發(fā)布時(shí)間：2017-03-30 07:14

  本文關(guān)鍵詞：新型人體肝臟鑄型標(biāo)本的數(shù)字化制造研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：背景 肝臟是一個(gè)結(jié)構(gòu)極其復(fù)雜的活體器官,內(nèi)部四種不同功能的管道分布錯(cuò)綜復(fù)雜。肝臟內(nèi)部管道的解剖結(jié)構(gòu)以及各管道結(jié)構(gòu)之間的毗鄰關(guān)系,不僅是人體解剖學(xué)教學(xué)的重點(diǎn),也是肝膽外科醫(yī)生在手術(shù)中關(guān)注的內(nèi)容。通常我們了解肝臟內(nèi)部管道錯(cuò)綜復(fù)雜的解剖關(guān)系的途徑主要是通過(guò)查閱教科書資料,查看解剖圖譜,辨認(rèn)大體標(biāo)本等等。教科書通常是文字性描述較多,圖片較少,不能很好展示管道結(jié)構(gòu)的內(nèi)部細(xì)節(jié)信息。而解剖圖譜僅僅只有二維圖片信息,不能清晰的顯示肝臟內(nèi)部管道的三維空間位置關(guān)系。近年來(lái),隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展,肝臟管道結(jié)構(gòu)的三維可視化研究也越來(lái)越多。雖然這些模型可以通過(guò)進(jìn)行數(shù)字化顯示,它們?nèi)匀鄙賹?shí)體標(biāo)本的質(zhì)感。 肝臟解剖鑄型標(biāo)本可以用不同的顏色清晰直觀的顯示不同的管道結(jié)構(gòu),展示管道結(jié)構(gòu)的空間位置關(guān)系,管道分枝類型,不同肝臟管道的最大、最小直徑等等信息,目前已成為研究肝臟內(nèi)部管道結(jié)構(gòu)的一個(gè)比較普遍方法。盡管如此,兩個(gè)主要的因素限制了肝臟腐蝕鑄型標(biāo)本的擴(kuò)展應(yīng)用。首先,肝臟腐蝕鑄型的制作需要消耗大量的新鮮人體肝臟標(biāo)本。新鮮人體肝臟標(biāo)本的來(lái)源有限,決定了無(wú)法大量的制作此類鑄型標(biāo)本。與此同時(shí),由于醫(yī)學(xué)倫理學(xué)的限制,此類標(biāo)本禁止像其他商品一樣自由交易。不同醫(yī)學(xué)教育機(jī)構(gòu)之間的鑄型標(biāo)本無(wú)法很好的交流。此外,肝臟解剖鑄型標(biāo)本的結(jié)構(gòu)錯(cuò)綜復(fù)雜,使其無(wú)法通過(guò)如機(jī)械加工或模具加工方法諸如此類的傳統(tǒng)的工業(yè)制造方法加工復(fù)制出來(lái)。而且,傳統(tǒng)肝臟腐蝕鑄型標(biāo)本都是沒有肝實(shí)質(zhì)的,不能夠清晰直觀的顯示復(fù)雜管道結(jié)構(gòu)與周圍肝實(shí)質(zhì)的空間毗鄰位置關(guān)系。所有這些不足,極大的限制了肝臟腐蝕鑄型標(biāo)本的應(yīng)用。 由于空間結(jié)構(gòu)復(fù)雜,肝臟管道結(jié)構(gòu)無(wú)法使用傳統(tǒng)方法大量制作,快速成型技術(shù)可以克服這一限制,它能夠在短時(shí)間內(nèi)精確地把復(fù)雜的計(jì)算機(jī)虛擬模型轉(zhuǎn)變?yōu)閷?shí)體部件,經(jīng)過(guò)了幾十年的不斷發(fā)展,近年來(lái)快速成型技術(shù)廣泛的應(yīng)用在醫(yī)學(xué)各相關(guān)領(lǐng)域,并獲得滿意的成果�？焖俪尚图夹g(shù)分層自由曲面制造的特點(diǎn)使其能夠精確復(fù)制復(fù)雜的實(shí)體結(jié)構(gòu)。已有文獻(xiàn)報(bào)道利用快速成型技術(shù)制造出相關(guān)解剖模型。然而,這篇文獻(xiàn)僅提及一個(gè)相對(duì)簡(jiǎn)單的解剖結(jié)構(gòu),不能顯示錯(cuò)綜復(fù)雜的管道分支結(jié)構(gòu)。另有文獻(xiàn)報(bào)導(dǎo)利用快速成型三維打印技術(shù)復(fù)制出肺管道鑄型標(biāo)本。然而,復(fù)制出的肺鑄型標(biāo)本有易褪色,細(xì)小管道分支結(jié)構(gòu)易斷裂的明顯缺點(diǎn)。另外,復(fù)制出的肺鑄型標(biāo)本沒有周圍的肺實(shí)質(zhì),因而不能清晰直觀的展示肺管道結(jié)構(gòu)與肺實(shí)質(zhì)的解剖位置關(guān)系。目前,沒有相關(guān)利用快速成型技術(shù)進(jìn)行肝臟管道鑄型復(fù)制的研究。 因此,為了解決這些問題,在本實(shí)驗(yàn)中,我們將利用三維計(jì)算機(jī)重建技術(shù),快速成型技術(shù),模具制造技術(shù)開發(fā)一種新型的肝臟管道鑄型標(biāo)本并對(duì)其制造精確度進(jìn)行評(píng)估。這種新型的肝臟管道鑄型標(biāo)本不僅包含錯(cuò)綜復(fù)雜的肝臟內(nèi)部管道結(jié)構(gòu),還含有管道周圍的肝實(shí)質(zhì),使得該新型鑄型標(biāo)本既有良好的形態(tài)又有肝實(shí)質(zhì)的手感。 目的 鑒于倫理學(xué)原因及肝臟管道結(jié)構(gòu)復(fù)雜無(wú)法通過(guò)傳統(tǒng)工業(yè)方法大量制作,傳統(tǒng)肝臟鑄型標(biāo)本缺少外在實(shí)質(zhì)解剖信息等問題,我們將探索一種新型的肝臟鑄型標(biāo)本的制作方法并進(jìn)行精確性分析。 方法 1標(biāo)本制備 取新鮮的人體肝臟標(biāo)本一具(男性,58歲),利用聚甲基丙烯酸甲酯(牙托粉)混合5%的氧化鉛灌注肝靜脈及門靜脈。灌注完成后,使用福爾馬林溶液固定標(biāo)本。標(biāo)本制作完成后,利用飛利浦64排螺旋CT進(jìn)行斷層掃描,獲得的斷層圖像數(shù)據(jù)以標(biāo)準(zhǔn)DCIOM數(shù)據(jù)格式保存。數(shù)據(jù)經(jīng)兩位經(jīng)驗(yàn)豐富的影像醫(yī)生檢查排除生前相關(guān)肝病史。肝臟鑄型標(biāo)本數(shù)據(jù)集共有178張斷層圖片,層厚為0.705mm,每一像素點(diǎn)為0.55mm。以下內(nèi)容將分為兩個(gè)部分闡述：1.新型肝臟鑄型標(biāo)本的設(shè)計(jì)及其制造；2.新型肝臟鑄型標(biāo)本的制造精確性分析 1.新型肝臟鑄型標(biāo)本的設(shè)計(jì)及其制造 1.1肝臟管道鑄型的三維重建 將肝臟鑄型的掃描數(shù)據(jù)導(dǎo)入三維重建軟件Mimics14.11中,利用軟件中的“選定閾值”,“區(qū)域增長(zhǎng)”,“編輯”等功能分割提取出肝靜脈、門靜脈、肝實(shí)質(zhì)的輪廓信息,即生成對(duì)應(yīng)的“蒙板”,通過(guò)計(jì)算“蒙板”信息,生成對(duì)應(yīng)的三維模型,模型以不同的顏色顯示各自的生理功能,重建的三維模型以Virtual Reality Markup Language(. WRL)格式進(jìn)行保存。模型導(dǎo)入逆向工程軟件Geomagic studio2013中進(jìn)行后處理,以優(yōu)化模型。同時(shí),為了保證肝內(nèi)管道與肝實(shí)質(zhì)的精確的空間解剖關(guān)系,在Geomagic studio2013中設(shè)計(jì)了固定在門靜脈和肝靜脈管道末端的定位桿,獲得的帶有定位桿的肝管道模型以.WRL格式進(jìn)行保存。另外,由于肝段信息對(duì)于解剖教學(xué)及臨床應(yīng)用非常重要,我們?cè)贕eomagic studio2013中將帶有定位桿的肝管道模型分割為獨(dú)立的8個(gè)肝段模型,以.WRL格式進(jìn)行保存。 1.2肝實(shí)質(zhì)外殼模具設(shè)計(jì) 肝實(shí)質(zhì)三維模型導(dǎo)入快速成型軟件Magic4.0中,利用軟件中的“剖空部件”功能,將模型做成一個(gè)壁厚5mm的中空殼。為了保持肝實(shí)質(zhì)與肝管道的精確解剖關(guān)系,通過(guò)軟件”布爾操作“下的減法運(yùn)算,在中空殼上設(shè)計(jì)出與定位桿相對(duì)應(yīng)的定位孔。同時(shí),在中空殼上設(shè)計(jì)出透明材料的流入流出道。最后,將中空模型分割為可以開合的四個(gè)小模型,以STL格式進(jìn)行保存。 1.3肝臟管道鑄型模型及肝實(shí)質(zhì)外殼模型的快速成型制造 設(shè)計(jì)好的肝臟管道鑄型模型及肝實(shí)質(zhì)外殼模型導(dǎo)入到快速成型軟件ZPrinter7.10(3D systems, Rock Hill, SC)中,軟件自動(dòng)將模型拆分為層厚為0.0875mm的薄層數(shù)據(jù),薄層數(shù)據(jù)傳入Spectrum ZTM510(3D systems, RockHill, SC)24位彩色高分辨率三維打印機(jī)。三維打印機(jī)使用高性能復(fù)合材料ZP150通過(guò)逐層打印,制造實(shí)體模型。實(shí)體模型制造完成后,小心的將模型從成型機(jī)內(nèi)取出。取出的模型經(jīng)過(guò)后處理后就可以得到我們所需要的實(shí)體模型。后處理是模型處理的一個(gè)關(guān)鍵步驟,主要操作為一點(diǎn)點(diǎn)除去模型表面的粉末及利用固化膠水將模型滲透以加強(qiáng)實(shí)體模型的強(qiáng)度。然后采用進(jìn)口固化膠水Z-bond90(3D systems, Rock Hill, SC)對(duì)模型表面進(jìn)行滲透固化,待模型表面膠水完全干透后,模型制備完成。 I.4采用模具技術(shù)的新型肝臟鑄型標(biāo)本的制備 制造完備的肝管道實(shí)體模型與肝實(shí)質(zhì)外殼模具實(shí)體模型通過(guò)設(shè)計(jì)好的固定桿和相應(yīng)的固定孔進(jìn)行裝配。透明蠟,由一定比例的固體石蠟混合熱塑性丁苯橡膠而成,一般多用來(lái)制作工藝蠟燭,刷選出作為鑄模材料來(lái)生產(chǎn)新型肝臟鑄型模型。透明蠟加熱后,注入模具內(nèi),放置陰涼干燥處冷卻,待融化的透明蠟完全冷卻固化后,小心的分開模具,新型的肝臟管道鑄型標(biāo)本制作完成。 2.新型肝臟鑄型標(biāo)本的精確性分析 2.1新型肝臟管道鑄型的三維重建 新型肝臟管道鑄型完成后,使用同一臺(tái)CT機(jī)設(shè)置同樣的掃描參數(shù)對(duì)模型進(jìn)行掃描。獲得數(shù)據(jù)后,使用相同的方法,重建出新型肝臟管道鑄型的三維模型,輸出STL格式備用。2.2制造精度的分析 新型肝臟管道鑄型的制造精確性利用逆向工程分析軟件Geomagic Qualify2013(Geomagic, Inc.Morrisville,NC)來(lái)進(jìn)行分析。將新型肝臟管道鑄型和初始肝臟管道鑄型三維數(shù)據(jù)導(dǎo)入Geomagic軟件,初始肝臟管道鑄型模型設(shè)置為對(duì)照,新型肝臟管道鑄型模型設(shè)置為測(cè)試,計(jì)算出新型肝臟管道鑄型的偏差及偏差分布情況。通過(guò)偏差分布熱力云圖、偏差分布直方圖來(lái)評(píng)估制造精度。 結(jié)果 1.將灌注好的肝臟管道鑄型標(biāo)本進(jìn)行CT掃描,成功獲取高質(zhì)量的掃描圖像,通過(guò)Mimics v14.11軟件重建出精確地三維模型； 2.利用Geomagic studio2013及Magic4.0軟件設(shè)計(jì)帶有定位桿的肝臟管道模型以及帶有匹配定位孔的中空肝實(shí)質(zhì)殼模具模型； 3.利用快速成型技術(shù)及模具技術(shù)制造出帶有透明模擬肝實(shí)質(zhì)外形的實(shí)體肝臟管道模型； 4.將新型肝臟管道鑄型再次進(jìn)行CT掃描,三維重建后,與初始肝臟管道鑄型模型一起導(dǎo)入Geomagic Qualify2013軟件中,分析制造誤差�？焖俪尚透闻K管道鑄型模型的平均偏差值：0.60±0.50mm,透明果凍蠟肝實(shí)質(zhì)外形的平均偏差值：2.54±2.25mm。 結(jié)論： 5.新型的肝臟管道鑄型細(xì)節(jié)豐富,易于保存并且精度高�？梢詮V泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)教育,科學(xué)研究及其臨床等領(lǐng)域。
【關(guān)鍵詞】：鑄型標(biāo)本 三維重建 快速成型制造 模具制造
【學(xué)位授予單位】：南方醫(yī)科大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號(hào)】：R322
【目錄】：

• 摘要3-8
• ABSTRACT8-16
• 前言16-19
• 參考文獻(xiàn)17-19
• 第一章 新型肝臟管道鑄型標(biāo)本的設(shè)計(jì)和制造19-41
• 1 引言19-20
• 2 材料與方法20-25
• 2.1 材料20
• 2.2 方法20-25
• 3 結(jié)果25-28
• 4 討論28-36
• 4.1 新型肝臟管道鑄型標(biāo)本的應(yīng)用意義28-30
• 4.2 新型肝臟管道鑄型模型的設(shè)計(jì)與制造原理30-33
• 4.3 新型肝臟管道鑄型模型設(shè)計(jì)制造中的注意事項(xiàng)33-36
• 5 結(jié)論36
• 參考文獻(xiàn)36-41
• 第二章 新型肝臟管道鑄型標(biāo)本的制造精確性分析41-51
• 1 引言41-42
• 2 材料與方法42-44
• 2.1 材料42
• 2.2 方法42-44
• 3 結(jié)果44-45
• 4 討論45-47
• 5 結(jié)論47-48
• 參考文獻(xiàn)48-51
• 全文小結(jié)51-52
• 中英文對(duì)照縮略詞表52-53
• 攻讀碩士學(xué)位期間成果53-54
• 致謝54-56

【參考文獻(xiàn)】

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  本文關(guān)鍵詞：新型人體肝臟鑄型標(biāo)本的數(shù)字化制造研究，，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

本文編號(hào)：276522