一种心脏瓣膜模型及其制作方法

1.本技术涉及医疗器械技术领域，具体涉及一种心脏瓣膜模型及其制作方法。


背景技术：

2.目前，心脏瓣膜病是最常见的心血管疾病之一，通常需要外科手术干预。随着医疗技术及器械的不断发展，心脏瓣膜病的治疗方式也不断更新，手术路径从经胸、经胸腔镜到经导管治疗，手术方式从瓣膜置换到瓣膜成形术。因此，对于不同患者的病理解剖进行详细的术前评估、选择合适的手术路径、以及制定最佳的手术方案显得尤为重要。另外，手术方案的选择与操作者的临床经验密切相关，对于不同年资的心血管专科医生，熟练掌握外科手术往往需要一个陡峭的学习曲线，不同术式难易程度也不相同。
3.相关技术中，患者的术前评估主要依赖于影像学检查，无法实现术前操作的模拟。即使通过市面上已有的心脏模型进行术前操作的模拟，由于该心脏模型通常为正常的解剖模型以及模型材料的限制，仍然无法实现个体化病理解剖再现，进而也无法实现仿真的操作模拟，因此，并不能帮助选择合适的手术方案。


技术实现要素：

4.针对现有技术中存在的缺陷之一，本技术的目的在于提供一种心脏瓣膜模型及其制作方法，以解决相关技术中无法实现个体化病理解剖再现，进而也无法实现仿真的操作模拟的问题。
5.本技术第一方面提供一种心脏瓣膜模型的制作方法，其包括步骤：
6.获取指定的患者的心脏瓣膜的医学图像数据，基于上述医学图像数据构建心脏瓣膜的数字模型；
7.将上述数字模型轮廓向外均匀扩充预设厚度，得到扩充模型后，对上述数字模型和扩充模型执行布尔减法运算，得到中空的模具模型，且上述模具模型具有灌注入口和排气口；
8.将上述模具模型导入3d打印机，采用可溶性材料进行打印，得到心脏瓣膜模具；
9.配置仿真材料，并灌注至上述心脏瓣膜模具，待上述仿真材料固化后，溶解上述心脏瓣膜模具，得到心脏瓣膜仿真模型。
10.一些实施例中，上述仿真材料包括按照一定比例混合的硅胶、羟乙基纤维素凝胶、二甲基硅油、可溶性淀粉和固化剂。
11.一些实施例中，上述仿真材料按重量份包括：硅胶100份、羟乙基纤维素凝胶5-15份、二甲基硅油3-7份、可溶性淀粉0.5-2份、固化剂1-1.5份。
12.一些实施例中，上述配置仿真材料，具体包括：
13.取100份硅胶、5份二甲基硅油、10份羟乙基纤维素凝胶和1份可溶性淀粉，均匀搅拌混合后，得到混合液；
14.在上述混合液中加入1.2份固化剂，均匀搅拌混合后立即放入真空脱泡机中，抽真
空至无气泡产生，得到上述仿真材料。
15.一些实施例中，上述羟乙基纤维素凝胶的制备过程包括：
16.将羟乙基纤维素按照1.5％浓度溶于水，并搅拌至粘稠状，形成羟乙基纤维素凝胶。
17.一些实施例中，上述羟乙基纤维素凝胶为3万粘度。
18.一些实施例中，上述固化剂为硅胶固化剂。
19.一些实施例中，待上述仿真材料固化后，溶解上述心脏瓣膜模具，具体包括：
20.将内部仿真材料固化后的心脏瓣膜模具浸泡于水中，至上述心脏瓣膜模具完全溶解，得到心脏瓣膜仿真模型。
21.一些实施例中，得到心脏瓣膜仿真模型之后，还包括：
22.将上述心脏瓣膜仿真模型浸泡于含有10％丙二醇的去离子水中进行保存。
23.本技术第二方面提供一种心脏瓣膜模型，上述心脏瓣膜模型由上述的制作方法制作得到。
24.本技术提供的技术方案带来的有益效果包括：
25.本技术的心脏瓣膜模型及其制作方法，获取指定的患者的心脏瓣膜的医学图像数据，构建指定患者的心脏瓣膜的数字模型后，可将数字模型轮廓向外均匀扩充预设厚度，得到扩充模型，进而对数字模型和扩充模型执行布尔减法运算，得到中空的模具模型；再将模具模型导入3d打印机，采用可溶性材料打印得到心脏瓣膜模具后，将配置好的仿真材料灌注至心脏瓣膜模具，待仿真材料固化后，溶解心脏瓣膜模具，即可得到心脏瓣膜仿真模型；本技术的制作方法可实现个体化病理解剖再现，且利用上述方法制作得到的心脏瓣膜仿真模型，不仅可作为临床医生术前手术模拟和手术培训的仿真模型，真实直观地反映瓣膜的病理解剖结构，还有助于疾病的正确认识及选择合理的手术方案，有利于提高手术一次成功率。
附图说明
26.为了更清楚地说明本技术实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
27.图1为本技术实施例的心脏瓣膜模型的制作方法的流程图；
28.图2为本技术实施例的二尖瓣仿真模型固定在手术模拟操作台上的示意图。
29.附图标记：
30.1、二尖瓣仿真模型；2、法兰盘；3、可调支撑杆；4、操作台底座；5、调节旋钮。
具体实施方式
31.为了使本技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
32.本技术实施例提供一种心脏瓣膜模型的制作方法，其能解决相关技术中无法实现个体化病理解剖再现，进而也无法实现仿真的操作模拟的问题。
33.如图1所示，本技术实施例的心脏瓣膜模型的制作方法，包括以下步骤：
34.s1.获取指定的患者的心脏瓣膜的医学图像数据，基于上述医学图像数据构建心脏瓣膜的数字模型。其中，上述心脏瓣膜可为指定患者的二尖瓣、主动脉瓣、三尖瓣或肺动脉瓣。
35.本实施例中，获取用于手术模拟的心脏瓣膜的医学图像数据，即3d打印数据源后，即可使用计算机软件构建医学图像数据中心脏瓣膜的数字三维模型。其中，医学图像数据的采集选择对瓣膜分辨率更高的经食道超声数据。
36.s2.将上述数字模型轮廓向外均匀扩充预设厚度，得到扩充模型后，对上述数字模型和扩充模型执行布尔减法运算，得到中空的模具模型，且上述模具模型具有灌注入口和排气口。
37.其中，将模具模型设计为空腔模具，有利于采用铸模成型法进行成型。将模具模型的两端设计灌注入口和排气口，可便于仿真材料的注入和残余气体的排出。
38.s3.将上述模具模型导入3d打印机，采用可溶性材料进行打印，得到心脏瓣膜模具。
39.其中，以水溶性材料打印得到心脏瓣膜模具，可便于后续心脏瓣膜模具与心脏瓣膜仿真模型的分离。
40.s4.配置仿真材料，并灌注至上述心脏瓣膜模具，待上述仿真材料固化后，溶解上述心脏瓣膜模具，得到心脏瓣膜仿真模型，且其手感与实体心脏瓣膜手感相似。
41.其中，上述仿真材料的固化时间至少为3h。
42.本实施例的制作方法，获取指定的患者的心脏瓣膜的医学图像数据，构建指定患者的心脏瓣膜的数字模型后，可将数字模型轮廓向外均匀扩充预设厚度，得到扩充模型，进而对数字模型和扩充模型执行布尔减法运算，得到中空的模具模型；再将模具模型导入3d打印机，采用可溶性材料打印得到心脏瓣膜模具后，将配置好的仿真材料灌注至心脏瓣膜模具，待仿真材料固化后，溶解心脏瓣膜模具，即可得到心脏瓣膜仿真模型；本技术的制作方法能够对不同病变的心脏瓣膜进行解剖结构再现，直观地评估其病变部位及程度，且利用上述方法制作得到的心脏瓣膜仿真模型，不仅可作为临床医生术前手术模拟和手术培训的仿真模型，真实直观地反映瓣膜的病理解剖结构，还有助于疾病的正确认识及选择合理的手术方案，有利于提高手术一次成功率。
43.可选地，基于上述医学图像数据构建心脏瓣膜的数字模型，具体包括：
44.首先，将上述采集到的医学图像数据以dicom格式导入三维建模软件mimics，利用mimics中交互式多平面重建成像功能对心脏瓣膜的瓣环进行标记，并得到三个断面的dicom图像。
45.其次，调整dicom图像的灰度值，使心脏瓣膜组织与周围腔室组织分辨率最大。
46.然后，根据dicom图像设定阈值范围(即图像灰度值的上限和下限)，以保留所有灰度值在上下限之间的像素点，通常为80-250，使该范围包括心脏瓣膜结构，该阈值范围可根据病人具体图像进行微调；此时，由于上下限之间可能包含一些除心脏瓣膜结构以外的结构，因此还需再确定三维构建的范围，以将范围进一步缩小，即调整取样框大小，并包含作
为目标的心脏瓣膜结构。
47.最后，使用3d预览模式，可见三维构建的瓣膜模型，利用软件的去除功能沿着标记的瓣环移除心脏瓣膜以外的结构，同时对于缺失的部分对照三个断面图像使用绘图功能进行手动编辑。模型3d计算后再进行光滑、降噪处理，可得到处理后的心脏瓣膜的数字模型。
48.在上述实施例的基础上，本实施例中，上述仿真材料包括按照一定比例混合的硅胶、羟乙基纤维素凝胶、二甲基硅油、可溶性淀粉和固化剂。
49.其中，由于硅胶与真实瓣膜材料性能相似，因此，采用硅胶作为主要成分；二甲基硅油可增加仿真材料整体的柔软性；羟乙基纤维素凝胶和可溶性淀粉可起到增稠作用和保水作用；固化剂可促进各组分的凝固。
50.优选地，上述心脏瓣膜仿真材料按重量份包括：硅胶100份、羟乙基纤维素凝胶5-15份、二甲基硅油3-7份、可溶性淀粉0.5-2份、固化剂1-1.5份。
51.在上述实施例的基础上，本实施例中上述配置仿真材料，具体包括以下步骤：
52.首先，室温下，取100份硅胶(邵氏a硬度10)、3-7份二甲基硅油、5-15份羟乙基纤维素凝胶和0.5-2份可溶性淀粉，顺时针均匀搅拌混合后，得到混合液。
53.然后，在上述混合液中加入1-1.5份固化剂，均匀搅拌混合后立即放入真空脱泡机中，抽真空至无气泡产生，得到上述仿真材料。
54.优选地，上述配置仿真材料，具体包括以下步骤：
55.首先，取100份硅胶、5份二甲基硅油、10份羟乙基纤维素凝胶和1份可溶性淀粉，均匀搅拌混合后，得到混合液。
56.然后，在上述混合液中加入1.2份固化剂，均匀搅拌混合后立即放入真空脱泡机中，抽真空至无气泡产生，得到上述仿真材料。
57.可选地，抽真空的时间为5min左右即可。
58.优选地，上述羟乙基纤维素凝胶的制备过程，具体包括：
59.将羟乙基纤维素按照1.5％浓度溶于水，并搅拌至粘稠状，形成羟乙基纤维素凝胶。
60.本实施例中，可采用磁力搅拌器不断搅拌约20min，达到完全浓稠，形成羟乙基纤维素凝胶。
61.本实施例中，上述羟乙基纤维素凝胶为3万粘度。
62.优选地，上述固化剂为硅胶固化剂，以加快上述仿真材料的固化成型。
63.在上述实施例的基础上，本实施例中，上述步骤s4的待上述仿真材料固化后，溶解上述心脏瓣膜模具，具体包括以下步骤：
64.将内部仿真材料固化后的心脏瓣膜模具浸泡于水中，至上述心脏瓣膜模具完全溶解，得到心脏瓣膜仿真模型。
65.优选地，上述步骤s4的得到心脏瓣膜仿真模型之后，还包括以下步骤：
66.将上述心脏瓣膜仿真模型浸泡于含有10％丙二醇的去离子水中进行保存，以防止心脏瓣膜仿真模型脱水干燥，导致性状发生变化。
67.具体地，以二尖瓣为例，该二尖瓣模型的制作方法具体包括以下步骤：
68.a1.医学图像数据采集：采用超声诊断仪，经食管相控阵容积探头于食管中段并调整探头角度及深度，使二尖瓣垂直于声束方向以减少回声失落；将二尖瓣完整纳入取样框，
调整图像增益，使用三维成像，采集二尖瓣全容积图像存入工作站中，得到二尖瓣的医学图像数据；
69.a2.完成二尖瓣数字模型的构建、模具的设计并打印：使用三维建模软件对二尖瓣进行阈值分割、多平面重建等操作，得到原始的数字模型，再应用后处理软件行布尔运算等处理，以获取中空的二尖瓣模具模型，此时，中空的二尖瓣模具模型还需设计灌注入口和排气口与模具空腔相连。将模具模型以stl格式导入3d打印机，使用可溶性材料聚乙烯醇(polyvinyl alcohol，pva)打印，得到二尖瓣模具；
70.其中，将二尖瓣的数字模型导入3-matic，使用“均匀移动”功能在数字模型的基础上均匀向外扩充2mm，再使用“布尔减法运算”，将两者相减即可得到二尖瓣模具模型。此时，2mm即为打印的模具厚度，该厚度可根据实际需求进行设置。
71.a3.将硅胶、羟乙基纤维素凝胶、二甲基硅油、可溶性淀粉和固化剂按照一定比例混合脱泡后，得到二尖瓣的仿真材料，再使用注射器抽取适量，从灌注入口注入二尖瓣模具中，且仿真材料中残余气体可通过排气口排出，待仿真材料固化后，将二尖瓣模具浸泡于水中，pva模具溶解后可得到软质仿真的二尖瓣仿真模型。
72.如图2所示，此时，即可将二尖瓣仿真模型1固定在手术模拟操作台上，以进行外科模拟操作。
73.本实施例中，上述手术模拟操作台包括法兰盘2、可调支撑杆3和操作台底座4。
74.二尖瓣仿真模型1固定在法兰盘2上，法兰盘2通过可调支撑杆3设置在操作台底座4上，可调支撑杆3上设有调节旋钮5，通过调节旋钮5可调整可调支撑杆3的高度和角度，进而调节法兰盘2的高度和角度。
75.可选地，设置一开设有中心孔的硅胶膜，将二尖瓣仿真模型1嵌设在硅胶膜的中心孔处，然后将固定有二尖瓣仿真模型1的硅胶膜通过固定旋钮固定在法兰盘2周向的开孔上。
76.本技术实施例还提供一种心脏瓣膜模型，上述心脏瓣膜模型由上述的任一制作方法制作得到。
77.本实施例的心脏瓣膜模型，不仅可作为临床医生术前手术模拟和手术培训的仿真模型，真实直观地反映瓣膜的病理解剖结构，还可为心脏瓣膜病患者手术方案的选择提供依据，有助于疾病的正确认识及选择合理的手术方案。
78.在本技术的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本技术的限制。除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本技术中的具体含义。
79.需要说明的是，在本技术中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那
些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
80.以上仅是本技术的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本技术。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本技术的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本技术将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所申请的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。