本發明屬于醫療領域，特別地涉及一種人體實質器官模型制備方法。

背景技術：

人體實質器官是指具有彈性且富含管道的器官，主要包括肝臟、胰腺、肺、腎臟、心臟等。其中肝臟包括肝實質、膽管、肝動脈、門靜脈和肝靜脈；胰腺包括胰腺組織和胰管；脾臟包括脾實質、脾動脈和脾靜脈；肺包括肺泡組織、支氣管、肺動脈和肺靜脈；腎臟包括腎實質、腎盞、腎動脈和深靜脈；心臟包括心肌、瓣膜、冠狀動脈等。由于種種原因，上述的人體實質器官可能會出現各種疾病，需要對其進行手術。由于這些人體實質器官是非透明的，無法觀察到其內部的管道與病灶處于人體內部，因此手術切除存在較大的難度，對于某些手術而言難度較大，為了盡可能保證患者手術安全，需要在外科手術前進行手術規劃。目前這些器官的外科手術規劃主要是醫生在術前根據二維的影像學圖片在腦中還原成三維圖像，其還原效果嚴重依賴醫生的解剖學和影像學閱片水平。因此，在術前能有病人的三維器官模型用于手術預演就非常有必要。

當前手術預演主要是基于計算操作的，醫生在術前利用病人醫學影像學數據進行三維重建，然后再在軟件環境中對三維模型進行虛擬手術操作，該方法的局限性是醫生在虛擬操作時不能全局多角度的觀察操作過程，直觀性不夠，并且在模擬過程中醫生的手沒有實際手術過程中的力反饋，無法感受力度。

有人用3D打印技術對器官的三維模型進行直接打印，但是由于實質器官包含的組件多，以肝臟為例，要同時打印肝實質、肝動脈、門靜脈，肝靜脈、膽管和腫瘤肝實質、血管、腫瘤等，這些必須是具有不同顏色的材料，并且打印肝實質的材料要求是透明的，滿足這樣要求的多材料、多噴頭3D打印機價格驚人、打印耗材貴、打印速度慢，因此缺乏推廣價值，并且打印的耗材都是功能性材料、強度高、剛度大、切割性差，只能用于觀察，很難在模型上進行實際的手術切割操作。

技術實現要素：

本發明要解決的技術問題是提供了一種人體實質器官模型制備方法，通過本方法能夠得到人體實質器官模型的基質為水凝膠溶液，且其內包含各種不同顏色的器官組件的實體模型，本發明制成的人體實質器官模型透明度高、切割性好、具有一定的彈性，非常適用于醫生在上面進行手術預演，制定手術方案，從而縮短手術時間，降低手術風險；同時也非常適用于醫療教學領域進行演示。

為解決上述技術問題，本發明采用如下的技術方案。

一種人體實質器官模型制備方法，包括如下步驟：

S1.獲取人體實質器官的圖像數據，其中，人體實質器官包括器官實質以及若干組件。

S2.根據人體實質器官的圖像數據，通過計算機建立其三維數字模型。

S3.根據人體實質器官的三維數字模型，制作器官實質的外膜的三維數字模型。

S4.根據器官實質的外膜的三維數字模型以及人體實質器官的各組件的三維數字模型，使用3D打印機打印出器官實質的外膜的實體模型以及人體實質器官的各組件的實體模型。

S5.將人體實質器官的各組件的實體模型安裝在器官實質的外膜的實體模型上。

S6.向器官實質的外膜的實體模型內灌入水凝膠溶液。

S7.待水凝膠溶液冷卻凝膠后，移除外膜的實體模型，從而得到帶有各組件的人體實質器官的實體模型。

一優選實施例中，步驟S1包括，采用醫用的CT或MRI醫學圖像采集設備掃描實體的人體的實質器官，以獲取人體實質器官的圖像數據。

一優選實施例中，器官實質的外膜的三維數字模型與實體模型相對應，且均采用模塊化設置。

一優選實施例中，器官實質的外膜的三維數字模型與實體模型上均設有安裝孔和澆灌口。

一優選實施例中，打印出器官實質的外膜的實體模型后，在外膜的模塊化實體模型內表面涂抹凡士林，并將外膜的實體模型的各模塊粘接在一起，從而形成中空的外膜的實體模型。

一優選實施例中，按照人體實質器官的結構，利用所述安裝孔將人體實質器官的各組件的實體模型安裝在器官實質的外膜的實體模型上。

一優選實施例中，所述方法還包括：使用3D打印機打印出器官實質的外膜的實體模型以及人體實質器官的各組件的實體模型后，將各實體模型放入清洗溶液中進行超聲清洗。

一優選實施例中，所述方法還包括：將各實體模型放入清洗溶液中進行超聲清洗后，對人體實質器官的各組件使用不同顏色的油性漆進行著色以實現區分。

一優選實施例中，若干所述組件包括管道和腫瘤。

一優選實施例中，水凝膠溶液冷卻至50℃以凝膠。

采用本發明具有如下的有益效果：

1、本發明得到的人體實質器官模型的基質為水凝膠溶液，透明度高、切割性好、具有一定的彈性，非常適用于醫生在上面進行手術預演，制定手術方案，從而縮短手術時間，降低手術風險，同時也非常適用于醫療教學領域，方便學生直觀了解人體實質器官的組成結構；

2、本發明需要3D打印的材料體積小，并且各個部件可以多機同時打印，因此打印時間短，從而整體模型制備快，縮短病人手術等待時間；

3、本發明在實質器官的外科手術預演上應用價值大，存在海量的潛在客戶，市場應用前景廣闊。

附圖說明

通過閱讀參照以下附圖對非限制性實施例所作的詳細描述，本發明及其特征、外形和優點將會變得更明顯。在全部附圖中相同的標記指示相同的部分。并未刻意按照比例繪制附圖，重點在于示出本發明的主旨。

圖1為本發明提供的一種人體實質器官模型制備方法的流程圖；

圖2為采用一實施例中制備出的部分器官實質的外膜的實體模型組裝圖；

圖3為本發明在一實施例中將人體實質器官的各組件安裝在器官實質的外膜的實體模型內的示意圖；

圖4為本發明在一實施例中制備出的包含各組件的人體實質器官的模型示意圖。

具體實施方式

下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒景l明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發明保護的范圍。

本發明提供了一種人體實質器官模型制備方法，參照圖1所示，包括如下步驟：

步驟S1，獲取人體實質器官的CT(Computed Tomography，電子計算機斷層掃描)或MRI(Megnectic Resonance Imaging，磁共振造影)圖像數據，其中，人體實質器官包括器官實質以及若干組件(包括管道和腫瘤)。其中，所述的器官實質可包括肝臟、胰腺、肺、腎臟、心臟等實質器官。下文以制備肝臟的人體實質器官模型為例進行進一步的說明，那么該人體實質器官模型包括肝實質以及位于肝實質內外的膽管、肝動脈、門靜脈、肝靜脈和腫瘤等組件。在本發明一可選的實施例中，采用醫用的CT或MRI醫學圖像采集設備掃描實體的人體實質器官，以獲取人體實質器官的圖像數據(包括形狀和位置參數數據)。

步驟S2，根據人體實質器官的CT或MRI圖像數據，建立人體實質器官的三維數字模型。本發明一可選的實施例中，在通過醫學圖像采集設備對人體實質器官進行掃描后，可將獲取的數據直接導入到醫學三維處理軟件中進行三維重建，以建立人體實質器官的三維數字模型。

步驟S3，根據建立的人體實質器官的三維數字模型，制作器官實質的外膜的三維數字模型。完成步驟S2后，可選地將醫學三維處理軟件建立的人體實質器官的三維數字模型導入到三維建模軟件中，生成器官實質的外膜的三維數字模型。需要說明的是，在三維建模軟件中建立的器官實質的外膜的三維數字模型與實體模型相對應，且均采用模塊化設置，在具體的實施例中，該器官實質的外膜的三維數字模型可以由2個或2個以上的模塊組合而成，且將這些模塊組合完成之后，其內部構成了一空腔，該空腔的形狀大小與人體實質器官(例如肝實質)的形狀大小相對應，換而言之，該人體實質器官正好能夠填充該空腔。參照圖2所示，示出了采用3D打印技術的打印出的器官實質的外膜的三維數字模型的局部圖，為圖示方便，圖2僅示出了位于右半側的模塊1.6和模塊1.7的組裝圖，在圖中，模塊1.6和模塊1.7模塊的內表面有對應肝臟輪廓的凹陷，在將全部模塊完全組裝在一起后，中部構成的空腔正好與需要制備的實質器官相對應。此外，在器官實質的外膜的三維數字模型時，需要在外表面設預留澆灌口10，且在其內表面設置有安裝孔(未示出)，其中，澆灌口10用于后續澆灌填充材料(即水凝膠溶液)，安裝孔用于后續將器官實質內各組件的實體模型固定在器官實質的外膜的實體模型上。

步驟S4，根據器官實質的外膜的三維數字模型以及人體實質器官的各組件的三維數字模型，使用3D打印機打印出器官實質的外膜的實體模型以及人體實質器官的各組件的實體模型?？蛇x的，將三維建模軟件建立的器官實質的外膜的三維數字模型，以及醫學三維處理軟件建立的人體實質器官的各組件的三維數字模型，以STL格式導入到3D打印機，以PLA(聚乳酸)或ABS(Acrylonitrile Butadiene Styrene，丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物)為原料，按照1∶1比例進行3D打印，制備形成器官實質的外膜的實體模型以及人體實質器官的各組件的實體模型。本發明采用3D打印外模再灌注的方法，器官外模和器官的相應組件可以使用普通的PLA或ABS材料，打印機和耗材成本低，從而大大降低模型制作成本。本發明需要3D打印的材料體積小，并且各個部件可以多機同時打印，例如肝臟外膜的三維模型和膽管、肝動脈、門靜脈、肝靜脈和腫瘤的三維數字模型可以同時打印，因此打印時間短，從而整體模型制備快，縮短病人手術等待時間。

此外，在打印完成后，將打印完的各個部件放入清洗溶液中進行超聲清洗，去除支撐材料，進而最終得到器官實質的外膜的實體模型以及人體實質器官的各組件的實體模型。由于在三維建模軟件中建立的器官實質的外膜的三維模型是由2個或2個以上的模塊組合而成，因此打印出的器官實質的外膜的實體模型也具有2個或2個以上獨立的模塊，通過將這些模塊拼裝在一起，即為器官實質的外膜的三維模型。

可選的，在打印出肝臟內各組件的三維模型后，分別對不同的組件進行著色，并保證各組件的顏色不相同。在一可選的實施例中，可以對膽管、肝動脈、門靜脈、肝靜脈和腫瘤用不同顏色的不褪色油性漆進行上漆，以區分各個組件，使得人眼能夠更加直觀的觀察到實質器官內的不同的組件位置，為手術模擬和醫療教學提供便利。

步驟S5，將人體實質器官的各組件的實體模型安裝在器官實質的外膜的實體模型上。在一可選的實施例中，首先在器官實質的外膜的實體模型內壁表面涂上凡士林，之后按照人體實質器官的內部結構和位置，利用安裝孔將人體實質器官的各組件的實體模型安裝在器官實質的外膜的實體模型上，并通過加玻璃膠進行粘接固定，最后將器官實質的外膜的實體模型的各模塊用玻璃膠拼裝在一起。在一可選的實施例中，如圖3所示，例如將步驟S4中得到的膽管、肝動脈4、門靜脈3、肝靜脈2和腫瘤5安裝在肝臟實質外膜的實體模型上后，將器官實質的外膜的實體模型的5個模塊(包括模塊1.1、模塊1.2、模塊1.3、模塊1.4和模塊1.5)拼裝在一起后，形成一個完整、中空、內部包含膽管、肝動脈4、門靜脈3、肝靜脈2和腫瘤5的肝臟模型。

步驟S6，向器官實質的外膜的實體模型內灌入水凝膠溶液。具體的，首先配置一定溫度的水凝膠溶液，待水凝膠溶液冷卻一點溫度后從澆灌口倒入肝臟模型中，直至將器官實質的外膜的實體模型內的空間完全充滿。其中可選的，配置的水凝膠溶液溫度在80～100℃內較佳，并等到其降溫到40～60℃進行澆灌；進一步優選的，配置的水凝膠溶液溫度為90℃，以及待水凝膠溶液溫度降到50℃時，從澆灌口灌入至器官實質的外膜的實體模型內。

步驟S7，待水凝膠溶液冷卻凝膠后，移除外膜的實體模型，從而得到人體實質器官的實體模型。在一可選的實施例中，用刀沿著外膜的實體模型的連接縫進行切割，去除各個外模的模塊，最終得到肝實質1為透明的，里面包含各個顏色的膽管、肝動脈4、門靜脈3、肝靜脈2和腫瘤5的肝臟模型，如圖4所示。其中，由于在灌入水凝膠溶液之前，先在外膜的實體模型內壁涂覆了一層凡士林材料，而凡士林是一種烷系烴或飽和烴類半液態的混合物，俗稱礦脂，在水凝膠溶液冷卻凝膠并移除外膜的實體模型時，外膜的實體模型與水凝膠溶液中間的凡士林可以使得外膜的實體模型與水凝膠溶液之間能夠很容易分離開來，進而避免在拆卸外膜的實體模型的過程中，水凝膠溶液容易粘附在外膜的實體模型上，進而影響實質器官的完整性。

綜上所述，由于本發明采用了上述的技術方案，通過3D打印技術打印出具有空腔的外膜的實體模型，該外膜的實體模型的空腔輪廓與人體器官實質輪廓相同，在將同樣采用3D打印技術打印出的器官組件安裝在人體實質器官的外膜的實體模型上后，灌入水凝膠溶液并冷卻后，拆除外膜的實體模型，最終得到基質為水凝膠溶液，里面包含各個顏色的器官組件的肝臟模型，該肝臟模型透明度高、切割性好、具有一定的彈性，非常適用于進行手術模擬和教學。本發明提供的制備方法簡單可行，成本較低，適合在醫療和教學領域推廣使用。

應當理解，本文所述的示例性實施例是說明性的而非限制性的。盡管結合附圖描述了本發明的一個或多個實施例，本領域普通技術人員應當理解，在不脫離通過所附權利要求所限定的本發明的精神和范圍的情況下，可以做出各種形式和細節的改變。