男性盆腔器官群实体模型的制作方法技术

本发明专利技术涉及一种男性盆腔器官群实体模型的制作方法,经过男性盆腔器官群医学图像三维重建；单体器官浇铸模具的设计与制作；单体器官材料的选择与制备以及单体器官的浇铸；单体器官装配；人体盆腔内环境模拟；完成了盆腔器官群实体模型的制作并进行了其力学性能的实验验证。本发明专利技术的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。

Method for making solid model of male pelvic organ group

The invention relates to a preparation method of male pelvic organ group entity model, through the pelvic organs of male group of medical image 3D reconstruction; design and fabrication of single organ casting mould; selection and preparation of single organ material preparation and single organ casting; single organ assembly; simulation environment of the human body in the pelvic cavity; complete make the solid model of the pelvic organ group and experimental verification of its mechanical properties. Male pelvic organ group entity model of the present invention in organ structure and mechanical properties of pelvic tissue and body situation is highly consistent, can be applied to the whole pelvic puncture force and deformation on the theory and simulation operation training, overcome the in vivo experiment by ethical and legal constraints, to fill the gaps in the pelvic organs group entity model of development technology, has a very broad application prospects in clinical medicine and experimental research.

【技术实现步骤摘要】
男性盆腔器官群实体模型的制作方法
本专利技术涉及解剖学、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。
技术介绍
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。本专利技术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。
技术实现思路
本专利技术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。本专利技术的技术方案如下：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MIMICSTM10.01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GeomagicStudio2012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：NaCl2.5～3.5(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：NaCl3～3.5(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：NaCl3～3.5(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MIMICSTM10.01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MIMICSTM10.01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GeomagicStudio2012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本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种男性盆腔器官群实体模型的制作方法,其特征是步骤如下：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。

【技术特征摘要】
1.一种男性盆腔器官群实体模型的制作方法,其特征是步骤如下：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。2.如权利要求1所述的方法,其特征是所述步骤1)采用核磁共振(MR)图像进行盆腔器官群三维重建。3.如权利要求1所述的方法,其特征是所述步骤1)采用MIMICSTM10.01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GeomagicStudio2012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。4.如权利要求1所述的方法,其特征是所述步骤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、肛提肌和直肠模具的加工制作。5.如权利要求1所述的方法,其特征是所述步骤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。6.如权利要求5所述的...

【专利技术属性】
技术研发人员：姜杉，李盼，梁东，杨志永，刘琬钰，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：天津,12