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新型人体肝脏铸型标本的数字化制造研究

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摘要

前言

参考文献

第一章 新型肝脏管道铸型标本的设计和制造

1 引言

2 材料与方法

2．1 材料

2．2 方法

3 结果

4 讨论

4．1 新型肝脏管道铸型标本的应用意义

4．2 新型肝脏管道铸型模型的设计与制造原理

4．3 新型肝脏管道铸型模型设计制造中的注意事项

5 结论

参考文献

第二章 新型肝脏管道铸型标本的制造精确性分析

1 引言

2 材料与方法

2．1 材料

2．2 方法

3 结果

4 讨论

5 结论

参考文献

全文小结

中英文对照缩略词表

攻读硕士学位期间成果

致谢

声明

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摘要

背景： 肝脏是一个结构极其复杂的活体器官，内部四种不同功能的管道分布错综复杂。肝脏内部管道的解剖结构以及各管道结构之间的毗邻关系，不仅是人体解剖学教学的重点，也是肝胆外科医生在手术中关注的内容。通常我们了解肝脏内部管道错综复杂的解剖关系的途径主要是通过查阅教科书资料，查看解剖图谱，辨认大体标本等等。教科书通常是文字性描述较多，图片较少，不能很好展示管道结构的内部细节信息。而解剖图谱仅仅只有二维图片信息，不能清晰的显示肝脏内部管道的三维空间位置关系。近年来，随着计算机技术的飞速发展，肝脏管道结构的三维可视化研究也越来越多。虽然这些模型可以通过进行数字化显示，它们仍缺少实体标本的质感。 肝脏解剖铸型标本可以用不同的颜色清晰直观的显示不同的管道结构，展示管道结构的空间位置关系，管道分枝类型，不同肝脏管道的最大、最小直径等等信息，目前已成为研究肝脏内部管道结构的一个比较普遍方法。尽管如此，两个主要的因素限制了肝脏腐蚀铸型标本的扩展应用。首先，肝脏腐蚀铸型的制作需要消耗大量的新鲜人体肝脏标本。新鲜人体肝脏标本的来源有限，决定了无法大量的制作此类铸型标本。与此同时，由于医学伦理学的限制，此类标本禁止像其他商品一样自由交易。不同医学教育机构之间的铸型标本无法很好的交流。此外，肝脏解剖铸型标本的结构错综复杂，使其无法通过如机械加工或模具加工方法诸如此类的传统的工业制造方法加工复制出来。而且，传统肝脏腐蚀铸型标本都是没有肝实质的，不能够清晰直观的显示复杂管道结构与周围肝实质的空间毗邻位置关系。所有这些不足，极大的限制了肝脏腐蚀铸型标本的应用。 由于空间结构复杂，肝脏管道结构无法使用传统方法大量制作，快速成型技术可以克服这一限制，它能够在短时间内精确地把复杂的计算机虚拟模型转变为实体部件，经过了几十年的不断发展，近年来快速成型技术广泛的应用在医学各相关领域，并获得满意的成果。快速成型技术分层自由曲面制造的特点使其能够精确复制复杂的实体结构。已有文献报道利用快速成型技术制造出相关解剖模型。然而，这篇文献仅提及一个相对简单的解剖结构，不能显示错综复杂的管道分支结构。另有文献报导利用快速成型三维打印技术复制出肺管道铸型标本。然而，复制出的肺铸型标本有易褪色，细小管道分支结构易断裂的明显缺点。另外，复制出的肺铸型标本没有周围的肺实质，因而不能清晰直观的展示肺管道结构与肺实质的解剖位置关系。目前，没有相关利用快速成型技术进行肝脏管道铸型复制的研究。 因此，为了解决这些问题，在本实验中，我们将利用三维计算机重建技术，快速成型技术，模具制造技术开发一种新型的肝脏管道铸型标本并对其制造精确度进行评估。这种新型的肝脏管道铸型标本不仅包含错综复杂的肝脏内部管道结构，还含有管道周围的肝实质，使得该新型铸型标本既有良好的形态又有肝实质的手感。 目的： 鉴于伦理学原因及肝脏管道结构复杂无法通过传统工业方法大量制作，传统肝脏铸型标本缺少外在实质解剖信息等问题，我们将探索一种新型的肝脏铸型标本的制作方法并进行精确性分析。 方法： 1、标本制备 取新鲜的人体肝脏标本一具（男性，58岁），利用聚甲基丙烯酸甲酯（牙托粉）混合5％的氧化铅灌注肝静脉及门静脉。灌注完成后，使用福尔马林溶液固定标本。标本制作完成后，利用飞利浦64排螺旋CT进行断层扫描，获得的断层图像数据以标准DCIOM数据格式保存。数据经两位经验丰富的影像医生检查排除生前相关肝病史。肝脏铸型标本数据集共有178张断层图片，层厚为0.705mm，每一像素点为0.55mm。以下内容将分为两个部分阐述:1.新型肝脏铸型标本的设计及其制造;2.新型肝脏铸型标本的制造精确性分析 1.新型肝脏铸型标本的设计及其制造 1.1肝脏管道铸型的三维重建 将肝脏铸型的扫描数据导入三维重建软件Mimics14.11中，利用软件中的“选定阈值”，“区域增长”，“编辑”等功能分割提取出肝静脉、门静脉、肝实质的轮廓信息，即生成对应的“蒙板”，通过计算“蒙板”信息，生成对应的三维模型，模型以不同的颜色显示各自的生理功能，重建的三维模型以Virtual RealityMarkup Language(.WRL)格式进行保存。模型导入逆向工程软件Geomagic studio2013中进行后处理，以优化模型。同时，为了保证肝内管道与肝实质的精确的空间解剖关系，在Geomagic studio2013中设计了固定在门静脉和肝静脉管道末端的定位杆，获得的带有定位杆的肝管道模型以.WRL格式进行保存。另外，由于肝段信息对于解剖教学及临床应用非常重要，我们在Geomagic studio2013中将带有定位杆的肝管道模型分割为独立的8个肝段模型，以.WRL格式进行保存。 1.2肝实质外壳模具设计 肝实质三维模型导入快速成型软件Magic4.0中，利用软件中的“剖空部件”功能，将模型做成一个壁厚5mm的中空壳。为了保持肝实质与肝管道的精确解剖关系，通过软件”布尔操作“下的减法运算，在中空壳上设计出与定位杆相对应的定位孔。同时，在中空壳上设计出透明材料的流入流出道。最后，将中空模型分割为可以开合的四个小模型，以STL格式进行保存。 1.3肝脏管道铸型模型及肝实质外壳模型的快速成型制造 设计好的肝脏管道铸型模型及肝实质外壳模型导入到快速成型软件ZPrinter7.10(3D systems，Rock Hill，SC)中，软件自动将模型拆分为层厚为0.0875mm的薄层数据，薄层数据传入Spectrum ZTM510(3D systems，Rock Hill，SC)24位彩色高分辨率三维打印机。三维打印机使用高性能复合材料ZP150通过逐层打印，制造实体模型。实体模型制造完成后，小心的将模型从成型机内取出。取出的模型经过后处理后就可以得到我们所需要的实体模型。后处理是模型处理的一个关键步骤，主要操作为一点点除去模型表面的粉末及利用固化胶水将模型渗透以加强实体模型的强度。然后采用进口固化胶水Z-bond90(3D systems，Rock Hill，SC)对模型表面进行渗透固化，待模型表面胶水完全干透后，模型制备完成。 1.4采用模具技术的新型肝脏铸型标本的制备 制造完备的肝管道实体模型与肝实质外壳模具实体模型通过设计好的固定杆和相应的固定孔进行装配。透明蜡，由一定比例的固体石蜡混合热塑性丁苯橡胶而成，一般多用来制作工艺蜡烛，刷选出作为铸模材料来生产新型肝脏铸型模型。透明蜡加热后，注入模具内，放置阴凉干燥处冷却，待融化的透明蜡完全冷却固化后，小心的分开模具，新型的肝脏管道铸型标本制作完成。 2.新型肝脏铸型标本的精确性分析 2.1新型肝脏管道铸型的三维重建 新型肝脏管道铸型完成后，使用同一台CT机设置同样的扫描参数对模型进行扫描。获得数据后，使用相同的方法，重建出新型肝脏管道铸型的三维模型，输出STL格式备用。 2.2制造精度的分析 新型肝脏管道铸型的制造精确性利用逆向工程分析软件Geomagic Qualify2013(Geomagic，Inc，Morrisville，NC)来进行分析。将新型肝脏管道铸型和初始肝脏管道铸型三维数据导入Geomagic软件，初始肝脏管道铸型模型设置为对照，新型肝脏管道铸型模型设置为测试，计算出新型肝脏管道铸型的偏差及偏差分布情况。通过偏差分布热力云图、偏差分布直方图来评估制造精度。 结果： 1.将灌注好的肝脏管道铸型标本进行CT扫描，成功获取高质量的扫描图像，通过Mimics v14.11软件重建出精确地三维模型; 2.利用Geomagic studio2013及Magic4.0软件设计带有定位杆的肝脏管道模型以及带有匹配定位孔的中空肝实质壳模具模型; 3.利用快速成型技术及模具技术制造出带有透明模拟肝实质外形的实体肝脏管道模型; 4.将新型肝脏管道铸型再次进行CT扫描，三维重建后，与初始肝脏管道铸型模型一起导入Geomagic Qualify2013软件中，分析制造误差。快速成型肝脏管道铸型模型的平均偏差值:0.60±0.50 mm，透明果冻蜡肝实质外形的平均偏差值:2.54±2.25 mm。 结论： 5.新型的肝脏管道铸型细节丰富，易于保存并且精度高。可以广泛应用于医学教育，科学研究及其临床等领域。

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