤26。这些结构可以选自包括例如腔体，至少一个血管，至少一个神经，肾结石，假体或医疗植入物的元素组。
为了制造插入物18，可以使用所谓的手套模制工艺来批量生产肾脏模型10，即肾脏模型的解剖结构。
手套模制工艺作为3d蜡打印方法的替代方案，以制造收集系统14的正插件18a(插入物)。出于蜡3d打印耗时且昂贵。图9示出了该方法的工作流程。首先，通过3d打印uv固化聚合物(参见图9a和图10a)获得正插件18a，该3d打印uv固话聚合物是硬塑料材料并且不易溶于溶剂或如上所述的蜡材料那样随温度熔化。然后，将3至5层手套模具材料30施加到正插件18a上，在本示例中如图9b所示将其刷到正插件18a上。
分别如图9c和10b所示，一旦手套模具材料30固化，手套模具30就可以剥离，因为它是柔软且有弹性的。然后，如图9d所示，该手套模具30可以重复用作形成肾脏模型10的收集系统14的插入件18的模具。如图10c和10d所示，该手套模具30可用于使用诸如石蜡和明胶的材料来模制收集系统14。图9e中由多个插入件18示意性地示出了以这种方式，多个解剖特征可以精确，快速且成本有效地复制。
手套模具方法也可用于制造其他解剖结构，例如上述肿瘤26。然而，对该方法的限制是模制的形状不能包含任何闭环，因此它不适合用于诸如血管和神经的结构。手套模具方法也可用于制作模型的一部分(例如收集系统14)，然后可将其与通过其他技术(例如血管的3d打印)制成的其他部分组装以便模制具有多种解剖学特征的最终肾脏模型10(类似于图7中所示)，以便产生更复杂的肾脏模型10。这些可以连接到流体输送装置以模拟血液和其他可能的液体的流动。在使用这些复杂的肾脏模型10时，外科医生可以直接得到关于他或她是否切割例如肾脏模型10的血管的反馈。
前面的描述涉及肾脏模型10。然而，应该注意的是，可以生产各种其他器官的模型并用于训练目的。这些动物或人体器官模型包括但不限于肝脏，肠，前列腺，肺，脑和心脏，血管，胰腺，胆囊，胃肠道，泌尿道，睾丸，阴茎，雌性生殖道，乳房和耳朵。所有这些器官的手术由高技能的医务人员进行，并且相对便宜的模型器官的生产提供了可用于训练医务人员的相对低成本的训练和评估工具。
考虑到例如前列腺，膀胱或心脏模型，模型的一部分可包括泵或形成泵的材料，以在训练期间以改进的方式模仿真实器官的行为。
此外，所使用的模型的组织的材料具有弹性模量，该弹性模量对应于器官中发现的相应组织的器官弹性模量。
还应注意，传感器(未示出)可以结合到本文所述的模型10中。这些传感器可以包括嵌入在模型10内的生理标记。使用这些传感器，可以从模型10评估诸如血流/压力，流体流动，组织完整性，肿瘤去除率等信号。该评估可以是通过使用传感器或在ct扫描仪8或mri设备等中的离线来实时完成。
在这方面，应该注意的是，如果液体或流体通过模型10中提供的一个或多个腔体传导，则该流体的存在(泄漏)可以用作实时传感器信号以指示在模型10上的手术过程中某些东西出了问题。
同样，传感器可以嵌入类似神经的模型的部分中，并且在切割这些神经时，可以发出可听见的声音以指示神经已被切断或刺穿。
图11示出了另一种肾脏模型10，该肾脏模型10包括围绕第二区域a的过渡区域b，第二区域a例如可以是肿瘤。该过渡区域b将肿瘤a与模型10内存在的正常组织c分开。以这种方式，可以将形成肿瘤a的结构引入类组织材料中，而过渡区域b存在于第一和第二区域a和c之间的界面处。该过渡区可以包括第一和第二区域a和c的相应材料的混合物。或者，该过渡区b也可以包括与区域a和c的材料特征不同的材料特征，然后可以提供例如，只有这个过渡区包含可以看到的材料，而手术训练的成功完成可以是完全移除这个过渡区b。
图12示出了另一种模型10，即前列腺的模型。与图11中描绘的模型10类似，将另一种结构，例如，肿瘤插入标记为a的区域中。该结构由包括材料b的区域围绕，并且可以嵌入包括材料c的第一区域中。
图11和12的模型10都还可以包括可以模拟特定器官结构的其他区域d。在图11中，区域d对应于肾脏的收集系统14，而在图12中，区域d对应于尿道。
在一些情况下，医疗程序的目标是完全移除区域a，保持区域b的最大体积并且绝对不移除区域c(根据图11的肾脏肿瘤去除)。在其他情况下，目标可以是在保持区域c的同时移除区域a和b。
应该进一步注意的是，如果将图11和12中所示的各个模型10中的一个用于评估医疗程序，则医疗程序可以是为了活组织检查的目的而移除组织。目标是仅移除少量材料a。根据评估标准，仅移除材料a可能导致正向评估，而仅移除材料c可能导致负面评估等。
应注意，在前述参考肿瘤的情况下，第二结构26；引入模型10中的a，b也可以复制器官中存在的患病组织和/或异常结构，因此可以部分地移除以用于活组织检查的目的，即诊断目的，或者通过医疗程序完全移除。
还应注意，提供模型10以允许医疗专业人员或机器人在模拟器官上而不是在难以接近并因此昂贵的真实器官上练习切割技术。这些不同的切割技术可以是医学生的简单切割和缝合实践，在难以抵达的区域进行活组织检查，以及在敏感位置移除肿瘤。一般而言，这些难以抵达的位置不能使用真实器官来模拟，因为这些通常是非常特殊的应用情况。
图13示出了在膀胱模型10上进行的内窥镜手术的视图，其中内窥镜24的放大视野以圆圈示出。通过移动在评估点处的内窥镜24，可以获得所讨论的内窥镜24的评估点的大约360°视图。
然后，对医疗程序的评估可以是对医务人员或机器人扫描的视野的测量。为了做到这一点，模型10还可以包括嵌入其中的光学图案，更具体地是嵌入在目标区域26中的光学图案。该光学图案然后传达与目标区域的位置和尺寸有关的信息。该信息对于内窥镜24是光学不可见的或者不能由操作者解释，但是可以使用为医疗程序的评估提供的软件中的特定过滤器来分析。在查看该信息时，可以对任何表面区域进行扫描并将扫描区域与该特定装置可获得的表面区域进行比较。以这种方式，可以评估医务人员或机器人是否已经分别检测到完整目标区域的表面区域。
以这种方式，另一个评估参数是完整性(表面区域覆盖)，例如已经进行成像或检查。例如，在膀胱膀胱镜检查(检验)中，重要的是，在内窥镜膀胱镜检查过程中，检查膀胱的整个内部并且没有遗漏任何区域，因为这可能例如意味着检查错过了肿瘤。
图14示出了外科手术后的肾模型10的另一视图。在进行医疗程序时，输尿管在切断点32处被切断。需要修复该切断点32以修复肾脏模型10。这种修复是通过使用缝合线缝合输尿管来进行的。然后，该缝合线34的质量也可以作为医疗程序审查的一部分进行评估。这可以例如通过以下方式完成：缝合线的机械强度的测量，以及随后与目标值的比较；干预后模型压力的测量，可能是通过干预前后的压力的比较，以及与目标值的比较；植入物或连接的弹性的测量；在模拟神经元连接的情况下电连接的测量；以及在医疗程序中嵌入的植入物或设备是否正常运行的测试。
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